鄒家河水庫富營養(yǎng)化預(yù)測分析

解科峰，李 剛，桂 冰

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430064；2.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，湖北 武漢 430064）

0 前言

水庫污染物的遷移與轉(zhuǎn)化主要由水庫底泥淤積釋放水污染物和水庫蓄水初期釋放水污染物兩部分組成。對水環(huán)境的影響將伴隨水庫施工期、運行期整個過程。尤其是水庫富營養(yǎng)化，是對運行期水庫最大的威脅[1]。

水體富營養(yǎng)化是因水體中所含的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)過多而導(dǎo)致的一種水體效應(yīng)，主要表現(xiàn)有水中某些藻類和大型水生植物異常增殖，水生生物種群單一化及水質(zhì)變壞等，水生生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重破壞[2]。水體富營養(yǎng)化是自養(yǎng)型生物(浮游藻類)在水體中建立優(yōu)勢的過程，包含著一系列生物、化學(xué)和物理變化，與水質(zhì)化學(xué)、水體物理性狀、湖泊形態(tài)和底質(zhì)，以及氣象、地理等眾多因素有關(guān)。本文以湖北省鄒家河水庫為研究對象，對水庫富營養(yǎng)化的情況進行預(yù)測分析。

1 工程概況

孝昌縣是湖北省重要的農(nóng)業(yè)縣，耕地畝均占有徑流量只有907 m3，低于全省、全市平均水平，屬水資源較短缺的地區(qū)。隨著縣城區(qū)的快速擴張和人口的不斷增加，規(guī)劃水平年的用水問題日漸突出。因此該水庫目的是解決所在縣城區(qū)供水水源不足的問題。主要任務(wù)為供水、灌溉、防洪等。

鄒家河水庫正常蓄水位96.30 m，最大壩高38.34 m，總庫容1888萬m3。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）的規(guī)定，工程等別為Ⅲ等，其對應(yīng)永久性主要建筑物有大壩、溢洪道、輸水隧洞，級別為3級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用1000年一遇。未建水庫前，該水庫壩址處天然河道多年平均水位為58.70 m，水面面積較小，為狹長型河道；水位受流量的影響大，當(dāng)來水流量大時水位高，當(dāng)來水流量小時水位低。根據(jù)2016年3月的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，該區(qū)域原有河道水質(zhì)滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。庫區(qū)內(nèi)無工業(yè)源，僅有3處居民點，村民采用分散排水方式，生活廢水經(jīng)過化糞池簡單處理后用于農(nóng)田灌溉[3]。

2 富營養(yǎng)化成因及預(yù)測分析

2.1 成因分析

水體富營養(yǎng)化主要是因為水體中含氮、磷，藻類利用營養(yǎng)物質(zhì)輸入輸出，導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)物種分布失衡，而氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)來源較為復(fù)雜，既有內(nèi)源又有外源，既有點源又有面源[4]。

鄒家河水庫富營養(yǎng)化成因重點來源于面源污染。主要包括兩部分：①內(nèi)因，污染物的遷移與轉(zhuǎn)化；②外因，引入污染物。由于是新建水庫，污染物的遷移與轉(zhuǎn)化，主要是水庫底泥淤積釋放水污染物和水庫蓄水初期釋放水污染物兩部分組成。

工程地質(zhì)勘測可知，鄒家河水庫庫盆內(nèi)基巖大多裸露，固體徑流主要為殘坡積層、崩堆積層、沖洪積層和部分基巖風(fēng)化產(chǎn)物。暴雨時雖有地面水流的沖蝕作用，但沿河兩岸植被發(fā)育，樹木成林，且多為喬木，右岸下部多為草本植物覆蓋，對保持水土有良好的作用。產(chǎn)生水庫淤積的固體徑流有限，對水庫運行基本無影響。因此水庫的內(nèi)部成因主要來自于水庫蓄水初期釋放的水污染物。引入的污染物與庫周徑流范圍內(nèi)的土地類型，耕作習(xí)慣有關(guān)，分析的難點在于入庫的磷（氮）單位面積負荷量的選取[5]。

2.2 水庫富營養(yǎng)化預(yù)測

2.2.1 蓄水初期釋放污染物

目前，庫區(qū)每年氮肥施用量約168.2 t/萬畝，磷肥施用量約21.8 t/萬畝， 根據(jù)項目所在地提供的2016年的統(tǒng)計資料，現(xiàn)有耕地879畝，由此得到流域內(nèi)施肥量約為16.70 t/a，其中氮肥施用量為14.78 t/a、磷肥為1.92 t/a。按照普遍使用的化肥總氮和磷的含量，年使用氮和磷的含量分別可達2.76 t/a、0.22 t/a。

據(jù)相關(guān)資料分析，通常情況下干植被每克會分解出92.5 mg的高錳酸鉀[4]，植被總重量中含有0.5%的氮和0.1%的磷，整個植被生物量釋放過程需要耗費8個月左右。通過評估計算水庫土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、高錳酸鉀在一年中最大釋放率分別為有機質(zhì)4.0%，全氮3.0%，全磷1.0%，高錳酸鉀654 mg/g。

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水庫蓄水初期時，該水庫所有植被預(yù)計每天可以產(chǎn)生33.939 kg的高錳酸鉀，2.01 kg的總氮和0.155 kg的總磷，總氮年產(chǎn)生量為733.65 kg,總磷56.58 kg。通過計算，這兩部分僅氮和磷年產(chǎn)生量便可達到3.49 t/a，0.275 t/a。按水庫庫容1888萬m3的標(biāo)準(zhǔn)，若瞬間釋放可達到氮和磷的濃度分別為1.85 mg/L、0.16 mg/L。根據(jù)湖（庫）營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)達到中度富營養(yǎng)化。

2.2.2 底泥淤積釋放污染物

水庫投入使用后，大壩蓄水，使水庫范圍內(nèi)水面積增加，水流速度降低，庫底內(nèi)會淤積大量泥沙，同時水生生物代謝所產(chǎn)生的有機物、營養(yǎng)物質(zhì)等也會沉積在水庫底層。隨著運行時間的延長，水污染濃度的值小于底層淤泥污染濃度值，庫底淤泥中的有機物、營養(yǎng)物質(zhì)等就會從庫泥融入庫水之中，進而改變庫水成分，影響水庫水質(zhì)。

2.2.3 磷（氮）單位面積負荷量的選取

目前，國際上已建立一系列的經(jīng)驗富營養(yǎng)化模型，《水域納污能力計算規(guī)程》（SL 348—2006）推薦的狄龍（Dillon）模型，考慮水力沖刷系數(shù)和磷、氮的滯留系數(shù)，可用于不同類型水庫的磷、氮預(yù)測，計算公式為：

式中：P為庫水中磷（氮）的濃度，g/（m3·a）；Lp為入庫的磷（氮）單位面積負荷量，g/（m2·a）；hp為水庫平均水深，m；β為水力沖刷系數(shù)，1/a；Rp為磷（氮）滯留系數(shù)。

磷（氮）滯留系數(shù)Rp可利用狄龍等人根據(jù)大量資料統(tǒng)計分析所得的經(jīng)驗方程計算。

經(jīng)計算，水庫運行后，庫水中氮的年平均濃度為0.054 mg/L，磷的年平均濃度為0.002 mg/L。對照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）（TN≤0.5 mg/L，TP≤0.025 mg/L），水庫運行初期，由于外部引進的污染物導(dǎo)致富營養(yǎng)化的可能性較小，但由于農(nóng)業(yè)面源污染具有面廣，污染物遷移的特點，無法采取像點源污染那樣集中治理，只有徑流范圍內(nèi)整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)建立穩(wěn)定、和諧和良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，才能減少面源污染的數(shù)量。

3 結(jié)果分析

（1）水庫蓄水初期時，該水庫僅氮和磷年產(chǎn)生量便可達到3.49 t/a、0.275 t/a。按水庫庫容1888萬m3的標(biāo)準(zhǔn),若瞬間釋放可達到氮和磷的濃度分別為1.85 mg/L、0.16 mg/L.根據(jù)湖（庫）營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)達到中度富營養(yǎng)化。且隨著植被和土壤被水淹沒，會一直產(chǎn)生有害物質(zhì)直至徹底釋放，對后期水庫運行后的水體富營養(yǎng)化埋下隱患。

（2）合理利用相應(yīng)的水生生物控制技術(shù)來凈化水質(zhì)和治理水體富營養(yǎng)化。

（3）水庫運行后，庫水中氮的年平均濃度為0.054 mg/L，磷的年平均濃度為0.002 mg/L。

（4）目前，水庫上游及周邊存在茶園，若不加以管理，水庫運行后，因亂墾亂伐造成上游自然破壞，會導(dǎo)致嚴重的水土流失，加上不合理使用化肥，給水庫水質(zhì)帶來極大隱患[7]，進一步加劇水庫富營養(yǎng)化。

4 結(jié)論

按照工程建設(shè)，移民先行的政策，應(yīng)及時搬遷當(dāng)?shù)剞r(nóng)民，停止化肥的使用。在蓄水階段，應(yīng)根據(jù)《水電工程水庫庫底清理設(shè)計規(guī)范》（SL 644-2014），在水庫蓄水前按規(guī)范清理庫底，消除淹沒范圍內(nèi)原有植被釋放分解氮、磷的隱患，經(jīng)驗收合格后方能蓄水[8]。建議水庫建成后，結(jié)合具體水域特點，對水域、陸域按照防護要求，合理劃分飲用水水源保護區(qū)和飲用水水源準(zhǔn)保護區(qū)。