大汶河梯级拦蓄水库富营养化评估

何涛，夏霆，陈怀民，赵计奎，武钦凯

(1.南京工业大学 城建学院，南京 211816；2.河海大学 环境科学与工程学院，南京 210098)

大汶河是黄河下游、山东省境内的最大支流，也是泰安市唯一的大型河道，是泰安市的母亲河[1]，但流域水资源短缺且分布严重不均。近年来，为缓解大汶河流域水资源供需矛盾，充分合理地开发利用大汶河地表径流，在干流和两大支流上规划新建和修复一批拦河枢纽，以保证流域用水需求，减少洪涝与干旱灾害，提高水资源调配能力。但河道拦蓄工程被认为具有阻隔、截留和累积等效应[2-4]，对河流生态环境产生一系列的影响：因改变河流自然水文模式，破坏河流自然“连续性”[5-6]，河流生态系统因此而向“静水”生态系统转变，强水动力下的河流搬运作用逐渐演变成“湖泊”沉积作用[7]，营养物质容易富集，并使得拦蓄水库易出现藻类密度大量增长，甚至水华爆发等现象。

如何协调好河流社会服务与自然生态环境保护之间的关系，一直是河流保护的关键问题，作为南水北调东线工程重要蓄水走廊——东平湖的惟一汇入河流，大汶河水质状况受到社会各界广泛关注。选择泰安市境内大汶河干流、主要支流牟汶河以及河段上新建和修复的9座拦河水库为研究对象，基于历史水质监测数据以及现场监测与调研，分析大汶河水质时空变化和梯级水库富营养化状态差异，探讨大汶河水质状况变化的影响因素与拦蓄工程对大汶河梯级水库营养状况的影响，并提出相关建议，以促进大汶河水资源开发利用与生态健康保护。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大汶河(北纬35°59′55.6″～36°7′10.1″、东经116°12′17.6″～117°56′29.4″)古称汶水，发源于泰莱山区，汇集泰山山脉以南、蒙山山脉以北诸水，自东向西流经莱芜、新泰、泰安、肥城、宁阳、汶上、东平等县、市，又经东平湖清河门出湖闸入黄河，全长231 km，总落差362 m。泰安市境内大汶河流域面积6 457.2 km2，占全流域面积比72.2%。泰安属水资源短缺地区，水资源年均占有量仅为311 m3，不足全国平均水平的1/7。大汶河流域降雨量年内分布严重不均，2006—2015年间，泰安大汶河区平均降雨量为670.22 mm，汛期(6—9月)平均降雨量为494.92 mm，占全年降水量的73.84%，丰、枯水年交替出现，且近10 a来降水量总体有下降趋势(图1)。因汛期暴雨集中，而其余时段干旱少雨，大汶河地区洪涝、旱灾交替频发。以2012年为例，汛期泰安市因洪涝灾害造成15.03万人受灾，受灾面积8.199千hm2，绝收面积2.2千hm2，而同年又因干旱受灾面积51 552 hm2，绝收面积达7 519 hm2[8]。

图1 泰安市年降雨量分布Fig.1 Annual rainfall distribution in Tai'an

为调洪补枯、应对水资源短缺与洪涝灾害问题，2010—2014年间，泰安市在大汶河干流和主要支流上新建或修复了一批拦蓄工程。为尽量减少对大汶河生态系统的影响，拦蓄工程多采用橡胶坝等低坝形式。目前，关于梯级拦蓄河流的水质评价多围绕水电开发等形成的深水大库开展[9]，尚未见有针对低坝形式开发的调研与评估。为深入分析梯级拦蓄工程对大汶河水质状况的影响，此次评估以唐庄(TZ)、颜张(YZ)、泉林(QL)、颜谢(YX)、汶口1号(WK1)、汶口2号(WK2)、堽城(GC)、琵琶山(PPS)和戴村(DC)9个梯级水库为研究对象。

1.2 数据来源与分析

收集与分析2007—2014年大汶河沿线4个水文站(莱芜、北望、大汶口和戴村坝)奇数月份的水质监测数据，水质指标选取：溶解氧(DO)、pH值、氟化物(F-)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(IMn)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、总磷(TP)和氨氮(NH3—N)。

1.3 评价方法

水质状况评价参照文献[11]运用的水质评价灰色模式识别模型：1)基于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)建立参考序列及比较序列；2)数据归一化处理；3)关联度、关联离散度、隶属度计算；4)水质灰色识别模式综合指数(GC)计算。

水库富营养评估参照中国环境监测总站推荐的加权综合营养状态指数法，计算式为

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数。相关权重及富营养化程度分级标准均参照文献[12]的方法确定。

2 结果与分析

2.1 大汶河水质状况年际变化

大汶河水质因子年际变化如路图2所示。DO是衡量河流自净能力及能否维持生态平衡的重要指标。2007—2014年间，大汶河DO平均浓度变化范围为6.9～14.95 mg/L，平均值为8.99 mg/L。2010年后稳定在一个较高水平，超地表水环境质量Ⅰ类标准(GB 3828—2002)。pH值反映水体酸碱强度与氢离子浓度，决定众多物化生过程。2007—2014年间，大汶河pH值变化范围为7.18～7.90 mg/L，平均值为7.50 mg/L，呈弱碱性。2010年后下降了约0.5个单位，整体变化趋势具有明显的趋同性。F广泛分布于自然水体，是生物体必须的微量元素之一，过量则会抑制植物的光合作用。2007—2014年间，大汶河F平均浓度变化范围为0.36～0.98 mg/L，平均值为0.57 mg/L。处于Ⅰ类水质标准，且2010年后变化较为平稳，各站点水平相当。

图2 2007—2014年大汶河水质因子年际变化Fig.2 Interannual variations of water quality factors from 2007 to

COD、IMn和BOD5综合反映地表水体受有机污染的程度。2007—2014年间，大汶河COD平均浓度变化范围为19.45～50.72 mg/L，平均值为28.87 mg/L。2007—2011年间整体上在Ⅳ～Ⅴ类标准波动，2012年后稳定在Ⅳ类标准。IMn平均浓度变化范围为3.78～11.85 mg/L，平均值为5.69 mg/L。2007—2011年间整体上呈现显著下降趋势，尤其莱芜与大汶口站，2012年后稳定在Ⅳ类标准。BOD5代表水体可生物降解有机物含量，2007—2014年间平均浓度变化范围为2.27～7.69 mg/L，平均值为5.69 mg/L。2007—2011年间，上游莱芜站稳定在Ⅴ类标准，其余3站呈现显著上升趋势。2012年后除下游戴村站处于Ⅲ类标准外，整体上均稳定在Ⅳ类标准。

TN、TP和NH3—N是表征水体富营养化状态的重要指标。2007—2014年间，大汶河TN平均浓度变化范围为7.335～16.68 mg/L，平均值为11.49 mg/L。超地表水环境质量标准中Ⅴ类标准的限值，达劣Ⅴ类。莱芜与戴村站变化较为平稳且浓度相对较低，北望、大汶口2010年后处于较高水平且存在较为明显的上升，2014年出现稳定趋势。NH3—N平均浓度变化范围为0.65～4.54 mg/L，平均值为1.48 mg/L。除大汶口站超Ⅴ类标准限值外，整体在在Ⅳ～Ⅴ类标准波动。TP平均浓度变化范围为0.02～0.39 mg/L，平均值为0.16 mg/L。除个别年度超Ⅴ类标准外，总体上在Ⅲ～Ⅳ类标准波动。2012年后下游3站点均稳定在较低水平(0.03 mg/L)。

根据大汶河2007—2014年48个奇数月DO、pH、F-、COD、IMn、BOD5、TN、TP和NH3—N 9项指标监测数据，利用灰色模式识别模型对大汶河水质状况进行综合分析与评价。通过主成份分析(KMO检验值=0.675)确定各参评指标权重，权向量W=0.039、0.040、0.085、0.090、0.134、0.082、0.147、0.160、0.223。计算水质灰色识别模式综合指数，结果如图3所示，基于GC值，2007—2014年间大汶河水质转好趋势明显，且2012年后季节性波动变小，介于2～3之间。整体上大汶河水质变化趋势与上游来水(莱芜站)具有明显趋同性，上、中游(莱芜、北望、大汶口站)水平相当，下游(戴村坝站)相对较低。

图3 2007—2014年大汶河水质年际变化Fig.3 Interannual variations of water quality

2.2 梯级水库营养状况时空变化

图4 调查期大汶河营养盐沿程变化Fig.4 Change along the river of nutrients in survey

选取TP、TN、CODMn、SD和Chl-a 5项水质因子，运用加权综合营养状态指数法评价大汶河梯级库区营养状态。调查期大汶河各梯级库区综合营养指数TLI(∑)沿程变化范围见图5，丰、平、枯水期TLI(∑)值均在泉林出现最大峰值(分别为61.54、63.51和68.76)，处于中度富营养状态，自泉林往下游，各水库富营养状况总体有逐级减缓趋势，且不同水期具有较为明显的趋同性，丰、平水期戴村水库已为贫营养状态。从富营养化评价结果来看，主要因污染程度不同，梯级水库富营养化状态差异明显，泉林水库污染严重，富营养程度严重。

图5 大汶河综合营养状况变化Fig.5 The changes of Comprehensive nutritional

3 讨论

3.1 大汶河水质状况变化的影响因素

基于2007—2014年水质指标主成分分析，主要水质污染指标依次为NH3—N、TP、TN和IMn(权重>0.1)。马吉让等[13]调查大汶河水系30个入河排污口，污染物年入河总量为31 957万t/a，泰安区域占比达77.1%，主要污染物COD为19 660 t/a，NH3—N为3 155 t/a，TP为326 t/a，BOD5为2 481 t/a，TN为4 390 t/a，大汶河水体污染物主要是营养盐和有机物，与本文分析结果基本一致。近年来，沿河地区大力推进各项减排措施，尤其莱钢减排贡献突出，上游来水水质明显改善，大汶河整体水质状况有所好转。随着城市化与农业集约化进程加快，沿河生活与农业污染源成为大汶河水体污染的重要来源，2014年生活污水排放量高达 18 966.59万t，且存在逐年上升趋势，农业化肥施用量65.70万t(氮肥26.17万t，磷肥9.99万t)。因此，大汶河水环境治理首要解决沿河污染汇入问题。

调查期NH3—N和COD浓度整体呈下降趋势，主要由于近年来泰安市不断加强对污染排放的监管，整治城区污水管线，提高污水处理能力，截至2014年全市建成污水处理厂12座，大大削减了入河污染，使得河道内NH3—N满足地表水Ⅲ类标准，COD满足Ⅳ类标准。BOD5浓度2010年后明显下降，应该是周边污染排放得到有效控制，同时，也可能与梯级水库建设后河段内新增大面积湿地，水质净化能力提高。受梯级拦蓄工程影响，河段TP浓度2012年后显著下降，参照其他地区拦蓄工程的影响分析[14]，这应与梯级拦蓄水库对TP的拦截与沉积作用有关。与此同时，DO浓度趋于稳定化，由于DO受径流影响较大，这应与拦蓄工程调节影响使得河道径流较为稳定有关。

3.2 梯级拦蓄对大汶河富营养化影响

梯级拦蓄影响大汶河氮磷营养盐的迁移、转化等生物地球化学行为，个别库区富营养化问题严峻，但整体上并无明显的累积效应。经采样分析(见图6)，大汶河梯级水库群调查期TDN/TN值高达73%，表明库区N污染以溶解态为主，而溶解态N较颗粒态受梯级水库主要的沉积作用影响微弱，因此，TN浓度在库区内迅速累积，进而导致全河性的严重超标。拦蓄工程因加速TP的拦截与沉积而对库区与下泄水体TP浓度具有明显的改善作用。同时，张恩仁等[3]认为发育出的水库生态系统可将上游输入的13%～42%的溶解态无机磷固定于浮游生物。大汶河全年TDP/TP值仅为28%，表明大汶河P污染主要以颗粒态为主，而修建梯级水库产生阻隔效应，水体流动性减小，加速悬浮态P在库区沉积，降低水体中TP浓度。丰水期TP浓度明显高于平、枯水期，主要由于丰水期库水交换量大，TP的拦截与沉积作用相对较弱。基于P在库区的积蓄，大汶河拦蓄水库尤其是上游水库应注意防范底泥内源P释放对上覆水质的影响。

图6 溶解态营养盐分布情况Fig.6 The distribution of dissolved

因大汶河旱涝不均，拦蓄工程建设之前，非汛期河道内长期断流，大段河道枯竭，河流生态健康受损严重。拦蓄工程的建设尽管使得局部水流受阻，但低坝的建设形式使得河道内形成多个首尾相连的浅水水库，对沿河水资源利用、河道内水生生物栖息地修复与河道健康维护作用巨大。根据水库运行水量统计(见图7)，2014年研究区9个梯级水库蓄水量达6 680万m3，改变原有枯水期断流现象。并使得河道内新增河滩型湿地2 885.4 ha，颜张坝下至泉林库区段约30 km河段内已形成著名的徂徕山汶河自然湿地景观。现有关于自然湿地缓冲带对氮磷去除的研究表明[15-16]，湿地对氮、磷的削减作用显著，生长季节的湿地缓冲带对面源TN、TP去除率高达74.1%和84.6%。同时，湿地对河道内N、P营养盐有良好的吸收、利用和转化作用，能有效促进硝化和反硝化，改善水体富营养状态。

图7 梯级水库蓄水量与诱发湿地面积分布情况Fig.7 The distribution ofpondage and wetland

在外来污染源未得到有效控制条件下，拦蓄工程阻隔使得水体交换受阻，水库N、P营养盐蓄积，致使藻类快速生长与爆发。同步的浮游植物取样调研发现，泉林库区夏季丰水期已爆发严重的蓝藻(微囊藻)水华，冬季枯水期泉林和堽城库区出现了硅藻水华(小环藻)。

水体Chl-a含量是表征藻类现存量的重要指标[17]，相关分析表明，调查期水库Chl-a浓度(见图8)与综合营养指数TLI(∑)显著相关(相关系数0.695**)。进一步分析不同期Chl-a含量与各水质因子的相关关系(表1)表明：丰水期Chl-a浓度与各

水质因子无明显相关性，应是夏季藻类生长受光照、温度和水体滞留状态等因素影响较大，且营养盐本底值较高，营养盐对藻类生长难以形成限制因素。平、枯水期Chl-a与TP和NH3-N浓度有着极显著的相关关系，应是梯级水库对P的拦截与沉积作用明显，水体中P含量较低，成为主要限制因素。Redfield等[18]认为浮游植物光合作用中吸收适宜的N/P比为16，当N/P>7时浮游植物生长受磷限制。因平、枯水期河道及水库内TN高，库内TP偏低，水库富营养化及藻类生长均受P影响大。并且，尽管库区TN浓度高，但NH3—N/TN值总体为0.12，NH3—N作为藻类吸收利用的重要氮源，也成为影响藻类生长的重要因素。枯水期Chl-a浓度与WT有着显著的相关关系，主要由于枯水期大汶河浮游植物优势门类为硅藻，对光强和温度的要求相比其他藻类低，能适应低温条件，在营养盐适宜和缓流条件下以累积生物量的方式快速对水温作出响应[19]。从不同水期Chl-a分布及其与水质因子的关系来看，大汶河梯级水库富营养化及藻类爆发除主要受N、P营养盐影响外，亦受光照、水温、水流状态等其他理化因素影响较为明显。

图8 调查期大汶河Chl-a沿程变化Fig.8 Change along the river of Chl-a in survey period

水期pHDOWTSDIMnNH3—NTNTPN/P丰水期0.661-0.0380.105-0.2610.4410.700*0.5200.661*-0.086平水期0.5930.5240.371-0.5510.5900.789**0.6150.827**-0.507枯水期0.5060.5920.841**0.1020.6210.948**0.4350.937**-0.454

注：* 表示P<0.05；**表示 P<0.01(双尾检验)。

4 结论

1)2007—2014年间，大汶河水体主要污染物为营养盐和有机物，受沿河地区各项减排措施影响，NH3—N和COD浓度整体呈下降趋势，一定程度上缓解了水体有机污染；受梯级拦蓄工程影响，TN浓度逐年提高尤其城市化程度较高区域，TP浓度2012年后稳定在较低水平。水质灰色识别模式综合指数表明，大汶河水体环境正向良性方向发展，水质状况得到明显改善，且2012年后季节波动趋于平稳。

2)对9个梯级水库不同水期水质调查表明，除部分库区因污染严重外，梯级水库水质总体呈现由上游至下游逐步变优的趋势；不同水期因下泄流量不同等造成流动条件的差异，对库区水质有较大影响；因污染程度不同，梯级水库富营养化状态有明显差异；水污染程度、工程拦蓄对库区内藻类生长与爆发共同产生影响，部分库区丰水期和枯水期已分别爆发蓝藻和硅藻水华。

3)梯级拦蓄工程因蓄积水资源、恢复河滩湿地，改善了河道内长期断流现象，并促进河道生物栖息条件好转。但为减缓水库富营养化趋势及防控藻类水华爆发，应严控污染源汇入，并优化重点库区和时段的出、入库流量，改善水库流动与营养盐蓄积条件。