蘑菇湖水庫(kù)水質(zhì)時(shí)空變化及富營(yíng)養(yǎng)化特征分析

孫宇穎 ， 費(fèi)長(zhǎng)龍

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)生態(tài)環(huán)境第一監(jiān)測(cè)站，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

地表水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人類生產(chǎn)活動(dòng)的不斷增加給河流、湖庫(kù)等地表水體帶來(lái)了極大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水中，導(dǎo)致水體水質(zhì)污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日益嚴(yán)重[1]。相較于河流，湖庫(kù)水體更新時(shí)間更長(zhǎng)，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素更容易積累而導(dǎo)致湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化[2]。

蘑菇湖水庫(kù)于1958年建成，位于石河子市西北21 km處的一處自然洼地，是石河子墾區(qū)內(nèi)最大的天然洼地型人工內(nèi)陸平原水庫(kù)。水庫(kù)地處瑪納斯河西岸，地理坐標(biāo)為東經(jīng)84°46′30″~86°51′14″，北緯43°26′36″~44°37′17″，總庫(kù)容1.8億m3，有效庫(kù)容1.4億m3，水庫(kù)最大蓄水面積31.61 km2，水源主要為瑪納斯河水、沙灣河和千泉湖洪水、冬閑水、上游泉水及灌溉余水，同時(shí)接納石河子市工業(yè)及生活污水。

近年來(lái)，隨著城市人口的不斷增加，工業(yè)的迅速發(fā)展，生活污水及工業(yè)廢水排放量不斷增加，各種污染物也隨之增加。大量生活污水和工業(yè)廢水流入水庫(kù)，導(dǎo)致水庫(kù)的水環(huán)境不斷惡化，水質(zhì)長(zhǎng)期處于劣Ⅴ類狀態(tài)，且污染物長(zhǎng)期累積，導(dǎo)致水庫(kù)內(nèi)源污染嚴(yán)重[3]，水體呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，已影響下游的灌溉安全和水庫(kù)周邊的生態(tài)環(huán)境[4]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)蘑菇湖水庫(kù)的特點(diǎn)，在水庫(kù)設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別是進(jìn)水區(qū)、出水區(qū)、湖心區(qū)、淺水區(qū)、岸邊區(qū)。根據(jù)取樣范圍，測(cè)出這幾個(gè)區(qū)域所占水庫(kù)水域面積分別為20%、20%、40%、10%、10%。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，蘑菇湖水庫(kù)的污染指標(biāo)以化學(xué)需氧量、總氮、總磷為主，本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2013—2020年各采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)的年均值。

1.2 評(píng)價(jià)方法

本研究對(duì)蘑菇湖水庫(kù)的主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行時(shí)空變化規(guī)律分析，采用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》對(duì)水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為蘑菇湖水庫(kù)水污染防控及可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值與溶解氧時(shí)空變化規(guī)律

2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)pH值在8.53~8.96之間，水體呈弱堿性，年度總體變化幅度不大。從監(jiān)測(cè)年份上看，2015年pH值最小為8.53，2020年pH值最大為8.96。從監(jiān)測(cè)斷面看，湖心區(qū)pH值相對(duì)較低，淺水區(qū)pH值相對(duì)較高，依次為湖心區(qū)<出水區(qū)<岸邊區(qū)<進(jìn)水區(qū)<淺水區(qū)。

2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)溶解氧濃度在8.11 mg/L~12.6 mg/L之間，溶解氧濃度呈先降后升的趨勢(shì)，2018年最低為8.11 mg/L，2020年最高為12.6 mg/L。從監(jiān)測(cè)斷面看，出水區(qū)溶解氧濃度相對(duì)較低，湖心區(qū)溶解氧濃度相對(duì)較高，溶解氧濃度依次為出水區(qū)<岸邊區(qū)<進(jìn)水區(qū)<淺水區(qū)<湖心區(qū)，2020年各監(jiān)測(cè)斷面溶解氧變化幅度較大。蘑菇湖水庫(kù)主要污染因子變化趨勢(shì)圖如圖1所示。

圖1 蘑菇湖水庫(kù)主要污染因子變化趨勢(shì)圖

2.2 總氮與總磷的時(shí)空變化規(guī)律

2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)總磷濃度變化幅度較大，年均濃度在0.328 mg/L~1.006 mg/L之間，呈“M”形的變化趨勢(shì)。2016年濃度最高為1.006 mg/L，超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，2020年濃度最低為0.328 mg/L，較2016年下降了67.4%，但仍然超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。從監(jiān)測(cè)斷面看，進(jìn)水區(qū)總磷濃度最高，岸邊區(qū)總磷濃度相對(duì)較低，依次為岸邊區(qū)<湖心區(qū)<淺水區(qū)<出水區(qū)<進(jìn)水區(qū)，總磷濃度最大值出現(xiàn)在2015年的進(jìn)水區(qū)。不同斷面總磷年度變化如圖2所示。

圖2 不同斷面總磷年度變化

2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)總氮濃度在1.278 mg/L~10.63 mg/L之間，變化趨勢(shì)與總磷相一致。2016年濃度最高為10.63 mg/L，超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，2020年濃度最低為1.278 mg/L，較2016年下降了87.9%，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。從監(jiān)測(cè)斷面看，出水區(qū)總氮濃度最低，進(jìn)水區(qū)總氮濃度最高，依次為出水區(qū)<岸邊區(qū)<湖心區(qū)<淺水區(qū)<進(jìn)水區(qū)。不同斷面總氮年度變化如圖3所示。

2.3 化學(xué)需氧量與高錳酸鹽指數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律

2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)的化學(xué)需氧量濃度在27.8 mg/L~44 mg/L之間，呈逐年下降的趨勢(shì)，個(gè)別年份略有升高。2013年濃度最高為44 mg/L，超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，2020年濃度最低為27.8 mg/L，較2013年下降了36.8%，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。從監(jiān)測(cè)斷面看，湖心區(qū)化學(xué)需氧量濃度最低，進(jìn)水區(qū)濃度最高，依次為湖心區(qū)<岸邊區(qū)<淺水區(qū)<出水區(qū)<進(jìn)水區(qū)。不同區(qū)域化學(xué)需氧量年度變化如圖4所示。

圖4 不同區(qū)域化學(xué)需氧量年度變化

2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)的高錳酸鹽指數(shù)濃度在5.37 mg/L~9.19 mg/L之間，呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。2017年濃度最高為9.19 mg/L，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求，2019年濃度最低為5.37 mg/L，較2017年下降了41.56%，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。從監(jiān)測(cè)斷面看，出水區(qū)高錳酸鹽指數(shù)濃度最低，進(jìn)水區(qū)濃度最高，依次為出水區(qū)<湖心區(qū)<岸邊區(qū)<淺水區(qū)<進(jìn)水區(qū)。不同區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)年度變化如圖5所示。

2.4 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)

本研究采用0~100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)蘑菇湖水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，在相同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)數(shù)值越高，其營(yíng)養(yǎng)程度越高，水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)越高。2013—2020年，蘑菇湖水庫(kù)水質(zhì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為65.6~76.4，水體呈現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)化、重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且以重度富營(yíng)養(yǎng)化為主。2013年、2014年水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，2015年略有所好轉(zhuǎn)，2016年水體富營(yíng)養(yǎng)化程度最高，其后開(kāi)始逐年降低，2020年水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)由重度富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)為中度富營(yíng)養(yǎng)化。變化趨勢(shì)與水體總磷、總氮變化趨勢(shì)相一致。水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

圖5 不同區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)年度變化

表1 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

從2013—2020年的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，蘑菇湖水庫(kù)水體呈弱堿性，水質(zhì)為劣Ⅴ類，屬于重度污染水體，污染指標(biāo)以總磷、總氮和化學(xué)需氧量為主，水庫(kù)水質(zhì)2016年最差，2020年有所好轉(zhuǎn)，主要污染物濃度均大幅度降低，水體呈現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。從監(jiān)測(cè)斷面看，水庫(kù)進(jìn)水區(qū)污染物濃度相對(duì)較高，水庫(kù)出水區(qū)污染物濃度相對(duì)較低。

綜合蘑菇湖水庫(kù)分析結(jié)果，建議繼續(xù)按照“先控外源污染匯入，再治內(nèi)源積累”的原則，加強(qiáng)對(duì)入庫(kù)水質(zhì)的管理。加強(qiáng)對(duì)石河子市污水處理廠的運(yùn)行管理，嚴(yán)格控制污水處理廠排放的廢水濃度，提高中水回用率，減少進(jìn)入蘑菇湖水庫(kù)的污染物的總量。同時(shí)，及時(shí)清理河道淤泥與垃圾，加強(qiáng)河道長(zhǎng)效管護(hù)，進(jìn)行合理水量調(diào)蓄，保障生態(tài)用水，定期對(duì)入庫(kù)水質(zhì)和水庫(kù)生態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，切實(shí)改善蘑菇湖水庫(kù)水質(zhì)。