大伙房水库水体富营养化及其影响因素分析

刘韶华

（抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006）

大伙房水库是辽宁省最大的水库，其城市供水已成为大连、盘锦、营口、鞍山、辽阳、沈阳、抚顺等7个城市近2000万人的饮用水源。长期以来，大伙房水库总氮、总磷含量一直超过国家ΙΙ类水体标准，库区总氮单独评价为劣V类，是导致水库富营养化的关键指标［1］。水库污染主要来自旅游、生活、农业和工业4个方面。为预测大伙房水库的水环境质量状况，多位学者建立了各种水质模拟模型。张颖纯等［2］建立了大伙房水库蓝藻优势度和浮游植物丰度预测预报的人工神经网络模型；陈藜藜等［3］通过二维生态水质动力学模型对碳生化需氧量和溶解氧的变化过程进行了较好模拟；尚佰晓等［4］基于FVCOM水动力数值模型与WASP建立的水质模型相耦合，对大伙房水库的水质敏感因子进行研究，比较了通水前后水库水质因子的变化情况。本文基于RCA模型建立了大伙房水库水质模型，对不同水质要素进行模拟，分析了各水质要素空间分布规律及其随时间的变化特征，并研究了各河流营养盐输入对水库水质要素的影响，为大伙房水库水资源可持续利用及水质管理提供理论指导。

1 大伙房水库概况

1.1 水库水质监测情况

大伙房水库是辽宁省最大的水库。位于抚顺市东部，建成于1958年，最大蓄水面积114km2。水库的主要功能有发电、养鱼、工业及城市用水、灌溉、防洪等。为搜集积累水质资料、掌握水库水质变化规律，共设 7个监测断面，如图1。其中社河、苏子河、浑河3条河流入库口分别设置监测断面，分别为台沟、鼓楼和北杂木；出库口设1个出库断面，抚顺取水口；库区设置3个监测断面，分别为浑7、浑37和浑73，分别对每个断面平、丰、枯3个水期进行监测，每个水期采样2次。

图1 大伙房水库水质监测断面

1.2 模型设置

基于质量守恒原则建立RCA水质模型，考虑了物质进入或离开水体的所有过程，包括物质在水体内的扩散、对流过程，水体外界的输入过程及其自身的生物、化学和物理转化过程。一般地，物质的外部输入源包括：大气沉降、地表降水携带、暴雨排水管道溢流、联合排水管道溢流、城镇生活废水排放和工业废水排放等。

RCA水质模型的基本方程为：

式中 c为水质因子浓度（mg/L）；t为时间（s）；E为扩散系数（m2/s）；U为对流速度（m/s）；S为水质因子的内部源（mg/（m·s））；W为外部源（mg/（m·s））。

根据水质监测资料，利用RCA水质模型对大伙房水库富营养化进行模拟计算。

RCA水质模型中的水质变量包括：溶解氧（DO）、1种形态的碳 （LDOC）、3种形态的氮（LDON，NH4T，NO23）、2种形态的磷（LDOP，PO4T）。 本次采用离线方式对大伙房水库富营养化进行模拟，水质模型从2017年4月1日开始运行至当年的12月1日，水质时间步长为10min，水动力时间步长设定为30s。

2 结果与讨论

B处各水质要素的实测结果与计算结果的对比，如图2。

图2 B处水质要素的模拟值与实测值对比

可以看出，该站实测和模拟的次表层溶解氧均呈现出明显的季节变化：春季溶解氧浓度保持在较高的水平，为9.41～10.40mg O2/L；夏季随着水库水位降低、浮游植物生长、氮磷营养盐输入增加、温度层化出现，溶解氧浓度逐步下降，在秋初达最低，为4.95mg O2/L；秋季随着浮游植物消亡、氮磷营养盐输入减少、水温降低、水体垂向混合加强，溶解氧浓度迅速上升。模型很好地再现了模拟时段从富氧到缺氧再到富氧及溶解氧的浓度变化过程。模拟的总氮、硝酸盐氮和氨氮的变化趋势与实测值吻合良好，整个春季氨氮浓度较低，为0.06mg N/L；夏季，河流向水库输入的氨氮增长较多，但浮游植物生长需要吸收及硝化作用等，导致氨氮浓度增长较小，最大为0.17mg N/L；秋季后，河流输入氨氮减少，氨氮浓度逐渐回落；硝酸盐氮的变化过程同氨氮类似，而总氮变化趋势不明显，浓度相对其他水质要素较高。在整个年度内，叶绿素a浓度均处于较低水平。夏季随着河流输入无机磷、无机氮，浮游植物在营养盐较充足的条件下开始生长，夏末其浓度达到最大，10月上旬以后叶绿素a浓度逐渐减小，主要由于水温下降导致浮游植物消亡。

测站G处水质要素计算结果与实测结果对比，如图3。

图3 G处水质要素模拟值与实测值对比

可以看出，该测点对浑河水质要素的输入有很明显的响应，由于该测点水深较浅，叶绿素a、总磷、总氮、硝酸盐氮和氨氮的季节变化非常明显，夏初增长迅速、秋初明显下降。其中叶绿素a和总磷的变化较为突出，溶解氧浓度在8月末初达到最小。

通过分析，最低、最高库水位的溶解氧浓度、总磷、总氮和叶绿素a在表层的分布情况，可以看出，叶绿素a在抚顺取水口保持在较低的浓度水平。夏初，高叶绿素a浓度一般分布在苏子河、浑河下游和社河上游；秋季库中叶绿素a浓度几乎为零。对比可以看出叶绿素a与磷、氮的分布密切相关，而且叶绿素a与总磷的相关性更强。同时，表层溶解氧浓度夏秋两季分布有较大不同。6月中旬水体温度出现了明显分层现象，导致了溶解氧浓度在表底层存在差异。但并不是所有区域的溶解氧浓度都是表层低而底层高：苏子河、浑河下游段及两河交汇处溶解氧浓度表层高于底层，而社河下游、库首及库中溶解氧浓度表层低于底层，可能是由于浮游植物的光合作用引起此处表层溶解氧浓度升高。10月中旬水库温度分层现象已消失，水体混合均匀，表层和底层溶解氧浓度几乎相同。总的来说，实测数据与模型计算数据吻合较好，模型很好地再现了各水质要素的浓度变化过程。

3 河流营养盐输入对水库富营养化的影响

为降低水体中各类水质要素的浓度水平，改善大伙房水库的水环境质量，对排放进入水库的污染源进行控制并削减其排放总量。本次设计了3组数值试验，如表1。

表1 数值试验

续表1

3.1 S0组

两种工况下抚顺取水口水质要素如图4。

图4 水质要素在不同营养盐输入时的计算值对比

在将磷、氮输入同时减少一半后，溶解氧浓度在水体出现温度分层后有所增加，最大增幅可达24.45%，温度分层消失后溶解氧浓度趋于一致；总磷、总氮、硝酸盐氮和氨氮浓度均降低，其中随时间推移总氮和硝酸盐氮降幅逐步加大，总磷在9，10月份降幅较大，氨氮在7月底8月初降幅最大；叶绿素a浓度最高可下降74.21%。可见，减少上游磷、氮输入能限制浮游植物生长、降低营养盐浓度水平、明显改善夏季库内的缺氧状况。

3.2 S1组

各试验工况下抚顺取水口水质要素如图5。

图5 水质要素在氮输入减少时的计算值对比

在苏子河和浑河的氮输入分别减少一半时，溶解氧浓度仅有极微小的变化，抚顺取水口处的叶绿素a和总磷浓度均没有变化，总氮、硝酸盐氮和氨氮浓度变化各工况有所不同。同时减少各河流氮输入（E11）时总氮、硝酸盐氮和氨氮浓度的降幅远比分别减少浑河（E12）和苏子河（E13）的氮输入时要大。而在分别减少苏子河和浑河的氮输入时，抚顺取水口处的总氮、硝酸盐氮和氨氮浓度的历时曲线互相纠缠，表明两条河流的氮输入对抚顺取水口处总氮、硝酸盐氮和氨氮的影响相当。

3.3 S2组

各试验工况下抚顺取水口水质要素如图6。

图6 水质要素在磷输入减少时的计算值对比

在苏子河和浑河的磷输入分别减半时，抚顺取水口处的溶解氧浓度均增加，且增长幅度差别较小；总氮几乎不变，硝酸盐氮、氨氮浓度有很小的下降；叶绿素a、总磷浓度均有所下降，且苏子河磷输入减半时（E23）降幅大于浑河磷输入减半（E22）。表明苏子河的磷输入对抚顺取水口处浮游植物生长和总磷的贡献大于浑河。

综合分析，大伙房水库的浮游植物生长是磷限制的，减小各河流磷输入将会有效降低库内叶绿素a的浓度，控制苏子河的营养盐输入更为适宜。但是由于水库总氮浓度一直处于较高水平，对各河流氮排放总量进行控制也应引起足够的重视。

4 结语

基于RCA模型建立了大伙房水库水质模型，对不同水质要素进行模拟，分析了各水质要素空间分布规律及其随时间的变化特征，并研究了各河流营养盐输入对水库水质要素的影响，主要得出以下结论：

（1）模拟得到的水质要素与监测点位的实测值与符合良好，将各河流磷、氮营养盐输入均减半时，能够减小水库叶绿素a、氮、磷营养盐浓度，明显增加水体夏季溶解氧浓度。

（2）减少各河流氮营养盐输入对浮游植物生长、总磷和溶解氧几乎没有影响，仅对总氮、硝酸盐氮、氨氮和浓度产生影响；而减少各河流磷营养盐输入却可以减小叶绿素a、总磷硝酸盐氮和氨氮的浓度水平，降低水体富营养化程度。

（3）浑河、苏子河的氮输入对抚顺取水口处各水质要素的影响相当，减小苏子河的磷输入能更有效地降低抚顺取水口处的叶绿素a浓度。该研究以期为大伙房水库水资源可持续利用及水质管理提供理论指导。