老虎潭水庫水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及防治措施

左文蕊　丁新新

摘要 通過對老虎潭水庫營養(yǎng)元素氮、磷及氮磷比的研究，對該水庫營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行分析，并針對水庫的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及特點(diǎn)，提出若干防治措施。結(jié)果表明，老虎潭水庫處于好氧、弱堿性環(huán)境，硝態(tài)氮是總氮的主要賦存形式，不溶性磷積累沉積于庫底；水庫磷含量較低，屬于磷限制性水庫。

關(guān)鍵詞 老虎潭水庫；富營養(yǎng)化；氮；磷；防治措施

中圖分類號 S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-214-03

水庫具有防洪、灌溉、城市供水、旅游等多項(xiàng)功能，對我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起到重要的支撐作用。但同時，人類的社會經(jīng)濟(jì)活動對水庫水環(huán)境也造成巨大的影響，大量來自社會活動和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氮、磷元素進(jìn)入水體，使藻類等浮游植物大量生長，導(dǎo)致水庫富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生，影響水庫的供水安全。因此，針對水庫，尤其是飲用水源水庫的富營養(yǎng)狀態(tài)及防治對策的研究，受到廣泛關(guān)注。早在20世紀(jì)初，水體富營養(yǎng)化問題已引起國外部分生態(tài)學(xué)家的注意，并開始對其成因進(jìn)行初步探索。由于富營養(yǎng)化的發(fā)生發(fā)展包含一系列生物、化學(xué)、物理變化過程，并與水體化學(xué)物理性質(zhì)、水庫形態(tài)、底質(zhì)、用途等眾多因素有關(guān)，其演變過程十分復(fù)雜，所以富營養(yǎng)化形成機(jī)理仍有待進(jìn)一步深入研究。近年來，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論逐漸應(yīng)用于水生生態(tài)學(xué)研究，Redfield關(guān)于氮磷比和富營養(yǎng)化關(guān)系的理論不斷完善。筆者利用老虎潭水庫長期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步探明老虎潭水庫氮磷污染現(xiàn)狀，利用氮磷比解析水庫的富營養(yǎng)化狀態(tài)，以期為水體富營養(yǎng)化防治措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 水庫概況與研究方法

1.1 水庫概況 老虎潭水庫位于浙江省西北部湖州市吳興區(qū)埭溪鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫攔河壩位于東苕溪支流埭溪上游埭溪鎮(zhèn)張村附近，集水區(qū)域涉及湖州吳興區(qū)埭溪鎮(zhèn)、德清縣莫干山鎮(zhèn)和安吉縣昆銅鄉(xiāng)。水庫集水面積110 km2，多年平均徑流量8 622萬m3，水庫主壩為砼面板堆石壩和砼重力壩混合壩型，主壩頂高54.8 m，總長774 m，寬6 m，總庫容9 966萬m3，正常蓄水位49 m，正常蓄水量7 207萬m3。水庫于2005年12月開工建設(shè)，2010年3月正式供水，日供水約18萬m3。供水范圍覆蓋湖州中心城市大部分區(qū)域，是湖州中心城市及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要的飲用水源，是浙江省水資源保障百億工程之一，累計(jì)供水約3.29億m3，受益人口約80萬人，是一座以防洪為主、結(jié)合供水，兼顧灌溉，帶動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)水利工程。

1.2 樣品采集與分析 根據(jù)水庫地理環(huán)境特征，共設(shè)4個監(jiān)測斷面，分別分布于老虎潭水庫上游莊上、大陳、小溪3條支流匯入口及水庫取水口（圖1）。在水面以下0.5 m處采集水樣，每月監(jiān)測1次，監(jiān)測項(xiàng)目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)，均按國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。在水質(zhì)檢測與評價(jià)過程中，湖庫富營養(yǎng)化的評價(jià)項(xiàng)目為總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a及透明度。其中，總磷、總氮作為營養(yǎng)鹽，通常對富營養(yǎng)化程度起決定性作用。有研究指出，大約80%的湖泊、水庫以磷為限制因子，大約10%的湖泊、水庫以氮為限制因子，其余10%的湖泊、水庫與其他因素有關(guān)[1]。該研究選取總氮和總磷，分別進(jìn)行分析。

2 老虎潭水庫水質(zhì)指標(biāo)及富營養(yǎng)化分析

2.1 水質(zhì)基本現(xiàn)狀

2.1.1 水庫水環(huán)境狀況。

根據(jù)水環(huán)境條件，水體中有機(jī)物降解分為好氧降解和厭氧降解。

溶解氧含量高低直接影響水質(zhì)及底泥的氧化還原條件。溶解氧含量高，水質(zhì)、底泥呈氧化狀態(tài)；溶解氧含量低，呈還原狀態(tài)。由表1可知，老虎潭水庫水體溶解氧含量較高，有利于氧化反應(yīng)進(jìn)行，水庫水體總體處于弱堿性及較高的氧化環(huán)境下。

2.1.2 水庫氮指標(biāo)現(xiàn)狀。

水體中的氮分為有機(jī)氮和無機(jī)氮兩類。無機(jī)氮主要由氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和溶解性氮組成；有機(jī)氮主要是構(gòu)成蛋白質(zhì)、鎂、核酸等的氨基酸、嘧啶和酰胺等。這些含氮化合物在水中經(jīng)過一系列的反應(yīng)互相聯(lián)系、互相轉(zhuǎn)換，形成氮循環(huán)。在好氧狀態(tài)下，水庫水體內(nèi)的有機(jī)氮在好氧微生物的作用下分解，向無機(jī)氮轉(zhuǎn)化，釋放出氨氮。通過硝化細(xì)菌作用，繼續(xù)氧化為硝酸鹽、亞硝酸鹽等，其反應(yīng)式為：

2NH2+3O2→2HNO2+2H2O+能量

2HNHO2+O2→2HNO3+能量

進(jìn)行硝化作用的微生物包括亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，都屬于化能自養(yǎng)菌，專性好氧，要求中性或弱堿性的環(huán)境（pH為6.5～8.0），當(dāng)pH<6.0時，作用強(qiáng)度明顯下降。由表1可知，老虎潭水庫水體全年均屬于弱堿性環(huán)境，有利于微生物的硝化作用。

2011～2014年監(jiān)測期間，老虎潭水庫總氮濃度為1.28～3.58 mg/L（圖2），均值為2.13 mg/L，超過Ⅴ類水質(zhì)濃度限值（2 mg/L）；氨氮濃度為0.026～0.891 mg/L，均值為0.207 mg/L；硝酸鹽氮濃度為0.80～1.81 mg/L，均值為1.36 mg/L，硝態(tài)氮占總氮的65.7%，為總氮的主要賦存形式。水體中的還原態(tài)氨氮含量低，而氧化態(tài)硝酸鹽氮含量高，在一定程度上意味著水體環(huán)境氧化能力有提升的趨勢[2]，說明老虎潭水庫水體處于較高的氧化環(huán)境，其水體自凈能力較強(qiáng)。

2.1.3 水庫磷指標(biāo)現(xiàn)狀。

水庫水體中磷的主要存在形式為顆粒態(tài)磷和溶解性磷，不溶性顆粒態(tài)磷大部分存在于底部沉積物中，而溶解性磷可以參與生物循環(huán)而被藻類利用，對水體富營養(yǎng)化有重要作用。水體中磷的循環(huán)包括磷的生物循環(huán)、顆粒態(tài)磷的沉降與再懸浮、溶解態(tài)磷的吸附與解吸等。①磷的同化作用。

水中溶解性無機(jī)磷首先為上層水中的浮游植物所吸收，轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷。其中一部分用于本身生長的需要，大部分（95%以上）積累在細(xì)胞中以備磷源不足時使用。②磷的礦化作用。有機(jī)物中的磷在其生物降解過程中，生成無機(jī)磷和磷化物，許多細(xì)菌和真菌都參與這個過程。③不溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷。不溶性磷不能為水中生產(chǎn)者所利用，水中pH向酸性轉(zhuǎn)變時，可使沉積物中的不溶性磷轉(zhuǎn)化成可溶性。老虎潭水庫水體pH全年呈弱堿性，限制了不溶性磷的轉(zhuǎn)化，這將導(dǎo)致水體中不溶性磷積累，沉積于水庫底部。老虎潭水庫上游面源污染調(diào)查顯示，總磷污染負(fù)荷為100.58 t/a，除了部分通過生物降解消耗外，大部分不溶性磷沉入庫底。2011～2014年監(jiān)測期間，老虎潭水庫總磷濃度為0.005～0.028 mg/L（圖3），部分監(jiān)測結(jié)果小于檢測限，均值為0.017 mg/L，低于湖、庫Ⅱ類水質(zhì)濃度限值（0.025 mg/L），濃度較小。

2.2 老虎潭水庫富營養(yǎng)化狀況

2.2.1 水庫水體氮磷比分析。水體富營養(yǎng)化過程中，氮、磷濃度的比值與藻類的生長有密切關(guān)系。當(dāng)總氮和總磷濃度比值為10∶1～15∶1時，藻類生長與氮、磷濃度存在直線相關(guān)關(guān)系[3]。根據(jù)Redfield的假設(shè)，一個典型的藻類分子式為（CH2O）106（NH3）16（H3PO4），也就是說，臨界的氮磷比按元素計(jì)應(yīng)為16∶1，按重量計(jì)應(yīng)為7.2∶1?；贚iebig最小值定律，植物生長取決于外界提供給它的所需養(yǎng)料中數(shù)量最少的一種，如果氮磷比小于該比值，氮將限制藻類的生長；如果氮磷比大于該比值，則磷是藻類生長的限制因素[4]。老虎潭水庫水體中總氮和總磷的平均濃度分別為2.13和0.017 mg/L，氮磷比按元素計(jì)的數(shù)值為125，累計(jì)監(jiān)測中氮磷比最低為50（2011年6月），最高時為512（2014年11月），大部分為70～200（圖4），大大高于16∶1，且氮磷比有逐漸增大的趨勢。這說明老虎潭水庫水體氮元素供應(yīng)充足，磷元素則是藻類生長的限制因子。

將TN/TP與TP進(jìn)行對數(shù)化處理后進(jìn)行線性擬合，可得到如下方程：log10（TN/TP）=-0.907 log10（TP）+3.21（R2=0.850），擬合效果較好；而TN/TP與TN的對數(shù)化線性擬合效果較差（R2=0.024）（圖5）。說明老虎潭水庫水體氮磷比主要受磷元素調(diào)控，進(jìn)一步支持了水庫水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)主要處于磷元素限制的結(jié)論。

2.2.2 水庫富營養(yǎng)化現(xiàn)狀。

根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL395-2007）中的指數(shù)評價(jià)法，對照標(biāo)準(zhǔn)表采用線性插值法將2011～2014年實(shí)測的水質(zhì)項(xiàng)目濃度值轉(zhuǎn)化為賦分值，計(jì)算相應(yīng)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI，參照表確定營養(yǎng)狀態(tài)分級。經(jīng)計(jì)算，2011～2014年老虎潭水庫的水體營養(yǎng)狀態(tài)基本

保持在中營養(yǎng)化水平，EI指數(shù)為40～50（圖6），輕度富營養(yǎng)化占比20%。從時間變化上看，EI指數(shù)以十分緩慢的速度呈現(xiàn)逐步增長的趨勢，也意味著水庫將來可能發(fā)生富營養(yǎng)化。

3 老虎潭水庫富營養(yǎng)化防治措施

老虎潭水庫作為湖州中心城市最重要的水庫型水源地，水質(zhì)好壞直接影響全市的飲水安全，是重要的民生工程，水體富營養(yǎng)化將是老虎潭水庫最大的水質(zhì)安全隱患。下一步要探索建立科學(xué)、有效的水庫水質(zhì)保護(hù)長效機(jī)制，降低營養(yǎng)鹽的入庫量，防止水質(zhì)污染和水體富營養(yǎng)化的發(fā)生。

3.1 加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度 根據(jù)上述監(jiān)測結(jié)果及分析，老虎潭水庫水體總氮偏高的情況下，水體自凈能力仍較好，營養(yǎng)狀態(tài)以中營養(yǎng)為主，沒有產(chǎn)生水華現(xiàn)象。這是因?yàn)樵撍畮煲粤诪橄拗埔蜃?，而水體中磷含量較低，形成富營養(yǎng)化的營養(yǎng)物質(zhì)受到限制，抑制了藻類的生長。在當(dāng)前氮元素充足的情況下，磷元素一旦增加到形成富營養(yǎng)化所需要的含量，就會發(fā)生水體富營養(yǎng)化。因此，防治老虎潭水庫水體富營養(yǎng)化，限制磷的入庫量是關(guān)鍵。

經(jīng)過對上游畜禽養(yǎng)殖的整頓搬遷，目前農(nóng)業(yè)面源污染是老虎潭水庫磷的主要來源。水庫集水區(qū)內(nèi)土地利用以竹林為主，庫區(qū)上游共有竹林面積7 037.8 hm2，占水源地總面積的68.5%。根據(jù)對上游集水區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)施肥情況的調(diào)查，每年約有2 t總磷通過農(nóng)田徑流進(jìn)入水庫，增加水體中營養(yǎng)鹽的負(fù)荷。因此，一是改善竹林施肥方式，開展測土配方施肥，制定科學(xué)合理的施肥方案，提高化肥利用效率；二是嚴(yán)格控制土地流轉(zhuǎn)，禁止高污染、高耗肥的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)入庫區(qū)，避免土壤污染；三是出臺產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，引導(dǎo)農(nóng)戶發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、林業(yè)，推廣植保新技術(shù)。

3.2 提升生活污水處理水平 據(jù)調(diào)查，老虎潭庫區(qū)集水區(qū)內(nèi)現(xiàn)有人口2萬余人，每年約產(chǎn)生總氮35 t、總磷3 t，而農(nóng)村生活污水的處理大部分仍處于傳統(tǒng)的直排階段，雨季初期雨水沖刷后通過地表徑流進(jìn)入水庫。嚴(yán)格控制生活污水是防治水庫富營養(yǎng)化的有效途徑，應(yīng)制定生活污水收集管網(wǎng)和處理設(shè)施提升方案，提高污水收集率和處理效率，建立日常管理維護(hù)機(jī)制，確保長久發(fā)揮效益，控制、減少生活污染物的排放。

3.3 全面開展生態(tài)修復(fù)工程 開展庫周消落帶生態(tài)修復(fù)工作，提高水庫自凈能力；對開山造地項(xiàng)目落實(shí)水土保持措施，避免水土流失；開展水庫庫尾生態(tài)濕地建設(shè)，提高生物多樣性，消納吸收氮、磷等營養(yǎng)元素，建設(shè)庫區(qū)人工濕地，設(shè)置植被緩沖帶，通過濕地植物、微生物吸收、吸附、分解和沉積作用，有效攔截、分解各類污染物，從而達(dá)到截污治污、凈化水質(zhì)的目的，減少老虎潭水庫污染物數(shù)量。

3.4 加大水源地執(zhí)法檢查 建立水源保護(hù)重要區(qū)域聯(lián)合定期巡查制度，將巡查發(fā)現(xiàn)的問題及時通報(bào)有關(guān)部門；建立聯(lián)席會議制度，共同研判問題解決方案。同時，建立環(huán)保、公安、國土、水利等部門聯(lián)合執(zhí)法機(jī)制，打擊破壞水源保護(hù)的違法生產(chǎn)行為，并建立跟蹤督辦和“回頭看”機(jī)制，確保執(zhí)法成效。開展重點(diǎn)整治活動，根據(jù)庫區(qū)水容量及季節(jié)性變化的特點(diǎn)，組織開展專項(xiàng)執(zhí)法，嚴(yán)厲打擊偷捕魚、庫區(qū)周邊偷盜沙石等破壞生態(tài)的行為。

3.5 提高水庫水質(zhì)研判能力 開展水庫水源保護(hù)課題研究，充分利用水質(zhì)自動監(jiān)測站、環(huán)保、水文、衛(wèi)生等單位監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立與中科院、浙江大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合研判水庫水質(zhì)動態(tài)機(jī)制，為水源保護(hù)工作提供支持。

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