新安江水庫(kù)主要入流營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)間變化特征及其影響因素分析

蘭 佳，王裕成，陳世燕，余傳冠，吳志旭，張雅燕

淳安縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 311700

水庫(kù)是由人工攔河筑壩形成的相對(duì)封閉的水體，是區(qū)域的生產(chǎn)生活用水的重要儲(chǔ)備水源，其水質(zhì)安全具有戰(zhàn)略重要性。與天然湖泊相比，水庫(kù)受人為調(diào)蓄和干擾明顯，其水質(zhì)更易受流域上來(lái)水的影響。當(dāng)前，我國(guó)85%的飲用水來(lái)自于湖泊、水庫(kù)，水庫(kù)作為飲用水水源地的功能不斷強(qiáng)化，但近10年來(lái)，我國(guó)有1/3的重要水庫(kù)達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平[1]，因此，解決水質(zhì)問(wèn)題逐漸成為湖庫(kù)管理的重要任務(wù)[2]。控制入庫(kù)河流輸入水庫(kù)的污染物總量，是目前控制水體富營(yíng)養(yǎng)化、防治藻類水華爆發(fā)的最根本手段[3-5]。近年來(lái)，隨著丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)熱情的提高，新安江流域以農(nóng)家樂(lè)為代表的鄉(xiāng)村旅游快速發(fā)展，導(dǎo)致流域上游污染物排放強(qiáng)度急劇增大，高強(qiáng)度的污染負(fù)荷輸移進(jìn)入緩流的庫(kù)灣、河口等開(kāi)闊區(qū)域，藻類異常增殖，極易爆發(fā)藍(lán)藻水華。目前有關(guān)新安江流域上游入庫(kù)污染物時(shí)間變化特征相關(guān)分析的詳細(xì)報(bào)道仍不多見(jiàn)，因此，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)入庫(kù)水質(zhì)的演變特征，揭示其時(shí)間尺度上變化的驅(qū)動(dòng)因素是指導(dǎo)流域管理的科學(xué)基礎(chǔ)，在保護(hù)水庫(kù)水質(zhì)上具有重要的理論和實(shí)際意義。

新安江水庫(kù)位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安縣境內(nèi)，水庫(kù)于1959年新安江上游攔壩建水電站后形成，是特大山谷型深水水庫(kù)，多年平均徑流量65.3億m3。新安江流域總面積11 850 km2，其中安徽省境內(nèi)新安江流域面積為6 408.4 km2，安徽上游來(lái)水占新安江水庫(kù)入庫(kù)總量的60%，是新安江水庫(kù)的主要水源，對(duì)新安江水庫(kù)水質(zhì)的影響巨大。本文通過(guò)分析2007—2016年新安江上游來(lái)水幾個(gè)重要的水質(zhì)指標(biāo)的變化，探討新安江流域的水文、營(yíng)養(yǎng)鹽狀況及相關(guān)理化因子的變化特征，為下一步保障新安江水庫(kù)飲用水安全和健康的生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和監(jiān)測(cè)方法

新安江上游安徽境內(nèi)來(lái)水注入新安江水庫(kù)的唯一入口為街口斷面(北緯29°43′28″，東經(jīng)118°43′31″)。該斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次為每月的月初監(jiān)測(cè)1次，全年共12次。本文采用淳安縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站2007—2016年街口斷面定位觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。

數(shù)據(jù)測(cè)定指標(biāo)主要包括透明度、水溫、溶解氧、葉綠素a(Chl-a)、TP、TN、CODMn等。其中，水體透明度用塞氏圓盤(pán)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；水溫、溶解氧采用YSI-52型溶解氧測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；理化項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)取樣后帶回實(shí)驗(yàn)室分析，分析方法依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》；水樣Chl-a濃度采用丙酮萃取分光光度法測(cè)定；浮游植物定量樣品取表層水2.5 L，現(xiàn)場(chǎng)用魯哥氏液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室沉淀濃縮至30 mL用顯微鏡分類計(jì)數(shù)，浮游植物物種鑒定和計(jì)數(shù)等參考文獻(xiàn)[6]。選用Chl-a、TP、TN、CODMn和透明度作為參數(shù)，計(jì)算綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)對(duì)街口斷面水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。降水量和入庫(kù)流量數(shù)據(jù)由水利部門提供。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel工作表進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。文中水質(zhì)指標(biāo)的“年”值為2007—2016年每年年均值，“月”值為2007—2016年的每月月均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 水文動(dòng)態(tài)

2007—2016年街口斷面年均降水量(1 271.45±317.14) mm，波動(dòng)范圍803～1 560.86 mm，年均降水量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。2007—2016年年均入庫(kù)流量(352.6±92.2) m3/s，波動(dòng)范圍184～483.1 m3/s，整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。入庫(kù)流量同降水量變化基本一致[圖1(a)]。

2007—2016年街口斷面月均降水量(106±69) mm，降水量季節(jié)性差異較大，新安江流域3月中旬至5月上旬進(jìn)入春汛期，5月中旬至7月中旬進(jìn)入主汛期。最大降水量出現(xiàn)在6月，為292.02 mm；最小降水量出現(xiàn)在12月，為42.49 mm。2007—2016年，街口斷面月均入庫(kù)流量為(352.83±290.79) m3/s，最大入庫(kù)流量出現(xiàn)在6月，為1 102.9 m3/s，最小入庫(kù)流量出現(xiàn)在12月，為100.15 m3/s[圖1(b)]。入庫(kù)流量同降水量的變化基本一致，入庫(kù)流量與降水量呈極顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.968，P<0.01)。

圖1 2007—2016年街口斷面降水量和入庫(kù)流量的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Annual and monthly variations of precipitation and inflow at Jiekou section from 2007 to 2016

2.2 水溫與透明度

2007—2016年街口斷面年均水溫為(20.5±0.5) ℃，水溫年際變化幅度較小[圖2(a)]。2007—2016年，街口斷面水溫季節(jié)性變化明顯，水溫在1—3月最低，最低水溫出現(xiàn)在2月，為10.6 ℃，4—8月水溫逐漸升高，最高水溫出現(xiàn)在8月，為31.1 ℃，9月以后水溫開(kāi)始降低[圖2(b)]。

2007—2016年街口斷面年均透明度(241±31) cm，范圍為206～304 cm，整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)[圖2(a)]。月均透明度為(241±89) cm，透明度最高值為405 cm，出現(xiàn)在2月，最小值為114 cm，出現(xiàn)在7月[圖2(b)]。

圖2 街口斷面透明度和水溫的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Annual and monthly variations of temperature and transparency at Jiekou section from 2007 to 2016

2.3 高錳酸鹽指數(shù)與氨氮

2007—2016年街口斷面CODMn年均值為(1.99±0.10) mg/L，范圍為1.88～2.12 mg/L，整體呈現(xiàn)逐年緩慢下降趨勢(shì)，詳見(jiàn)圖3(a)。CODMn月均值為(1.99±0.022) mg/L，6月平均值最高(2.34 mg/L)，1月最低(1.65 mg/L)，詳見(jiàn)圖3(b)。

2007—2016年街口斷面NH3-N年均質(zhì)量濃度(0.098±0.03) mg/L，范圍為0.064～0.159 mg/L，除2015年明顯下降外，整體呈上升趨勢(shì)，2016年達(dá)最高值0.159 mg/L[圖3(a)]。NH3-N月均質(zhì)量濃度為(0.098±0.047) mg/L，4月平均質(zhì)量濃度最高(為0.179 mg/L)，12月最低(為0.048 mg/L)，詳見(jiàn)圖3(b)。

2.4 N、P營(yíng)養(yǎng)鹽濃度

N、P是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[8-9]，是水體水質(zhì)的重要指標(biāo)。2007—2016年街口斷面TN年均質(zhì)量濃度(1.28±0.16) mg/L，范圍為1.11～1.53 mg/L，整體呈上升趨勢(shì)。2007—2009年上下波動(dòng)，2010—2015年呈上升趨勢(shì)，2016年TN濃度略有下降[圖4(a)]。TN月均質(zhì)量濃度為(1.28±0.19) mg/L，4月質(zhì)量濃度最高(為1.59 mg/L)，1月最低(為1.07 mg/L)。1—4月，水體中N含量波動(dòng)上升，4月達(dá)到最大值，5—12月緩慢下降[圖4(b)]。

2007—2016年街口斷面TP年均質(zhì)量濃度(0.03±0.01) mg/L，范圍0.016～0.039 mg/L，最高質(zhì)量濃度出現(xiàn)在2016年，最低濃度出現(xiàn)在2011年，整體為波動(dòng)上升趨勢(shì)[圖4(a)]。TP月均質(zhì)量濃度為(0.029±0.014) mg/L，3月質(zhì)量濃度最高(為0.054 mg/L)，1月最低(為0.013 mg/L)。1—3月呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，4月后又呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。整體上TP的動(dòng)態(tài)變化在3—7月明顯高于其他月份，3月和7月出現(xiàn)峰值，8月后快速下降[圖4(b)]。

圖4 街口斷面TN和TP的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Annual and monthly variations of TN and TP at Jiekou section from 2007 to 2016

2.5 葉綠素a

2007—2016年街口斷面Chl-a年均質(zhì)量濃度(0.010 1±0.002 9) mg/L，范圍為0.006 1～0.016 9 mg/L，2010年平均質(zhì)量濃度最高，2016年平均質(zhì)量濃度最低，整體為下降趨勢(shì)[圖5(a)]。Chl-a月均質(zhì)量濃度為(0.010 1±0.007 9) mg/L，呈單峰形態(tài)，5月平均質(zhì)量濃度最高(為0.023 9 mg/L)，1月最低(為0.002 4 mg/L)[圖5(b)]。

圖5 街口斷面Chl-a的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Annual and monthly variation of Chl-a at Jiekou section from 2007 to 2016

2.6 營(yíng)養(yǎng)狀況水平

選取TN、TP、透明度、Chl-a和CODMn作為計(jì)算水庫(kù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Trophic Level Index)的水質(zhì)參數(shù)。2007—2016年街口斷面綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年均值(40.4±0.9)，范圍為39.3～41.6，處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)[圖6(a)]。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)月均值39.5±5.9，波動(dòng)范圍為31.7～46.6，處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，4—7月都處在高位，最大值出現(xiàn)在7月，最低值出現(xiàn)在1月[圖6(b)]。

圖6 街口斷面富營(yíng)養(yǎng)狀況的變化Fig.6 Annual and monthly variations of TLI at Jiekou section from 2007 to 2016

2007—2016年，CODMn和透明度均呈緩慢下降趨勢(shì)，TN和TP均呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，TP上升趨勢(shì)明顯，Chl-a整體上呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，街口斷面水質(zhì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)主要是由TN、TP和SD等水質(zhì)指標(biāo)變差所致。

3 分析

3.1 透明度的影響因子

透明度是反映水體感官程度的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要因子。一般認(rèn)為，藻類、懸浮物和溶解性有機(jī)物是幾個(gè)常見(jiàn)的影響因子。2007—2016年街口斷面透明度的變化曲線(圖2)顯示，在汛期3—7月透明度較低(143 cm)，在非汛期，降雨較少的時(shí)候透明度較高(290 cm)。透明度與街口斷面各水質(zhì)主要指標(biāo)相關(guān)分析表明：透明度與降水量、入庫(kù)流量、TN、TP、Chl-a和藻類呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表1)。N、P是藻類生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而3—7月流域汛期降雨引起水土流失，帶來(lái)大量懸移質(zhì)泥沙，降低了水體的透明度。因此，可以認(rèn)為藻類生長(zhǎng)和流域降水過(guò)程是影響安徽上游來(lái)水透明度的主要原因。汛期以懸移質(zhì)泥沙等無(wú)機(jī)顆粒影響為主；非汛期以藻類生長(zhǎng)影響為主，但汛期懸移質(zhì)泥沙的影響程度要遠(yuǎn)大于藻類生長(zhǎng)，2014年4月街口斷面受暴雨徑流影響透明度僅有10 cm。

表1 街口斷面水文因子及水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性Table 1 Correlation between hydrological factors and water quality indexes in Jiekou section

注：“*”表示P<0.05；“**”表示P<0.01。

3.2 營(yíng)養(yǎng)鹽的影響因子

流域營(yíng)養(yǎng)鹽輸入與降水量有很大的關(guān)系，街口斷面多年水質(zhì)與同期月降水量相關(guān)分析表明：TN、TP、NH3-N等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與降水量都有顯著正相關(guān)的關(guān)系(P<0.05)(表1)。

對(duì)比N、P指標(biāo)的月度變化狀況發(fā)現(xiàn)，上游來(lái)水TN、TP濃度在3—7月明顯高于其他月份(圖4)，但TN、TP的動(dòng)態(tài)變化則有不同，結(jié)合流域水文情勢(shì)，3月流域上進(jìn)入春汛，N、P指標(biāo)均出現(xiàn)了峰值，而P在流域主汛期7月還有一個(gè)峰值，N卻沒(méi)有。新安江流域在春節(jié)后有個(gè)習(xí)慣，把空豬欄中的有機(jī)肥清理到農(nóng)田和山上去，使含N、P化合物、有機(jī)物在地表和土壤中累積[10]。3月進(jìn)入春汛，污染物隨地表徑流進(jìn)入河道，因此街口斷面水體中TN更大程度上受流域春季農(nóng)耕施肥的影響，特別是春節(jié)前后生產(chǎn)生活方式，疊加流域春汛，使安徽上游來(lái)水中N在3—4月達(dá)到了一年中的峰值。

地表徑流引起N、P等養(yǎng)分的流失是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染發(fā)生的重要形式[11]。P在水中的濃度一般比較低，主要吸附于土壤顆粒中[12]，降雨、開(kāi)溝排水等產(chǎn)生地表徑流[13]，使?fàn)I養(yǎng)豐富的表土層被侵蝕進(jìn)入水體，從而使水體中含P量增加。當(dāng)6月降雨達(dá)到最大值時(shí)，7月TP含量也達(dá)到了全年峰值，之后降水量逐漸減少，TP也逐漸降低。因此，街口斷面水體中TP表現(xiàn)為3月和7月雙峰結(jié)構(gòu)，與流域在汛期降水導(dǎo)致水土流失密切相關(guān)，暴雨徑流磷輸入是安徽新安江流域的主要形式。

3.3 影響浮游植物生長(zhǎng)的因子

浮游植物生長(zhǎng)通常受N、P營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照、水文、水動(dòng)力和生物因子調(diào)控。N、P是浮游植物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，OLIVER等[14]對(duì)歐洲水體的研究指出，當(dāng)水體中無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度超過(guò)0.1 mg/L，可溶性磷質(zhì)量濃度超過(guò)0.01 mg/L時(shí)，浮游植物的生長(zhǎng)將不受到限制。2007—2016年街口斷面TP年均質(zhì)量濃度0.029 mg/L，可溶性磷質(zhì)量濃度為0.017 mg/L；TN年均質(zhì)量濃度1.28 mg/L，無(wú)機(jī)氮年均質(zhì)量濃度0.97 mg/L，表明街口斷面浮游植物的生長(zhǎng)已經(jīng)不受N、P營(yíng)養(yǎng)鹽的限制。

當(dāng)水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度達(dá)到一定程度，水溫、光照、水文、水動(dòng)力等條件就成為影響浮游植物生長(zhǎng)的主要因子。2013年以來(lái)，街口斷面入庫(kù)流量逐年增加，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度逐年增加，但藻類生物量卻逐年減少。街口斷面在新安江水庫(kù)屬河流區(qū)，營(yíng)養(yǎng)鹽含量最高、透明度最低，藻類生長(zhǎng)易受水動(dòng)力條件影響，入庫(kù)流量大、流速大的區(qū)域，藻類不易生長(zhǎng)，流域降雨導(dǎo)致流域水動(dòng)力條件變化，影響藻類的生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

1) 2007—2016年，新安江流域上游來(lái)水中的CODMn、TN、TP、NH3-N、Chl-a、透明度平均值分別為1.99 mg/L、1.28 mg/L、0.030 mg/L、0.098 mg/L、0.0 101 mg/L、241 cm，CODMn穩(wěn)中略有下降，透明度為下降趨勢(shì)，TN、TP、NH3-N為明顯上升趨勢(shì)，但Chl-a濃度為下降趨勢(shì)。2007—2016年，街口斷面的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年均值40.4，波動(dòng)范圍為39.3～41.8，屬于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，整體為波動(dòng)上升趨勢(shì)。

2) 2007—2016年，新安江上游來(lái)水CODMn呈緩慢下降趨勢(shì)，表明新安江流域安徽境內(nèi)點(diǎn)源污染控制取得成效；結(jié)合年際、月際間數(shù)據(jù)分析，上半年汛期來(lái)水中N、P濃度高，下半年枯水期濃度低，安徽新安江流域的污染特征為面源污染。來(lái)水中N、P濃度的上升、透明度下降趨勢(shì)及富營(yíng)養(yǎng)化水平呈上升趨勢(shì)，表明近些年來(lái)安徽新安江流域上的面源污染還未能得到有效控制。

3) 流域上降水帶來(lái)的水文情勢(shì)變化對(duì)來(lái)水湖沼學(xué)參數(shù)起重要作用。流域降水量大，來(lái)水中的N、P濃度高，透明度低。TN很大程度上受制于流域春季農(nóng)耕施肥和春汛的影響，而TP主要來(lái)源于汛期流域降水導(dǎo)致的暴雨徑流輸入。街口水域藻類生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)鹽不是限制性因子，流域降水帶來(lái)的水動(dòng)力過(guò)程變化很大程度上影響浮游植物的生長(zhǎng)。