松子坑水庫水質(zhì)評價及初探

吳天書

（深圳市東江水源工程管理處 松子坑水庫管理所，廣東 深圳 518122）

1 基本概況

松子坑水庫位于深圳市坪山區(qū)龍?zhí)锝值溃ㄈ鐖D1所示），作為東江水源工程進入深圳市內(nèi)的第一座聯(lián)網(wǎng)調(diào)蓄水庫，集雨面積4.96m2，總庫容0.4073億m3，設(shè)計洪水位 66.31m，校核洪水位 66.66m，常水位66m，死水位50m，水庫分為一期、二期工程，兩期通過壩下涵管連通，共有20條大壩，設(shè)計年均供水8555萬m3，水庫從獺湖泵站前池取水，承擔(dān)深圳坪山和龍崗部分片區(qū)以及深圳全市供水網(wǎng)絡(luò)體系中的備用應(yīng)急供水任務(wù)，是深圳市重要的中型水庫。松子坑水庫所在流域為珠江流域東江水系，屬于南亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，長夏短冬，氣候溫和，日照充足，雨量充沛，流域內(nèi)多年平均氣溫22.4℃，多年平均日氣溫超過30℃的天數(shù)為123 d；根據(jù)清林徑雨量站系列資料分析，流域內(nèi)多年平均降雨量約1719.1mm，降雨量年際變化較大，最大年降雨量為2476mm，最小年降雨量為980mm，雨量年內(nèi)分配不均衡，其中，5—9月降雨量占全年降雨量的80%；流域內(nèi)多年平均年蒸發(fā)量為1345.7mm；多年平均相對濕度79%。2021年平均氣溫為 24℃，與常年相比偏高，年平均降雨量1550 mm，降雨量階段性偏少嚴(yán)重。

2 水質(zhì)監(jiān)測情況

2.1 樣本采集

采樣時間為2022年1—12月，共計24次，每月月中根據(jù)《湖泊和水庫采樣技術(shù)指導(dǎo)》（GB/T 14581—93）和《廣東省江河湖庫水生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評價技術(shù)指導(dǎo)指引（試行）》采集表層水樣品。由于水庫采取完全封閉式管理多年，不存在農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)點源污染及固體廢物污染，因此選取pH、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）以及總磷（TP）等8個典型指標(biāo)進行水質(zhì)分析評價。

2.2 指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

2022年1—12月松子坑水庫庫中和來水口各水質(zhì)指標(biāo)濃度變化如圖2所示，對圖2中的結(jié)果進行綜合分析如下：pH值即酸堿度，決定著水體中很多化學(xué)何生物過程，在1—11月pH為7～8，7月庫中pH為8.1，2月pH為6.7，水庫水質(zhì)呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的變化規(guī)律（堿性狀態(tài)）。由于松子坑水庫無外源污染，因此水中的二氧化碳濃度主要取決于浮游植物的光合作用，光照越強，光合作用消耗的二氧化碳量增多，水體pH值也升高。溶解氧濃度全年基本在I類水標(biāo)準(zhǔn)和II類水標(biāo)準(zhǔn)之間，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。CODMn濃度變化規(guī)律如圖2所示，2—6月數(shù)值明顯高于其他月份，5月CODMn數(shù)值達到峰值，在此期間的浮游植物數(shù)量及活躍程度較高，其他月份數(shù)值均≤2mg/L，因此可以判斷水庫CODMn濃度受浮游植物影響。

圖2 2022年1—12月松子坑水庫各水質(zhì)指標(biāo)濃度變化

總氮是水中各種形態(tài)無機和有機氮的總量，水庫全年總氮濃度均超過地表II類水標(biāo)準(zhǔn)，年平均值為0.823mg/L，其中5月濃度數(shù)值超標(biāo)嚴(yán)重，達到V類水標(biāo)準(zhǔn)，說明水庫氮負(fù)擔(dān)較高，此期間浮游植物的大量繁殖受N元素的提升影響嚴(yán)重；氨氮是氮在水中的主要存在形式，全年基本低于1mg/L（III類水標(biāo)準(zhǔn)），說明水庫分解有機物能力較強。

全年的水庫總磷濃度為0.01mg/L～0.06mg/L，年平均值為0.033mg/L，5月水庫總磷濃度達到最大值。浮游植物的密度也較高，說明磷是松子坑水庫浮游植物生長的限制因子。溶解氧濃度全年低于過地表II類水標(biāo)準(zhǔn)，說明水庫具有較低的污染物和較高的水動力學(xué)流動性，可以促進氧氣在水中的溶解和分布。

3 分析評價方法

3.1 水環(huán)境評價方法

單因子評價法是利用實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對比分類，選取水質(zhì)最差的類別為評價結(jié)果[1]。在水環(huán)境質(zhì)量評價中，當(dāng)有一項指標(biāo)超過相應(yīng)功能的標(biāo)準(zhǔn)值時[2]，表示該水體已經(jīng)不能完全滿足該功能的要求，因此單因子評價法可以了解水域是否滿足功能要求，其是水環(huán)境影響評價中最常用的方法。

水質(zhì)的單因子污染指數(shù)Pi的計算如公式（1）所示。

式中：Pi為某一評價指標(biāo)的相對污染值；Ci為某一評價指標(biāo)的實測濃度值；Co為某一評價指標(biāo)的最高允許標(biāo)準(zhǔn)值。

單因子評價法的優(yōu)勢為概念明確、計算簡單，通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直觀地體現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)污染程度，然后計算每個污染因子的超標(biāo)指數(shù)，并將計算結(jié)果中最壞的指標(biāo)評價級別作為整體水質(zhì)的評價等級。

3.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是選取葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮和透明度等富營養(yǎng)化指標(biāo)，來實現(xiàn)對水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)的連續(xù)分級。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)采用卡爾森指數(shù)，計算過程如公式（2）所示。

式中：TLI（∑） 為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI（j）為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算如公式（3）所示。

式中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

chla與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij及rij2見表1。

表1 中國湖泊（水庫）部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系rij 及rij2值

各項目營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算如下。

TLI（chla）=10（2.5+1.086lnchla）

TLI（TP）=10（9.436+1.624lnTP）

TLI（TN）=10（5.453+1.694lnTN）

TLI（SD）=10（5.118-1.94lnSD）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661lnCODMn）

式中：TLI為富營養(yǎng)化指數(shù)；chla為葉綠素a，mg/m3；SD為濁度，m。

4 評價結(jié)果

4.1 水環(huán)境評價結(jié)果

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）作為本次指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)[3]，根據(jù)2022年1—12月的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，整體來看，下半年水質(zhì)較上半年水質(zhì)情況更好，超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的月份有2月、3月和5月，表現(xiàn)主要集中出現(xiàn)在上半年，其中超標(biāo)指標(biāo)主要為總氮、總磷。5月份松子坑水庫的總氮超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)值為2.1mg/L，水質(zhì)甚至達到劣V類。當(dāng)月正處于升溫變化較大的期間，由監(jiān)測結(jié)果可以看出總氮、總磷受溫度升降影響，且與溫度呈正相關(guān)趨勢，應(yīng)注意氮磷污染的防范，建議在升溫的期間加密監(jiān)測庫區(qū)的水質(zhì)。

4.2 水體營養(yǎng)化評價分析

根據(jù)松子坑水庫葉綠素a、TP、TN、高錳酸鹽指數(shù)、透明度5項監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計算松子坑水庫庫中2022年1-12月的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為40.98、41.43、44.88、41.55、50.46、39.56、26.93、36.64、37.51、33.28、31.46和37.59 ；來水口每月營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為46.25、46.65、45.44、45.69、55.22、41.01、27.09、38.35、38.39、38.61、40.58和39.95，在松子坑水庫庫中、來水口各月營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化情況如圖3所示。2022年度松子坑水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均值為40.667，表明水庫的富營養(yǎng)狀態(tài)處于中營養(yǎng)狀況。5月份庫中、來水口TN濃度超III類水標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)分別為0.38、2.1，對應(yīng)的營養(yǎng)指數(shù)也為全年最高，屬于輕度富營養(yǎng)化，存在藻華爆發(fā)風(fēng)險。來水口的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均高于庫中的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，因此可以確定松子坑水庫來水口是營養(yǎng)物質(zhì)輸入最嚴(yán)重的區(qū)域。

圖3 松子坑水庫庫中、取水口各月營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化情況

5 結(jié)論

松子坑水庫在2022年共采取水樣24次，并進行水質(zhì)監(jiān)測工作，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以分析得到：松子坑水庫Ⅲ類水的達標(biāo)率為70.83%，除TP、TN指標(biāo)外其余4種指標(biāo)均滿足III類水標(biāo)準(zhǔn)且變化幅度不大，其中pH、CODMn指標(biāo)主要受浮游植物生長狀況影響。TP、TN指標(biāo)在大多數(shù)情況下滿足III類水標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)月份集中在5月前后，氮、磷負(fù)荷較嚴(yán)重，需要控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，對TN、TP采取減量措施。磷是浮游植物生長的限制因子之一。

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價水庫富營養(yǎng)化情況[4]，結(jié)果表明松子坑水庫基本處于中營養(yǎng)狀況，水體中營養(yǎng)物質(zhì)能滿足浮游植物大量繁殖，例如藍藻生長并成為優(yōu)勢類群，由于水庫全年境外引水，供水情況單一，供水量較少，水力滯留時間較長，氣候和水文條件適合的情況，易爆發(fā)藍藻水華[5]。

在未來的水庫管理中，一方面，要對水庫生態(tài)系統(tǒng)和浮游植物加強監(jiān)測，及時掌握其數(shù)量及種類的變化情況，構(gòu)建水華生物預(yù)警體系；另一方面，減少污染物輸入，采取安全、健康的措施減少內(nèi)源營養(yǎng)負(fù)荷，改變水庫運行方式，縮短水力滯留時間，采取分層取水。