化成水库饮用水源地富营养化状况的分析与评价

张绍斌，李源媛，谭碧华，杨 毅，杨 怀

(四川省巴中市环境监测中心站，四川 巴中 636600)

1 前 言

随着工业迅速发展，大量的生活污水和工业废水排入天然水体，对水环境造成了一定的污染。水体富营养化是指大量的营养元素进入水体，使得藻类等浮游生物大规模生长繁殖，迅速消耗水体中有机物和溶解氧，水质恶化，导致鱼类等其他水生动物缺氧死亡，破坏水体生态系统平衡的过程[1]。由于其发展快、危害大、处理难、恢复慢，富营养化已经成为当今全球性的水污染问题。富营养化程度是评价水体质量的一个重要指标，根据其富营养化程度和主要贡献因子等能够准确分析水体质量，弄清水体污染源，为后续的管理和治理等提供理论依据。

分析大量已有的研究中发现，由于在水利风景区开发过程中缺乏有效的监督控制措施，其水生态环境遭到破坏，水质情况存在不同程度的下降。化成水库作为国家级水利风景区，却缺乏相应的水质基本情况研究。因此，掌握化成水库的水质基本情况，建立起完善的水质监控系统是保证化成水库水生态环境可持续发展的可靠保障。此外，巴中市是中国南北岩溶过渡地区岩溶地貌，而化成水库作为巴中市重要的水源水库，其水质研究也能为后续岩溶地貌的研究提供可靠数据支撑。

本研究是国内外首次针对化成水库进行的水体特征化分析研究，运用科学的研究方法对化成水库的富营养化特征进行差异性分析，了解丰水期和枯水期的变化趋势，结合其在三年间的水质变化情况探讨其变化原因，全面客观地反映化成水库水质情况并提出科学的应对方案，同时也为该地区的可持续发展战略方案调整提供数据支撑。

2 材料和方法的选择

饮用水水源地的水质评价是保护和合理开发水资源的一项重要的基础工作，能够为环境管理和环境资源的合理利用提供科学有效的数据支撑。

2.1 研究区域

化成水库位于四川省东北部，是一座以农田灌溉为主，兼有城镇居民生活供水和水产养殖等综合利用的中型水库。四川省人民政府于2015年将巴中市化成水库划定为集中式饮用水水源保护区用以满足巴中市政供水需求，缓解巴中城区的饮水问题。目前针对化成水库的富营养化评估、水环境容量等水质研究领域仍然是一片空白，本研究结合三年的水质变化情况对该水库富营养化状态进行综合评估，分析其主要影响因素，为下一步政府部门在生态环境保护、饮用水水源地保护、消除污染负荷等方面工作的开展提供切实可靠的依据，同时也为保障巴城人民的饮用水安全、保护化成水库生态环境和流域经济建设的可持续发展提供技术支持。

本研究中的数据点位即为饮用水取水点位(106°52′40″E，31°54′27″N)，见图1。

图1 巴中市化成水库取水点位Fig.1 Locations of sampling site of Huacheng reservoir in Bazhong

2.2 数据来源

本研究提取巴中市环境监测中心站该点位2014～2016年间的饮用水常规水质例行监测数据，分析与富营养化相关的水质指标：NH3-N/TP/TN/CODMN/Chla/SD。各参数所用方法均参考国家标准，《高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法》(GB/T

11892-89)、《总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ636-2012)、《总磷使用钼酸铵分光光度法》(GB/T11893-89)、《氨氮使用纳氏分光光度法》(HJ535-2009)、叶绿素a采用丙酮萃取分光光度计法测定,透明度参照塞氏盘法《水和废水监测分析方法(第四版)》。

2.3 统计分析方法

2.3.1 综合营养状态指数

湖泊水库富营养化状态一般采用综合营养状态指数法[2]，综合营养状态指数计算公式为：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，依据第 j 种参数与基准参数叶绿素 a 的相关系数来计 算 。 TLI(j) 为代表第 j 种参数的营养状态指数 。富营养化程度分级标准: TLI(∑) < 30 贫营养; 30≤ TLI(∑) ≤ 50 中营养; TLI(∑) > 50 富营养；50< TLI(∑) ≤ 60 轻度富营养；60< TLI(∑) ≤ 70 中度富营养；TLI(∑) > 70 重度富营养。

2.3.2 模糊综合评价法

根据其隶属度的大小判断其营养化状态，并可以有效判断各指标队富营养化的影响情况。模糊综合评价法是以模糊数学为原理，遵循模糊变换原理和最大隶属度原则。通过对隶属函数的建立，将目标参数与被评价参数进行相关函数运算，确定各被评价参数所占权重，从而确定该模糊综合评判的对应矩阵。由此客观全面的表示各参数对目标参数(富营养化)的贡献值。

本研究中采用的降半梯形分布图[3-4](如图2)来确立各水质指标的隶属函数，用水质富营养化的标准浓度值充当这些隶属函数中的条件参数参与计算。

式中：x为各评价因子的实际测量值，aj分别是5种富营养化状态的标准浓度值。

将监测数值带入隶属函数计算出相应的各个因素评价集，并将各个单因素评价集组成模糊关系矩阵R。同时根据不同的因素对评价结果的影响程度建立相应的权重矩阵A。将权重矩阵A与模糊关系矩阵R建立模糊数学模型B。

3 结果与分析

3.1 化成水库富营养化状态

将化成水库2014～2016年各指标代入综合营养状态指数公式计算出该点位在三年间不同月份的综合营养状态指数，对照湖库富营养化分级标准，得出水库的富营养化状态基本处于中营养状态(图2)。其中，2014年度化成水库TLI(∑)均值为33.0，2015年度化成水库TLI(∑)为33.6，2016年度化成水库TLI(∑)为33.1。从图中可以看出，化成水库丰水期、枯水期和平水期的综合营养状态均处于中营养状态，丰水期的均值均略高于平水期和枯水期。

图2 化成水库2014～2016年间综合营养状态指数变化Fig.2 Variation of eutrophication status index of Huacheng Reservoir during 2014～2016

图3 我国部分水库营养状态指数综合评价Fig.3 Comprehensive assessment of eutrophication status of some reservoirs in China

目前学者对国内不同区域水库的富营养化效应进行了大量研究探索，得到了大量准确可信的科研数据。将化成水库富营养化状态与我国部分饮用水水库[5～11]的富营养化状态对比得出图3。从图3数据可以看出，我国大部分湖泊都有不同程度的富营养化，其中从图中可以看出不同于北京的陶然亭湖和辽宁的6大水源水库均为富营养状态，本研究中化成水库湖泊也为中营养状态，且其平均值与中位数均30～40之间，说明其水质状况较为稳定。

3.2 化成水库水体监测数据统计分析

将化成水库2014～2016年的月份例行监测中各指标进行分析，该取水点各指标年均浓度根据枯水期、丰水期和平水期进行统计分析。化成水库不同月份水体水质指标之间未见明显差异。库区水体的氨氮(NH3-N)浓度范围为0.02～0.537mg/L，2014～2016年均值分别为为0.328mg/L，0.246 mg/L，0.189 mg/L，均达到了地表水环境质量标准中Ⅱ类水标准。库区水体的总氮(TN)浓度范围为0.38～0.97mg/L，2014～2016年均值分别为为0.704mg/L，0.641 mg/L，0.692 mg/L，均达到了地表水环境质量标准中Ⅲ类水标准。库区水体的总磷(TP)浓度范围为0.01～0.05mg/L，2014～2016年均值分别为为0.035mg/L，0.032 mg/L，0.033 mg/L，均达到了地表水环境质量标准中Ⅲ类水标准。库区水体的高锰酸钾指数(CODMn)浓度范围为2.1～6.0mg/L，2014～2016年均值分别为为3.84mg/L，4.33mg/L，3.95mg/L，均达到了地表水环境质量标准中Ⅲ类水标准(图4)。库区水体的叶绿素a(CHla)浓度范围为1.4～9.2mg/L，2014～2016年均值分别为为3.80mg/L，4.94mg/L，4.28mg/L。库区水体的透明度(SD)范围为0.480～0.820m，2014～2016年均值分别为为0.746m，0.692m，0.588m。

图4 2014～2016年化成水库富营养化状态指标NH3-N、TN 、TP、 CODMn的变化Fig.4 The variation characteristics of NH3-N、TN 、TP and CODMn in Huacheng Reservoir during 2014～2016

氨氮变化趋势为枯水期>平水期>丰水期，基本都符合地表水Ⅱ类水标准。TN含量变化趋势为枯水期>平水期>丰水期，且其均值均未超过Ⅲ类水标准。CODMn浓度变化趋势为枯水期>平水期>丰水期，都符合地表水Ⅲ类水标准。化成水库NH3-N枯水期高于丰水期，且2014年冬季出现两次氨氮数据超出Ⅱ类水标准，说明其受点源影响较大，结合季节考虑其冬天水体自净能力和水体稀释能力较差，大量场镇生活污水的排放无法得到稀释导致的。

TP含量变化趋势为丰水期>平水期>枯水期，且2014～2016年TP含量均未超过Ⅲ类水标准。丰水期地表径流冲刷土壤将土壤表层的肥料等外源性营养物质摄入导致该时段内总磷含量较高。而在枯水期外源性总磷摄入较少，因此枯水期水体中总磷浓度较丰水期要低。根据文献中TN/TP值与藻类繁殖的数量关系[12]，其比值大于10时磷元素是藻类大量繁殖的限制性因子。本研究中TN/TP比值为20.9，表明磷元素是化成水库藻类等浮游生物繁殖的主要限制因子。

从化成水库中CODMn、 NH3-N、 TN和TP这四项富营养化原因变量来看， TN 和 TP 均为Ⅲ类，CODMn处于Ⅱ～Ⅲ类，NH3-N 达到Ⅱ类。其中，TP的标准偏差较小，CODmn和叶绿素a的离散型程度较大，推断在2014～2016年期间可能不定时有还原性物质的摄入，并可能存在过水体中浮游植物大量繁殖的时期，而总磷的相对稳定可以推断该水域在这段监测期间含磷物质的摄入保持稳定。

3.3 模糊综合评价法

采用平均标准值法对化成水库监测数据和富营养化评价标准[13]进行无量纲化处理以便面由于评价因子的意义单位不同引起的巨大差异。其结果如表1。

表1 无量纲湖库水体富营养化评价指标标准Tab.1 Non-dimensional assessment standards of water eutrophication of lake and reservoirs

根据表1确定出各因素各等级的隶属函数，并将2014～2016年无量纲化后的年均值数据代入函数方程计算出模糊矩阵R：

根据倒数计算法计算各评价因子的权重，得出权重比例表(表2)。

将各评价因子的权重与单因素评价矩阵应用模糊变换原理进行模糊关系合成，得到模糊综合评判矩阵B。

表2 各级各评价因子的权重Tab.2 Weight of evaluation indexes in corresponding classification

表3 化成水库水体2014～2016年水质评价结果Tab.3 Water quality evaluation results of in Huacheng Reservoir in 2014～2016

从表3中可以看出，2014～2016年期间化成水库的水质情况较为稳定，按照取最大原则，该点位的均属于中营养状态，与监测数据相符，分析结果准确可信，客观准确地反应该点位的水体富营养状态。

4 讨论与建议

本研究运用模糊综合评判法对化成水库2014～2016年间水质富营养化状态进行了综合评价，利用各因素的隶属度和各因素的权重建立一个模糊综合评判矩阵，准确可信地得出了化成水库富营养化状态在此三年中均为中营养状态这一可靠结果，也为化成水库这一饮用水源地的保护提供一定的科学依据。

4.1 成因分析

4.1.1 水源地保护措施缺乏。通过走访发现，在化成水库一级保护区内存在搬迁不彻底(数百户居民未搬迁)，保护区内违规建有宾馆、酒店、码头等违建筑物等隐患。此外，在化成水库一级保护区内相关标示标牌缺位，隔离措施不到位等问题也是潜在隐患。

4.1.2 场镇生活污水。由于化成污水处理站及其污水管网系统尚未建成投入使用，部分场镇生活污水未经彻底处理便直接排放至水库中，严重破坏了水质。此外，化成水库集雨面积内有化成、南阳、寺岭、金光、凌云等场镇，这些场镇的生活废水也可能通过地表径流进入化成水库从而造成水库污染。

4.1.3 农业及水产污染。化成水库附近尚有大量农田耕作，当地农业灌溉用水通过渗透将农田中的化肥残留带入水体从而造成水体营养元素浓度增大，成为水库营养盐的重要来源之一。此外，巴中市化成水库可能存在一定规模的网箱养殖，化肥及饲料的投放在为鱼类和藻类提供丰富的养料的同时也会对水体造成污染。未被鱼类使用的饵料将会加大水体中营养元素的浓度，加快水体富营养化。

4.1.4 其他污染。化成水库已经成为巴中市一个水利景点，旅游效益催生出餐饮酒店等一系列服务行业，但配套设施的不完善、生活废水的直排导致湖库水体的污染，从而滋生出富营养化等水体恶化的现象。此外，游船在运行中会造成一定的有机物污染或生活污染，从而引发富营养化。

4.1.5 水库流动性差，水体自净能力差。化成水库作为塘库储水，径流量小、水体流动性差导致其水体自净能力较一般地表水较低，容易造成水体富营养化。

4.2 建议

化成水库作为巴中市主要集中式饮用水水源地，成为巴中城区第二水源和巴中经济开发区的第一饮用水源，其重要性不言而喻。水源水库由于其特殊性，一旦富营养化将更难控制和处理。

4.2.1 建议相关部门督促水库一级保护区内的居民进行搬迁，强制拆迁保护区内的违建筑物，完善相关标示标牌，设置永久性隔离带，做好植被修复以防止水土流失。建立日常巡查制度，定期对水源地保护区进行巡查，严厉打击保护区内的各种违法行为。

4.2.2 完善化成生活污水处理站和污水管网建设，增加生活污水的管网接入点，对附近场镇的生活污水进行统一收集处理。值得一提的是通过本研究可以看出磷元素是化成水库水体富营养化的限制因子，因此污水处理厂的运行中应特别注意脱氮除磷。

4.2.3 加强生态农业建设，鼓励使用天然肥和生物农药。组织相关部门向当地居民宣传环境保护知识和环保农业的理念，通过从源头控制农药输入量，加大有机生物农药的占比，减少有毒农药对水库的影响。组织人员对当地主要的农药成分和输入情况进行全方位的监测研究。此外，取缔网箱养鱼，从而杜绝人为投放饲料等营养物质等人为“肥水”的出现。

4.2.4 加强相关部门的监管，预防化成水库旅游污染，制定能兼顾环境保护和经济发展的政策，从源头上杜绝污染。