前坪水库蓄水运行期水体富营养化预测分析

杨 刚 王 萍 马 威 皇甫泽华

一、前言

北汝河发源于河南省嵩县车村乡，流经嵩县的竹园乡上庄村娄子沟进汝阳县境内，至小店乡黄屯村东北入平顶山市境内。前坪水库选址位于沙颍河支流北汝河上游，拟建成为防洪为主，结合灌溉、供水与发电等综合利用的大型水库工程，总面积约560km2，共有50余万亩耕地。前坪水库是《淮河流域防洪规划》中确定在北汝河干流上修建的以防洪为主的大型水库，建成后北汝河防洪标准将由不足10年一遇提高到20年一遇。

水体富营养化及水华问题已经成为国内众多水库面临的严重问题。长久以来，对水库富营养化及水华的成因与机制研究是众多学者的研究热点。前坪水库作为多用途综合利用的大型水库，其水质问题在很大程度上影响着经济效益的发挥。本文通过分析工程涉及区域富营养化关键因子监测结果，预测该工程运行中产生水体富营养化的风险。

二、建库前氮、磷含量

根据《2013年许昌市环境状况公报》，北汝河下游地表水环境质量与往年基本持平。表明建库区水质稳定，满足相应水功能区水质要求。图1是2013年对前坪水库下游紫罗山水文站总磷的全年检测结果，该监测断面检测结果均达到地表水III水质标准（GB 3838-2002）要求，全年监测总氮结果均小于0.20mg/L，满足相应区域水功能区要求。在3月份及4月份，总磷含量呈现较高水平。前坪水库建成后应在3月份与4月份加强水质监测，需要密切关注水体富营养化状态。

图2与图3分别是2014年7月对库区水体连续三天进行的总磷与总氮检测结果，表明总磷与总氮含量稳定且处于低浓度水平，总磷含量在赵庄监测点相对较高，总氮含量在娄子沟监测点相对较高。总体而言，检测结果表明对建库后初期库区水体富营养化的影响较小。在水库建成运行中需重点关注总磷含量的变化，采取必要措施控制总磷向库区的输入。

2015年在前坪水库坝址及其下游进行了连续三天的总磷与总氮检测（图4与图5），总磷含量稳定且在地表水环境质量标准（GB 3838-2002）III类限值内，总氮检测结果均超出该标准的III类标准限值。总磷、总氮超标与上游农业面源排放有很大关系，也可能与当地乡镇未建生活污水处理设施，生活污水随地表径流进入北汝河有关。对水库建成后富营养化风险防控而言，总磷含量成为前坪水库富营养化的限制因子。前坪水库运行后，应采取必要的污水处理措施，加强对乡镇生活污水的处理及上游农业面源污染的管理。

图1 前坪水库下游（北汝河紫罗山水文站）2013年总磷含量变化图

图2 2014年7月对北汝河库区连续三天取样检测总磷结果图

图3 2014年7月对北汝河库区连续三天取样检测总氮结果图

图4 前坪水库坝址及其下游2015年总磷检测结果图

图5 前坪水库坝址及其下游2015年总氮检测结果图

按照《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）监测项目要求，所测各点土壤环境质量良好，各项重金属检测指标均满足二级标准。对各测点土壤中总磷、总氮检测结果如图6，总磷均呈现在较低的含量水平；总氮含量则在黄庄下河滩处呈现出较高的水平。水库建成后，库区土壤中总磷、总氮等对库区水体环境质量影响程度，还需要进行浸出实验进行研究。作为典型山区轻度营养型水库，周骏等对尹府水库底泥氮磷释放规律研究表明，TN表现为上覆水体的内源，但轻度富营养化尹府水库的底泥吸附上覆水体的磷，中营养化、富营养化水库的底泥向上覆水体释放磷。前坪水库的环境特征与尹府水库极为相似，其研究结果对前坪水库富营养化防控具有一定的参考价值。前坪水库建成运行后，在控制总磷外源输入的同时，应重点关注底泥中总磷的释放对水体富营养化的影响。

三、建库后富营养化预测分析

水库建成后坝上的环境问题主要是库周及库尾居民生产生活产生的污染，该地区经济欠发达，居民环境与生态保护意识不强，居民养殖废水直排，生活垃圾乱堆问题普遍，生活污水无集中处理设施，环境污染源主要为面源污染。

入库面源污染量：前坪水库控制流域农业污染主要来自农田径流、分散式畜禽养殖等。根据《第一次全国污染源普查：畜禽养殖业源产排污系数手册》统计测算，前坪水库控制流域农业污染源总氮502.62t/a，总磷26.48t/a；生活污染源核算总氮258.82t/a，总磷22.63t/a。综合考虑各因素，农业污染入库系数取0.25，生活污染入库系数取0.08，统计入库面源污染量见表1。总磷、总氮污染物入河量中，畜禽养殖贡献率均在60%以上，表明控制畜禽养殖污染物入库，是前坪水库运行后预防富营养化的重点。

表2是在规划水平年污染物排放入库量的预测结果。根据预测结果，库区城镇污水处理厂未建成情况下，2025年前坪水库控制流域生活污染源总磷与总氮分别为24.19t与276.63t；库区城镇污水处理厂已建成情况下，生活污染源总磷和总氮分别为3.47t与103.81t（农业污染源总磷、总氮分别24.49t与464.8t计）。根据预测，前坪水库控制流域污染物主要源自农业污染。

水库营养状态：规划水平年入库污染负荷（库区乡镇污水处理未建成）总磷、总氮分别为138.33t/a和8.06t/a；库区乡镇污水处理建成运行时则分别为124.87t/a和6.41t/a。前坪水库蓄水后流速变缓，水体交换能力变差，在营养物来源丰富、富集条件好的库湾和库尾、支流回水区等地区，水库存在出现富营养化的风险。表3对不同水文年条件下水库出现富营养化状态的预测。P=95%特枯水文年，在未建城镇污水处理设施时，水库运行极有可能出现轻度富营养化；在运行城镇污水处理设施时，库区水质得到一定的改善，但其综合营养状态指数接近最大允许值，说明存在发生富营养化的可能，仍受轻度富营养化威胁。TP富营养化控制理想浓度0.02mg/L；在不利的水文条件下需要控制总磷的入库量。

四、对策与建议

针对不同类型水库的研究，防治水库富营养化的对策与措施较多。在水库预测条件下，前坪水库运行后水体呈中度营养水平，局部水域可能会出现富营养化现象。根据前坪水库的特点及水质特征与相似水库的管理经验，前坪水库在运行中需要重点从以下方面采取措施，防止前坪水库富营养化风险。

一是控制污染源，严格控制含氮、磷元素的污染源进入库区。限制库区及水库上游养殖业与畜牧业规划及数量；加强生活污水集中处理能力与效果；在水源上游、入库河渠及重点库区建立监测网络，加强总氮、总磷等水质监测。二是降低营养物水平，控制富营养化所需氮、磷含量。由于含氮、磷等营养物质沉降作用，水库深层水体中营养化程度会高于表层，可通过改善水库排水方式等措施降低库区水体营养物含量。如加快水库水循环能力，从深层开始排水等方式。在条件许可时，对库区底泥进行清淤，也是有效降低营养物含量的方式之一。三是强化水库管理，落实管理制度。水库职能管理部门应制定水源保护管理办法，建立管理激励机制，进一步削弱面源污染量；前坪水库运行后将作为饮用水水源保护地，因此严禁网箱养殖、肥水养殖等行为；水库库尾、库叉区是富营养化重点防治区，因此运行期间要加强环境管理与富营养化监测。此外，还需要相关部门积极投资建设并运营乡镇污染处理厂，改进施肥技术与推广新型肥料来提高肥料利用率，从而减轻水体氮、磷污染。

表1 前坪水库当前入库面源污染量统计表

表2 2025年污染物排放及入库量预测表

表3 水库富营养状况预测表

氮、磷是湖库水体富营养化的主导因子，对富营养化的发生起决定作用。前坪水库的库尾及库叉区是富营养化防范的重点，运行期要加强库尾与库叉区环境管理和富营养化监测。前坪水库建成运行期水库水体富营养化主要受到面源污染。总磷是前坪水库运行后水体富营养化的限制因子，蓄水初期库容较小，淹没耕地浸出磷会造成库区浓度较高，但随着库容增加，磷浓度会逐渐降低。前坪水库作为淮河上游、北汝河上重要的大型水库，其富营养化风险防控是该水库运行管理中的重要课题，需要管理者综合分析与科学管理■