邹家河水库富营养化预测分析

解科峰，李 刚，桂 冰

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064；2.中南安全环境技术研究院股份有限公司，湖北 武汉 430064）

0 前言

水库污染物的迁移与转化主要由水库底泥淤积释放水污染物和水库蓄水初期释放水污染物两部分组成。对水环境的影响将伴随水库施工期、运行期整个过程。尤其是水库富营养化，是对运行期水库最大的威胁[1]。

水体富营养化是因水体中所含的氮、磷等营养物质过多而导致的一种水体效应，主要表现有水中某些藻类和大型水生植物异常增殖，水生生物种群单一化及水质变坏等，水生生态系统受到严重破坏[2]。水体富营养化是自养型生物(浮游藻类)在水体中建立优势的过程，包含着一系列生物、化学和物理变化，与水质化学、水体物理性状、湖泊形态和底质，以及气象、地理等众多因素有关。本文以湖北省邹家河水库为研究对象，对水库富营养化的情况进行预测分析。

1 工程概况

孝昌县是湖北省重要的农业县，耕地亩均占有径流量只有907 m3，低于全省、全市平均水平，属水资源较短缺的地区。随着县城区的快速扩张和人口的不断增加，规划水平年的用水问题日渐突出。因此该水库目的是解决所在县城区供水水源不足的问题。主要任务为供水、灌溉、防洪等。

邹家河水库正常蓄水位96.30 m，最大坝高38.34 m，总库容1888万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）的规定，工程等别为Ⅲ等，其对应永久性主要建筑物有大坝、溢洪道、输水隧洞，级别为3级，设计洪水标准采用50年一遇，校核洪水标准采用1000年一遇。未建水库前，该水库坝址处天然河道多年平均水位为58.70 m，水面面积较小，为狭长型河道；水位受流量的影响大，当来水流量大时水位高，当来水流量小时水位低。根据2016年3月的环境监测数据，该区域原有河道水质满足Ⅱ类水质标准。库区内无工业源，仅有3处居民点，村民采用分散排水方式，生活废水经过化粪池简单处理后用于农田灌溉[3]。

2 富营养化成因及预测分析

2.1 成因分析

水体富营养化主要是因为水体中含氮、磷，藻类利用营养物质输入输出，导致水生态系统物种分布失衡，而氮、磷等营养物质来源较为复杂，既有内源又有外源，既有点源又有面源[4]。

邹家河水库富营养化成因重点来源于面源污染。主要包括两部分：①内因，污染物的迁移与转化；②外因，引入污染物。由于是新建水库，污染物的迁移与转化，主要是水库底泥淤积释放水污染物和水库蓄水初期释放水污染物两部分组成。

工程地质勘测可知，邹家河水库库盆内基岩大多裸露，固体径流主要为残坡积层、崩堆积层、冲洪积层和部分基岩风化产物。暴雨时虽有地面水流的冲蚀作用，但沿河两岸植被发育，树木成林，且多为乔木，右岸下部多为草本植物覆盖，对保持水土有良好的作用。产生水库淤积的固体径流有限，对水库运行基本无影响。因此水库的内部成因主要来自于水库蓄水初期释放的水污染物。引入的污染物与库周径流范围内的土地类型，耕作习惯有关，分析的难点在于入库的磷（氮）单位面积负荷量的选取[5]。

2.2 水库富营养化预测

2.2.1 蓄水初期释放污染物

目前，库区每年氮肥施用量约168.2 t/万亩，磷肥施用量约21.8 t/万亩， 根据项目所在地提供的2016年的统计资料，现有耕地879亩，由此得到流域内施肥量约为16.70 t/a，其中氮肥施用量为14.78 t/a、磷肥为1.92 t/a。按照普遍使用的化肥总氮和磷的含量，年使用氮和磷的含量分别可达2.76 t/a、0.22 t/a。

据相关资料分析，通常情况下干植被每克会分解出92.5 mg的高锰酸钾[4]，植被总重量中含有0.5%的氮和0.1%的磷，整个植被生物量释放过程需要耗费8个月左右。通过评估计算水库土壤中有机质、全氮、全磷、高锰酸钾在一年中最大释放率分别为有机质4.0%，全氮3.0%，全磷1.0%，高锰酸钾654 mg/g。

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水库蓄水初期时，该水库所有植被预计每天可以产生33.939 kg的高锰酸钾，2.01 kg的总氮和0.155 kg的总磷，总氮年产生量为733.65 kg,总磷56.58 kg。通过计算，这两部分仅氮和磷年产生量便可达到3.49 t/a，0.275 t/a。按水库库容1888万m3的标准，若瞬间释放可达到氮和磷的浓度分别为1.85 mg/L、0.16 mg/L。根据湖（库）营养状态评价标准，已经达到中度富营养化。

2.2.2 底泥淤积释放污染物

水库投入使用后，大坝蓄水，使水库范围内水面积增加，水流速度降低，库底内会淤积大量泥沙，同时水生生物代谢所产生的有机物、营养物质等也会沉积在水库底层。随着运行时间的延长，水污染浓度的值小于底层淤泥污染浓度值，库底淤泥中的有机物、营养物质等就会从库泥融入库水之中，进而改变库水成分，影响水库水质。

2.2.3 磷（氮）单位面积负荷量的选取

目前，国际上已建立一系列的经验富营养化模型，《水域纳污能力计算规程》（SL 348—2006）推荐的狄龙（Dillon）模型，考虑水力冲刷系数和磷、氮的滞留系数，可用于不同类型水库的磷、氮预测，计算公式为：

式中：P为库水中磷（氮）的浓度，g/（m3·a）；Lp为入库的磷（氮）单位面积负荷量，g/（m2·a）；hp为水库平均水深，m；β为水力冲刷系数，1/a；Rp为磷（氮）滞留系数。

磷（氮）滞留系数Rp可利用狄龙等人根据大量资料统计分析所得的经验方程计算。

经计算，水库运行后，库水中氮的年平均浓度为0.054 mg/L，磷的年平均浓度为0.002 mg/L。对照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）（TN≤0.5 mg/L，TP≤0.025 mg/L），水库运行初期，由于外部引进的污染物导致富营养化的可能性较小，但由于农业面源污染具有面广，污染物迁移的特点，无法采取像点源污染那样集中治理，只有径流范围内整个农业生态系统建立稳定、和谐和良性循环的生态系统，才能减少面源污染的数量。

3 结果分析

（1）水库蓄水初期时，该水库仅氮和磷年产生量便可达到3.49 t/a、0.275 t/a。按水库库容1888万m3的标准,若瞬间释放可达到氮和磷的浓度分别为1.85 mg/L、0.16 mg/L.根据湖（库）营养状态评价标准，已经达到中度富营养化。且随着植被和土壤被水淹没，会一直产生有害物质直至彻底释放，对后期水库运行后的水体富营养化埋下隐患。

（2）合理利用相应的水生生物控制技术来净化水质和治理水体富营养化。

（3）水库运行后，库水中氮的年平均浓度为0.054 mg/L，磷的年平均浓度为0.002 mg/L。

（4）目前，水库上游及周边存在茶园，若不加以管理，水库运行后，因乱垦乱伐造成上游自然破坏，会导致严重的水土流失，加上不合理使用化肥，给水库水质带来极大隐患[7]，进一步加剧水库富营养化。

4 结论

按照工程建设，移民先行的政策，应及时搬迁当地农民，停止化肥的使用。在蓄水阶段，应根据《水电工程水库库底清理设计规范》（SL 644-2014），在水库蓄水前按规范清理库底，消除淹没范围内原有植被释放分解氮、磷的隐患，经验收合格后方能蓄水[8]。建议水库建成后，结合具体水域特点，对水域、陆域按照防护要求，合理划分饮用水水源保护区和饮用水水源准保护区。