大寧調(diào)蓄水庫水生態(tài)監(jiān)測成果分析及評價

孫昊蘇 李 壘

(1.北京市南水北調(diào)大寧管理處，北京 102442；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048)

近年來，中國在湖庫富營養(yǎng)化防控方面加大了整治力度，但湖泊富營養(yǎng)化的事態(tài)并未得到有效遏制。巢湖、洞庭湖、滇池等湖泊均不同程度地存在富營養(yǎng)化風(fēng)險［1-3］?？茖W(xué)、合理地評價湖庫富營養(yǎng)化風(fēng)險，對于區(qū)域水體水質(zhì)保護有著十分重要的意義。湖庫水質(zhì)分析、富營養(yǎng)化評價的方法已較為成熟［4-6］。目前，由于南水北調(diào)中線工程通水不久，對大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)、富營養(yǎng)化評價的研究較少，而大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)、水生態(tài)狀況的優(yōu)劣，關(guān)系到北京城市用水安全，因此，開展大寧調(diào)蓄水庫的水質(zhì)和水生態(tài)指標(biāo)連續(xù)監(jiān)測和科學(xué)評價工作，及時掌握入庫南水的水質(zhì)狀況，加強南水北調(diào)配套工程的水質(zhì)保護，對提升北京城市供水安全保障率具有重要意義。

圖1 北京城市供水新格局示意圖

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程，自2014年12月起自丹江口水庫調(diào)水進京，截至2018年12月，進京江水累計超過40億m3。工程通水后，顯著增加了北京市水資源總量，提高了城市供水安全保障率，改善了居民用水條件，在改變首都水源保障格局的同時，也為北京贏得了寶貴的水資源涵養(yǎng)期［7］。

現(xiàn)階段已建成的北京市南水北調(diào)配套工程包括：?輸水管線工程：南干渠、東干渠、團城湖至第九水廠等工程；?調(diào)蓄庫(池)工程：大寧調(diào)蓄水庫、亦莊調(diào)節(jié)池、團城湖調(diào)節(jié)池等工程；?水廠工程：第三水廠、第九水廠、309水廠、門頭溝城子水廠、郭公莊水廠、長辛店第一水廠、田村山水廠等工程［8］。已建配套工程和南水北調(diào)中線總干渠等工程共同構(gòu)成了北京市“兩大動脈、六大水廠、兩個樞紐、一條環(huán)路、三大應(yīng)急水源地”的“26213”供水新格局，見圖1。其中，大寧調(diào)蓄水庫是北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分之一，承擔(dān)著南水北調(diào)中線總干渠工程檢修、突發(fā)事故等情況下的應(yīng)急供水任務(wù)，是解決南水北調(diào)來水與北京市用水過程不匹配、保障北京城市供水安全的重要部分。

2 研究方法

2.1 樣品的采集、選取與分析

大寧調(diào)蓄水庫的水質(zhì)監(jiān)測工作由北京市南水北調(diào)水質(zhì)監(jiān)測中心負(fù)責(zé)，自2014年通水后連續(xù)監(jiān)測至今，選取大寧調(diào)蓄水庫泵站北側(cè)位置為水質(zhì)監(jiān)測取水點，監(jiān)測頻次為每月1次(部分月份因冰凍等原因停測)。采用便攜式多功能水質(zhì)速測儀測量水溫、pH值等常規(guī)物理指標(biāo)；在實驗室分析硫化物、硫酸鹽、汞等無機物指標(biāo)；分析揮發(fā)酚，陰離子表面活性劑，耗氧指標(biāo)如溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量等有機物指標(biāo)；分析氨氮、硝氮、總氮、總磷等營養(yǎng)鹽指標(biāo)；分析鋅、硒、砷、鎘、鐵、錳、銅、鉛等金屬離子指標(biāo)，以及生物學(xué)指標(biāo)糞大腸菌群，共計28項。2017年水質(zhì)監(jiān)測中汞、氰化物、揮發(fā)酚等15項指標(biāo)均低于檢出限，不再進行統(tǒng)計分析。本次研究選取水溫T、pH值、溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù) CODMn、化學(xué)需氧量 COD、五日生化需氧量BOD5、氨氮NH3-N、硝酸鹽氮NO3-N、總氮 TN、總磷 TP共10個指標(biāo)進行分析。

2017年，大寧調(diào)蓄水庫水生態(tài)監(jiān)測工作由北京市水科學(xué)技術(shù)研究院負(fù)責(zé)實施，監(jiān)測頻次為每月1次(部分月份因冰凍等原因停測)，汛期加密。根據(jù)大寧調(diào)蓄水庫水面及庫底地形特點，選取庫中4處監(jiān)測位，共10個監(jiān)測點進行連續(xù)監(jiān)測，見圖2，其中，1、2、3號監(jiān)測點位分別取表層、中層、底層3個監(jiān)測水樣。水生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)包括水深、透明度、總氮、總磷、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、總有機碳、浮游植物定性定量等。監(jiān)測和分析嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中的監(jiān)測分析方法進行。

圖2 大寧調(diào)蓄水庫水生態(tài)監(jiān)測點布置圖

2.2 數(shù)據(jù)的處理與評價

選取的10項水質(zhì)指標(biāo)，對其月監(jiān)測平均值進行分析。采用Excel 2007軟件和SPSS 22.0軟件對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，低于檢出限的數(shù)據(jù)，用1/2檢出限代替。采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對水質(zhì)指標(biāo)進行評價，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)確定水質(zhì)類別。

采用《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》(試行)中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對大寧調(diào)蓄水庫營養(yǎng)狀態(tài)進行評價。采用0～100的數(shù)字，對水庫營養(yǎng)狀態(tài)進行分級：TLI(∑)＜30為貧營養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)；50＜TLI(∑)≤60為輕度富營養(yǎng)；60＜TLI(∑)≤70為中度富營養(yǎng)；TLI(∑)＞70為重度富營養(yǎng)。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為

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)，則第j種參數(shù)歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為

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)(湖泊或水庫的chla與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij及r2ij見表1)。

（一）在識字教學(xué)中，要充分利用孩子愛想象地特點激發(fā)他們用自己的方法記憶漢字，并加以引導(dǎo)：根據(jù)字形，字的結(jié)構(gòu)，各部分所表達(dá)的意思等來識記漢字。

表1 湖泊(水庫)部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系r ij及r2 ij值

各項目營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為

式中：chla單位為mg/m3，SD單位為m；其他指標(biāo)單位均為mg/L。

浮游植物的優(yōu)勢種用優(yōu)勢度來表示，優(yōu)勢度Y計算公式為

式中：fi為第i種浮游植物出現(xiàn)的頻率；pi為第i種浮游植物占所有浮游植物數(shù)量的比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)指標(biāo)特征

2017年，對大寧調(diào)蓄水庫全年水溫T、pH值、溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、化學(xué)需氧量COD、五日生化需氧量 BOD5、氨氮 NH3-N、硝酸鹽氮 NO3--N、總氮TN、總磷TP的含量變化情況進行了分析，見圖3。水溫T變化范圍為2.0～29.6℃，受季節(jié)變化影響；pH值變化范圍為7.5～8.5，總體呈弱堿性；溶解氧DO含量變化范圍為7.4～12.5mg/L，夏季較低，其他季節(jié)較高，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；高錳酸鹽指數(shù)CODMn含量變化范圍為2.1～4.0mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；化學(xué)需氧量COD含量變化范圍為5～11mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；五日生化需氧量 BOD5含量變化范圍為0.5～2.6mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；氨氮NH3-N含量變化范圍為0.071～0.324mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；硝酸鹽氮NO3--N含量變化范圍為0.068～0.349mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；總氮 TN含量變化范圍為0.358～0.762mg/L，在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)和Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)之間波動；總磷TP含量變化范圍為0.01～0.02mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述：大寧調(diào)蓄水庫水體呈弱堿性，現(xiàn)狀水質(zhì)狀況良好，達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 大寧調(diào)蓄水庫2017年部分指標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

表2 大寧調(diào)蓄水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)計算

3.2 富營養(yǎng)化評價

2017年，對大寧調(diào)蓄水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)進行了分析，計算結(jié)果見表2。2017年，大寧調(diào)蓄水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為41.63。對比《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》(試行)中的水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級，大寧調(diào)蓄水庫富營養(yǎng)程度為中營養(yǎng)。

3.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢度分析

3.3.1 大寧調(diào)蓄水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)

浮游植物的密度和種類變化會影響水體水質(zhì)狀態(tài)，它的群落結(jié)構(gòu)和組成變化往往也預(yù)示著該水域水環(huán)境的改變［9］。2017年大寧調(diào)蓄水庫共檢測出浮游植物57種，其中硅藻門16種、綠藻門23種、藍(lán)藻門7種、甲藻門3種、裸藻門2種、黃藻門2種、金藻門2種、隱藻門2種。大寧調(diào)蓄水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)時間分布見圖4。從圖4中可以看出，大寧調(diào)蓄水庫浮游植物在8—10月迅速增長，且有暴發(fā)趨勢。比重最大的是藍(lán)藻門，其次為綠藻門。

圖4 大寧調(diào)蓄水庫2017年浮游植物群落結(jié)構(gòu)時間分布

3.3.2 大寧調(diào)蓄水庫浮游植物優(yōu)勢度時間累積分布

某種浮游植物的優(yōu)勢度大于0.02時，該浮游植物為優(yōu)勢種，大寧調(diào)蓄水庫浮游植物優(yōu)勢種優(yōu)勢度時間累積分布見圖5。從圖5中可以看出，大寧調(diào)蓄水庫3—4月浮游植物優(yōu)勢種較為單一，主要為脆桿藻；5—6月優(yōu)勢種開始增加；6月優(yōu)勢種最多；到7月優(yōu)勢種又逐漸減少；8月起擬柱孢藻占主導(dǎo)；9月之后鞘絲藻、假魚腥藻、小環(huán)藻、錐囊藻、澤絲藻先后達(dá)到優(yōu)勢種水平。

圖5 大寧調(diào)蓄水庫2017年浮游植物優(yōu)勢種優(yōu)勢度時間累積分布

4 分析與探討

4.1 大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)保護的優(yōu)勢

2017年大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)指標(biāo)依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)情況良好，能夠滿足作為一個城市備用水源地所應(yīng)具備的水質(zhì)條件；大寧調(diào)蓄水庫現(xiàn)狀水生態(tài)狀況良好，浮游生物種類豐富，水源區(qū)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，且水庫能有效稀釋上游來水［10］，自凈能力較強；水庫地處京西平原地區(qū)，春、秋季多風(fēng)，且短時風(fēng)力較大，水體常年流動，水庫調(diào)水運行較為規(guī)律［11］。

4.2 影響大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)、水生態(tài)狀況的主要風(fēng)險

大寧調(diào)蓄水庫水質(zhì)風(fēng)險主要是庫北的小啞叭河。小啞叭河河道匯流面積近20km2，匯水區(qū)內(nèi)主要涉及居民區(qū)及各類交通道路，有一定的生活污水匯集，汛期暴雨期間易形成徑流，將囤積于河道內(nèi)的生活污水沖入水庫，是汛期潛在污染源。

通過分析2017年大寧調(diào)蓄水庫水生態(tài)監(jiān)測成果，發(fā)現(xiàn)8—10月水庫藻類，尤其是藍(lán)藻有暴發(fā)的趨勢，優(yōu)勢種擬柱孢藻具有一定的毒性，可能影響水庫水生動植物的生長，破壞水庫生態(tài)。

4.3 維護水庫水質(zhì)、水生態(tài)安全的措施探討

采用新挖小啞叭河河道工程措施，將河道末端引到庫外是較好地消除水庫水質(zhì)污染風(fēng)險的手段，但新建工程受地區(qū)規(guī)劃和拆遷成本的影響較大，不易實現(xiàn)。通過整理水庫近年暴雨引起洪水入庫的情況分析，發(fā)現(xiàn)入庫水量并不大，所攜污染物不足以影響水庫整體水質(zhì)狀況，并且，采取果斷措施可以消除洪水入庫對于水質(zhì)的輕微影響。

有研究表明，通過生物操縱放養(yǎng)鰱、鳙等魚類能夠迅速改變浮游生物群落結(jié)構(gòu)，改善水質(zhì)指標(biāo)［12］。對于大寧調(diào)蓄水庫來說，水質(zhì)風(fēng)險主要存在于7—9月，但夏季魚類采購困難，且投放成活率不高。因此，應(yīng)當(dāng)在入汛之前儲備一定量的魚類以備不時之需。水庫在汛期調(diào)度極少，并且伴隨長時間高溫和暴曬，因此，在北京城市防汛的主汛期7—8月以及隨后的9—10月均應(yīng)該密切關(guān)注大寧調(diào)蓄水庫TP、pH值和TN的變化，適時以濾食性魚類，主要是鰱、鳙等，進行生態(tài)調(diào)節(jié)，提升水生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力［13］。

5 結(jié)論與建議

大寧調(diào)蓄水庫水體呈弱堿性，現(xiàn)狀水質(zhì)良好，水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價的水庫水體為中營養(yǎng)狀態(tài)。

對于大寧調(diào)蓄水庫來說，主要風(fēng)險發(fā)生的時間正處在汛期，應(yīng)當(dāng)做好充分的汛前準(zhǔn)備，及時預(yù)估風(fēng)險，保障安全；應(yīng)主要預(yù)防藍(lán)藻水華的發(fā)生。在水庫水體趨于惡化時，應(yīng)當(dāng)采取果斷措施，迅速控制藻類生長，消除水質(zhì)安全威脅，維護水庫生態(tài)穩(wěn)定。