鄒家河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)分析

解科峰，李 剛，桂 冰

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)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(kù)污染物的遷移與轉(zhuǎn)化主要由水庫(kù)底泥淤積釋放水污染物和水庫(kù)蓄水初期釋放水污染物兩部分組成。對(duì)水環(huán)境的影響將伴隨水庫(kù)施工期、運(yùn)行期整個(gè)過(guò)程。尤其是水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化，是對(duì)運(yùn)行期水庫(kù)最大的威脅[1]。

水體富營(yíng)養(yǎng)化是因水體中所含的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)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(lèi)和大型水生植物異常增殖，水生生物種群?jiǎn)我换八|(zhì)變壞等，水生生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞[2]。水體富營(yíng)養(yǎng)化是自養(yǎng)型生物(浮游藻類(lèi))在水體中建立優(yōu)勢(shì)的過(guò)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(kù)為研究對(duì)象，對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)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(kuò)張和人口的不斷增加，規(guī)劃水平年的用水問(wèn)題日漸突出。因此該水庫(kù)目的是解決所在縣城區(qū)供水水源不足的問(wèn)題。主要任務(wù)為供水、灌溉、防洪等。

鄒家河水庫(kù)正常蓄水位96.30 m，最大壩高38.34 m，總庫(kù)容1888萬(wàn)m3。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)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(duì)應(yīng)永久性主要建筑物有大壩、溢洪道、輸水隧洞，級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)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(kù)前，該水庫(kù)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(zhǎng)型河道；水位受流量的影響大，當(dāng)來(lái)水流量大時(shí)水位高，當(dāng)來(lái)水流量小時(shí)水位低。根據(jù)2016年3月的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該區(qū)域原有河道水質(zhì)滿足Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。庫(kù)區(qū)內(nèi)無(wú)工業(yè)源，僅有3處居民點(diǎn)，村民采用分散排水方式，生活廢水經(jīng)過(guò)化糞池簡(jiǎn)單處理后用于農(nóng)田灌溉[3]。

2 富營(yíng)養(yǎng)化成因及預(yù)測(cè)分析

2.1 成因分析

水體富營(yíng)養(yǎng)化主要是因?yàn)樗w中含氮、磷，藻類(lèi)利用營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源較為復(fù)雜，既有內(nèi)源又有外源，既有點(diǎn)源又有面源[4]。

鄒家河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化成因重點(diǎn)來(lái)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(kù)，污染物的遷移與轉(zhuǎn)化，主要是水庫(kù)底泥淤積釋放水污染物和水庫(kù)蓄水初期釋放水污染物兩部分組成。

工程地質(zhì)勘測(cè)可知，鄒家河水庫(kù)庫(kù)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(shí)雖有地面水流的沖蝕作用，但沿河兩岸植被發(fā)育，樹(shù)木成林，且多為喬木，右岸下部多為草本植物覆蓋，對(duì)保持水土有良好的作用。產(chǎn)生水庫(kù)淤積的固體徑流有限，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行基本無(wú)影響。因此水庫(kù)的內(nèi)部成因主要來(lái)自于水庫(kù)蓄水初期釋放的水污染物。引入的污染物與庫(kù)周徑流范圍內(nèi)的土地類(lèi)型，耕作習(xí)慣有關(guān)，分析的難點(diǎn)在于入庫(kù)的磷（氮）單位面積負(fù)荷量的選取[5]。

2.2 水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)

2.2.1 蓄水初期釋放污染物

目前，庫(kù)區(qū)每年氮肥施用量約168.2 t/萬(wàn)畝，磷肥施用量約21.8 t/萬(wàn)畝， 根據(jù)項(xiàng)目所在地提供的2016年的統(tǒng)計(jì)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(dá)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(huì)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(gè)植被生物量釋放過(guò)程需要耗費(fèi)8個(gè)月左右。通過(guò)評(píng)估計(jì)算水庫(kù)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、高錳酸鉀在一年中最大釋放率分別為有機(jī)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(kù)蓄水初期時(shí)，該水庫(kù)所有植被預(yù)計(jì)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(guò)計(jì)算，這兩部分僅氮和磷年產(chǎn)生量便可達(dá)到3.49 t/a，0.275 t/a。按水庫(kù)庫(kù)容1888萬(wàn)m3的標(biāo)準(zhǔn)，若瞬間釋放可達(dá)到氮和磷的濃度分別為1.85 mg/L、0.16 mg/L。根據(jù)湖（庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化。

2.2.2 底泥淤積釋放污染物

水庫(kù)投入使用后，大壩蓄水，使水庫(kù)范圍內(nèi)水面積增加，水流速度降低，庫(kù)底內(nèi)會(huì)淤積大量泥沙，同時(shí)水生生物代謝所產(chǎn)生的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等也會(huì)沉積在水庫(kù)底層。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，水污染濃度的值小于底層淤泥污染濃度值，庫(kù)底淤泥中的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等就會(huì)從庫(kù)泥融入庫(kù)水之中，進(jìn)而改變庫(kù)水成分，影響水庫(kù)水質(zhì)。

2.2.3 磷（氮）單位面積負(fù)荷量的選取

目前，國(guó)際上已建立一系列的經(jīng)驗(yàn)富營(yíng)養(yǎng)化模型，《水域納污能力計(jì)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(lèi)型水庫(kù)的磷、氮預(yù)測(cè)，計(jì)算公式為：

式中：P為庫(kù)水中磷（氮）的濃度，g/（m3·a）；Lp為入庫(kù)的磷（氮）單位面積負(fù)荷量，g/（m2·a）；hp為水庫(kù)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(jì)分析所得的經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，水庫(kù)運(yùn)行后，庫(kù)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(duì)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(kù)運(yùn)行初期，由于外部引進(jìn)的污染物導(dǎo)致富營(yíng)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(diǎn)，無(wú)法采取像點(diǎn)源污染那樣集中治理，只有徑流范圍內(nèi)整個(gè)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(kù)蓄水初期時(shí)，該水庫(kù)僅氮和磷年產(chǎn)生量便可達(dá)到3.49 t/a、0.275 t/a。按水庫(kù)庫(kù)容1888萬(wàn)m3的標(biāo)準(zhǔn),若瞬間釋放可達(dá)到氮和磷的濃度分別為1.85 mg/L、0.16 mg/L.根據(jù)湖（庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化。且隨著植被和土壤被水淹沒(méi)，會(huì)一直產(chǎn)生有害物質(zhì)直至徹底釋放，對(duì)后期水庫(kù)運(yùn)行后的水體富營(yíng)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(lái)凈化水質(zhì)和治理水體富營(yíng)養(yǎng)化。

（3）水庫(kù)運(yùn)行后，庫(kù)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(kù)上游及周邊存在茶園，若不加以管理，水庫(kù)運(yùn)行后，因亂墾亂伐造成上游自然破壞，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，加上不合理使用化肥，給水庫(kù)水質(zhì)帶來(lái)極大隱患[7]，進(jìn)一步加劇水庫(kù)富營(yíng)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(shí)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(kù)庫(kù)底清理設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 644-2014），在水庫(kù)蓄水前按規(guī)范清理庫(kù)底，消除淹沒(méi)范圍內(nèi)原有植被釋放分解氮、磷的隱患，經(jīng)驗(yàn)收合格后方能蓄水[8]。建議水庫(kù)建成后，結(jié)合具體水域特點(diǎn)，對(duì)水域、陸域按照防護(hù)要求，合理劃分飲用水水源保護(hù)區(qū)和飲用水水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。