紫坪鋪水庫水質及水體富營養(yǎng)化狀況分析

杜世軍 ，劉 衛(wèi)

(都江堰市環(huán)境保護監(jiān)測站，成都 611830)

水體富營養(yǎng)化是指受人類活動影響，生物生存所必需的大量氮、磷營養(yǎng)鹽進入水庫、湖泊等緩流水體，引起浮游生物主要是藻類的迅速繁殖，水體中溶解氧含量明顯下降，水質惡化，水體內生物群落大量出現死亡的現象[1～3 ]。在水體自然流動條件下，隨著水庫、湖泊周邊河流夾帶沖刷物和生物殘骸在底部不斷沉積，水庫、湖泊會從貧營養(yǎng)化狀態(tài)演變?yōu)楦粻I養(yǎng)化狀態(tài)[4]，進而惡化為沼澤和陸地，這本身是一個極緩慢的演變過程[5-6]。但由于人類的活動，將大量生活污水和養(yǎng)殖廢水以及農田中的營養(yǎng)物質排入水庫、湖泊等緩流水體后，導致水生生物尤其是藻類的大量繁殖，使生物種群、種類發(fā)生較大改變，破壞了水體的生態(tài)平衡，加劇了演變過程[7]。

水體富營養(yǎng)化的研究始于二十世紀初期，當時水體富營養(yǎng)化問題初次出現，引起了國外環(huán)境保護者、生態(tài)學家和湖泊學家關注，并開始對其形成原因進行初步探索，國外是從二十世紀七十年代開始系統性的進行湖泊富營養(yǎng)化研究[8]，而我國是從二十世紀六十年代末才開始關注富營養(yǎng)化問題[9]。據不完全統計，全球約有80%以上的封閉型水體存在富營養(yǎng)化問題[10 ]。

水體富營養(yǎng)化的研究意義主要是解決水體污染問題，進而解決水體周邊的經濟生態(tài)圈問題。水體富營養(yǎng)化的爆發(fā)將直接縮短湖泊水庫的生命周期，導致湖泊水庫的功能性作用喪失[11-12]。目前大多數的湖泊水庫兼具多個功能，例如：同時具有飲用水源地、發(fā)電功能、城市涵養(yǎng)地和經濟生態(tài)圈功能。無論任何功能都是人類生產生活中不可或缺的載體[13-14]。湖泊水庫一旦受到水體污染達到水體富營養(yǎng)化的高危等級，將導致湖泊水庫的去功能化，因此扼制水體富營養(yǎng)化的主要手段就是解決水體污染問題[ 15]。

1 材料與方法

1.1 水庫基本情況與采樣斷面設置

紫坪鋪水庫水利樞紐工程位于岷江上游，都江堰城西北9km處。岷江是長江一級支流，全長711km，流域面積13 588km2。水庫正常蓄水位為877m，最大壩高156m，總庫容11.26億m3，其中調節(jié)庫容7.74億m3 [16-17]。都江堰市環(huán)境保護監(jiān)測站自2012年1月開始對紫坪鋪水庫進行采樣監(jiān)測，共設置四個監(jiān)測點位分別為：庫頭阿壩鋁廠，入湖庫口漩口村，庫中跨庫大橋，庫尾查關村。詳細布點位置見圖1。

A:阿壩鋁廠(庫頭) B：旋口村(入湖庫口) C：跨庫大橋(庫中) D：查關村(庫尾) 圖1 紫坪鋪水庫監(jiān)測布點位Fig.1 The distributed monitoring points in Zipingpu reservoir

1.2 分析項目及頻次

按照湖庫地表水監(jiān)測項目進行采樣分析，項目主要為：水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、石油類、砷、汞、揮發(fā)酚、氟化物、硫化物、總磷、總氮、六價鉻、鎘、銅、鋅、鉛、陰離子表面活性劑、糞大腸菌群、氰化物、硒、透明度、葉綠素α等26項。

監(jiān)測頻率：各點位每月監(jiān)測一次。

1.3 數據處理

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數[17]公式:

式中：TLI(Σ) 表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數；TLI(j)代表第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數；Wj 為第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數的相關權重；m為評價參數的個數。

2 結果與分析

2.1 水質現狀

從下表可以看出，在2012～2016年監(jiān)測期間，庫中和庫尾全部達到Ⅲ類水質標準，而庫頭和入湖庫口除2016年未達到Ⅲ類水質標準外，其余時間均到達Ⅲ類水質標準。從評價項目上看：pH、DO、CODMn、CODCr和BOD5均達到I類水質標準；氨氮除2016年為Ⅱ類水質外，其余時間均為I類水質；T-N全部為Ⅲ類水質；T-P除2016年庫頭和入湖庫口為Ⅳ類水質外，其余均為Ⅲ類水質。

表 紫坪鋪水庫水質類別現狀Tab. Water quality status of Zipingpu Reservoir

2.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數結果

從圖2可以看出，每年從4月開始會出現中營養(yǎng)化狀態(tài)，一般持續(xù)到9月，究其原因主要有以下幾點：

2.2.1 都江堰及水庫周邊地區(qū)氣溫從4月逐步上升，且持續(xù)高溫至9月，導致水溫升高、水體微生物大量繁殖，進而導致溶解氧含量下降，引起水質惡化，出現水體富營養(yǎng)化現象[ 18-19]；

2.2.2 每年3月開始灌溉性和防洪性調水，大量排水減小庫容量，此時水庫本身的水體容量降低，同時伴隨降雨和其他形式的外來源注入水庫，也是導致綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數升高的主要原因；

2.2.3 每年5～9月為豐水期，全年有百分之八十以上的降水集中于該時期，由于水庫周邊主要為石灰?guī)r和淺土層，庫區(qū)周圍山體植被較少，一旦暴雨就會有大量的表層沉積物沖刷入水庫，導致氮、磷和高錳酸鹽指數直接升高[20]，故而造成綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數升高。

圖2 紫坪鋪水庫各監(jiān)測點位綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數Fig.2 The TLI of each monitoring point of the Zipingpu Reservoir

2.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數年均值變化趨勢

從圖3可知年均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數近五年呈明顯遞增趨勢，庫頭和入湖庫口是富營養(yǎng)化重災區(qū)，它們的年均低值接近或高于其余監(jiān)測點位年均高值，且由成都市環(huán)境保護科學研究院組建的紫坪鋪水庫科研項目組已在這兩個監(jiān)測點位監(jiān)測出綠藻門衣藻種。從圖1.1可以看出它們分別是岷江干流和壽溪河主要入口，水量輸入占比分別為六十個百分點[21]和三十個百分點[21]。此監(jiān)測點位上游為高海拔草原地區(qū)，水源主要來源于冰雪溶水和降雨，按理此點位水質應較好。從工業(yè)布局來看此點位上游地區(qū)工業(yè)較少，故而可排除工業(yè)型輸入污染。上文提到水庫周邊及上游地區(qū)主要為石灰?guī)r和淺土層，庫區(qū)周圍山體植被較少，暴雨會沖刷大量的表面層沉積物進入水庫，導致氮、磷和高錳酸鹽指數直接升高，再則最近幾年大力發(fā)展畜牧養(yǎng)殖造成點位上游水源氮磷鹽污染。雖然入湖庫口最近幾年里就2016年出現中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，但是其富營養(yǎng)化指數卻要高于剩余兩個監(jiān)測點位。其他兩個監(jiān)測點位：庫中和庫尾從目前來看還沒有出現年均值中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，但是月監(jiān)測值中則出現過中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，從綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數來看，庫尾要好于庫中。

圖3 紫坪鋪水庫各監(jiān)測點位歷年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數年均值變化趨勢Fig.3 The average annual change trend for each monitoring point of the Zipingpu Reservoir TLI

2.4 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最大值變化趨勢

從圖4可以看出，各監(jiān)測點位最近幾年(除2014年)的最大值變化區(qū)間不大，趨于穩(wěn)定。但是歷史最大值卻出現在了2014年庫中和庫尾這兩個潔凈點，從原始監(jiān)測數據分析可知，月監(jiān)測數據最大值出現頻次最多為5月，但2014年5月因水庫水位過低無法達到庫頭采樣點位，因此該月庫頭無監(jiān)測數據。次月庫中和庫尾均出現當年最大值。該情況主要是氣候原因造成的，由氣象數據可知2014年5月和6月降雨量同比為近幾年的低值，所以造成2014年6月綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數值創(chuàng)出近幾年新高。

圖4 紫坪鋪水庫各監(jiān)測點位歷年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最大值變化趨勢Fig.4 The TLI maximum value change trend chart for each monitoring point of the Zipingpu Reservoir

2.5 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最小值變化趨勢

從圖5可以看出，近五年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最小值變化區(qū)間較小，趨于穩(wěn)定，從最小值可以看出庫尾和庫中受水流方向和自然沉降的影響在四個監(jiān)測點位中屬于潔凈點，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數庫頭均大于24，其余監(jiān)測點位大多在24以下。

圖5 紫坪鋪水庫各監(jiān)測點位歷年綜合最小值變化趨勢圖營養(yǎng)狀態(tài)指數Fig.5 The TLI minimum value change trend chart for each monitoring point of the Zipingpu Reservoir

2.6 紫坪鋪水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)分析

2.6.1 富營養(yǎng)化趨勢

從近五年的水質監(jiān)測可知，水庫四個監(jiān)測點位平均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數有逐年升高的趨勢，2012～2016年間只有2015年有所下降，但仍然高于2012年和2013年。詳情見圖6。

圖6 紫坪鋪水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數年平均值走勢Fig.6 The annual average TLI change trend of Zipingpu Reservoir

造成2015年綜合營養(yǎng)指數下降的主要原因有：

(1)2015年5月庫頭、入湖庫口由于采樣船只無法到達設定采樣點，導致2015年5月數據的缺失，本文做年數據統計時，將缺失數據的月份不納入統計(2015年庫頭統計月份為11個月，入湖庫口統計月份為11個月)，而其他年份有2014年5月、2016年9月庫頭阿壩鋁廠出現數據缺失現象。從時空分布來看，每年的5月至9月幾乎都是綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最高點，故而導致2015年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數年平均值降低。

(2)從各監(jiān)測點位逐年分析可見2015年除庫頭綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數為最大值外，其余三個監(jiān)測點位幾乎為近幾年較小值，故而導致平均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數有所降低，導致這種結果的原因是在2015年年均降雨量值較其余幾年值大，導致平均庫容量較大，故而造成環(huán)境容量大于其它時段，促使監(jiān)測結果小于其它時段。

2.6.2 富營養(yǎng)化時空分布圖

都江堰市氣候學上每年5～10月為豐水期，11～2月為枯水期，其3～5月為平水期。然而紫坪鋪水庫的蓄水量跟氣候上的水期剛好相反。每年11月后進入枯水期，水庫為來年的灌溉用水要做好蓄水準備，此時水庫處于全年最高水位，而進入平水期后就會為灌溉而大量放水，同時為了迎接洪汛期而降低庫容。因此水庫十二個月中出現中度營養(yǎng)化狀態(tài)的比重最高者為每年的5月，如果將因為水位過低而造成未能采樣監(jiān)測的月份算作中度營養(yǎng)化，那么占比是100%，而比重最低者為每年的10月和12月，一次都未是中度營養(yǎng)化。詳見圖7。

從綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最高值分布的時間和地點來看，每年的5月是綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數出現頻率最高的月份，而庫頭則是綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最高值出現最多的監(jiān)測點位。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數最小值則比較分散除庫頭外都有出現，但出現次數最多的是庫尾，時間分布暫無規(guī)律可循。詳情見圖8和圖9。

圖7 紫坪鋪水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數每個月出現 中營養(yǎng)化的比例分布Fig.7 Monthly oligotrophication appearance proportion of the Zipingpu Reservoir TLI

圖8 紫坪鋪水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數 最大值監(jiān)測點位及監(jiān)測時間分布Fig.8 The Zipingpu Reservoir TLI maximum monitoring sections and monitoring time distribution

圖9 紫坪鋪水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數 最小值監(jiān)測點位及監(jiān)測時間分布Fig.9 The Zipingpu Reservoir TLI minimum monitoring sections and monitoring time distribution

2.6.3 富營養(yǎng)化的發(fā)展趨勢

紫坪鋪水庫水源主要來自于壽溪河(入湖庫口)和岷江干流(庫頭)，水量貢獻比高達九十個百分點[21]，其余水量主要來自于降雨和水庫周邊支流。從近幾年的浮游生物監(jiān)測指標可以看出，進入中度富營養(yǎng)化狀態(tài)時水庫只是暫時出現大量無毒無害的衣藻類浮游植物[22]，但是從2016年的4月監(jiān)測數據可知從庫頭和入湖庫口由成都市環(huán)境保護科學研究院紫坪鋪水庫科研項目組已經開始監(jiān)測出微量藍藻。因此暫時認為水庫水體富營養(yǎng)化的可能引入點是岷江干流和壽溪河支流。但藻華爆發(fā)點不會出現于此，因為這兩個入庫口有著較好的水體動力學優(yōu)勢，它們只是藍藻的引入者和大量營養(yǎng)鹽的提供者。藻華爆發(fā)點會在水體流動較少，水源交換較少的龍溪河入口處。進而蔓延至庫中及周邊死水地帶，最后到達庫尾。

從五年監(jiān)測數據可知，紫坪鋪水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數顯示水體富營養(yǎng)狀態(tài)仍是貧營養(yǎng)狀態(tài)和中營養(yǎng)狀態(tài)，但有值已經很接近輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)(2014年6月庫尾查關村47.19)，這已經敲響了警鐘，必須加強水體保護。從整體趨勢來看由于紫坪鋪水庫2005年才開始蓄水，至今只有12年庫齡，從水庫生命周期來看還比較年輕[25]，但是從其他湖庫經驗可知，如果對水體富營養(yǎng)化研究和治理不提早介入，那么湖庫的生命周期必將有很大的縮減。

2.7 討論

2.7.1 氮磷營養(yǎng)鹽的主要來源

2.7.1.1 入庫水源沿岸環(huán)境原因

從水源引入地可知，上游地區(qū)工業(yè)較少，工業(yè)廢水帶來的污染也幾乎可以忽略，反倒是農牧業(yè)的面源污染帶來的污染較大。從水庫周邊多年的排查可知，水庫沿岸人煙稀少，工業(yè)除阿壩鋁廠外(環(huán)評為無廢水外排單位)，還有幾家水泥廠，但這些企業(yè)廢水排放均能達到相關排放標準。因此由工業(yè)廢水帶來的氮磷營養(yǎng)鹽的貢獻率較低。而農牧業(yè)的面源污染才是氮磷營養(yǎng)鹽的主要貢獻者。從水庫沿岸情況可知，在距入湖庫口監(jiān)測點位下游五公里左右處有數家大型養(yǎng)殖場，且從這些養(yǎng)殖場下游入庫口的監(jiān)測數據可知，這些養(yǎng)殖場是氮磷營養(yǎng)鹽又一最大貢獻者。

由于紫坪鋪水庫暫列為飲用水源取水地，未劃為保護區(qū)，因此水庫沿岸有許多散居農戶和集中安置點，這些生活區(qū)產生的生活廢水也加快和加劇紫坪鋪水庫富營養(yǎng)化。

2.7.1.2 地質原因

紫坪鋪水庫沿岸主要為石灰?guī)r地層，表層土壤較淺，植被生長有限，一旦有降雨發(fā)生，雨水沖刷土壤表層，帶入泥沙，同時也溶融出可溶性氮磷營養(yǎng)鹽[23～25]。

2.7.1.3 氣候學原因

都江堰市屬中亞熱帶濕潤氣候，常年以西北風為主，都江堰常年降雨以PH小于6.8的降雨為主，且降雨中磷酸根離子維持在0.02～0.08mg/L，硝酸根離子含量維持在2～4mg/L，而總磷主要維持在0.01～0.05mg/L，總氮主要維持在0.3～0.8mg/L。因此降雨對紫坪鋪水庫富營養(yǎng)化影響也較大[26-27]。

2.7.1.4 底泥的影響

雖然現在我們暫未對紫坪鋪水庫底泥進行探索和研究，但是根據國內外的研究成果可知底泥的研究是各大水體富營養(yǎng)化研究不可回避的問題。且隨著底泥的富集藻華發(fā)生的概率將大大增加[28-29]。

紫坪鋪水庫自蓄水以來，經受2008年“5.12”特大地震影響，造成庫容量有所縮減，且同時會帶來大量沉積物的富集，雖然暫時沒有紫坪鋪水庫相關沉積物的資料可尋，但沉積物和底泥是水庫生命周期的主要主宰者。

2.7.2 數據缺失帶來的影響

本文采樣分析時出現三次由于水位較淺采樣船只無法到達采樣點位的情況，它們分別是2014年5月，2015年5月和2016年9月。在做數據處理時，將缺失數據的月份不納入統計范疇。如果采用全數據統計，引入不當的填充值將增大統計誤差，例如：使用檢出限填充法將明顯拉低平均值，無論是使用平均值填充法，還是預估值填充法，都將由于統計數據較少將增大誤差，故而本文采取影響最低的缺失法，既將缺失數據的月份不計入統計。

3 結 論

3.1 紫坪鋪水庫水體質量整體仍主要處于湖庫地表水Ⅲ類水質。

3.2 紫坪鋪水庫水體富營養(yǎng)化狀態(tài)整體年均值仍處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，但已接近中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。紫坪鋪水庫雖然水體交換率較高，但受外界污染源的影響和多年來底泥的不斷富集等因素影響，且兩大主要入湖庫口已經出現中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，且由成都市環(huán)境保護科學研究院組建的紫坪鋪水庫科研項目組已發(fā)現微量藍藻，如果不采取有效措施和辦法，紫坪鋪水庫將在加速進入重度富營養(yǎng)化狀態(tài)而導致藍綠藻爆發(fā)。

3.3 紫坪鋪水庫的水質變化時空分布特點較為明顯：庫頭和入湖庫口水質比其余兩個監(jiān)測點位明顯較差，這跟水庫本身水源來源和水體流向有關；水庫主要受污染時期為豐水期，此時水庫本身庫容量全年最低，環(huán)境容量最小，此時為全年水質最差時期，反之，枯水期為全年水質最好時期。