山西省汾河水庫水環(huán)境質(zhì)量研究

霍岳飛, 王尚義

1.太原旅游職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西 太原 030006

1 研究背景

水環(huán)境質(zhì)量研究是水域綜合體研究中的一個重要方面，通過定性和定量分析為區(qū)域水域環(huán)境治理提供幫助.水環(huán)境質(zhì)量評價始于本世紀(jì)初，60年代以后，在我國水環(huán)境質(zhì)量得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[1].目前對水環(huán)境進(jìn)行評價的方法眾多，每一種方法都有其優(yōu)缺點、適應(yīng)性.在汾河水庫被列為飲用水源保護(hù)區(qū)，為太原市、晉中和呂梁工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)[2].至汾河水庫運(yùn)營50年以來，尤其是最近十幾年，隨著汾河流域工業(yè)的發(fā)展，政策、環(huán)保措施的滯后，極有可能會對汾河水庫水質(zhì)造成進(jìn)一步的污染.因此，研究汾河水庫水環(huán)境質(zhì)量顯得極其重要.本文從流域水環(huán)境質(zhì)量、富營養(yǎng)化和水生態(tài)系統(tǒng)三個方面對汾河水庫水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了定量分析，指出了汾河水庫水環(huán)境中存在的問題并提出了改善的意見和建議.

2 研究區(qū)概況

汾河水庫位于山西省最大的河流——汾河干流上游婁煩縣境內(nèi)，是山西省的第一座大型水庫，控制流域面積5 268 km2，總庫容77 300萬m3，是太原市最大的城市生活用水供水水源，主要以省城太原城市與工業(yè)供水、防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，汾河水庫在保障太原市的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定方面起著至關(guān)重要的作用[2].

汾河流域范圍廣，主要涵蓋了寧武縣和靜樂縣部分地區(qū)，嵐縣和婁煩縣的全部轄區(qū)縣域范圍，流域控制面積5 268 km2，澗河、嵐河和汾河干流是三條主要支流.汾河流域?qū)儆诖箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候條件，四季分明，春季多風(fēng)干燥，夏季多雨炎熱，秋季天氣涼爽，冬季少雪嚴(yán)寒，礦產(chǎn)資源豐富[3,4].

3 數(shù)據(jù)和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

(1)2002 a～2011 a汾河水庫庫體、水庫出庫口、汾河干流入庫口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)；(2)2015 a～2017 a的汾河的水生態(tài)系統(tǒng)水生生物監(jiān)測數(shù)據(jù)；(3)2010 a～2012 a引黃水達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)；(3)太原市環(huán)保局2017年汾河水庫污染源普查更新和綜合營養(yǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù).

3.2 水質(zhì)監(jiān)測

研究組2014年對澗河上游主要支流進(jìn)行了水質(zhì)補(bǔ)充監(jiān)測，監(jiān)測點位于澗河、嵐河和汾河三條主要支流，提取了2014 a～2106 a三條入庫支流的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù).

3.3 評價標(biāo)準(zhǔn)和方法

(1)汾河水庫水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，取水口執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn).(2)采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對汾河水庫進(jìn)行富營養(yǎng)化綜合評價，評價體系包括貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)六級指標(biāo)[5～8].

4 結(jié)果與分析

4.1 流域水環(huán)境質(zhì)量

4.1.1 汾河水庫庫區(qū)水質(zhì)分析

汾河水庫水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，取水口執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)[7].利用太原市環(huán)境監(jiān)測中心站2002 a～2011 a對汾河水庫庫體、水庫出庫口、汾河干流入庫口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析汾河水庫庫體和主要入庫河流總氮與COD濃度歷年變化過程(圖1).由圖1可知：(1)汾河水庫總氮為主要超標(biāo)污染物，超標(biāo)率90 %，超標(biāo)倍數(shù)在12 %～100 %之間，同時，汾河水庫庫體和出庫口總氮變化規(guī)律與汾河和澗河兩條入庫河流入庫口具有一致性規(guī)律，這表明入庫河流水質(zhì)是造成水庫水質(zhì)總氮超標(biāo)的重要原因之一；(2)水庫庫體及出庫口個別年份COD不能穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率20 %，超標(biāo)倍數(shù)介于10 %～20 %之間.汾河和澗河入庫口COD超標(biāo)情況較為嚴(yán)重，超標(biāo)率分別為30 %和40 %，超標(biāo)倍數(shù)分別位于20 %～25 %和10 %～40 %.

圖1 汾河水庫庫區(qū)水質(zhì)總氮和COD濃度變化趨勢
Fig.1 Variation Trend of total nitrogen and COD concentration in Fenhe Reservoir Area

4.1.2 上游入庫河流水質(zhì)分析

根據(jù)研究組2014年設(shè)置澗河、嵐河和汾河干流三條主要入庫河流水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)據(jù)，選取2016年具有代表性年度監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖2).由圖2可知，三條主要入庫河流水質(zhì)均較差，達(dá)不到地表水環(huán)境Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn).分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：(1)汾河干流主要超標(biāo)污染物為總磷、氨氮、總氮、BOD和糞大腸菌群5項，水質(zhì)是Ⅴ類水質(zhì)；其中，總氮超標(biāo)明顯，超標(biāo)倍數(shù)在2倍～3倍之間，超標(biāo)率100 %；總磷超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)1倍～6倍，超標(biāo)率87.5 %.(2)嵐河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的8項指標(biāo)中有7項指標(biāo)均達(dá)不到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)是劣Ⅴ類；其中，總氮、BOD、糞大腸菌群3項指標(biāo)超標(biāo)率100 %，總氮超標(biāo)在2倍～5倍之間，總磷超標(biāo)高達(dá)2倍～4倍.(3)澗河水質(zhì)超標(biāo)污染物為總氮、總磷、COD、BOD和糞大腸菌群，水質(zhì)是Ⅴ類；其中，總氮、糞大腸菌群超標(biāo)率100 %，總氮超標(biāo)高達(dá)2倍～6倍.

圖2 2016年汾河水庫上游入庫河流水質(zhì)分析
Fig.2 The water quality analysis of the upstream river of Fenhe Reservoir in 2106

4.1.3 引黃水水質(zhì)情況

根據(jù)黃委會2010 a～2012 a引黃水達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析(圖3)，引黃水不能穩(wěn)定達(dá)到地表水環(huán)境Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)污染物主要為氨氮和總氮.

引黃工程自2003年通水后，汾河水庫一直不能穩(wěn)定達(dá)到城市供水水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求.萬家寨水庫的水質(zhì)由于受到水庫上游黃河干流沿岸污染排污的影響，水質(zhì)為Ⅳ 類～Ⅴ 類，即使通過長距離的輸送，到頭馬營也不能穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)，而汾河本身的水質(zhì)多數(shù)情況下又處于Ⅳ 類～Ⅴ 類，甚至劣Ⅴ 類，基本無稀釋凈化作用，因此，在人工引水不能穩(wěn)定達(dá)Ⅲ類、汾河干流本身也受到污染的情況下，水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，影響太原市400萬居民的飲水安全問題.引黃水南干線一期工程設(shè)計年向太原供水3.2×108m3，目前，每年供水量不到1×108m3，如萬家寨水庫水質(zhì)得不到根本改善，并最終實現(xiàn)設(shè)計年引黃水量6.4×108m3后，將對汾河水庫的水質(zhì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的影響.

圖3 引黃水質(zhì)超標(biāo)情況匯總
Fig.3 The summary of water quality exceeding
standard in Yellow River

4.1.4 富營養(yǎng)化程度

應(yīng)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對汾河水庫進(jìn)行富營養(yǎng)化評價[9～10].根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，2017年全年汾河水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)介于31.5～33.6之間.研究組同步對汾河水庫葉綠素和透明度指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，測算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)介于31.1～38.6，水庫的營養(yǎng)狀態(tài)為中營養(yǎng).

4.1.5 水生生態(tài)系統(tǒng)

根據(jù)山西省水產(chǎn)科學(xué)研究所2015 a～2017a的汾河的水生態(tài)系統(tǒng)水生生物監(jiān)測數(shù)據(jù)，汾河的水生態(tài)系統(tǒng)主要包括浮游生物、底棲動物、大型水生植物資源以及魚類資源.汾河浮游植物共有7門24屬(種).浮游植物生物總量介于2.05 mg/L～3.83 mg/L之間，低值和高值分別在汾河源頭和庫區(qū)下靜游段.浮游動物在0.001 mg/L～0.005 mg/L之間變動，共檢出原生動物5屬(種)、輪蟲9屬(種)，原生動物主要為鐘蟲和急游蟲，輪蟲主要有無柄蟲、多肢輪蟲和異尾輪蟲.

4.2 污染負(fù)荷分析

根據(jù)太原市環(huán)保局2017年污染源普查更新數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)COD和氨氮排放污染源分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，結(jié)合研究組實地調(diào)研，來自生活源和農(nóng)業(yè)源的COD分別占全流域的65.41 %和31.92 %，氨氮的排放分別占全流域的82.92 %和16.80 %；比較明顯的是工業(yè)源COD和氨氮排放很少，分別僅占2.67 %和0.28 %.

進(jìn)一步分析污染源區(qū)域分布分析：排放COD最多的主要來自靜樂縣的生活源和農(nóng)業(yè)源，分別占該縣COD排放的45.94 %和49.69 %，其次是來自嵐縣生活源排放的COD，占該縣COD排放的78.30 %.

圖4 流域主要污染物分析
Fig.4 The analysis of major pollutants in Fenhe Basin

對汾河水庫澗河、嵐河和汾河干流三條主要支流的入庫河流污染物分析，汾河干流接納的污染物量最高，COD占54 %，氨氮占34 %；其次是嵐河接納的污染物，COD占33 %，氨氮占36 %；澗河接納的污染物量較少，COD為13 %，氨氮為30 %.

5 結(jié)論與討論

根據(jù)以上對汾河水庫水環(huán)境質(zhì)量分析，庫區(qū)主要存在的問題是：(1)嵐河匯入汾河處總氮、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷超標(biāo)，澗河入庫口總氮、總磷超標(biāo)；汾河干流與支流澗河徑流進(jìn)入汾河水庫，經(jīng)水庫自凈作用，水庫出口斷面僅符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，特征指標(biāo)總氮不能滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求.(2)城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致水質(zhì)不達(dá)標(biāo).汾河流域干流沿線到東寨橋后，由于東寨橋未經(jīng)處理的生活污水直接排入干流，同時由于礦山開采，農(nóng)業(yè)面源污水匯入，水體遭到惡化，水質(zhì)突降到Ⅳ類，使得經(jīng)過頭馬營斷面水質(zhì)得到一段凈化后仍為Ⅳ類；由于受到內(nèi)蒙古自治區(qū)以上工業(yè)生活以及面源污染影響，引黃水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，因此經(jīng)過化北屯斷面加入引黃水后，汾河干流水質(zhì)仍未Ⅳ類；流經(jīng)靜樂縣城后，汾河干流匯入了東碾河，由于區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一、布局不合理，東碾河沿岸礦區(qū)廢水、縣城生活污水的排入，使得原本水質(zhì)較差的汾河干流水質(zhì)進(jìn)一步惡化，雖然進(jìn)入婁煩境內(nèi)后水質(zhì)得到凈化，但總氮仍達(dá)不到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，入庫水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo).(3)入庫河流嵐河上游嵐縣生活污水處理廠僅收集處理縣城60 %的生活污水，仍有40 %的生活污水尚未納入污水廠，目前污水廠出水水質(zhì)僅達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級B要求，水質(zhì)劣于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水質(zhì)要求.污水廠處理后的生活污水以及未處理的生活污水排放，導(dǎo)致嵐河進(jìn)入婁煩境內(nèi)水體水質(zhì)達(dá)不到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，入庫口化學(xué)需氧量、總氮、總磷超標(biāo).(4)入庫河流澗河上游水質(zhì)較好，但下游婁煩縣城生活污染源的排放，加之縣城生活污水廠處理后達(dá)到一級A的廢水排放，導(dǎo)致水體達(dá)不到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，入庫口總氮、總磷超標(biāo).

針對目前汾河水庫的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀研究，筆者認(rèn)為應(yīng)采取以下措施改善汾河水庫水環(huán)境質(zhì)量：(1)污染源治理措施.流域內(nèi)四縣加大污水處理廠提標(biāo)改造工作，加大污水管網(wǎng)建設(shè)力度，提高污水收集率.(2)河道治理措施.針對主要入庫河流澗河、嵐河存在河道設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，河道兩岸泥沙沖刷嚴(yán)重，河道垃圾成堆、淤積嚴(yán)重造成行洪能力不暢等問題，開展了河道疏浚、提防加固、生態(tài)護(hù)坡、攔污沉砂等河道整治工程，保證河道行洪暢通，確保了安全度汛，減少水質(zhì)污染，保護(hù)了省城水源地[11].(3)生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施.汾河水庫管理局作為汾河水庫直接管理部門，近年來對汾河水庫的水質(zhì)保護(hù)、水源涵養(yǎng)、環(huán)庫及管理區(qū)建設(shè)等方面采取了一系列措施，取得了較好的效果.