北方某大型水库营养状态及水环境容量研究
2013-09-04米莎，洪雷
米 莎，洪 雷
(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)
北方某大型水库位于北京市东北方向，建成于1960年，总面积188 km2，最大水深60 m，最大库容 43.75亿 m3。该水库是一座集防洪、供水、生态涵养、南水北调来水调蓄等功能于一体的大型水利枢纽工程，目前以防洪、供水和生态涵养3大功能为主。
水体营养状态评价是对水体营养状态发展过程中某一阶段营养状况的定量描述，其主要目的是通过对具有水体富营养化代表性指标的调查，判断该水体的营养状态，了解其富营养化进程及预测其发展趋势，为水体水质管理及富营养化防治提供科学依据［1］。水库2002年曾监测出了微囊藻毒素，并且还是北京市唯一的地表饮用水源地，因此，对其营养状态的评价是开展水库水质研究的重中之重。本文从营养状态、水环境容量等角度研究该大型水库水质状况，可为北方同类型水库的营养状态研究提供参考。
1 采样点及监测指标
自1990年至2012年每月中旬于监测点取样进行常规水质指标分析。监测站点共有11个，所有监测点的分层情况均按照三层，即表层、中间层和下层。
2 营养状态分析
2.1 营养状态评价方法
目前常用的水体营养状态评价方法主要有特征法、参数法、生物指标参数法、营养状态指数法、营养评分模式、数学评价法、指标测定法［2］。
叶绿素浓度常作为反映水体营养化程度的一个重要参数［3］。通过测定chl－a表明水体中藻类现存量来评价水体富营养化程度是目前湖泊水质监测中最常用也是最直接有效的方法。
一般认为，碳、氮、磷是富营养化发生的基本物质基础，是营养源指标，故本研究重点对叶绿素 －a(chl－a)、总磷(TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(CODMn)和透明度等指标，采用综合营养状态指数法(TLI)进行分析。
综合营养状态指数公式为:
式中:TLI(∑)表示综合营养状态指数;TLI(j)代表第 j种参数的营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。
以chl－a作为基准参数，则第 j种参数的归一化的相关权重计算公式为:为第j种参数与基准参数 chl－a的相关系数;m为评价参数的个数。
营养状态指数计算式:
式中:rij
为了说明湖泊富营养状态情况，采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级，分为6个级别，在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。
2.2 营养状态区域分布
根据2012年5月对各监测点的测定结果，可以得出该水库2012年5月各监测点表层、中层、底层水体中不同形态营养元素C、N、P的含量。结果显示，水体中溶解氧含量不同，直接影响水体中N、P的形态，中层或底层水体中的正磷酸盐SRP占可溶性总磷DTP的比重较高。SRP是水体中生物摄取利用磷的最直接形式，直接表征了水体富营养化的潜力。
2.3 营养状态年度变化
按照综合营养状态指数法，得出2001—2010年该水库不同监测点5月份的营养状态指数的变化情况。整体来看，5月份水库水体基本呈现中营养状态，部分监测点部分年份水体呈现贫营养状态。这可能与4、5月是该水库的枯水期有关。
该水库富营养化的控制因子是磷，故应对水库不同监测点5月份水中总磷含量随年份变化情况进行关注。
2.4 营养状态月度变化
根据 2010年该水库各个监测点 chl－a、TP、TN、SD、CODMn
测定结果，采用综合营养状态指数法计算2010年每月水库各监测点水体的营养状态指数，并做出水库不同区域营养状态月度曲线。
2010年每月该水库不同区域水体的综合营养状态指数均大于30，均处于中营养化状态。
3 水环境容量计算
该水库水系庞大，污染物种类繁多，库中主要的污染物包括 CODcr，CODMn，NH3－N，TP 等，这些污染物对水库的水质起着不同程度的负面作用。根据该水库近几年的水质监测资料和污染源调查资料，本研究以 CODcr，NH3－N，TN，TP这4种污染物作为水环境容量的控制指标。
3.1 污染物容量计算
3.1.1 相关参数条件确定
1)滞留系数 RN、RP式中:Wout为出库污染物总量，单位为 t/a;Win为入库污染物总量，单位为t/a。
水质目依据该水库利用的水质标准，按照《地表水环境质量标准(GB3838－2002)》的规定，确定各控制指标的污染物控制浓度，具体数据如下表1。
2)边界条件
根据水库的水文数据，分别计算该水库丰水年、平水年和枯水年的水环境容量。北京市2010年降水量为533.8 mm，接近北京市多年平均降水量585 mm，水库2010年的蓄水量为9.904亿 m3，入库水量为 2.66亿 m3，出库水量为2.67亿 m3，与其它年份相比处于居中的水平，因此可以将2010年作为该水库的平水年;将2003年作为该水库的枯水年;将1995年作为该水库的丰水年。表2为水库的水环境容量计算边界。
表1 地表水环境质量标准 mg/L
表2 水环境容量计算边界条件
3.1.2 水容量计算模型
1)CODcr、NH3－ N 模型
式中:Cs为 CODcr(NH3－N)的水环境质量标准(Ⅱ)，单位mg/L。
参考国内的研究［3］，确定北京市河流水库的 KCOD，KNH3－N分别为 0.1d－1，0.05d－1。
2)TN、TP模型
式中:Cs为 TN(TP)的水环境质量标准(Ⅱ)，单位 mg/L。
本研究中 TN、TP的模型采用 Dillion模型［4］。Dillion模型对Vollenweider模型进行了一些修正，模型也假定水库完全均匀混合，水库的N、P负荷主要来源于外部，水体中的物质平衡处于稳态或准稳态［5］。
在确定了该水库水环境容量模型和水质标准限制后，根据对该水库的水质分析，纳入模型的因子包括 CODcr、NH3－N、TN、TP。通过公式(6)、(7)、(8)计算得到该水库的水环境容量，见表3。
表3 水库水环境容量计算结果
3.2 污染物排放量现状与水环境容量比较
现状污染物排放量与水库各项指标环境容量的比较见表4。
表4 现状污染物排放量与水环境容量比较
由表4可知，在水库水质目标为地表水Ⅱ类标准时，2010年(平水年)各项指标环境容量与污染物入库量相比，TN的污染物入库量超过了其水环境容量，超标率为72.19%，CODcr、NH3－N、TP的水环境容量均有剩余。
由以上内容可以看出，该水库污染物控制应以TN、TP为重点，尤其是在丰水年和枯水年要特别关注TN、TP入库量超过水环境容量的情况，及时采取措施防止富营养化的发生。
4 结论与建议
4.1 结论
整体来看，5月份水库水体基本呈现中营养状态，部分监测点部分年份水体呈现贫营养状态;水库藻类过度生长的高发月份有三个，即6、7、8月;5—8月综合营养状态指数较8—10月综合营养状态指数稍高一些。
该水库丰水年 BOD5、NH3－N的水环境容量均有剩余，TN、TP的污染物入库量均超过了其水环境容量;枯水年BOD5、NH3－N的水环境容量均有剩余，TN、TP的污染物入库量均超过了其水环境容量;平水年 CODcr、NH3－N、TP的水环境容量均有剩余，TN的污染物入库量超过了其水环境容量。
