南水北调亦庄调节池浮游植物时空变化分析

王 艳，李 兆 欣，艾 超 坤

(1.北京市南水北调环线管理处，北京 100176；

2.北京市水科学技术研究院，北京 100048；

3.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038)

南水北调中线工程是缓解中国水资源分布不均、优化水资源配置的跨流域调水工程，具有重大战略意义。中线干线全长1 432 km，途经河南省、河北省、北京市、天津市各地，其中至北京市的干线长1 276 km，向天津市输水干渠长156 km[1-2]。南水北调亦庄调节池工程作为北京市南水北调配套工程中的调蓄系统工程之一，位于北京市大兴区亦庄镇，总调蓄容积260万m3，南水北调中线引水入京后，亦庄调节池作为南干渠末端的亦庄水厂、通州水厂、水源十厂等水厂的调节池，承担了上述水厂的水源切换任务，保障正常调度运行期和非常调度运行期的原水供需平衡[3]。亦庄调节池(一期)工程建成蓄水后，水体多处于静置状态，2021年5月31日，亦庄水厂(一期)开始试运行，亦庄调节池为其供给南水北调来水约10万m3/d。

南水北调中线工程明渠居多，且作为输水渠道，并不具备完善的生态系统，水生态稳定性相对较差，在输水过程中，外界温度、光照等环境适宜时，藻类易出现大量增殖现象。近年来，南水北调中线干渠水体富营养化程度在春夏季节呈增长趋势，藻类增殖风险升高[1]。南水北调输水过程中藻类监测分析[4]、增殖预测[1-2]、去除技术研究[5-6]越来越受到关注。

南水北调亦庄调节池工程属于小型调蓄系统，可以调节北京市南水北调及密云水库两大水源供水和各用水户需水之间的不协调问题，满足各用水户在不同水源切换期间的用水需求，保证相关水厂的水源安全。但是，水体的蓄积同样为藻类增殖提供了适宜的条件，特别是从2021年5月31日开始，亦庄调节池水流状态发生改变，若存在水流缓滞区域，将致使藻类异常增殖，会影响后续水厂的处理工艺及出水稳定性[7]。亦庄调节池作为江水进京后的调蓄水池，保障其水质安全是第一要务，由藻类诱发的藻泥沉积会对调节池的正常运行产生影响。因此，本文基于监测资料，采用Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富指数和Pielou均匀度指数进行亦庄调节池浮游植物时空变化分析，解析藻类生长、分布规律，能够为亦庄调节池水生态环境安全保障提供支撑。

1.1 研究区域及采样点布设

亦庄调节池位于北京市东南部地区，地势较低，为了实现对南水北调中线水源、东线水源、密云水库水源和海水淡化水源等多个水源的联合调度，设置了加压泵站为水厂供水。亦庄调节池(一期)工程，设置1个进水口，设计规模为16.52 m3/s，亦庄水厂试运行期间，供水10万m3/d。平均水深4.7 m，水面面积12.4万m2，调蓄容积52.5万m3，整个水体呈长方体，按设计进出水规模计算，水力停留时间为8.8 h，按现状进出水量计算，水力停留时间为5.25 d。根据亦庄调节池具体情况以及南水北调来水进入调节池的水流方向，布设5处监测点位，S1和S2监测点位为日常监测点，S3、S4和S5为加密监测点，具体点位如图1所示。其中，S3点为调节池的进水口位置，S4点为调节池的出水口位置。

图1 采样点布设Fig.1 Sampling points

1.2 采样与鉴别方法

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日采集了浮游植物样品，为了了解亦庄调节池浮游植物的整体分布情况，在8月4日增加监测点位，进行加密监测。

浮游植物样品采集按SC/T 9402-2010《淡水浮游生物调查技术规范》[8]方法进行，在各采样点水面下0.5 m位置采集水样1 L，采样后立刻加入浮游植物固定试剂鲁哥氏液15 mL，并摇匀浮游植物样品，之后带回实验室。在实验室进行样品浓缩处理，放置在稳定的实验台上，静置沉淀24 h，用细小虹吸管(内径3 mm)吸去上层清液，最后定容到30 mL，通过显微镜镜检，进行浮游植物种类鉴定，采用0.1 mL计数框进行密度测定。

浮游植物的种类鉴定参考《中国淡水藻类：系统、分类及生态》[9]，并通过物种优势度指数计算，确定优势种，优势度指数计算公式如下：

Y=(ni/N)fi

(1)

式中：N为采集样品中的所有种类总个体数；
ni为第i种生物的个体数；
fi表示该物种在各采样点出现的频率。当Y>0.02时，该物种为群落中的优势种。

1.3 多样性指数分析

采用生物多样性指数评价浮游植物群落特征，能够在一定程度上分析其生物群落结构变化和生态状况，常用的多样性指数包括：Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数[10]。

各指数计算公式如下：

(1) Shannon-Wiener多样性指数：

(2)

式中：ni为第i种浮游生物的个体数，N为采集样品中的所有种类总个体数。

(2) Margalef丰富度指数：

D=(S-1)/lnN

(3)

式中：N为采集样品中的所有种类总个体数；
S为采集样品中的种类总数。

(3) Pielou均匀度指数：

J=H′/lnS

(4)

式中：S为采集样品中的种类总数；
H′为Shannon-Wiener指数。

根据多样性指数与水体营养水平的关系[11]，H′>3时水体为贫营养型，1≤H′≤3之间为中营养型，H′<1为富营养型；
J在0.5～0.8之间为贫营养型，在0.3～0.5之间为中营养型，在0～0.3之间为富营养型。

2.1 基本环境状况

亦庄调节池输配水源为南水北调来水，作为饮用水源地，其水质常年优于地表水Ⅱ类水平，浮游植物监测期间，亦庄调节池主要水质指标检测结果如表1所列。

表1 亦庄调节池主要水质指标检测结果Tab.1 General characteristics of main water quality indexes in Yizhuang storage pond

由于水温、气象等因素对于浮游植物生长影响较大，因此监测获取了亦庄调节池的水温、降雨量与蒸发量，结果如表2所列。

表2 亦庄调节池水温与气象数据Tab.2 General characteristics of water temperature and meteorological data in Yizhuang storage pond

2.2 浮游植物种类组成

亦庄调节池来水藻类以硅藻门和绿藻门为主，蓝藻门也占有一定比重，隐藻门和金藻门也有检出，硅藻门中的尖针杆藻密度最高。

根据亦庄调节池采样检测结果，共发现浮游植物7门135种，如图2所示。其中绿藻门61种，占浮游植物总种类数的比例为45%；
其次为硅藻门，共有40种，占浮游植物总种类数的比例为30%；
再次为蓝藻门，共有18种，占比为13%；
裸藻门、金藻门、甲藻门和隐藻门分别检测出6，4，3种和3种，占比分别为4%，3%，2%和2%。亦庄调节池的藻类组成与来水藻类组成相似，表明其在一定程度上受到了来水的影响。

图2 浮游植物种类组成Fig.2 Composition of phytoplankton species

通过物种优势度计算确定优势种，监测过程中共发现24个优势种，如图2所示。其中，顶接鼓藻、网状空星藻、美丽网球藻和微小四角藻，属于绿藻门；
小环藻、尖针杆藻、纤细内丝藻、小内丝藻、优美桥弯藻、曲壳藻和梅尼小环藻，属于硅藻门；
微囊藻、类颤藻鱼腥藻、假鱼腥藻、朦胧粘杆藻、泽丝藻、优美平裂藻、腔球藻、泽丝藻、惠氏微囊藻、色球藻和粘球藻，属于蓝藻门；
裸甲藻和锥囊藻，分别属于裸藻门和金藻门。

浮游植物生长和其属种变化，通常与水温、光照、营养盐含量密切相关，从浮游植物种类占比分析，亦庄调节池绿藻门、硅藻门占比明显高于其他门类；
从优势种分析，蓝藻门浮游植物的优势种最多。亦庄调节池的水体作为饮用水源，其浮游植物种类绿藻门和硅藻门占比高，与北京地区密云水库等水源地的浮游植物种类组成类似[12]，其原因主要是受到水源影响，水中的营养盐含量等条件使得绿藻门和硅藻门占比高。蓝藻门的浮游植物优势种最多，是因为蓝藻门的藻类生长迅速[13]，亦庄调节池透明度相对较高，且存在水流缓滞区域，在水温、光照等条件适宜时，蓝藻门藻类易发生快速生长，成为优势种。

2.3 浮游植物密度和生物量变化

浮游植物密度变化如图3所示。其中，6月17日检测结果表明，采样点S1浮游植物密度超过了1 000万cells/L，达到1 350万cells/L，蓝藻门浮游植物占绝大多数，浮游植物密度处于较高水平，之后浮游植物密度逐渐降低，稳定在500万cells/L以下。出现该现象的原因是，进入夏季，温度升高，一定程度上为藻类快速增殖提供了必要的环境条件，当水温、光照、水体流速等外界环境因子达到适宜状态，藻类易出现剧烈变化[13]。

图3 浮游植物密度变化Fig.3 Variation of phytoplankton densities

对比S1和S2两个采样点的检测结果，6月17日和7月6日，浮游植物密度均差别较大，这主要是受到了水体流态改变的影响，亦庄调节池浮游植物密度分布并不均匀。

浮游植物生物量的变化如图4所示。浮游植物生物量构成以硅藻门为主。总体上，硅藻门浮游植物比其他门类浮游植物个体的大小和生物量大。结合浮游植物密度检测结果分析，6月17日采样点S1的浮游植物密度较高，其组成以蓝藻门为主，由于蓝藻门个体较小，且生物量较低，所以S1采样点的生物量较低，为0.82 mg/L；
7月6日采样点S2的浮游植物密度较高，其组成以硅藻门为主，由于硅藻门个体较大、且生物量较高，所以S2采样点的生物量较高，达到5.58 mg/L。

图4 浮游植物生物量变化Fig.4 Variation of phytoplankton biomass

2.4 浮游植物空间分布情况

在日常监测过程中，发现亦庄调节池浮游植物密度分布并不均匀，为了进一步掌握亦庄调节池浮游植物的分布情况，在8月4日增加了监测点位，进行加密监测，结果如图5所示。

图5 浮游植物密度分布情况Fig.5 Distribution of phytoplankton densities

随着亦庄水厂(一期)工程通水运行，亦庄调节池的水体流态发生改变，亦庄调节池为亦庄水厂供水后，南水北调来水从采样点S3位置进入亦庄调节池西北角，该采样点的浮游植物密度相对较低，约为200万cells/L；
亦庄调节池水从采样点S4位置进入亦庄水厂，浮游植物密度约为300万cells/L；
采样点S5位置为亦庄调节池东南角，浮游植物密度相对较高，接近500万cells/L，其原因是，该位置属于水流缓滞区，藻类易生长累积，在之后输配水过程中，需密切关注该位置水生态变化情况。有研究表明[14]，应急水量调度能够在一定程度上遏制水华的发生，因此，可在工程条件允许的情况下，增大亦庄调节池的输配水量，降低藻类增殖带来的生态风险。

2.5 生物多样性指数变化

根据浮游植物检测结果，分别计算Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数，结果如图6所示。

图6 生物多样性指数变化情况Fig.6 Variation of biodiversity indices

总体上各指数数值越高，说明水体浮游植物种类越丰富，其群落稳定性相对越高[15]，同时，根据多样性指数与水体营养水平的关系[11]，亦庄调节池浮游植物的Shannon-Wiener指数基本处于1.0～3.0之间，说明水体为中营养水平。Pielou均匀度指数在0.5左右波动，同样说明其水体属于中营养水平。Margalef丰富度指数在6月之后出现升高后又回落现象，从1.0上升至1.5～2.0，又下降到1.0左右，这除了受到外界温度、光照等变化影响之外，还受到了南水北调来水影响。来水在初期丰富了亦庄调节池的浮游植物种类，之后浮游植物种类趋于稳定，Margalef丰富度指数回落，Shannon-Wiener指数也有类似变化趋势。

亦庄调节池水体水质属于Ⅱ类，处于中营养状态。亦庄调节池的浮游植物检测结果表明：绿藻门和硅藻门是其主要门类，调节池输配水状态发生改变后，在6月出现浮游植物异常增殖现象，S1采样点的浮游植物密度超过了1 000万 cells/L，达到1 350万cells/L，蓝藻门浮游植物占绝大多数；
调节池各区域之间的浮游植物密度分布差异较大，在水流缓滞区域，浮游植物密度明显高于其他区域，需密切关注该区域水生态变化情况。

在南水北调来水供水量增加的情况下，亦庄调节池现状的蓄积状态将彻底改变，连续的进出水条件下，若出现藻类过量生长情况，将导致一部分藻类在调节池沉积，由藻类诱发的藻泥沉积会对调节池的正常运行产生影响。因此，为了保障亦庄调节池的水生态环境安全稳定，建议采取措施改善调节池水动力，在一定程度上，减少藻类增殖带来的风险。