北方某大型水庫營養(yǎng)狀態(tài)及水環(huán)境容量研究

米 莎，洪 雷

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

北方某大型水庫位于北京市東北方向，建成于1960年，總面積188 km2，最大水深60 m，最大庫容 43.75億 m3。該水庫是一座集防洪、供水、生態(tài)涵養(yǎng)、南水北調(diào)來水調(diào)蓄等功能于一體的大型水利樞紐工程，目前以防洪、供水和生態(tài)涵養(yǎng)3大功能為主。

水體營養(yǎng)狀態(tài)評價是對水體營養(yǎng)狀態(tài)發(fā)展過程中某一階段營養(yǎng)狀況的定量描述，其主要目的是通過對具有水體富營養(yǎng)化代表性指標(biāo)的調(diào)查，判斷該水體的營養(yǎng)狀態(tài)，了解其富營養(yǎng)化進(jìn)程及預(yù)測其發(fā)展趨勢，為水體水質(zhì)管理及富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù)［1］。水庫2002年曾監(jiān)測出了微囊藻毒素，并且還是北京市唯一的地表飲用水源地，因此，對其營養(yǎng)狀態(tài)的評價是開展水庫水質(zhì)研究的重中之重。本文從營養(yǎng)狀態(tài)、水環(huán)境容量等角度研究該大型水庫水質(zhì)狀況，可為北方同類型水庫的營養(yǎng)狀態(tài)研究提供參考。

1 采樣點及監(jiān)測指標(biāo)

自1990年至2012年每月中旬于監(jiān)測點取樣進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)分析。監(jiān)測站點共有11個，所有監(jiān)測點的分層情況均按照三層，即表層、中間層和下層。

2 營養(yǎng)狀態(tài)分析

2.1 營養(yǎng)狀態(tài)評價方法

目前常用的水體營養(yǎng)狀態(tài)評價方法主要有特征法、參數(shù)法、生物指標(biāo)參數(shù)法、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、營養(yǎng)評分模式、數(shù)學(xué)評價法、指標(biāo)測定法［2］。

葉綠素濃度常作為反映水體營養(yǎng)化程度的一個重要參數(shù)［3］。通過測定chl－a表明水體中藻類現(xiàn)存量來評價水體富營養(yǎng)化程度是目前湖泊水質(zhì)監(jiān)測中最常用也是最直接有效的方法。

一般認(rèn)為，碳、氮、磷是富營養(yǎng)化發(fā)生的基本物質(zhì)基礎(chǔ)，是營養(yǎng)源指標(biāo)，故本研究重點對葉綠素 －a(chl－a)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度等指標(biāo)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)進(jìn)行分析。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式為:

式中:TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)代表第 j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

以chl－a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第 j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為:為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù) chl－a的相關(guān)系數(shù);m為評價參數(shù)的個數(shù)。

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式:

式中:rij

為了說明湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)情況，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級，分為6個級別，在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重。

2.2 營養(yǎng)狀態(tài)區(qū)域分布

根據(jù)2012年5月對各監(jiān)測點的測定結(jié)果，可以得出該水庫2012年5月各監(jiān)測點表層、中層、底層水體中不同形態(tài)營養(yǎng)元素C、N、P的含量。結(jié)果顯示，水體中溶解氧含量不同，直接影響水體中N、P的形態(tài)，中層或底層水體中的正磷酸鹽SRP占可溶性總磷DTP的比重較高。SRP是水體中生物攝取利用磷的最直接形式，直接表征了水體富營養(yǎng)化的潛力。

2.3 營養(yǎng)狀態(tài)年度變化

按照綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，得出2001—2010年該水庫不同監(jiān)測點5月份的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的變化情況。整體來看，5月份水庫水體基本呈現(xiàn)中營養(yǎng)狀態(tài)，部分監(jiān)測點部分年份水體呈現(xiàn)貧營養(yǎng)狀態(tài)。這可能與4、5月是該水庫的枯水期有關(guān)。

該水庫富營養(yǎng)化的控制因子是磷，故應(yīng)對水庫不同監(jiān)測點5月份水中總磷含量隨年份變化情況進(jìn)行關(guān)注。

2.4 營養(yǎng)狀態(tài)月度變化

根據(jù) 2010年該水庫各個監(jiān)測點 chl－a、TP、TN、SD、CODMn

測定結(jié)果，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計算2010年每月水庫各監(jiān)測點水體的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，并做出水庫不同區(qū)域營養(yǎng)狀態(tài)月度曲線。

2010年每月該水庫不同區(qū)域水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均大于30，均處于中營養(yǎng)化狀態(tài)。

3 水環(huán)境容量計算

該水庫水系龐大，污染物種類繁多，庫中主要的污染物包括 CODcr，CODMn，NH3－N，TP 等，這些污染物對水庫的水質(zhì)起著不同程度的負(fù)面作用。根據(jù)該水庫近幾年的水質(zhì)監(jiān)測資料和污染源調(diào)查資料，本研究以 CODcr，NH3－N，TN，TP這4種污染物作為水環(huán)境容量的控制指標(biāo)。

3.1 污染物容量計算

3.1.1 相關(guān)參數(shù)條件確定

1)滯留系數(shù) RN、RP式中:Wout為出庫污染物總量，單位為 t/a;Win為入庫污染物總量，單位為t/a。

水質(zhì)目依據(jù)該水庫利用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838－2002)》的規(guī)定，確定各控制指標(biāo)的污染物控制濃度，具體數(shù)據(jù)如下表1。

2)邊界條件

根據(jù)水庫的水文數(shù)據(jù)，分別計算該水庫豐水年、平水年和枯水年的水環(huán)境容量。北京市2010年降水量為533.8 mm，接近北京市多年平均降水量585 mm，水庫2010年的蓄水量為9.904億 m3，入庫水量為 2.66億 m3，出庫水量為2.67億 m3，與其它年份相比處于居中的水平，因此可以將2010年作為該水庫的平水年;將2003年作為該水庫的枯水年;將1995年作為該水庫的豐水年。表2為水庫的水環(huán)境容量計算邊界。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

表2 水環(huán)境容量計算邊界條件

3.1.2 水容量計算模型

1)CODcr、NH3－ N 模型

式中:Cs為 CODcr(NH3－N)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(Ⅱ)，單位mg/L。

參考國內(nèi)的研究［3］，確定北京市河流水庫的 KCOD，KNH3－N分別為 0.1d－1，0.05d－1。

2)TN、TP模型

式中:Cs為 TN(TP)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(Ⅱ)，單位 mg/L。

本研究中 TN、TP的模型采用 Dillion模型［4］。Dillion模型對Vollenweider模型進(jìn)行了一些修正，模型也假定水庫完全均勻混合，水庫的N、P負(fù)荷主要來源于外部，水體中的物質(zhì)平衡處于穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)［5］。

在確定了該水庫水環(huán)境容量模型和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制后，根據(jù)對該水庫的水質(zhì)分析，納入模型的因子包括 CODcr、NH3－N、TN、TP。通過公式(6)、(7)、(8)計算得到該水庫的水環(huán)境容量，見表3。

表3 水庫水環(huán)境容量計算結(jié)果

3.2 污染物排放量現(xiàn)狀與水環(huán)境容量比較

現(xiàn)狀污染物排放量與水庫各項指標(biāo)環(huán)境容量的比較見表4。

表4 現(xiàn)狀污染物排放量與水環(huán)境容量比較

由表4可知，在水庫水質(zhì)目標(biāo)為地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)時，2010年(平水年)各項指標(biāo)環(huán)境容量與污染物入庫量相比，TN的污染物入庫量超過了其水環(huán)境容量，超標(biāo)率為72.19%，CODcr、NH3－N、TP的水環(huán)境容量均有剩余。

由以上內(nèi)容可以看出，該水庫污染物控制應(yīng)以TN、TP為重點，尤其是在豐水年和枯水年要特別關(guān)注TN、TP入庫量超過水環(huán)境容量的情況，及時采取措施防止富營養(yǎng)化的發(fā)生。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

整體來看，5月份水庫水體基本呈現(xiàn)中營養(yǎng)狀態(tài)，部分監(jiān)測點部分年份水體呈現(xiàn)貧營養(yǎng)狀態(tài);水庫藻類過度生長的高發(fā)月份有三個，即6、7、8月;5—8月綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較8—10月綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)稍高一些。

該水庫豐水年 BOD5、NH3－N的水環(huán)境容量均有剩余，TN、TP的污染物入庫量均超過了其水環(huán)境容量;枯水年BOD5、NH3－N的水環(huán)境容量均有剩余，TN、TP的污染物入庫量均超過了其水環(huán)境容量;平水年 CODcr、NH3－N、TP的水環(huán)境容量均有剩余，TN的污染物入庫量超過了其水環(huán)境容量。