北方某大型水庫水質(zhì)理化性質(zhì)研究

洪 雷

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

北方某大型水庫位于北京市東北方向，建成于1960年，總面積188km2，最大水深60m，最大庫容43.75億m3。該水庫是一座集防洪、供水、生態(tài)涵養(yǎng)、南水北調(diào)來水調(diào)蓄等功能于一體的大型水利樞紐工程，目前以防洪、供水和生態(tài)涵養(yǎng)3大功能為主。

本文從多年平均水質(zhì)基本理化性質(zhì)、代表性監(jiān)測點水質(zhì)指標、有機污染物等角度研究該大型水庫水質(zhì)狀況，可為北方同類型水庫的水質(zhì)狀況研究提供參考。

1 采樣點及監(jiān)測指標

1990—2012年每月中旬于監(jiān)測點取樣進行常規(guī)水質(zhì)指標分析， 水庫1990—1995年的監(jiān)測站點主要包括1、2、3、4、5、6、7、8等八個監(jiān)測站點(見圖1)，1996年逐步增設了采樣點9和10。立體采樣方面亦由最初的3、6、7三個監(jiān)測點擴展到幾乎包含庫區(qū)的所有監(jiān)測站點，所有監(jiān)測點的分層情況均為三層，即表層、中間層和下層。

2 水庫多年平均水質(zhì)基本理化性質(zhì)

根據(jù)水庫1990 —2012年連續(xù)23a的常規(guī)水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出3、4、5、6、7、8、9、10共8個監(jiān)測點的年平均水質(zhì)狀況。其基本理化性質(zhì)見表1。

由表1可知， 點位9和10的水溫、pH、電導率、總堿度均顯著高于其它6個監(jiān)測點，說明該兩點水中的含鹽量要稍高于其它6個監(jiān)測點。較高的pH給藻類生長提供了較為適宜的環(huán)境條件。另外點位10水較其它監(jiān)測點的渾濁度較高。8個監(jiān)測點取水的BOD5/COD = 1∶10～1∶9，這說明該水庫的有機物含量較低。

2.1 水溫

水庫水溫從6月初到9月底，大部分時間水溫高于20℃，最高水溫出現(xiàn)在8月中旬，就水庫整體而言，表層3m平均水溫相差不大。從水溫的角度看，水庫藻類高發(fā)期有3個月左右。

2.2 pH

1990—2012年水庫不同監(jiān)測點5月份水體的pH變化情況見圖2。由圖2可知，水庫pH值平面分布差異較小，但總體呈緩慢升高趨勢。

水庫水質(zhì)偏堿性與流域面積內(nèi)的土壤性質(zhì)有關(guān)，我國土壤鹽飽和度北方高于南方，因此北方水庫的pH值高于南方水庫。水庫周圍土壤性質(zhì)為：黃土中以黃土(立土)為主、白漿土次之；黃土中的沃土稀少，大都為沙石混料、風華土、管沙和油砂。此種土壤鹽基飽和度高，含有鈣質(zhì)土，因此造成該水庫水質(zhì)偏堿性。

表1 水庫8個監(jiān)測點的基本理化性質(zhì)

“—”表示由于各種原因無該項監(jiān)測數(shù)據(jù)。

pH是衡量湖泊水環(huán)境水質(zhì)的重要指標，其對水環(huán)境的各種物理化學反應均有重要影響，在沉積物釋放磷反應中亦是如此[2]。研究表明，pH接近中性，在其它條件不變時，磷的釋放量較小，而在酸性和堿性范圍內(nèi)釋放量較大，這主要是因為pH影響磷與沉積物的吸附作用和離子交換作用[3]。因此針對1990 —2012年水庫不同監(jiān)測點5月份水體的pH呈緩慢升高的這一趨勢應提高關(guān)注度。

2.3 營養(yǎng)鹽分析

由表2可知：該水庫溶解氧為9.0～10.5mg/L，BODMn為2.0～3.0mg/L，總磷含量范圍為0.01～0.03mg/L，總氮區(qū)域變化較大，含量在1.0～1.5mg/L。

水體營養(yǎng)鹽的月度變化顯示，總磷含量有1個小高峰區(qū)，出現(xiàn)在5—7月，高峰值接近0.019mg/L，其它時間含量較低，維持在0.012mg/L左右；而總氮含量月度變化較小，在0.9mg/L上下波動，氨氮和硝氮含量有一定的月度變化。水中氮磷質(zhì)量濃度比為38.4∶1，遠>9∶1。一般認為，當水體中總磷的濃度超過0.02mg/L，無機氮超過0.3mg/L時，就足以引起藻類的大量繁殖，導致水體的富營養(yǎng)化[4]，因此磷為該水庫生物生產(chǎn)力的主要限制性營養(yǎng)元素。

從年際(1990—2010年)變化來看，該水庫總氮變化分兩個階段，2002年之前總氮含量趨于穩(wěn)定下降狀態(tài)，2002年后該下降趨勢變緩，而氨氮含量則呈逐年升高的趨勢(除2005、2006年外)；總磷含量一直處于穩(wěn)中有降的趨勢，尤其是2005年、2006年以來總磷含量一直處于下降狀態(tài)。該水庫全年葉綠素a含量水平較低，僅在8—11月份出現(xiàn)小高峰(最大平均含量<0.008mg/L，遠遠低于水華暴發(fā)閾值)，另調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅在局部區(qū)域偶有條帶狀藍藻水華短暫出現(xiàn)。由此可見，近年來尤其是對該水庫加強治理后，該水庫水質(zhì)已逐漸出現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢。

點位9與10水中溶解氧的含量稍低于其它6個監(jiān)測點。點位10水中葉綠素的含量顯著高于其它7個監(jiān)測點，為0.0035mg/L，透明度亦最低，為1.8m。說明點位10藻類生長旺盛，導致水的透明度降低，濁度較高，為4.5 NTU。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2007年、2008年及2010年5月點位10處葉綠素的含量均顯著高于其它年份同期的葉綠素含量，因此判斷2007年、2008年及2010年點位10處水中的營養(yǎng)元素較高，點位10發(fā)生富營養(yǎng)化的可能性較大，其原因為點位10水溫較高(20℃)，水位較淺，不存在躍溫層，水體垂直擾動較小，適宜藻類生長。故在以后的工作中應對點位10的水質(zhì)情況多加關(guān)注，尤其是在夏秋富營養(yǎng)化高發(fā)季節(jié)。此外，根據(jù)葉綠素的含量高低，亦應對點位6、7、9等區(qū)域的水質(zhì)情況加強關(guān)注。

2.4 重金屬及有毒物質(zhì)含量分析

表3為水庫8個監(jiān)測點重金屬及有毒物質(zhì)含量多年監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》的規(guī)定，銅<0.01mg/L，鋅<0.05mg/L，砷化物<0.05mg/L，六價鉻<0.01mg/L、氰化物<0.005mg/L、揮發(fā)酚 ≤0.002mg/L達地表水環(huán)境I類水標準；鎘<0.005mg/L，滿足地表水環(huán)境Ⅱ類水標準；汞基本滿足地表水環(huán)境I類水標準。因此，在重金屬毒理指標上，該水庫基本滿足地表水環(huán)境I類水標準，是安全的源頭水。

表2 水庫8個監(jiān)測點的富營養(yǎng)化指標 (mg/L)

表3 水庫8個監(jiān)測點的重金屬及有毒物質(zhì)含量 (mg/L)

2.5 水質(zhì)綜合評價

目前，河流水質(zhì)評價方法有很多種，但采用合理的水質(zhì)評價方法，才能準確、客觀、全面地反映水體水質(zhì)現(xiàn)狀，為水環(huán)境管理提供科學依據(jù)。水質(zhì)綜合評價改善了用單項指標表征水質(zhì)污染不夠全面的欠缺，解決了用多項指標描述水質(zhì)污染時不便于進行計算、對比和綜合評價的困難，并且克服了用生物指標評價水污染時不易給出簡明的定量數(shù)值的缺點。因此，對該水庫水質(zhì)采用水質(zhì)綜合污染指數(shù)的評價方法，可以準確、全面地反映出該水庫整體水質(zhì)的狀況。

2.5.1 水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計算

水庫在計算水質(zhì)污染指數(shù)時，按照水體功能對應的標準進行計算。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)是在單項污染指數(shù)評價的基礎上計算得到的[5]?？紤]到該水庫水質(zhì)特點，在計算水質(zhì)綜合污染指數(shù)時選擇了該水庫具有代表性的污染物，包括pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮，其余監(jiān)測項目在該水庫水質(zhì)監(jiān)測中均能滿足相應的地表水功能要求。

單項污染指數(shù)的計算方法：Pi=Ci/Si

式中：Ci—污染物實測濃度；Si—相應類別的標準值。

綜合污染指數(shù)的計算方法：P=1/n

式中：n為6，即參與評價的六個項目。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)是基于不同類別標準計算得到的，所以綜合污染指數(shù)的比較只能在同一類別水體中進行，亦可進行年際比較，但不同類別的水體之間缺少可比性。

根據(jù)表2中該水庫8個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，計算各種污染物的平均值，見表4。

表4 水庫6種污染物平均值 (mg/L)

分別以《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類標準作為計算的基礎標準。

按照上述水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計算方法，得出的該水庫綜合污染指數(shù)P分別為：1.43、0.47、0.14。

2.5.2水質(zhì)污染程度的判別

根據(jù)上述計算結(jié)果，以地表水Ⅰ類標準為基礎標準得出該水庫綜合污染指數(shù)為1.43，表明該水庫水質(zhì)功能不能滿足Ⅰ類水質(zhì)標準。以地表水II類標準為基礎標準得出的綜合污染指數(shù)為0.47，各項水質(zhì)指標基本能夠達到II類水質(zhì)標準，其中TN指標超標，水體功能可以得到充分發(fā)揮，該水庫水體是合格的II類水。

3 有機污染物情況

3.1 分析方法

采用保留時間鎖定(RTL)和譜圖解卷積(Deconvolution)技術(shù)， 結(jié)合解卷積報告軟件(DRS)，對該水庫庫區(qū)地表水中的半揮發(fā)性有機污染物進行分析。采用保留時間鎖定和譜圖解卷積技術(shù)對樣品中存在的有機污染物進行定性識別?；跉庀嗌V質(zhì)譜(GC-MS)分析檢測方法，構(gòu)建了包含有1283種污染物的毒性數(shù)據(jù)庫?；诔咝б合嗌V質(zhì)譜分析檢測方法，定性和定量分析84種藥品和個人護理產(chǎn)品及環(huán)境內(nèi)分泌干擾物。

3.2 有機污染物現(xiàn)狀

應用上述方法對水庫的5個樣點進行了分析，共定性檢出22種半揮發(fā)性有機污染物、20種藥品和內(nèi)分泌干擾物類化合物。6種半揮發(fā)化合物在各個樣點中都有檢出，檢出率為100%，檢出率>80%的半揮發(fā)化合物有9種，檢出率>60%的化合物共有12種。在定性篩查出的20種藥品和內(nèi)分泌干擾物中有9種化合物均有檢出。半揮發(fā)性有機污染物如鄰苯二甲酸二正丁酯為塑化劑，這種化合物的來源復雜，可能為實驗室背景干擾(無法避免)。水庫地表水篩查檢出化合物的濃度均為ng/L級，不具有生態(tài)和健康風險，其來源需要多次采樣和分析確定。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

從水溫的角度看，該水庫有3個月左右的藻類高發(fā)期；水庫pH值平面分布差異較小，水庫的pH呈現(xiàn)出緩慢升高的趨勢；磷為水庫生物生產(chǎn)力的主要限制性營養(yǎng)元素；水庫水質(zhì)較為穩(wěn)定，整體處于二類水體，氮磷含量在6—7月份相對較高，但時有氨氮和總氮超標的現(xiàn)象；根據(jù)《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》的規(guī)定，在重金屬毒理指標上，該水庫大體滿足地表水環(huán)境I類水標準，是安全的源頭水；水庫綜合污染指數(shù)為0.47，各項水質(zhì)指標基本能夠達到II類水質(zhì)標準，其中TN指標超標，水體功能可以得到充分發(fā)揮，水庫整體水質(zhì)是合格的II類水。

水庫共定性檢出22種半揮發(fā)性有機污染物、20種藥品和內(nèi)分泌干擾物類化合物，水庫地表水篩查檢出化合物的濃度均為ng/L級，不具有生態(tài)和健康風險，不會影響水質(zhì)安全，是安全的源頭水。

4.2 建議

(1)合理增設監(jiān)測點位、布設垂直斷面，完善水質(zhì)監(jiān)測指標，盡快摸清該水庫水質(zhì)多年來的衍變規(guī)律，保證水庫的長期安全供水及南水北調(diào)工程的順利實施；合理增設自動監(jiān)測站，建立綜合管理平臺，實現(xiàn)監(jiān)測、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、評價和管理預測標準化完整流程，為水庫水質(zhì)預測提供科學依據(jù)。

(2)加大應急力度，儲備應急物資，并做好應對突發(fā)污染等事件的準備；加大對庫區(qū)及上游地區(qū)的人類生產(chǎn)、生活活動的管理力度，加強村民的水源保護意識，盡可能保證入庫河流、徑流的水質(zhì)。

(3)根據(jù)現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)并收集南水北調(diào)來水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行深入的數(shù)據(jù)分析工作，開展水質(zhì)匯兌模擬實驗，在此基礎上分析預測水庫未來水質(zhì)的走向與趨勢，為制訂水庫水質(zhì)控制規(guī)劃與方案做好準備工作。