前坪水庫蓄水運行期水體富營養(yǎng)化預(yù)測分析

楊 剛 王 萍 馬 威 皇甫澤華

一、前言

北汝河發(fā)源于河南省嵩縣車村鄉(xiāng)，流經(jīng)嵩縣的竹園鄉(xiāng)上莊村婁子溝進汝陽縣境內(nèi)，至小店鄉(xiāng)黃屯村東北入平頂山市境內(nèi)。前坪水庫選址位于沙潁河支流北汝河上游，擬建成為防洪為主，結(jié)合灌溉、供水與發(fā)電等綜合利用的大型水庫工程，總面積約560km2，共有50余萬畝耕地。前坪水庫是《淮河流域防洪規(guī)劃》中確定在北汝河干流上修建的以防洪為主的大型水庫，建成后北汝河防洪標準將由不足10年一遇提高到20年一遇。

水體富營養(yǎng)化及水華問題已經(jīng)成為國內(nèi)眾多水庫面臨的嚴重問題。長久以來，對水庫富營養(yǎng)化及水華的成因與機制研究是眾多學(xué)者的研究熱點。前坪水庫作為多用途綜合利用的大型水庫，其水質(zhì)問題在很大程度上影響著經(jīng)濟效益的發(fā)揮。本文通過分析工程涉及區(qū)域富營養(yǎng)化關(guān)鍵因子監(jiān)測結(jié)果，預(yù)測該工程運行中產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化的風險。

二、建庫前氮、磷含量

根據(jù)《2013年許昌市環(huán)境狀況公報》，北汝河下游地表水環(huán)境質(zhì)量與往年基本持平。表明建庫區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定，滿足相應(yīng)水功能區(qū)水質(zhì)要求。圖1是2013年對前坪水庫下游紫羅山水文站總磷的全年檢測結(jié)果，該監(jiān)測斷面檢測結(jié)果均達到地表水III水質(zhì)標準（GB 3838-2002）要求，全年監(jiān)測總氮結(jié)果均小于0.20mg/L，滿足相應(yīng)區(qū)域水功能區(qū)要求。在3月份及4月份，總磷含量呈現(xiàn)較高水平。前坪水庫建成后應(yīng)在3月份與4月份加強水質(zhì)監(jiān)測，需要密切關(guān)注水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。

圖2與圖3分別是2014年7月對庫區(qū)水體連續(xù)三天進行的總磷與總氮檢測結(jié)果，表明總磷與總氮含量穩(wěn)定且處于低濃度水平，總磷含量在趙莊監(jiān)測點相對較高，總氮含量在婁子溝監(jiān)測點相對較高?？傮w而言，檢測結(jié)果表明對建庫后初期庫區(qū)水體富營養(yǎng)化的影響較小。在水庫建成運行中需重點關(guān)注總磷含量的變化，采取必要措施控制總磷向庫區(qū)的輸入。

2015年在前坪水庫壩址及其下游進行了連續(xù)三天的總磷與總氮檢測（圖4與圖5），總磷含量穩(wěn)定且在地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838-2002）III類限值內(nèi)，總氮檢測結(jié)果均超出該標準的III類標準限值?？偭?、總氮超標與上游農(nóng)業(yè)面源排放有很大關(guān)系，也可能與當?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)未建生活污水處理設(shè)施，生活污水隨地表徑流進入北汝河有關(guān)。對水庫建成后富營養(yǎng)化風險防控而言，總磷含量成為前坪水庫富營養(yǎng)化的限制因子。前坪水庫運行后，應(yīng)采取必要的污水處理措施，加強對鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水的處理及上游農(nóng)業(yè)面源污染的管理。

圖1 前坪水庫下游（北汝河紫羅山水文站）2013年總磷含量變化圖

圖2 2014年7月對北汝河庫區(qū)連續(xù)三天取樣檢測總磷結(jié)果圖

圖3 2014年7月對北汝河庫區(qū)連續(xù)三天取樣檢測總氮結(jié)果圖

圖4 前坪水庫壩址及其下游2015年總磷檢測結(jié)果圖

圖5 前坪水庫壩址及其下游2015年總氮檢測結(jié)果圖

按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618-1995）監(jiān)測項目要求，所測各點土壤環(huán)境質(zhì)量良好，各項重金屬檢測指標均滿足二級標準。對各測點土壤中總磷、總氮檢測結(jié)果如圖6，總磷均呈現(xiàn)在較低的含量水平；總氮含量則在黃莊下河灘處呈現(xiàn)出較高的水平。水庫建成后，庫區(qū)土壤中總磷、總氮等對庫區(qū)水體環(huán)境質(zhì)量影響程度，還需要進行浸出實驗進行研究。作為典型山區(qū)輕度營養(yǎng)型水庫，周駿等對尹府水庫底泥氮磷釋放規(guī)律研究表明，TN表現(xiàn)為上覆水體的內(nèi)源，但輕度富營養(yǎng)化尹府水庫的底泥吸附上覆水體的磷，中營養(yǎng)化、富營養(yǎng)化水庫的底泥向上覆水體釋放磷。前坪水庫的環(huán)境特征與尹府水庫極為相似，其研究結(jié)果對前坪水庫富營養(yǎng)化防控具有一定的參考價值。前坪水庫建成運行后，在控制總磷外源輸入的同時，應(yīng)重點關(guān)注底泥中總磷的釋放對水體富營養(yǎng)化的影響。

三、建庫后富營養(yǎng)化預(yù)測分析

水庫建成后壩上的環(huán)境問題主要是庫周及庫尾居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生的污染，該地區(qū)經(jīng)濟欠發(fā)達，居民環(huán)境與生態(tài)保護意識不強，居民養(yǎng)殖廢水直排，生活垃圾亂堆問題普遍，生活污水無集中處理設(shè)施，環(huán)境污染源主要為面源污染。

入庫面源污染量：前坪水庫控制流域農(nóng)業(yè)污染主要來自農(nóng)田徑流、分散式畜禽養(yǎng)殖等。根據(jù)《第一次全國污染源普查：畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》統(tǒng)計測算，前坪水庫控制流域農(nóng)業(yè)污染源總氮502.62t/a，總磷26.48t/a；生活污染源核算總氮258.82t/a，總磷22.63t/a。綜合考慮各因素，農(nóng)業(yè)污染入庫系數(shù)取0.25，生活污染入庫系數(shù)取0.08，統(tǒng)計入庫面源污染量見表1?？偭?、總氮污染物入河量中，畜禽養(yǎng)殖貢獻率均在60%以上，表明控制畜禽養(yǎng)殖污染物入庫，是前坪水庫運行后預(yù)防富營養(yǎng)化的重點。

表2是在規(guī)劃水平年污染物排放入庫量的預(yù)測結(jié)果。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，庫區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠未建成情況下，2025年前坪水庫控制流域生活污染源總磷與總氮分別為24.19t與276.63t；庫區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠已建成情況下，生活污染源總磷和總氮分別為3.47t與103.81t（農(nóng)業(yè)污染源總磷、總氮分別24.49t與464.8t計）。根據(jù)預(yù)測，前坪水庫控制流域污染物主要源自農(nóng)業(yè)污染。

水庫營養(yǎng)狀態(tài)：規(guī)劃水平年入庫污染負荷（庫區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理未建成）總磷、總氮分別為138.33t/a和8.06t/a；庫區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理建成運行時則分別為124.87t/a和6.41t/a。前坪水庫蓄水后流速變緩，水體交換能力變差，在營養(yǎng)物來源豐富、富集條件好的庫灣和庫尾、支流回水區(qū)等地區(qū)，水庫存在出現(xiàn)富營養(yǎng)化的風險。表3對不同水文年條件下水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)的預(yù)測。P=95%特枯水文年，在未建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施時，水庫運行極有可能出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化；在運行城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施時，庫區(qū)水質(zhì)得到一定的改善，但其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)接近最大允許值，說明存在發(fā)生富營養(yǎng)化的可能，仍受輕度富營養(yǎng)化威脅。TP富營養(yǎng)化控制理想濃度0.02mg/L；在不利的水文條件下需要控制總磷的入庫量。

四、對策與建議

針對不同類型水庫的研究，防治水庫富營養(yǎng)化的對策與措施較多。在水庫預(yù)測條件下，前坪水庫運行后水體呈中度營養(yǎng)水平，局部水域可能會出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象。根據(jù)前坪水庫的特點及水質(zhì)特征與相似水庫的管理經(jīng)驗，前坪水庫在運行中需要重點從以下方面采取措施，防止前坪水庫富營養(yǎng)化風險。

一是控制污染源，嚴格控制含氮、磷元素的污染源進入庫區(qū)。限制庫區(qū)及水庫上游養(yǎng)殖業(yè)與畜牧業(yè)規(guī)劃及數(shù)量；加強生活污水集中處理能力與效果；在水源上游、入庫河渠及重點庫區(qū)建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，加強總氮、總磷等水質(zhì)監(jiān)測。二是降低營養(yǎng)物水平，控制富營養(yǎng)化所需氮、磷含量。由于含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)沉降作用，水庫深層水體中營養(yǎng)化程度會高于表層，可通過改善水庫排水方式等措施降低庫區(qū)水體營養(yǎng)物含量。如加快水庫水循環(huán)能力，從深層開始排水等方式。在條件許可時，對庫區(qū)底泥進行清淤，也是有效降低營養(yǎng)物含量的方式之一。三是強化水庫管理，落實管理制度。水庫職能管理部門應(yīng)制定水源保護管理辦法，建立管理激勵機制，進一步削弱面源污染量；前坪水庫運行后將作為飲用水水源保護地，因此嚴禁網(wǎng)箱養(yǎng)殖、肥水養(yǎng)殖等行為；水庫庫尾、庫叉區(qū)是富營養(yǎng)化重點防治區(qū)，因此運行期間要加強環(huán)境管理與富營養(yǎng)化監(jiān)測。此外，還需要相關(guān)部門積極投資建設(shè)并運營鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染處理廠，改進施肥技術(shù)與推廣新型肥料來提高肥料利用率，從而減輕水體氮、磷污染。

表1 前坪水庫當前入庫面源污染量統(tǒng)計表

表2 2025年污染物排放及入庫量預(yù)測表

表3 水庫富營養(yǎng)狀況預(yù)測表

氮、磷是湖庫水體富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因子，對富營養(yǎng)化的發(fā)生起決定作用。前坪水庫的庫尾及庫叉區(qū)是富營養(yǎng)化防范的重點，運行期要加強庫尾與庫叉區(qū)環(huán)境管理和富營養(yǎng)化監(jiān)測。前坪水庫建成運行期水庫水體富營養(yǎng)化主要受到面源污染?？偭资乔捌核畮爝\行后水體富營養(yǎng)化的限制因子，蓄水初期庫容較小，淹沒耕地浸出磷會造成庫區(qū)濃度較高，但隨著庫容增加，磷濃度會逐漸降低。前坪水庫作為淮河上游、北汝河上重要的大型水庫，其富營養(yǎng)化風險防控是該水庫運行管理中的重要課題，需要管理者綜合分析與科學(xué)管理■