典型湖库叶绿素a含量测定及富营养化分析

吴 昊，陈 珍，赵桂芳，李 艳

（1.长江流域生态环境监督管理局南水北调中线水源生态环境科学研究中心，湖北十堰 442000；
2.汉江师范学院，湖北 十堰 442000）

水体内叶绿素a 含量是对生态健康以及水体富营养化水平测定的重要标志，并且可以表征水体内所含浮游植物的生物量。当水体中的浮游植物在适宜的光照、营养盐浓度和流速条件下快速增殖，形成大量的藻细胞，导致水体中叶绿素a 的含量急剧增加，水体颜色发绿，藻细胞在水体表层聚集形成膜状或絮状结构，便会出现水华现象[1]。丹江口水库是我国中部地区典型的湖库型饮用水水源地，是南水北调中线工程的源头。近年来，丹江口水库的水质保持在优良水体，但部分库湾、断面富营养化程度不断加深，库区水体有富营养化的风险[2-5]。通过提取丹江口水库表层水体中的叶绿素a 并测定其浓度，对丹江口水库水体富营养化的状态展开评价，了解对水体富营养化产生影响的各类因素，寻找缓解或控制水体富营养化的有效措施，以期对水库的水生态环境安全与污染防治提供参考。

在丹江口水库湖北库区选取6 个采样点位，编号D1～D6，范围涵盖丹江口水库核心区域、重点库岔和大坝坝前等重点断面。采集6 个点位的湖库表层水体样品，按照国标方法分析水体中叶绿素a 的含量，并同步测定水体中透明度（TD）、总磷（T-P）、总氮（T-N）、高锰酸盐指数（CODMn）等理化指标。具体测定方法见表1。

表1 湖库水体主要理化指标测定方法

1.1 水环境质量评价

水环境质量评价参照《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》中的“表1 地表水环境质量标准基本项目标准限值”所列出的限值进行评价，其中总磷指标按照湖库标准执行。

1.2 综合营养状态评价

采用综合营养状态指数法（TLI 法）对湖库水体营养状态进行分析，此方法根据水体中叶绿素a（Chla）、总氮（T-N）、总磷（T-P）、高锰酸盐指数（CODMn）、透明度（SD）五项主要参数计算得到水体综合营养指数[6]，其计算公式如下：

式中：TLI（∑）—综合营养状态指数；
WJ—第j 种参数的营养状态指数的相关权重；
TLI（J）—第j 种参数的营养状态指数。

当TLI≤30，为贫营养状态；
30＜TLI≤50，为中营养状态；
TLI＞50，为富营养状态；
其中，TLI在50～60为轻度富营养，60～70 为中度富营养，TLI＞70 为重度富营养状态[7]。

2.1 水体中叶绿素a浓度

水体中叶绿素a 浓度与水体中浮游植物生物量有一定的相关性。经测定，丹江口水库表层水体中叶绿素a含量如图1所示，6个点位叶绿素a浓度范围在0.003～0.006 mg/L 之间，平均值为0.004 2 mg/L。其中D2 点位的叶绿素a含量最高，达到0.006 mg/L。《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》中未列出湖库水体中叶绿素a的评价标准，按照生态环境部发布的《湖泊营养物基准—中东部湖区（总磷、总氮、叶绿素a）》（2020年版）文件规定[8-9]，我国中东部湖区水体中叶绿素a的湖泊营养物基准为3.4 μg/L。按照此基准评价，本次采样的6 个点位叶绿素a浓度有4个超出了基准范围，其中D2点位超出基准范围0.76倍，丹江口水库叶绿素a平均浓度值也超出了湖泊营养物基准范围，超标0.24倍。

图1 丹江口水库不同点位叶绿素a浓度

2.2 水体中氮、磷营养盐浓度

水体中的氮、磷等营养盐浓度是衡量湖库水体营养状态的重要指标。本次对丹江口水库6 个点位水体中总氮、总磷浓度测定结果见图2。D1～D6 点位总氮浓度范围在1.23～1.75 mg/L之间，浓度均值为1.41 mg/L；
总磷浓度范围在0.017～0.024 mg/L 之间，浓度均值为0.019 mg/L。按照《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》中湖库Ⅱ类水质标准评价，总氮的标准限值为0.5 mg/L，本次采样中所有点位的总氮浓度均超过标准限值，6 个点位的均值也超出标准限值；
总磷标准限值为0.025 mg/L，6 个点位的总磷指标均未超过Ⅱ类水质标准限值。

图2 丹江口水库不同点位总氮和总磷浓度

2.3 湖库综合营养状态指数

通过综合营养指数法计算得到丹江口水库6 个采样点位的综合营养状态指数，结果如图3。D1～D6 点位的综合营养状态指数范围在32.6～38.1之间，按照相关评价标准，均属于“中营养”状态，未达到富营养化状态。SPSS相关性分析表明，综合营养状态指数（TLI值）与水环境因子存在一定的相关性，具体情况见表2。其中，综合营养状态指数与水体中总磷浓度存在极显著的正相关性（P＜0.01），与水体中总氮浓度存在显著的正相关性（P＜0.05），当水体中氮磷特别是磷元素浓度升高时，会导致营养状态指数升高，加重水体富营养化趋势。另外，综合营养状态指数与水体的透明度指标呈现极显著的负相关关系（P＜0.01），表明当水体的透明度降低，营养状态指数会升高，这一结果与日常观测和实际经验基本吻合。

图3 丹江口水库不同点位综合营养状态指数

表2 丹江口水库综合营养指数TLI值与主要环境因子的相关关系

对丹江口水库表层水体采样测定结果显示，水体中叶绿素a 平均浓度为0.004 2 mg/L，超出了生态环境部发布的《湖泊营养物基准—中东部湖区（总磷、总氮、叶绿素a）》（2020年版）给出的基准。6个采样点位的总氮浓度均超出地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准，总磷浓度未超出Ⅱ类水质标准（湖库）。综合营养状态指数法分析表明，库区水体属于“中营养”等级，未达到富营养化等级状态。主要水质参数中，总磷浓度与综合营养状态指数存在极显著的正相关性，透明度指标与营养状态指数呈极显著负相关性。

丹江口水库是南水北调中线工程核心水源区，其水环境质量安全极为重要。本次采样检测虽显示该湖库水体暂未达到富营养化水平，且影响营养状态指数的关键因子总磷浓度未超过国家相关标准限值，但非常接近标准范围。近年来，随着丹江口水库由调蓄发电为主转为水资源调配为主，水库水位上升造成库周农田、林地及部分集镇被淹没，土壤中的氮磷等营养元素在水流冲刷下进入库区，造成氮磷营养盐在湖库水体及表层沉积物中的积累；
另一方面，汉江上游来水及部分入库支流水体的总氮、总磷浓度相对较高，特别是夏秋季汛期，由地表径流及洪涝冲刷带来的大量营养物质进入湖库水体，导致丹江口水库富营养化趋势不断增加，部分时段总磷瞬时浓度值超过标准限值。在夏季高温季节，水库部分支流及库湾断面还极易爆发藻类“水华”现象，对整体水质安全造成一定影响。为有效应对丹江口库区富营养化趋势，改善湖库水生态环境质量，特提出以下治理措施及建议：

（1）加强水污染综合治理。对丹江口库区流域范围内的重点污染源开展综合治理，全面加强工业污染物防治，对重点园区建设配套的工业污水处理设施，严格查处企业废水偷排漏排等行为；
针对重点行业企业，可研究制定比国家标准更严格的地方污染物排放标准规定限值。加强主要入库支流如神定河、泗河、剑河、浪河、天河等重点水体的环境治理，强化入河（入库）排污口排查整治，加强城市污水收集处理和达标排放，不断完善库区上游城市建成区清污分流、雨污分流改造。

（2）探索河流生态修复方法路径，如在河流的上游通过生态补水，增加水体径流量，提高环境容量；
在河流中段，通过建设生态护坡、驳岸和生态浮岛等设施，强化河流自净能力；
在河流下游河口等缓冲地带，因地制宜建设人工或半人工化的生态湿地，利用湿地系统过滤吸附水体中的氮、磷等营养元素。通过生态修复的途径，不断降低入库氮磷营养物输送量。

（3）深化库区及上游面源污染防治。加强农业和农村面源污染治理，持续推进丹江口库区及上游地区农药化肥“零增长”行动，提倡使用有机肥料，加强测土配方应用，在库区周边敏感地带禁止从事围垦造田等活动。加强对农村及农业污水、垃圾的有效治理，强化畜禽养殖污染防治和资源化利用，在湖库范围内禁止投肥养鱼，在适当条件下探索开展生态养殖，利用鱼类净化过滤水中浮游藻类等营养物质。

（4）推进流域“山水林田湖草沙”系统治理。按照“山水林田湖草沙”生命共同体的理念，对丹江口库区水源涵养区和汇水区开展系统性的生态环境保护和治理修复。强化库周水土流失防治，加大退耕还林、石漠化荒地治理力度，不断提高森林覆盖率。加强库区湿地保护和修复，提高水库自然净化和生态修复能力。加强库岸线整治和河湖“清四乱”工作，恢复和增加库岸线生态系统稳定性。

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