柴方營(yíng) 趙予熙
摘要:西泉眼水庫(kù)是哈爾濱市轄區(qū)內(nèi)重要的大型水庫(kù)之一,一度被列為哈爾濱市城市居民用水后備水源地,該水庫(kù)水生態(tài)系統(tǒng)健康程度至關(guān)重要。本文研究了西泉眼水庫(kù)水環(huán)境生物學(xué)特征,運(yùn)用漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)層級(jí)關(guān)系對(duì)該水庫(kù)水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù),取得了良好效果。研究期間,水庫(kù)水體氨氮、總磷和總氮含量分別下降了42.1%、42.3%和36.2%,水質(zhì)改善效果十分顯著,水生態(tài)系統(tǒng)初步修復(fù)成功。
關(guān)鍵詞:西泉眼;漁業(yè);生態(tài)修復(fù);水生態(tài)系統(tǒng)
1 西泉眼水庫(kù)自然概況
1.1 地理位置
西泉眼水庫(kù)坐落于哈爾濱市阿城區(qū)平山鎮(zhèn)境內(nèi),位于松花江南岸一級(jí)支流阿什河上游,地理坐標(biāo)為東經(jīng)127°22′至127°31′,北緯45°04′至45°33′之間。西泉眼水庫(kù)地處阿城、尚志、五常三市(區(qū))交界處,距離哈爾濱市112公里。阿什河發(fā)源于尚志市帽兒山,流經(jīng)尚志市、阿城市、五常市、哈爾濱市,于哈爾濱市水泥廠附近匯入松花江,流域面積1151km2。西泉眼水庫(kù)控制流域面積占全流域面積的32%。
1.2 地理環(huán)境
西泉眼水庫(kù)所處區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?。春季風(fēng)大少雨干旱,夏季濕熱多雨,秋季冷涼早霜,冬季漫長(zhǎng)寒冷。全年無霜期120-140d,年平均氣溫3.4℃,年日照時(shí)數(shù)2400-2700h,有效積溫2500-2800℃。年平均降雨量為565mm,壩址以上多年平均降雨量為690mm。6-9月份降水占全年降水量的70%,流域內(nèi)徑流豐枯變化主要受降雨量的影響,夏季降雨量較豐富,冬季枯水。11月初開始冰凍,冰厚0.7-1m,4月上旬解凍。
1.3 工程概況
西泉眼水庫(kù)工程是以防洪、灌溉為主,兼顧除澇、養(yǎng)魚、發(fā)電、旅游、城市供水等綜合利用的水利樞紐工程。國(guó)家計(jì)委于1991年2月將西泉眼水庫(kù)項(xiàng)目正式批準(zhǔn)立項(xiàng),1996年10月主體工程竣工,2000年10月通過驗(yàn)收。西泉眼水庫(kù)是阿什河流域的第一個(gè)控制性工程,為大(II)型水庫(kù),庫(kù)容量為4.78×109m3,正常蓄水位高程為209.9m。底質(zhì)為壤土、砂壤土、草甸土和淋溶腐殖土。屬丘陵型水庫(kù)。水庫(kù)左岸多為耕地和山林,右岸除局部為緩坡溝谷外,多為陡峭的山體,植被茂盛。西泉眼水庫(kù)建成后淹沒了大量農(nóng)田、耕地、林地和沼澤,大量有機(jī)質(zhì)溶解進(jìn)入水體。
2 西泉眼水庫(kù)水生態(tài)系統(tǒng)污染現(xiàn)狀
根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院2000—2003年的研究報(bào)告,西泉眼水庫(kù)的主要污染物是氮和磷,屬有機(jī)污染型[1][2][3]。
西泉眼水庫(kù)輸入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染源有五類。一是工業(yè)企業(yè)和城鎮(zhèn)形成的點(diǎn)污染源;二是流域面積內(nèi)農(nóng)田、林地等地表徑流形成的面源污染源;三是受到污染的河流形成的徑流水污染源;四是大氣降水、降塵污染源;五是庫(kù)區(qū)周圍旅游業(yè)形成的污染源。
2.1 流域內(nèi)各類污染源情況
2.1.1 點(diǎn)源污染
(1)帽兒山鋼鐵廠。帽兒山鋼鐵廠年產(chǎn)值17000萬元,該廠通過利用爐渣和附近的石灰石、黏土資源,采用立窯生產(chǎn)水泥。該廠有職工2200人,家屬5800人左右,家屬區(qū)與廠區(qū)相連,廢水一并排入阿什河。日排放廢水量1400t左右,其中生產(chǎn)廢水760t/d,生活廢水640t/d。年廢水排放總量為50多萬t。廢水中主要污染物為化學(xué)需氧量、總氮、總磷。
(2)帽兒山鎮(zhèn)和平山鎮(zhèn)。2000年第五次人口普查,帽兒山鎮(zhèn)23285人,平山鎮(zhèn)25132人。帽兒山鎮(zhèn)和平山鎮(zhèn)兩個(gè)生活污水點(diǎn)源均無排水管網(wǎng),生活污水未經(jīng)任何處理直接向流域內(nèi)天然溝、河中排放。
2.1.2 面源污染
西泉眼水庫(kù)集水面積1151km2,其中林地約991km2,農(nóng)田約149km2,草地約20km2,鄉(xiāng)鎮(zhèn)占地約11.8km2。除林地、農(nóng)田、草地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)占地外,還有河流、水庫(kù)等水域面積。集水面積內(nèi)年使用氮肥約926t,磷肥約384t。
根據(jù)面源基本情況和單位負(fù)荷法,推算西泉眼水庫(kù)集水面積內(nèi)各種土地利用類型的污染負(fù)荷見表4。由表4可見,林地占面源輸入水庫(kù)的氮素中的比重最大,其次是農(nóng)田;磷元素是農(nóng)田占的比重最大,其次是林地。所以農(nóng)田和林地是主要的面污染源。磷是決定湖庫(kù)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵性限制因素,面源輸入水庫(kù)的磷素一半以上來自農(nóng)田。從這方面講,農(nóng)田是西泉眼水庫(kù)首要面污染源。
2.1.3 徑流水污染源
阿什河和黃泥河是匯入西泉眼水庫(kù)的兩條河流。阿什河有一條較大支流—二道河。在二道河入阿什河口內(nèi)、阿什河二道河口上、阿什河入西泉眼水庫(kù)口內(nèi)和黃泥河入西泉眼水庫(kù)口內(nèi)分別設(shè)置了水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。根據(jù)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院劉陽(yáng)等人2010年的監(jiān)測(cè),入庫(kù)河流主要指標(biāo)見表5。
2.1.4 大氣降水降塵污染源
大氣降水降塵的污染可根據(jù)多年平均降水量和降水、降塵的總氮、總磷實(shí)測(cè)值估算,以此計(jì)算直接入庫(kù)的降水和降塵的氮、磷年貢獻(xiàn)量。用總氮和總磷的平均值、多年平均降水量(564mm)、年平均降塵量(852t/km2)、水庫(kù)多年平均水面積(30.8km2)估算,西泉眼水庫(kù)直接入庫(kù)的降水、降塵的氮、磷污染負(fù)荷列于表6。
2.1.5 庫(kù)區(qū)旅游污染
采用經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(OECD)推薦的游客氮磷排放系數(shù)值―總氮13克/(人/天)、總磷1.5克/(人/天),估算西泉眼水庫(kù)旅游業(yè)污染。按年均5萬人,人均活動(dòng)一天計(jì)算,旅游業(yè)污染每年產(chǎn)生的氮、磷負(fù)荷分別為650kg和75kg。
2.2 重點(diǎn)污染源和年平均污染量
2.2.1 西泉眼水庫(kù)重點(diǎn)污染源。點(diǎn)源、面源、降雨、降塵和旅游涵蓋了西泉眼水庫(kù)流域內(nèi)全部污染源頭,通過計(jì)算各類污染源的氮、磷污染負(fù)荷比,可以發(fā)現(xiàn)西泉眼水庫(kù)的重點(diǎn)污染源,以便進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控,消除主要污染因素。通過計(jì)算氮、磷污染負(fù)荷比,顯而易見,西泉眼水庫(kù)主要污染源是農(nóng)田的面源污染。
4.4 高等水生植物
4.4.1高等水生植物種類。據(jù)調(diào)查,分布于西泉眼水庫(kù)的植物共有27科57屬82種,含種數(shù)最多的為菊科(Asteraceae),共13屬21種,其次為禾本科(Gramineae),共8屬9種,含種數(shù)最多的為菊科(Asteraceae)13屬21種,其次為禾本科(Gramineae)8屬9種,楊柳科(Salicaceae)2屬6種,蓼科(Polygonaceae)2屬7種,莎草科(Cyperaceae)3屬3種,豆科(Leguminosae)3屬3種;含2種的科有敗醬科(Valerianaceae)、金絲桃科(Hypericaceae)、唇形科(Labiatae)、茄科(Solanceae)、茜草科(Rubiaceae)。其他15科均只含1種,占總科數(shù)的62.5%。
4.4.2 高等水生植物多樣性。西泉眼水庫(kù)消落帶植物組成較為豐富,其中以一年生和多年生草本植物占優(yōu)勢(shì),可以適應(yīng)較為苛刻的環(huán)境。菊科、禾本科、蓼科為種數(shù)最多的3個(gè)科,優(yōu)勢(shì)明顯。消落帶植物的這種優(yōu)勢(shì)類群組成很好地反映了西泉眼水庫(kù)消落帶的生境特征。本次調(diào)查的西泉眼水庫(kù)消落帶植物多數(shù)是喜濕植物,水生植物較少,且植物多以一年生或兩年生植物,生長(zhǎng)快,短期內(nèi)能夠形成小群聚或者優(yōu)勢(shì)種群,可以很好的適應(yīng)水庫(kù)豐枯水位變化。西泉眼水庫(kù)水域邊緣植物甚少,挺水植物如菖蒲、香蒲、蘆葦?shù)壬w度小,且植物種類單一。沉水植物和浮葉植物均沒有發(fā)現(xiàn)。此現(xiàn)象可能由于水庫(kù)建庫(kù)時(shí)間較短,致使水生植物發(fā)展較為緩慢。
4.5 濾食性魚類
4.5.1濾食性魚類凈化水質(zhì)機(jī)理。鰱魚、鳙魚對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的控制作用主要是通過生物操縱手段來完成的。利用濾食性魚類鰱、鳙控制藍(lán)藻水華被認(rèn)為是一個(gè)有效的辦法,并在很多水體開始廣泛的實(shí)踐。早在1983年Hampl研究鰱魚的鰓耙間距在12um-26um之間,鰱魚所能攝取食物顆粒的最小直徑約為10um。因此,鰱魚的食物組成是大于10um的浮游生物和有機(jī)顆粒物,其食性會(huì)隨著環(huán)境改變而改變。孫曉明(1992)等也從鰱魚、鳙魚消化器官角度論述了其攝食藻類的機(jī)制。值得研究的是鰱魚還能攝入群體或絲狀藍(lán)藻,近年來,鰱魚常常被用做生物操縱工具來控制湖泊水庫(kù)中的藍(lán)藻,達(dá)到改善水質(zhì)的目的。Smith(1985)認(rèn)為藍(lán)藻在水體中占有一定優(yōu)勢(shì)時(shí),鰱魚可以有效的控制浮游植物生物量。謝平等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),在池塘養(yǎng)殖中,鰱魚、鳙魚的控藻和水質(zhì)改善具有一定關(guān)系。范振強(qiáng)研究表明鰱魚能有效控制藍(lán)藻的生物量,對(duì)于凈化水質(zhì)有一定作用。在波蘭Warniak湖,放養(yǎng)鰱魚(密度為30-90g/m3)后,浮游植物總生物量和藍(lán)藻都大大減少。
4.5.2 西泉眼水庫(kù)濾食性魚類水質(zhì)生物學(xué)
(1)濾食性魚類食性特征:2010年春季(4月和5月)、夏季(7月和8月)、秋季(9月和10月),在西泉眼水庫(kù)設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn),分別對(duì)鰱魚、鳙魚的體長(zhǎng)、體重、空腸率、食物充塞度、肥滿度系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行采樣測(cè)定。通過對(duì)鰱魚、鳙魚生長(zhǎng)和食物的研究,探索鰱魚、鳙魚對(duì)氮磷的消除機(jī)制,為西泉眼水庫(kù)保護(hù)與管理以及生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
研究結(jié)果表明:鰱魚腸道中的浮游植物占腸道食物的16.36%-33.17%;鳙魚腸道中的浮游動(dòng)物占腸道食物的26.14%-35.42%。鰱魚腸道內(nèi)容物中共鑒定出浮游植物7門156種,其中綠藻最多,共71種,其次硅藻40種,藍(lán)藻26種,裸藻11種,金藻5種,甲藻2種,隱藻1種。在鰱魚腸道中共發(fā)現(xiàn)26個(gè)常見種,以硅藻和綠藻為主,12個(gè)優(yōu)勢(shì)種,各季節(jié)優(yōu)勢(shì)種均以梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)和顆粒直鏈藻極狹變種(Melosira granulata var.angustissima)為主。鳙魚腸道內(nèi)容物共鑒定出浮游動(dòng)物57種,其中原生動(dòng)物13屬16種,輪蟲種類最多,共13屬29種,枝角類種類最少,共5屬5種,橈足類5屬7種。其中,共發(fā)現(xiàn)16個(gè)常見種,以原生動(dòng)物和輪蟲為主,優(yōu)勢(shì)種11種,各季節(jié)優(yōu)勢(shì)種均以浦達(dá)臂尾輪蟲(Brachionus budapestiensis)和螺形龜甲輪蟲(Keratella cochlearis)為主。
(2)濾食性魚類群體組成:鰱魚種群年齡組成主要是1-5齡,優(yōu)勢(shì)年齡組成為2齡和3齡,體長(zhǎng)范圍在22.1cm-65.7cm之間,多數(shù)在41.5cm-51.2cm之間,占鰱魚漁獲物總尾數(shù)的86.42%;體重范圍在230g-6230g之間,在1670g-2450g之間的個(gè)體較多;鳙魚種群年齡組成主要是1-5齡,優(yōu)勢(shì)年齡組成為2齡和3齡,體長(zhǎng)范圍在22.7cm-72.5cm之間,在40.5cm-51.5cm之間的個(gè)體較多,占鳙魚漁獲物總尾數(shù)的82.05%,體重范圍在320g-7750g之間,在1520g-2300g之間的個(gè)體較多
(3)濾食性魚類生長(zhǎng)特征:西泉眼水庫(kù)鰱魚、鳙魚體長(zhǎng)與體重關(guān)系為:鰱魚:W=0.0103L3.1464(R=0.9728,n=81)鳙魚:W=0.0123L3.1048(R=0.9797,n=79);用生長(zhǎng)方程(VBGF)表示為:鰱魚Lt=197.34(1-e-0.1463(t+0.3429))和Wt=7515(1-e-0.1463(t+0.3429))3.1464;鳙魚Lt=258.28(1-e-0.0895(t+0.2839))和Wt=30421(1-e-0.0895(t+0.2839))3.1048。鰱魚生長(zhǎng)拐點(diǎn)是7.56,此時(shí)相應(yīng)的體長(zhǎng)為108.18cm,體重為9798.89g。鳙魚生長(zhǎng)拐點(diǎn)是10.68,此時(shí)相應(yīng)的體長(zhǎng)為117.25cm,體重為11225.27g。
(4)濾食性魚類魚產(chǎn)力:西泉眼水庫(kù)浮游植物提供的魚產(chǎn)力為85.58kg/hm2。浮游動(dòng)物提供的魚產(chǎn)力為36.71kg/hm2。此外,由于腐屑和細(xì)菌及外源有機(jī)物對(duì)鰱、鳙魚有一定的餌料價(jià)值,此部分魚產(chǎn)力為48.92kg/hm2。浮游動(dòng)物、浮游植物和有機(jī)碎屑等魚產(chǎn)潛力合計(jì),西泉眼水庫(kù)鰱魚、鳙魚產(chǎn)力為171.21kg/hm2。
(5)濾食性魚類消除污染效率:西泉眼水庫(kù)鰱魚、鳙魚消化率季節(jié)變化差異不大,鰱魚對(duì)浮游生物消化率在27.08%-34.51%之間。其中,9月消化率最高,5月消化率最低。鳙魚對(duì)浮游生物消化率在38.46%-45.29%之間。其中8月消化率最高,5月消化率最低。西泉眼水庫(kù)水體中浮游植物生物量和豐富度大,鰱魚體內(nèi)浮游植物相對(duì)多,種類也多。而對(duì)于鳙魚來說,水體中浮游動(dòng)物生物量和豐富度與體內(nèi)浮游動(dòng)物數(shù)量關(guān)系不明顯。
5 研究結(jié)果
5.1 漁業(yè)生態(tài)修復(fù)清除氮磷元素效果
通過鰱魚、鳙魚對(duì)浮游生物的消耗及浮游生物中N、P含量計(jì)算得出,在2010年,西泉眼水庫(kù)共捕撈鰱魚3.5×105kg,鳙魚共捕撈1.5×105kg,共移出浮游植物1.2×107kg,氮元素6.42×105kg,相當(dāng)于6×106kg的尿素。磷元素9.37×104kg,相當(dāng)于4.2×106kg的過磷酸鈣。同時(shí),漁業(yè)生態(tài)修復(fù)碳匯效果也十分顯著,隨鰱魚、鳙魚也移出6.42×105kg的碳元素,相當(dāng)于吸收固定大氣中2.05×107kg的CO2。
5.2 漁業(yè)生態(tài)修復(fù)改善水質(zhì)效果
有機(jī)污染物清除后,水庫(kù)水質(zhì)改善效果明顯,根據(jù)哈爾濱環(huán)境監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)顯示,2010年水庫(kù)水體氨氮、總磷和總氮含量相比2009年分別下降了42.1%、42.3%和36.2%。
6 結(jié)論
研究表明西泉眼水庫(kù)主要是有機(jī)污染,通過不斷提高濾食性魚類產(chǎn)量,可以清除大量有機(jī)污染。西泉眼水庫(kù)外源性污染主要是農(nóng)田面源污染,其次是帽兒山鋼鐵廠的點(diǎn)源污染。按總氮、總磷折算,西泉眼水庫(kù)外源性污染年入庫(kù)相當(dāng)于過磷酸鈣磷肥717t,尿素氮肥3224t,漁業(yè)生態(tài)修復(fù)可以完全消除西泉眼水庫(kù)的外源性有機(jī)污染。
2010年項(xiàng)目研究期間,西泉眼水庫(kù)共捕撈濾食性魚類50萬kg,相當(dāng)于每年清除流域內(nèi)面源污染的氮肥6000t,磷肥4200t,從大氣中吸收二氧化碳20500t。此后水庫(kù)不斷提高魚類產(chǎn)量,有機(jī)污染去除效果十分明顯。2011年濾食性魚類產(chǎn)量提高到85萬kg,相當(dāng)于清除氮肥10200t,磷肥7140t,吸收二氧化碳34850t;2012年濾食性魚類產(chǎn)量提高到90萬kg,相當(dāng)于清除氮肥10800t,磷肥7560t,吸收二氧化碳36900t;2013年濾食性魚類產(chǎn)量提高到130萬kg,相當(dāng)于清除氮肥15600t,磷肥10920t,吸收二氧化碳53300t。哈爾濱市西泉眼水源地在2010-2013年的四年內(nèi)共清除氮肥42600t,磷肥29820t,吸收二氧化碳145550t。漁業(yè)生態(tài)修復(fù)在消除有機(jī)污染的同時(shí),碳匯效果也十分明顯,可起到緩解溫室效應(yīng)的作用。
參考文獻(xiàn):
[1]張穎,楊偉光,任南琪,都昌杰.西泉眼水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(04):478-480.
[2]劉陽(yáng),張穎,劉洋.西泉眼水庫(kù)污染源分析與評(píng)價(jià)[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,24(02):6-7+39.
[3]張穎,白羽軍,白昕,任南琪.西泉眼水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況及浮游藻類群落分析[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(05):523-525+567.
(責(zé)任編輯:常 順)