南水北調(diào)亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物時空變化分析

王 艷，李 兆 欣，艾 超 坤

(1.北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處，北京 100176； 2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048； 3.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

南水北調(diào)中線工程是緩解中國水資源分布不均、優(yōu)化水資源配置的跨流域調(diào)水工程，具有重大戰(zhàn)略意義。中線干線全長1 432 km，途經(jīng)河南省、河北省、北京市、天津市各地，其中至北京市的干線長1 276 km，向天津市輸水干渠長156 km[1-2]。南水北調(diào)亦莊調(diào)節(jié)池工程作為北京市南水北調(diào)配套工程中的調(diào)蓄系統(tǒng)工程之一，位于北京市大興區(qū)亦莊鎮(zhèn)，總調(diào)蓄容積260萬m3，南水北調(diào)中線引水入京后，亦莊調(diào)節(jié)池作為南干渠末端的亦莊水廠、通州水廠、水源十廠等水廠的調(diào)節(jié)池，承擔(dān)了上述水廠的水源切換任務(wù)，保障正常調(diào)度運(yùn)行期和非常調(diào)度運(yùn)行期的原水供需平衡[3]。亦莊調(diào)節(jié)池(一期)工程建成蓄水后，水體多處于靜置狀態(tài)，2021年5月31日，亦莊水廠(一期)開始試運(yùn)行，亦莊調(diào)節(jié)池為其供給南水北調(diào)來水約10萬m3/d。

南水北調(diào)中線工程明渠居多，且作為輸水渠道，并不具備完善的生態(tài)系統(tǒng)，水生態(tài)穩(wěn)定性相對較差，在輸水過程中，外界溫度、光照等環(huán)境適宜時，藻類易出現(xiàn)大量增殖現(xiàn)象。近年來，南水北調(diào)中線干渠水體富營養(yǎng)化程度在春夏季節(jié)呈增長趨勢，藻類增殖風(fēng)險升高[1]。南水北調(diào)輸水過程中藻類監(jiān)測分析[4]、增殖預(yù)測[1-2]、去除技術(shù)研究[5-6]越來越受到關(guān)注。

南水北調(diào)亦莊調(diào)節(jié)池工程屬于小型調(diào)蓄系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)北京市南水北調(diào)及密云水庫兩大水源供水和各用水戶需水之間的不協(xié)調(diào)問題，滿足各用水戶在不同水源切換期間的用水需求，保證相關(guān)水廠的水源安全。但是，水體的蓄積同樣為藻類增殖提供了適宜的條件，特別是從2021年5月31日開始，亦莊調(diào)節(jié)池水流狀態(tài)發(fā)生改變，若存在水流緩滯區(qū)域，將致使藻類異常增殖，會影響后續(xù)水廠的處理工藝及出水穩(wěn)定性[7]。亦莊調(diào)節(jié)池作為江水進(jìn)京后的調(diào)蓄水池，保障其水質(zhì)安全是第一要務(wù)，由藻類誘發(fā)的藻泥沉積會對調(diào)節(jié)池的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，本文基于監(jiān)測資料，采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)進(jìn)行亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物時空變化分析，解析藻類生長、分布規(guī)律，能夠為亦莊調(diào)節(jié)池水生態(tài)環(huán)境安全保障提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點布設(shè)

亦莊調(diào)節(jié)池位于北京市東南部地區(qū)，地勢較低，為了實現(xiàn)對南水北調(diào)中線水源、東線水源、密云水庫水源和海水淡化水源等多個水源的聯(lián)合調(diào)度，設(shè)置了加壓泵站為水廠供水。亦莊調(diào)節(jié)池(一期)工程，設(shè)置1個進(jìn)水口，設(shè)計規(guī)模為16.52 m3/s，亦莊水廠試運(yùn)行期間，供水10萬m3/d。平均水深4.7 m，水面面積12.4萬m2，調(diào)蓄容積52.5萬m3，整個水體呈長方體，按設(shè)計進(jìn)出水規(guī)模計算，水力停留時間為8.8 h，按現(xiàn)狀進(jìn)出水量計算，水力停留時間為5.25 d。根據(jù)亦莊調(diào)節(jié)池具體情況以及南水北調(diào)來水進(jìn)入調(diào)節(jié)池的水流方向，布設(shè)5處監(jiān)測點位，S1和S2監(jiān)測點位為日常監(jiān)測點，S3、S4和S5為加密監(jiān)測點，具體點位如圖1所示。其中，S3點為調(diào)節(jié)池的進(jìn)水口位置，S4點為調(diào)節(jié)池的出水口位置。

圖1 采樣點布設(shè)Fig.1 Sampling points

1.2 采樣與鑒別方法

于2021年1月13日、2月23日、3月30日、5月26日、6月2日、6月17日、7月6日、7月22日、8月4日采集了浮游植物樣品，為了了解亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物的整體分布情況，在8月4日增加監(jiān)測點位，進(jìn)行加密監(jiān)測。

浮游植物樣品采集按SC/T 9402-2010《淡水浮游生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范》[8]方法進(jìn)行，在各采樣點水面下0.5 m位置采集水樣1 L，采樣后立刻加入浮游植物固定試劑魯哥氏液15 mL，并搖勻浮游植物樣品，之后帶回實驗室。在實驗室進(jìn)行樣品濃縮處理，放置在穩(wěn)定的實驗臺上，靜置沉淀24 h，用細(xì)小虹吸管(內(nèi)徑3 mm)吸去上層清液，最后定容到30 mL，通過顯微鏡鏡檢，進(jìn)行浮游植物種類鑒定，采用0.1 mL計數(shù)框進(jìn)行密度測定。

浮游植物的種類鑒定參考《中國淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[9]，并通過物種優(yōu)勢度指數(shù)計算，確定優(yōu)勢種，優(yōu)勢度指數(shù)計算公式如下：

Y=(ni/N)fi

(1)

式中：N為采集樣品中的所有種類總個體數(shù)；ni為第i種生物的個體數(shù)；fi表示該物種在各采樣點出現(xiàn)的頻率。當(dāng)Y>0.02時，該物種為群落中的優(yōu)勢種。

1.3 多樣性指數(shù)分析

采用生物多樣性指數(shù)評價浮游植物群落特征，能夠在一定程度上分析其生物群落結(jié)構(gòu)變化和生態(tài)狀況，常用的多樣性指數(shù)包括：Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)[10]。

各指數(shù)計算公式如下：

(1) Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

(2)

式中：ni為第i種浮游生物的個體數(shù)，N為采集樣品中的所有種類總個體數(shù)。

(2) Margalef豐富度指數(shù)：

D=(S-1)/lnN

(3)

式中：N為采集樣品中的所有種類總個體數(shù)；S為采集樣品中的種類總數(shù)。

(3) Pielou均勻度指數(shù)：

J=H′/lnS

(4)

式中：S為采集樣品中的種類總數(shù)；H′為Shannon-Wiener指數(shù)。

根據(jù)多樣性指數(shù)與水體營養(yǎng)水平的關(guān)系[11]，H′>3時水體為貧營養(yǎng)型，1≤H′≤3之間為中營養(yǎng)型，H′<1為富營養(yǎng)型；J在0.5～0.8之間為貧營養(yǎng)型，在0.3～0.5之間為中營養(yǎng)型，在0～0.3之間為富營養(yǎng)型。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本環(huán)境狀況

亦莊調(diào)節(jié)池輸配水源為南水北調(diào)來水，作為飲用水源地，其水質(zhì)常年優(yōu)于地表水Ⅱ類水平，浮游植物監(jiān)測期間，亦莊調(diào)節(jié)池主要水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所列。

表1 亦莊調(diào)節(jié)池主要水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.1 General characteristics of main water quality indexes in Yizhuang storage pond

由于水溫、氣象等因素對于浮游植物生長影響較大，因此監(jiān)測獲取了亦莊調(diào)節(jié)池的水溫、降雨量與蒸發(fā)量，結(jié)果如表2所列。

表2 亦莊調(diào)節(jié)池水溫與氣象數(shù)據(jù)Tab.2 General characteristics of water temperature and meteorological data in Yizhuang storage pond

2.2 浮游植物種類組成

亦莊調(diào)節(jié)池來水藻類以硅藻門和綠藻門為主，藍(lán)藻門也占有一定比重，隱藻門和金藻門也有檢出，硅藻門中的尖針桿藻密度最高。

根據(jù)亦莊調(diào)節(jié)池采樣檢測結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門135種，如圖2所示。其中綠藻門61種，占浮游植物總種類數(shù)的比例為45%；其次為硅藻門，共有40種，占浮游植物總種類數(shù)的比例為30%；再次為藍(lán)藻門，共有18種，占比為13%；裸藻門、金藻門、甲藻門和隱藻門分別檢測出6，4，3種和3種，占比分別為4%，3%，2%和2%。亦莊調(diào)節(jié)池的藻類組成與來水藻類組成相似，表明其在一定程度上受到了來水的影響。

圖2 浮游植物種類組成Fig.2 Composition of phytoplankton species

通過物種優(yōu)勢度計算確定優(yōu)勢種，監(jiān)測過程中共發(fā)現(xiàn)24個優(yōu)勢種，如圖2所示。其中，頂接鼓藻、網(wǎng)狀空星藻、美麗網(wǎng)球藻和微小四角藻，屬于綠藻門；小環(huán)藻、尖針桿藻、纖細(xì)內(nèi)絲藻、小內(nèi)絲藻、優(yōu)美橋彎藻、曲殼藻和梅尼小環(huán)藻，屬于硅藻門；微囊藻、類顫藻魚腥藻、假魚腥藻、朦朧粘桿藻、澤絲藻、優(yōu)美平裂藻、腔球藻、澤絲藻、惠氏微囊藻、色球藻和粘球藻，屬于藍(lán)藻門；裸甲藻和錐囊藻，分別屬于裸藻門和金藻門。

浮游植物生長和其屬種變化，通常與水溫、光照、營養(yǎng)鹽含量密切相關(guān)，從浮游植物種類占比分析，亦莊調(diào)節(jié)池綠藻門、硅藻門占比明顯高于其他門類；從優(yōu)勢種分析，藍(lán)藻門浮游植物的優(yōu)勢種最多。亦莊調(diào)節(jié)池的水體作為飲用水源，其浮游植物種類綠藻門和硅藻門占比高，與北京地區(qū)密云水庫等水源地的浮游植物種類組成類似[12]，其原因主要是受到水源影響，水中的營養(yǎng)鹽含量等條件使得綠藻門和硅藻門占比高。藍(lán)藻門的浮游植物優(yōu)勢種最多，是因為藍(lán)藻門的藻類生長迅速[13]，亦莊調(diào)節(jié)池透明度相對較高，且存在水流緩滯區(qū)域，在水溫、光照等條件適宜時，藍(lán)藻門藻類易發(fā)生快速生長，成為優(yōu)勢種。

2.3 浮游植物密度和生物量變化

浮游植物密度變化如圖3所示。其中，6月17日檢測結(jié)果表明，采樣點S1浮游植物密度超過了1 000萬cells/L，達(dá)到1 350萬cells/L，藍(lán)藻門浮游植物占絕大多數(shù)，浮游植物密度處于較高水平，之后浮游植物密度逐漸降低，穩(wěn)定在500萬cells/L以下。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是，進(jìn)入夏季，溫度升高，一定程度上為藻類快速增殖提供了必要的環(huán)境條件，當(dāng)水溫、光照、水體流速等外界環(huán)境因子達(dá)到適宜狀態(tài)，藻類易出現(xiàn)劇烈變化[13]。

圖3 浮游植物密度變化Fig.3 Variation of phytoplankton densities

對比S1和S2兩個采樣點的檢測結(jié)果，6月17日和7月6日，浮游植物密度均差別較大，這主要是受到了水體流態(tài)改變的影響，亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物密度分布并不均勻。

浮游植物生物量的變化如圖4所示。浮游植物生物量構(gòu)成以硅藻門為主?？傮w上，硅藻門浮游植物比其他門類浮游植物個體的大小和生物量大。結(jié)合浮游植物密度檢測結(jié)果分析，6月17日采樣點S1的浮游植物密度較高，其組成以藍(lán)藻門為主，由于藍(lán)藻門個體較小，且生物量較低，所以S1采樣點的生物量較低，為0.82 mg/L；7月6日采樣點S2的浮游植物密度較高，其組成以硅藻門為主，由于硅藻門個體較大、且生物量較高，所以S2采樣點的生物量較高，達(dá)到5.58 mg/L。

圖4 浮游植物生物量變化Fig.4 Variation of phytoplankton biomass

2.4 浮游植物空間分布情況

在日常監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物密度分布并不均勻，為了進(jìn)一步掌握亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物的分布情況，在8月4日增加了監(jiān)測點位，進(jìn)行加密監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示。

圖5 浮游植物密度分布情況Fig.5 Distribution of phytoplankton densities

隨著亦莊水廠(一期)工程通水運(yùn)行，亦莊調(diào)節(jié)池的水體流態(tài)發(fā)生改變，亦莊調(diào)節(jié)池為亦莊水廠供水后，南水北調(diào)來水從采樣點S3位置進(jìn)入亦莊調(diào)節(jié)池西北角，該采樣點的浮游植物密度相對較低，約為200萬cells/L；亦莊調(diào)節(jié)池水從采樣點S4位置進(jìn)入亦莊水廠，浮游植物密度約為300萬cells/L；采樣點S5位置為亦莊調(diào)節(jié)池東南角，浮游植物密度相對較高，接近500萬cells/L，其原因是，該位置屬于水流緩滯區(qū)，藻類易生長累積，在之后輸配水過程中，需密切關(guān)注該位置水生態(tài)變化情況。有研究表明[14]，應(yīng)急水量調(diào)度能夠在一定程度上遏制水華的發(fā)生，因此，可在工程條件允許的情況下，增大亦莊調(diào)節(jié)池的輸配水量，降低藻類增殖帶來的生態(tài)風(fēng)險。

2.5 生物多樣性指數(shù)變化

根據(jù)浮游植物檢測結(jié)果，分別計算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 生物多樣性指數(shù)變化情況Fig.6 Variation of biodiversity indices

總體上各指數(shù)數(shù)值越高，說明水體浮游植物種類越豐富，其群落穩(wěn)定性相對越高[15]，同時，根據(jù)多樣性指數(shù)與水體營養(yǎng)水平的關(guān)系[11]，亦莊調(diào)節(jié)池浮游植物的Shannon-Wiener指數(shù)基本處于1.0～3.0之間，說明水體為中營養(yǎng)水平。Pielou均勻度指數(shù)在0.5左右波動，同樣說明其水體屬于中營養(yǎng)水平。Margalef豐富度指數(shù)在6月之后出現(xiàn)升高后又回落現(xiàn)象，從1.0上升至1.5～2.0，又下降到1.0左右，這除了受到外界溫度、光照等變化影響之外，還受到了南水北調(diào)來水影響。來水在初期豐富了亦莊調(diào)節(jié)池的浮游植物種類，之后浮游植物種類趨于穩(wěn)定，Margalef豐富度指數(shù)回落，Shannon-Wiener指數(shù)也有類似變化趨勢。

3 結(jié)論與建議

亦莊調(diào)節(jié)池水體水質(zhì)屬于Ⅱ類，處于中營養(yǎng)狀態(tài)。亦莊調(diào)節(jié)池的浮游植物檢測結(jié)果表明：綠藻門和硅藻門是其主要門類，調(diào)節(jié)池輸配水狀態(tài)發(fā)生改變后，在6月出現(xiàn)浮游植物異常增殖現(xiàn)象，S1采樣點的浮游植物密度超過了1 000萬 cells/L，達(dá)到1 350萬cells/L，藍(lán)藻門浮游植物占絕大多數(shù)；調(diào)節(jié)池各區(qū)域之間的浮游植物密度分布差異較大，在水流緩滯區(qū)域，浮游植物密度明顯高于其他區(qū)域，需密切關(guān)注該區(qū)域水生態(tài)變化情況。

在南水北調(diào)來水供水量增加的情況下，亦莊調(diào)節(jié)池現(xiàn)狀的蓄積狀態(tài)將徹底改變，連續(xù)的進(jìn)出水條件下，若出現(xiàn)藻類過量生長情況，將導(dǎo)致一部分藻類在調(diào)節(jié)池沉積，由藻類誘發(fā)的藻泥沉積會對調(diào)節(jié)池的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，為了保障亦莊調(diào)節(jié)池的水生態(tài)環(huán)境安全穩(wěn)定，建議采取措施改善調(diào)節(jié)池水動力，在一定程度上，減少藻類增殖帶來的風(fēng)險。