浙江省铜山源水库水体偏碱污染成因研究.pdf
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1、第54卷第8 期2023年8 月文章编号:10 0 1-417 9(2 0 2 3)0 8-0 0 6 7-0 9引用本文:钱旭,蔡梅,王元元,等.浙江省铜山源水库水体偏碱污染成因研究J.人民长江,2 0 2 3,54(8):6 7-7 5.人民长江YangtzeRiverVol.54,No.8Aug.,2023浙江省铜山源水库水体偏碱污染成因研究钱旭,蔡梅,王元元,白君瑞(太湖流域管理局水利发展研究中心,上海2 0 0 434)摘要:针对中国东南丘陵地区水库出现不同程度的水质偏碱,部分水库在局部时段内水体pH值指标频繁超出地表水质量标准的问题,以浙江衢州大(2)型水库铜山源水库为例,实施水质
2、监测和水生态调查。通过水文、气象、水质、水生态指标之间的相关性分析,揭示了自然环境本底水质、关键气象水文过程、外源污染以及藻类生长对水库水质偏碱污染的影响机制。结果表明:铜山源水库水体偏碱污染具有长期性的特征,且在每年的48 月偏碱现象最为严重。水库周边自然环境下的本底水质偏碱,铜山源水库入库河流水体pH值高达8.0 2 8.47,局部时段高于地表水标准值。库区水体pH值指标与水温、DO、营养性物质(TP、T N)、叶绿素a等指标在一定程度上随着时间变化呈现出同步升降的正相关性。pH值变化受多种因素的综合影响,主要表现为直接或间接地促进藻类光合作用增强,导致光合作用效应大于水体水生动植物的呼吸
3、作用,从而导致水体偏碱污染。关键词:水库污染;pH值;藻类;溶解氧;叶绿素a;铜山源水库中图法分类号:X131.20引言近年来,水库逐渐成为城镇生产、生活用水的重要来源之一,尤其是中国东南沿海省市,水库型水源地日益成为经济社会可持续发展的重要保障。然而,中国地表湖库近年来多发生水体偏碱污染现象,北方地区天津市的于桥水库 2-3、山东省的大沽夹河流域【,东部地区上海市的东风西沙水库5,东南地区福建省的东牙溪水库,南部地区的广西大王滩水库7 、云南渔洞水库8 1等,均出现过不同程度的水体pH值偏高现象。水库作为一种天然或人工的湖泊,水质特点与天然地表湖泊相似。有统计表明:中国湖泊的pH值具有地带性
4、的分布特点9,蒙新、青藏地区绝大多数呈现碱性或强碱性;云贵和黄淮海地区呈弱碱性;而东北及长江中下游地区地表湖泊pH值较低,一般在6.58.3之间,呈现中性或微碱性。在2 1世纪前10a,浙江省部分水库,如千岛湖(新安江)水库、老虎潭收稿日期:2 0 2 2-0 6-30作者简介:钱旭,女,工程师,硕士,主要研究方向为水资源保护、水环境改善和水生态治理。E-mail:文献标志码:AD0I:10.16232/ki.1001-4179.2023.08.010水库、长潭水库等,水体长期呈现中性偏碱性(pH值为6.7 0 9.17)【10 。2 0 16 年,浙江省水库水质安全指标评价以I类为主,藻类大
5、量生长的49 月,部分水库存在pH值超出地表水环境质量标准的现象。位于浙江省衢州市境内的铜山源水库作为衢江流域的大(2)型水库,承载了浙西地区的数千万公顷农田的灌溉和周边地区水力供电及渔业和观赏旅游功能,发挥着极其重要的作用12 。铜山源水库国控断面监测数据显示,2 0 16 2 0 2 0 年铜山源水库水体pH值在春末及夏季(48 月)较地表水环境质量标准规定的pH值标准高值偏高(pH值为9)。湖库水体pH值受多种因素综合影响,是水体中二氧化碳含量、有机酸和水体污染的表征指标13,同时也是反映水体化学的一个重要指标,常被作为水体生态环境影响因素来考虑14。因此,此类酸碱平衡失调现象是水库水生
6、生态系统失衡的具体表现形式之一。目前,针对地表水体pH值超标的研究较少,国内68一些研究认为,湖库水体的pH值主要与水体中积累的营养盐和藻类的繁殖有关8 ,当水体中藻类数量上升到一定数量级时,其生物规模、生命活动的旺盛程度等必然对水体酸碱性变化起到主导作用15-16 。黄岁操等17-18 研究指出在水体交换强的夏季和秋季,养殖和非养殖水体中pH值与溶解氧、叶绿素a浓度存在一定程度的正相关关系,王志红等15 指出昼夜pH值差值与藻类的生长态势和生命活性之间存在一定相关性。目前,国内外学者多聚焦于对浮游植物本身生长习性及其与营养物质等因素之间的关系研究,而浮游植物与水体pH值之间的关系尚未引起普遍
7、关注,也未有权威的共识。针对中国东南沿海地区水库水体偏碱污染现象研究也尚未全面开展,湖库水体偏碱问题成因不明,现阶段已严重阻碍国控、省控断面水质稳定达标,呕需开展水体偏碱问题成因探究。此外,目前已有的研究多是基于室内研究和原位试验,但作为实际地表水体的水库是一个较为复杂的综合水生态系统,水体酸碱性可能受到包括水文气象因素、外源来水以及沉积物中的内源污染等在内的多种因素影响,更需要结合实际水质和水生态监测调查成果开展综合性研究。因此,本研究针对东南沿海地区水库普遍性偏碱问题,以浙江铜山源水库为研究对象,采用现场水质监测和水生态调查,科学评价水库水体的酸碱状况,探究水库水体偏碱污染成因,为水库的水
8、生态安全保障提供支撑。1材料与方法1.1石研究对象概况铜山源水库(118 15119E,292915N)位于浙江省衢州市衢江流域(图1),集水面积18 0 km,总库容1.7 15亿m,年平均人库水量2.10 3亿m,换水周期约为148 2 2 0 d,是一座以农业灌溉为主,结合防洪、发电、洁水渔业、水资源保护等功能的大(2)型水库,水质保护目标为类。水库所在区域属亚热带季风性气候区,受东南季风影响,有温暖湿润、四季分明、冬夏长春秋短、光照充足、降水丰沛而季节分配不均的地带性特征。库区雨量充沛,多年平均降雨量150 0 2 30 0 mm。降雨年内分配不均,主要集中在37月,其降水量占全年降水
9、量的6 0%以上。1.2样品采集1.2.11监测布点根据HJ/T91-2002地表水和污水监测技术规范中对于湖泊、水库水质监测布点原则和方法的相人民长江Fig.1 Location of Tongshanyuan Reservoir关要求,结合水库水深情况,在水库进水区、出水区、深水区、浅水区、湖心区以及岸边区相关位置布设6 处(St l St 6)水质和水生态监测点位。其中,St6 监测点为全库水深最深处,水深达30 40 m,且处于水库的国控断面19 附近。同时,在3条人库河道(从西到东分别为铜山溪、庙前溪、白鹤山入湖河道)库口上游设置St7St8两处水质监测点。监测布点位置见图2。N庙前
10、溪St8庙前入库口St4近庙前入库口St5国控断面St6铜山溪St7湖心区St3双桥入库口Stl近双桥入库口St2图2 铜山源水库各监测点分布示意Fig.2 Location of monitoring sites in Tongshanyuan Reservoir1.2.2样品采集2021年48 月,对St1St 8 八处监测点实施水质加密监测,对StlSt 6 六处库区点位开展水生态调查。其中,水质监测频次为1旬1次;水生态调查在3、5、7 月各开展1次。此外,为进一步明晰库区水质pH值和溶解氧指标的相关性,在4 8 月每月各选取1d开展全天(2 h间隔)的pH值和溶解氧样本采集。为了分析
11、库区水体垂向pH值变化,选取深水区St6监测点,每月开展1次垂向分层采样。1.3木样品处理与测定(1)水质指标测定。水体pH值、水温、溶解氧、电导率在现场采用YSIProplus(美国)仪器测定总氮、2023年图1铜山源水库位置示意监测布点第8 期氨氮、总磷、高锰酸盐指数等其他水质指标取水样冷藏运输至实验室,分别采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法、奈氏试剂分光光度法、钼酸铵分光光度法和高锰酸盐法测定2 0 ;叶绿素a在采样后2 h内,抽滤处理并用液氮(18 0)保存后采用丙酮分光光度法测定。(2)水生态指标测定。水生态调查内容主要包括浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类、水生植物及底质等。浮游植物、
12、浮游动物、底栖动物的调查指标主要是密度、生物量、种类组成、优势种;鱼类调查指标主要是鱼类种类组成、优势种;水生植物主要调查水生植物种类组成、覆盖度、优势种。1.4楼数据处理与分析为开展水库水体pH值与其他水质指标之间的关联性分析,引人灰色关联度分析法(GreyRelationA-nalysis,GRA)。对于具备时间变化属性的因子,在样本数量不大的情况下,将数据进行归一化处理、最值矫正后,通过计算数据之间的关联度,度量两组随时间变化数据的变化走势是否相近,以此判断两个因子之间的关联性。灰色关联度的取值范围为0,1,值越大的说明灰色关联度越大2 1。本研究采用WPSoffice中WPS表格进行数
13、据的处理和灰色关联度统计分析;采用Origin2017进行分析制图。2结果与讨论2.17水库水体偏碱污染特征由2 0 16 2 0 2 0 年铜山源水库水体国控断面每月pH值变化情况(图3)可见,铜山源水库水体偏碱现象在近5a时间内中长期存在。主要呈现出秋冬季节水体pH值较低而春夏季节较高的特征,尤其每年的48月为水库水体偏碱污染较为严重的时期。有调查指出,浙江省内其他水库,如宁波市东钱湖、台州市里石门水库和长潭水库等,也普遍存在着水体pH值超标现象本研究选取铜山源水库水体偏碱污染现象较为严重的4 8 月,按旬开展水质加密监测,测得Stl.St6各监测点水体pH值变化情况如图4所示。4 8 月
14、铜山源水库库区内StlSt 6 监测点的pH值均呈现偏碱性,数值在8.2 7 9.7 5之间。时间尺度上,StlSt6各监测点在4月pH值较低(8.2 7 8.9 4),此后水体pH值呈现持续升高的态势,5月上旬水库水体pH值已高于地表水质量标准值(9),随后进入持续性高位波动状态,特别是6 月全月和8 月中下旬水体pH值普遍较高,在9.5上下波动,偏碱污染较为严重。空间钱旭,等:浙江省铜山源水库水体偏碱污染成因研究K上时期图4铜山源水库各监测点pH值变化曲线Fig.4pH curve of monitoring sites in TongshanyuanReservoirfrom April
15、 toAugust in 20212.2自然环境本底水质特征对铜山源水库的人库河道水质进行监测,以研究自然环境本底水质对水库偏碱污染的影响,结果如图5所示。白鹤山人库河道(St5监测点附近)水体48月的pH值变化范围在7 8 之间,总体变化幅度较小。庙前溪和铜山溪水体的pH值变化幅度较大,其中,庙前溪水体pH值变化在7 9 范围内,铜山溪水体pH值变化在7.0 9.5范围内;且铜山溪水体pH值在7 8 月间总体维持在9 以上的高位,已超过地表水水质标准。由此可知,铜山源水库附近自然河道中流动性本底水质已呈现较为明显的偏碱性,在7 8 月一度超过地表水环境标准值上限。因此,当河道中的水体进入水库
16、中成为水库水体的一部分,必然导致水库水体本底pH值偏高。2.3关键气象水文过程对库区水体偏碱污染的影响2.3.1气象因素特征气温和光照等气象因素会对地表水体水质产生一69尺度上,St1St 6 各监测点的水体pH值变化趋势基本一致,且同一时间各监测点pH值相差不大。总体而言,铜山源水库水体在48 月普遍呈现偏碱性,其中58 月(夏秋季节)超过地表水环境质量标准,产生偏碱污染,全库水质pH值的空间差异性较小。102016年2017年2018年92019年2020年81月2 月3月4月5月6 月7 月8 月月10 月11月12 月图32 0 16 2 0 2 0 年铜山源水库国控断面pH值变化Fi
17、g.3 pH of monitoring sites in TongshanyuanReservoir from 2016 to 20209.89.69.4F9.2E.9.08.88.68.48.2上月份K上StlSt2St3St4St5St6K上上K709.5厂铜山溪曹煎溪9.0智鹤价8.58.07.57.0Fig.5Variations of pH in inlet rivers of Tongshanyuan Reservoir定间接影响。一般而言,气温的影响主要通过水温反映,光照主要通过影响绿色植物的光合作用影响水质状况,而植物光合作用一般采用水体中的溶解氧浓度来表征。因此,本研究主要
18、通过库区水体的水温以及溶解氧浓度来分析气象因素对库区水体偏碱污染的影响。由图6 可知,pH值和DO浓度曲线随着时间变化基本呈现同步升降的趋势,因此水体pH值和DO浓度两项指标之间存在较为明显的正相关性。灰色关联度分析计算表明,pH值和DO浓度之间的灰色关联系数为0.8 9,具有较为显著的关联关系,水库水体pH值受到DO浓度的影响。本次水生态调查结果显示,铜山源水库中不存在相当规模的水生植物群落生长迹象,因此水库水体DO浓度和pH值受到水库中浮游植物(主要为藻类)生长的影响。从pH值和水温曲线的变化趋势可知,4 8 月水体水温呈现逐步上升趋势,而同时水体pH值总体呈现波动上升趋势,说明水温和pH
19、值具有同向变化的特征。灰色关联度分析显示:pH值和水温之间的灰色关联系数为0.8 3,两者具有较为显著的正相关关系。有研究指出,水温变化总体可从3个方面影响水体中pH值变化:水温升高一定程度上促进水生生物的呼吸作用2 2 ,致使水体向偏酸性方向发展;在适当范围内水温逐步升高可促进增加水体中藻类的生物量和优势度,促进其光合作用,使水体向偏碱性方向发展2 3-2 5;水温升高促进CO,气体分子运动速率加快,容易自水面逸出,致使水体向偏碱性方向发展2 6 。由此可知,水温对于水体pH值的影响主要通过促进水体中藻类生长繁殖,影响光合作用和呼吸作用的强度来实现。从各特征时间段来看:4月至5月中下旬,水体
20、水温、DO与pH值3项指标逐渐同步升高,表明藻类的光合作用不断增强、水体pH值也不断升高;此时期内水温处于2 0 2 5范围内,水生态调查发现水库中优势藻种依次为4月初的硅藻门小环藻和5月的蓝藻人民长江门微囊藻,表明随着水温的变化,水库中适应性的藻类群落开始生长演替。6 月上中旬,水温由2 5逐步升高至30,适宜蓝绿藻生长,同时DO浓度充足,蓝绿藻类生长旺盛、光合作用较强,pH值呈现高位波动态势。7 月中旬,水体水温在30 32 范围内变KK图5铜山源水库入库河道pH值变化趋势2023年上K上时期动,过高的水温一定程度上抑止了藻类生长,pH值与DO出现同步降低趋势。7 月中下旬至8 月期间,水
21、温维持在2 7 30 范围内,适宜藻类生长繁殖,此时期内水体pH值逐渐出现波动上升趋势。Reynolds等人研究指出,环境因子对浮游生物类型季节性丰度和多样性的影响差异显著,其中,温度、光照强度等物理因子较为重要2 7 。因此,从水温、DO 与水体pH值的变化关系分析可知,水温和DO浓度通过影响藻类的生长间接影响水体pH值变化趋势。王斌2 8 、吴阿娜2 9 等亦指出,湖库水体叶绿素a与水温、pH值、溶解氧呈显著正相关。9.8r-pH9.6DO上9.4F一水温9.08.88.68.4上图6铜山源水库水温和DO浓度对pH值的影响Fig.6Effect of water temperature a
22、nd DO concentrations onpH value in Tongshanyuan Reservoir2.3.2关键水文过程特征降雨以及径流等关键水文过程同样可能对水体水质产生影响。本研究统计了2 0 16 2 0 2 1年58 月水库降雨、出入库水量情况,如表1所示。由表1可知,2021年5 8 月水库周边累积降雨量为12 0 6.90 mm,较2 0 16 2 0 2 0 年同期累计降雨量均值(92 0.38 mm)多。2 0 2 1年58 月累积入库径流量146 34.50 万m,较2 0 16 2 0 2 0 年同期人库径流量均值(1116 8.6 1万m)大;累积出库径流
23、量17 7 44.32 万m,与2 0 16 2020年同期出库径流量均值(17 7 0 9.59万m)相当。从净出库水量来看,2 0 2 1年58 月累积出库净流量3109.82万m,较2 0 16 2 0 2 0 年同期累积出库净流量(6 540.97 万m)减少了52.5%。因此,2 0 2 1年5 8月相比于2 0 16 2 0 2 0 年同期,总体存在着库区周边降雨较往年偏多、人库水量较往年偏多、出库水量与往年持平、净出库水量较往年大幅减少的现象。多项研究指出,出入库径流以及湖库本身水动力条件显著影响浮游植物的生长。浮游植物的丰度及结构动态变化与温度、光照、水体稳定性、水力滞留时间7
24、11.010.5302810.02609.52422*9.020188.516上上中K上时期132K上K第8 期等因素时空变化的结果相关30-32 。也有研究指出,与铜山源水库位于相同纬度带的浙江省新安江水库,浮游植物群落结构在很大程度上受水温、气象条件影响3。水力停留时间影响浮游植物生长1 2 ,在光合作用强烈的静水或流速小于0.3m/s的水体中,光合作用引起的溶解氧变化,必然引起水质pH值变化34。铜山源水库出库水量偏少的现象容易造成水库水体流动缓慢,延长了水库中水流的水力停留时间,适宜的水温、光照、溶解氧等因素为水体中藻类的生长繁殖提供有利条件,从而促进了藻类的生长和光合作用强度,影响水
25、库水体的酸碱性,与上述研究结果一致。表12 0 16 2 0 2 1年5 8 月降雨、出入库水量情况统计Tab.1 Precipitation,incoming and outgoing flow of TongsahnyuanReservoir from 2016 to 2020降雨量人库径流量年份/mm2016年898.502017年869.502018年576.802019年1182.702020年1074.402021年1206.902.4藻类生长状况及其对水库水质偏碱污染的影响从关键气象水文因素分析可知,藻类生长繁殖所引起的光合作用强度远超水生动植物呼吸作用强度,最终导致水体中DO浓
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