原水藻类监测及富营养化状况的调查
摘要：八三年的引滦入津结束了天津人喝咸水的 历史 ，但滦河水系湖泊型水源，水体的富营养化日趋严重成为产水部门面临的最大难题。同时它也是世界水环境重大的水质 问题 之一。
关键词：藻类监测 富营养化 水质问题
一. 前言
八三年的引滦入津结束了天津人喝咸水的历史，但滦河水系湖泊型水源，水体的富营养化日趋严重成为产水部门面临的最大难题。同时它也是世界水环境重大的水质问题之一。
水体富营养化不仅导致生态系统的破坏，且严重干扰水资源的利用。尤其是富营养水体作为供水水源时会产生如下三个不利因素其一：由于藻类的大量繁殖使水体的 pH增高，碱度下降 影响 混凝效果。其二：藻类增多会严重堵塞滤池，运行周期缩短，降低产水率。其三：有些藻种有霉臭味，藻类的死亡、腐败也使水体腥臭难闻。蓝藻的代谢物释放毒素，严重威胁着人体健康。
由此可知，高藻水作为饮用水源处理不当对 经济 效益和 社会 效益都会产生影响。
二. 任务来源
天津市饮用水和 工业 用水的供给水源主要来自引滦输水下游的于桥水库，早在八十年代环保等部门曾对于桥水库的富营养化进行了多方面的调查，判定其水质呈中富营养状态，随着工农业 发展 特别是乡镇 企业 的日益增多，于桥水库的污染负荷日趋增加，97年由于气候、周边环境等诸多人为、 自然 因素的影响，在夏季藻类异常繁盛，严重影响了水处理工艺的正常运行，尽管产水部门竭尽全力，但其效果并非令人满意。
在我们不能改变源水水质的前提下，为确保九八年高藻期供水水质，公司主管领导组织相关人员进行对策性 研究 ，并正式立项进行藻类监测，以便用有针对性的手段探索水体的富营养状况及季节性变化 规律 ，为水厂能够根据水体含藻状况及规律采用行之有效的水处理 方法 提供 科学 依据。
三. 主要研究 内容 和技术路线：
(一). 收集湖泊、水库富营养化调查的历史资料，掌握滦河水库富营养化研究现状。
(二). 依据 “湖泊富营养调查规范 ”并借鉴历史资料确定监测项目、方法、采样站位及频率。
1. 本次研究确定了 25个监测项目，其中水质参数 20项，生物参数 5项。
2. 根据本水系的特点，选择于桥水库为主要调查点，上游水库大黑汀、潘家口为辅助调查点，为使采集的水样具有代表性，分别在水库的进、出口及中心区域布设采样站位(见图1)。
3. 采样频率：九八年于桥水库各站位每月采样一次，上游站位每两个月一次。九九年调整为从藻类初发期、高藻期、衰减期( 4月至 11月)每月一次，上游水库此期间仍为每两月一次。
(三). 探讨源水水库含藻状况及季节性变化规律。
(四). 采用湖泊富营养化评价法 (单参数和 Carlson指数法 )对水库富营养状况进行近似评价 .
(五). 技术路线见图 2。
四. 调查结果
(一). 水质参数的调查
1. 水温和溶解氧：
水温和溶解氧都是 影响 湖泊富营养化的主要因素，众所周知水温在 15～31℃时有利于藻类的生长，而蓝藻形成的适宜温度在 25℃左右，水温随季节而变化，并呈现不同程度的分层现象，使表层和底层水诸如溶解氧之类的指标改变，促使营养盐在深、表层不断地迁移和积累，随着营养负荷的不断加大，增加了藻类的繁殖密度。
九九年对各站位水温及 S2和 S6站位的表层、深层温度进行监测，结果见表1。
|
站位
时间 |
于桥水库出口 S1 |
九百户 (表层)S2 |
九百户 (深层)S2 |
果河桥位 S3 | 大黑汀水库 S4 |
潘家口 (坝上)S5 |
燕子峪 (表层)S6 |
燕子峪 (深层)S6 |
| 4月 | 15.0 | 14.3 | 13.8 | 15.0 | / | / | / | / |
| 5月 | 19.5 | 20.0 | 18.5 | 20.0 | 18.0 | 17.5 | 18.5 | 17.0 |
| 6月 | 25.0 | 23.0 | 23.0 | 20.0 | / | / | / | / |
| 7月 | 28.0 | 29.4 | 26.0 | 28.0 | 27.2 | 26.0 | 25.5 | 25.0 |
| 8月 | 25.0 | 25.0 | 18.0 | 25.0 | 24.0 | / | / | / |
| 9月 | 17.0 | 20.0 | 17.0 | 18.0 | / | / | / | / |
| 10月 | 15.5 | 19.8 | 13.0 | 13.9 | 14.8 | 15.4 | 15.1 | 14.5 |
| 11月 | 9.5 | 7.8 | 8.5 | 9.0 | 10.5 | 11.8 | 11.4 | 11.8 |
| X | 19.3 | 19.5 | 17.6 | 18.6 | 18.9 | 17.7 | 17.6 | 17.1 |
从 4～ 11月监测结果来看，于桥水库各站位( S1～ S3)高于 15℃点次占总数的 75%，潘家口、大黑汀各站位( S4～ S6)高于 15℃的占 62 %( 5～11月)。说明从 4、 5月份水温条件已适于藻类进入生长状态， 6～ 10月份水温较高，为蓝藻生长提供了良好的水温条件。
S2和 S6站位深、表层水温调查结果表明： 4～ 5月份温跃现象稍有回升，即表层温度稍高于底层，温差变化较小;从 8～ 10月份为温跃现象明显期，在此期间，表层和底层水的温度、溶解氧差值较大，八月份差值最大，此时该站位其它富营养化指标，如叶绿素、藻类计数均达全年峰值，分别为 125μ g/L和 1.6亿个>/L。由此可见上述指标反映了该时期富营养化现象较为突出。
2. 透明度
在富营养化水体中由于表层悬浮着密集的水藻使水质浑浊，透明度下降，富营养化水体判定标准是透明度<2米。
从九九年对于桥水库 S1～ S3各站位的调查结果看，透明度高于2米仅有2次，最高为4.5米。而其它时期，特别是 6～ 10月各站位透明度均低于1米;尤为严重的是 果河桥(S3)站位在8月、10月两次调查中透明度仅为0.2米，处于严重的污染状态。
上游水库各站位(S4～S6)透明度指标略好于前述站位;除大黑汀水库在 10～ 11月期间透明度在 1.5～ 1.8米外均高于 2米，但最高值也仅为 4.5米(见图4)。
3. p H：
富营养化水体的一个明显特征是水体呈弱碱性，九九年该项指标各站位月变化 规律 见图 5。
各站位全年pH值均高于 7.5，夏季达到最高值， S1和 S2(表层)站位在 7～10月 pH高于9。显而易见，此高值出现在藻类高发期。根据其生长规律，藻类繁殖及光合作用消耗大量的二氧化碳，促使水中碳酸不断分解致使水体 pH增高。在 S4～S6站位调查发现 pH也呈如上趋势，5月份pH在 8.35～8.65; 7月 pH为 8.25～8.52; 10月 8.06～8.30; 11月 7.6～8.2。全年各站位库水均呈弱碱性、碱性状态。此单项指标反映了水体富营养特征较为明显。
(二). 营养元素的调查
植物生长繁殖的主要制约因子是氮和磷，水体富营养化判断标准是总氮0.2mg/L，总磷为0.02mg/L。
1. 总 N：
从九九年全年监测结果看，总 N含量范围为 1.16～ 5.61mg/L，超过富营养化标准的 5.8～ 28倍。全年检测点除一点为 1.16 mg/L外，其余均高于 1.2mg/L(国标地面水环境质量标准，五类水体总 N值)，单项指标看该水体均为五类水体。见图 6。
2. 总 P
总磷调查结果见图7。由图7可见S4～S6站位总磷含量偏低，10月超过富营养化标准值达0.04，其他时期均为0.01，属于II类水体。但从S1～S3站位磷含量增大，7～10月含量范围为0.05～0.29超过富营养标准的2.5～14.5倍。10月份基本属于IV类水体。
由此可见，于桥水库各站位氮含量极其丰富，全年均高于富营养化水体标准值，磷含量在夏季较丰富，原因除与外源性氮、磷污染有关外，与温跃期底泥中氮、磷的释放密切相关。
3. 硝酸盐氮
在此次调查中也发现硝酸盐氮季节性变化很明显，其规律是夏季低(尤其是藻类高发期)，其他季节高于夏季的特点，此规律反映了夏季由于藻类的生长期吸收使 NO3 - -N明显降低(见表 2)
|
时间
站位 |
4月 | 5月 | 6月 | 7月 | 8月 | 9月 | 10月 | 11月 |
| 于桥水库出口>S1 | 2.50 | 2.09 | 0.82 | < 0.01 | 0.44 | 0.43 | 0.49 | 0.85 |
| 九百户站位> S2 | 2.61 | 2.19 | 0.64 | 0.16 | 0.89 | 1.03 | 0.87 | 1.47 |
| 果河桥站位> S3 | 4.47 | 6.11 | 3.04 | 1.16 | 2.86 | 2.77 | 2.80 | 2.64 |
由表 2可见， S1、 S2站位 NO3 -N季节性变化尤为突出。在 6～ 10月， S2站位 NO3 -N均值比其它月份均值下降 71%，于桥 S1站位下降 94%，与叶绿素变化规律完全吻合。(见图 8)
(三). 生物参数的调查结果
1. 浮游植物
本次对浮游植物的调查主要以特征参数叶绿素 a值、藻类计数、藻类优势种作为定性，定量的主要指标调查结果如下：
① 叶绿素 a值：
叶绿素 a值是判断水体富营养化的一项重要生物参数，其含量多少是水库富营养化程度的重要标志，图 8反映了本年度各站位叶绿素 a的变化 规律 。
由图可见，在藻类高发期 7-9月， S1和 S2站位叶绿素 a值明显升高，最高值达到 129μ g/L，超过 5类水体标准值( 65μ g/L)的 2倍， S4～S6站位基本属于 II～ III类水体，由此可见于桥水库各站位富营养化在夏季尤为严重。
② 藻类计数和藻类优势种：
九九年对各站位浮游藻类密度(藻类计数)进行了检测，从全年的检测结果看，随着高藻期的到来，于桥水库藻类密度和种类皆有增加。 S1、S2站位随着季节的改变呈现出明显的变化规律。见表3。
| 站位 | 4月 | 5月 | 6月 | 7月 | 8月 | 9月 | 10月 | 11月 |
| 于桥水库出口 S1 | 136 | 39 | 394 | 1.3亿 | 8919 | 7008 | 2536 | 1270 |
| 九百户站位> S2 | 642 | 38 | 584 | 1.6亿 | 1.6亿 | 5702 | 3424 | 278 |
由表 5可见其调查结果均符合富营养化水体藻类的生长规律，藻类的数量随季节变化而变化在温跃期也即藻类高发期( 7-9月)，藻类数量明显增加，最高时达到 1.6亿个/ L。
调查结果发现原水藻类优势种在冬季多为硅藻、绿藻;春秋季为绿藻;夏季蓝藻增多。经全年检测三个水库定性观察到藻种计：8门、10纲、15目、17科、42属，约70种(见表 4：藻类分类表)。
③ 藻类毒素：
藻类毒素引发的中毒事件在某些国家偶有发生。淡水中主要产生毒性的蓝藻是微囊藻、鱼腥藻和束丝藻属中的某些品系。产生的毒素主要是肝毒素和神经毒素。
天津原水的藻类优势种检测中发现在藻类高发期均有微囊藻、鱼腥藻、束丝藻和颤藻等有毒藻类出现，有时微囊藻多达 80%， 98年巴黎 历史 博物馆曾经对天津原水中的藻类毒素进行检测，浓度为 2～6μ g/L，是世界卫生组织规定标准( 1μ g/L)的 2～6倍，天津在今年 8月份的藻类毒素初检中发现原水藻类毒素 LR为 0.13μ g/L，由于藻类毒素随着季节的不同变异很大，必须进行多次监测才能得到确切的数据，故需要做进一步的检测。
2. 浮游动物：
浮游动物是指悬浮于水中的水生生物。在生态系统中，环境因素对生物起作用，同时生物的一切生命活动又反过来 影响 其所在的环境，因此生物是整个环境因素综合影响的产物。
在生物学中浮游动物主要为原生动物、挠足类、枝角类、轮虫，原生动物在冬季较少，而挠足、枝角、轮虫则为终年存在的种类，只是在数量上会随季节变化而增减。
经1999年对浮游动物调查结果可以发现，库水中浮游动物的主要类别有挠足类(剑水蚤、镖水蚤)，枝角类中的长额象鼻蚤、僧帽蚤及节肢动物门，无节幼体及轮虫。早在 80年代世界 经济 合作与开发组织( OECD)关于湖泊环境 问题 研究 室的报告中曾归纳了富营养水体中的特征浮游动物群为 Bosmina Longirostris(长额象鼻蚤)和 Daphnia ucullata(僧帽蚤)。此次调查中发现这两个特征种群在部分站位皆出现，特别是轮虫几乎在全年的例次检测中皆能检出，也反映水体长期处于受污染状态(轮虫为生活污水污染的指示生物种)。由此说明本水库流域的浮游生物特征也表明了水体已呈富营养状态。
| 门 | 纲 | 目 | 科 | 属主要代表 | 拉丁文 |
| 蓝藻门 | 蓝藻纲 |
色球藻目
段殖体目 管孢藻目 |
色球藻科
颤藻科 厚皮藻科 |
色球藻属
微囊藻属 颤藻属 平裂藻属 蓝纤维藻属 等10 个属 |
( Chroococcus Nag )
( Mirocystis Kutz ) ( Oscillatoria Vanch ) ( Merismopdia Mey ) ( Dactylococcopsis Hansg ) |
| 绿藻门 |
绿藻纲
接合藻纲 |
绿球藻目
丝藻目 鼓藻目 四孢藻目 双星藻目 |
小球藻科
栅藻科 丝藻科 鼓藻科 胶球藻科 双星藻科 |
小球藻属
盘星藻属 丝藻属 胶球藻属 水绵藻属 栅藻属 等18个属 |
( Chlorella BEij )
( Pcdiastrum Mey Lemm ) ( Vlothrix Ktitz ) ( Coccomyzo Schm ) ( Spirogyro Link ) ( Scenedesmus Mey ) |
| 硅藻门 |
中心纲
羽纹纲 |
圆筛藻目
无壳藻目 双壳藻目 |
圆筛藻科
脆杆藻科 舟形藻科 |
直链藻属
小环藻属 脆杆藻属 针杆藻属 双壁藻属 舟形藻属 等9个属 |
( Melosira Ag )
( Cyelotella Kutz ) ( Gragilaria Lyngby ) ( Synedra Ehr ) ( DiplonEIs Ehr ) ( Navicula Bory ) |
|
金藻门 |
金藻纲 | 金藻目 | 棕鞭藻科 | 锥囊藻属 | ( Dinobryon Ehr ) |
| 黄藻门 | 黄藻纲 | 黄丝藻目 | 黄丝藻科 | 黄丝藻属 | ( Tribonema derb ET sol ) |
| 甲藻门 | 横裂甲藻亚纲 | 多甲藻目 | 角甲藻科 | 角甲藻属 | ( Ceratium Schr ) |
| 裸藻门 | 裸藻纲 | 裸藻目 | 裸藻科 | 裸藻属 | ( Englena Ehr) |
| >隐藻门 | 隐藻纲 | 此门仅一科 | 隐鞭藻科 | 隐藻属 | ( Cryptomonas Ehr ) |
五. 水库富营养化变化趋势初步评析
为了解三大水库 目前 的富营养状态，我们选用单参数及 Carlson指数法对滦河水体富营养化变化趋势进行初步评析。
1. 单参数水质特征近似评价法
根据富营养化主要特征指标的单项参数调查可以看出，藻类高发期在 7～10月，在此期间富营养化因子特征性很强，如前所述，在 7～10月水温高，温跃明显，溶解氧分层。 pH呈弱碱性，总 N、总 P、透明度、叶绿素等指标均超过富营养化标准值，浮游藻类在此期间数量明显增加，优势种出现蓝藻，浮游动物有富营养种群，如：长额象鼻蚤、僧帽藻、轮虫等出现。以上特征描述可初步判定三大水库，尤其是于桥水库在 7～10月完全处于富营养状态。
2. Carlson指数( TSIM)近似评价法
为避免单参数评价的片面性，我们选用此 方法 进行多参数综合评析。该方法采用湖泊富营养化主要代表性指标综合反映湖泊的营养状态，不仅能对富营养化水体进行定量描述，且能反映湖泊营养状态的连续性，该方法已被世界各国广泛采纳。
TSIM表达式如下：
TSI( SD)= 10×( 6- ln [SD ]/ ln 2)
TSI(>CHLa)= 10×( 6-{ 2.04- 0.68 ln[ CHL a]｝/ ln 2)
TSI( TP)= 10×( 6- ln [ 48/ TP ]/ ln 2)
式中： TSIM： Carlson营养状态指数;
SD： 水体透明度 (单位：m 水体叶绿素a含量 (单位：mg/m3)
TP： 水体总磷浓度 (单位：mg/L)
TSIM营养状态分布： TSIM：≤ 35 贫营养带;
TSIM：∈ 35～50 中营养带;
TSIM：∈ 50～65 富营养带;
TSIM：≥ 65 超富营养带;
| 于桥 | 九百户(表层 ) S2 | 果河桥 S3 | 大黑汀 | 潘家口 (坝上 ) S5 | 燕子峪 (深层 ) S6 | ||||||||
|
4～11月
平均值 |
7～9月
平均值 |
4～11月
平均值 |
7～9月
平均值 |
4～11月
平均值 |
7～9月
平均值 |
5～11月
平均值 |
最高值 |
5～11月
平均值 |
最高值 |
5～11月
平均值 |
最高值 | 备 注 | |
| TSI（ SD） | 56 | 67 | 60 | 75 | 70 | 74 | 46 | 54 | 45 | 48 | 44 | 49 | |
| TSI（ TP） | 61 | 69 | 67 | 76 | 69 | 72 | 47 | 57 | 47 | 57 | 51 | 54 | |
| TSI（CHLa） | 65 | 73 | 69 | 76 | 55 | 49 | 46 | 55 | 44 | 50 | 42 | 46 | |
由表 5可见，于桥水库各站位 4～11月均值的 TSI为 55～70。其中 TSIM值在富营养值范围内( 55～65)的点次占 56%， 44%的 TSI值在接近超富营养状态。而在藻类高发期 7～9月的 TSI值统计中发现，仅果河桥一点处于富营养状态( TSI (CHLa) = 49)以外，其他值均为 67～73。接近超富营养状态，由此可见，于桥水库富营养状态在藻类高发季节已逐步由富营养向超富营养化过渡，而从全年检测 TSI值月变化 规律 看峰值期为 7～9月(见图8 一九九九年原水水库 S1～S3站位 TSI指数月变化规律)。
六. 结果与讨论
(一). 通过上述藻类调查初步得出以下结论
1. 源水富营养化因子有明显的变化规律。
2. 三大水库自上游至下游富营养呈递增的趋势(特别是从大黑汀至果河桥两站位变化尤为明显，见图10、11)，7～10月于桥水库水体达富营养甚至趋于超富营养状态。
3. 水库水体逐年恶化，九九年比九八年污染严重 s。
(二). 藻类监测指导、服务于生产的必经之路：
1. 为了解决源水藻类季节变化规律，必须进行全项监测，以便选择多个有规律的项目进行 分析 。
初步了解藻类变化规律后，把监测工作重点转向 影响 水处理的高藻期(6月至10月)，为尽快将源水信息提供给水厂，必须选择主要指标进行检测(如 pH、叶绿素、藻类计数、氨氮等)。
3. 检测方法普及到水厂，使各水厂根据进厂水质含藻情况合理调整水处理参数。
(三). 对改善水源水质缓解藻类生长的几点看法：
1. 改善输水方式，保证水库处于良好的运行状态。
加强水源防护，对外源性污染采取有效的控制措施(如：引滦沿线的遵化地段的 工业 污染)最大限度地减少污染负荷。
3. 对水库进行治理，清淤，做前置库，种植沉水植被。
参考 文献
1. 《湖泊富营养化调查规范》(第二版) 金相灿、屠清瑛主编 1990年;
2. 《 中国 湖泊富营养化》 金相灿、刘鸿亮等编著 1990年;
3. 《中国淡水藻类》 胡鸿钧、李尧英等编著 1980年;
4. 《环境微生物学》 翁酥颖等编著
5. 《于桥水库富营养化调查》 李思明、王建华等编著 1988年。
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