大黑汀水库水质时空变化特征及下游引水策略

吴 涛,王建波,杨 洁,郝志香

(天津市水利科学研究院,天津 300061)

大黑汀水库作为唐山市及下游居民生活用水和工农业用水的水源地，识别其水质变化趋势和时空特征是合理开发、保护水资源的基础工作[1]。有关大黑汀水库水环境变化及污染的研究多有报道，陈勇等[2]基于2006—2014年大黑汀水库水环境因子调查，发现总氮和总磷是该水库的主要污染物；暴柱等[3]研究发现，自2012年开始大黑汀水库总磷迅速升高，水质总体上处于Ⅳ类水水平；王燕等[4]对滦河干流水质状况分析表明其水体主要污染物为氨氮、总磷和六价铬，对浮游植物的监测分析发现大黑汀水库优势种群由原来的硅藻向蓝藻、绿藻、硅藻门变化；通过对大黑汀水库水体污染空间特征的分析，杨晨昱等[5]发现大黑汀水库表现出从上游到下游污染逐渐加重的趋势，表明大黑汀水库来自水库内部的污染对水库污染有较大的贡献。事实上，2000年后随着水库上游和周边的经济社会快速发展，尤其是库区养鱼网箱的迅速增加，大黑汀水库的水质和水生态状况持续恶化[6]。2016年11月至2017年6月河北省开展了潘家口水库和大黑汀水库养鱼网箱的拆除工作，据水利部海河水利委员会水环境监测中心2017年10月监测数据，大黑汀水库总磷较治理前下降了85%，逐步达到Ⅲ类水质。目前关于大黑汀水库养鱼网箱拆除后水质特征的研究还相对较少，其氮磷污染与富营养化的时空变化特征还不清楚。本文基于2018年大黑汀水库不同季节的水质监测数据，对养鱼网箱拆除后水体氮磷时空分布与富营养化特征进行了分析，以期为大黑汀水库氮磷污染防治及下游于桥水库引水决策提供参考。

1 研究区概况

大黑汀水库(40°11′N～40°21′N，118°15′E～118°19′E)位于唐山市迁西县城北5 km的滦河干流上，1986年建成，控制流域面积3.51万km2，总库容3.37亿m3。大黑汀水库地处暖温带大陆性季风气候区，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。大黑汀水库上接潘家口水库，两库联合运用发挥防洪、供水作用。大黑汀水库作为引滦系列工程之一，通过滦河干流向唐山市及下游供水，发挥了巨大的经济效益和社会效益，缓解了天津市多年来的水源危机。由于长期的网箱养鱼，近年来大黑汀水库底泥积累了大量的污染物，水体水质严重恶化。

2 样品采集与分析方法

采用Excel 2013和SPSS 22.0 进行数据处理与分析，用OriginPro 2017软件作图。不同季节和空间水库水体营养盐质量浓度的差异采用单因素方差分析法分析，用“平均值±标准差”的形式表示数据的均值及离散程度。

3 结果与分析

3.1 表层水体营养盐季节变化特征

(a) 氮质量浓度

(b) 磷质量浓度图1 大黑汀水库不同季节水体营养盐变化特征Fig.1 Variation characteristics of water nutrients in different seasons of Daheiting Reservoir

硝态氮是表层水体无机氮的主要形式，冬春夏秋4个季节其在DIN(包括氨氮、硝态氮和亚硝态氮)中的质量浓度占比分别为98.41%、94.59%、93.02%和94.70%，而DIN在总氮中的占比分别为15.10%、55.66%、73.83%和94.35%。冬春夏秋4个季节表层水体中溶解性磷酸盐在总磷中的质量浓度占比分别为8.31%、63.60%、19.80%和60.59%。水体中的氮形态具有明显的季节性差异，其中夏秋季水体中的氮主要以DIN的形式存在，而冬季DIN占比最小。冬季水体中DIN和磷酸盐占比最小，说明水体中颗粒态物质较多，而水体水华颗粒物及底泥悬浮颗粒物对水体总氮和总磷质量浓度有较大的影响[11-13]。此外，冬季取暖产生的烟尘以及降雪等也会使得水体中颗粒态氮磷增多。夏秋季大黑汀水库水体溶解性氮磷相对较多，蓝藻水华频发，冬季则无蓝藻产生。虽然冬季水体总氮和总磷质量浓度较高，但溶解性氮磷质量浓度低于夏秋季，这从侧面说明了相较于总氮和总磷，水体中的DIN及活性磷是影响藻类暴发的关键因子。

3.2 表层水体营养盐时空分布规律

表1为大黑汀水库表层水体营养盐质量浓度空间差异的显著性，图2为大黑汀水库表层水体营养盐质量浓度时空分布特征，可以看出，总氮质量浓度在冬春夏季的空间差异不大，仅在秋季表现出显著差异，上游总氮质量浓度高于中下游；氨氮质量浓度在冬季差异显著，冬季中游质量浓度高，春夏季则上游质量浓度高，秋季则无显著差异；硝态氮质量浓度仅在秋季表现出显著差异，其空间特征与总氮相似；亚硝态氮质量浓度仅在春季表现出显著差异，大小顺序为下游、中游、上游；总磷和磷酸盐质量浓度在冬春夏季表现出显著差异，总磷质量浓度冬夏季表现出大小顺序为中游、上游、下游的空间特征，而春季则表现出上游高、下游低的空间特征；磷酸盐与总磷质量浓度的空间特征在冬春季相似，不同的是夏季磷酸盐质量浓度表现出大小顺序为上游、下游、中游的空间特征。

表1 大黑汀水库表层水体营养盐质量浓度空间差异显著性Table 1 The significance of spatial differences of nutrients concentration in surface water of Daheiting Reservoir

注：显著性水平为0.05。

(a) 总氮

(b) 氨氮

(c) 硝态氮

(d) 亚硝态氮

(e) 总磷

(f) 磷酸盐图2 大黑汀水库表层水体营养盐质量浓度时空分布特征Fig.2 Spatio-temporal distribution characteristics of nutrients concentration in surface water of Daheiting Reservoir

图3为大黑汀水库表层水体全年营养盐空间特征，可以看出，在全年尺度上，水库表层水体总氮和硝态氮质量浓度表现为上游高、下游低，而氨氮和亚硝态氮表现为下游高、上游低；总磷质量浓度表现为上游和中游较高，下游较低，而磷酸盐表现为上游高、下游低。陈勇等[2]研究发现大黑汀水库总氮除了受到上游潘家口水库下泄水的影响外，更受到上游洒河来水的影响。洒河途经洒河镇，周边居民生活污水和铁矿厂工业废水[14]可能是造成大黑汀水库上游氮磷质量浓度较高的原因。大黑汀水库上、中、下游平均水深分别为(4.11±0.70) m、(7.69±3.69) m和(16.87±5.44) m，上下游不同的水深伴随着不同的氧化还原环境，其上、中、下游的氧化还原电位分别为(170.01±20.84) mV、(126.36±9.67) mV和(115.34±9.91) mV，上游相对较高的氧化环境使得水体中的无机氮向硝态氮转化，而下游相对较低的氧化环境使得无机氮向氨氮和亚硝态氮转化。总磷和磷酸盐质量浓度在中上游明显高于下游，下游水域开阔，较大的水量稀释了来自中上游的总磷质量浓度较高的水体。大黑汀水库中游是网箱养殖最集中的区域，该区域来自污染沉积物内源释放的磷可能是造成中游磷质量浓度和上游同样较高的原因。杨晨昱等[5]研究发现大黑汀水库从上游到下游污染逐渐加重(养鱼网箱拆除前)，而本文研究发现该水库上游比下游污染严重，说明大黑汀水库养鱼网箱拆除后，其水质污染源特征发生了改变，网箱养鱼造成的内源污染变小。相关研究[15-16]表明，总磷质量浓度在0.02～0.05 mg/L的水体为中营养型，0.05～0.09 mg/L为富营养型，因此大黑汀水库下游水体为中营养型，而中上游达到了富营养型。

(a) 总氮

(b) 氨氮

(c) 硝态氮

(d) 亚硝态氮

(e) 总磷

(f) 磷酸盐图3 大黑汀水库表层水体全年营养盐空间特征Fig.3 Spatial characteristics of nutrients concentration in surface water of Daheiting Reservoir

3.3 水库水质分层特征

图4为大黑汀水库水温和溶解氧垂向变化特征。12月水库上下层水体水温一致，坝前比库心高 1.25 ℃，差异显著(P<0.05)；4月、8月和10月存在明显的温度分层，随着春季到来气温回升，库区表层水温开始升高，而下层水温上升缓慢，8月表层和20 m深度水温差异达13.3 ℃，形成明显的温跃层，而坝前和库心的水体温差不显著。水温是影响水密度的重要因素[17]，由热分层引起的水体分层使得上下层水体缺乏交换，进而影响水体溶解氧的传递[18]。溶解氧质量浓度季节差异明显，4月和12月较高，12月无明显分层特征，4月水体底部略有降低；8月在0～5 m范围内明显变小，5 m以下坝前位置垂向无较大变化，库心位置继续随深度增加而降低；10月有一个明显的分层特征，在10 m以上较高，平均为10.1 mg/L，在10～15 m范围急速降低，在 15 m 以下平均为1.9 mg/L，处于厌氧状态。坝前和库心溶解氧质量浓度在12月差异显著(P<0.05)，其他季节无明显差异。

(a) 水温

(b) 溶解氧图4 大黑汀水库水温和溶解氧垂向变化Fig.4 Vertical variation of water temperature and dissolved oxygen in Daheiting Reservoir

图5为大黑汀水库水体氮磷和CODMn垂向变化。坝前和库心水体总氮质量浓度10月差异显著(P<0.05)，坝前比库心平均高0.17 mg/L，其他3个月坝前和库心总氮差异不显著。硝态氮是水体氮的主要成分，其变化特征与总氮相似。氨氮质量浓度4月随深度增加而增大，8月则相反，10月随深度波动增加，12月垂向无明显变化。总磷质量浓度的垂向变化在坝前和库心无显著差异，8月随深度增加逐渐增大，10月垂向变化较小，12月和4月波动中略有增大。CODMn质量浓度季节差异明显，10月显著高于4月、8月和12月，除8月垂向逐渐减小外，其他月垂向变化特征不明显；4月和10月坝前水体CODMn质量浓度显著高于库心(P<0.05)，8月和12月则差异不显著。

水体季节性热分层是引起水体溶解氧分布、底泥营养盐释放等过程变化的主要因素，对生物新陈代谢和物质分解过程起着重要作用[19-20]。夏季底层水体低温和相对较低的溶解氧质量浓度促进沉积物磷的释放，导致底层水体总磷质量浓度高于表层。而夏季较强的光照、较高的水体总氮和总磷质量浓度(图5)促进藻类的暴发，通过水气界面及藻类的光合作用进行复氧[21]，使得8月水体垂向上有相对较高的溶解氧水平。在之后的藻类死亡分解过程中，产生大量的有机物，使得秋季水体CODMn质量浓度升高，受风向和水流影响，藻类往下游坝前汇集，这是导致坝前水体CODMn质量浓度高于库心的原因。秋季藻类死亡降解消耗大量的溶解氧，使得秋季底层水体溶解氧质量浓度快速降低，侧面反映了大黑汀水库藻类生长与消亡的过程。

(a) 总氮

(b) 氨氮

(c) 硝态氮

(d) 总磷

图5 大黑汀水库水体氮磷和CODMn垂向变化
Fig.5VerticalvariationofN,PandCODMninDaheitingReservoir

表2 大黑汀水库水体氮磷比时空分布Table 2 Spatio-temporal distribution of nitrogen phosphorus ratio in Daheiting Reservoir

4 讨 论

4.1 水体氮磷污染特征

氮磷是引起湖库水体富营养化的重要环境因子[22-24]，氮磷比是判断水体富营养化及其限制因子的一个重要参数[16,25]。浮游植物健康生长及生理平衡所需氮磷原子比为16∶1，其比值小于16表明氮为浮游植物生长的限制因子，大于16则磷为浮游植物生长的限制因子[26]。由表2可知，大黑汀水库水体的氮磷比在40.42～220.98之间，平均值显著高于16，因此磷是大黑汀水库水体富营养化的主要限制因子。大黑汀水库水体氮磷比在时间上表现为夏季最低，冬季最高；在空间上表现为中游最低，下游最高。蓝藻水华暴发会导致氮质量浓度下降，磷质量浓度升高，氮磷比减小，Schindler[27]研究发现低氮磷比能诱导藻类大量生长，认为低氮磷比更易导致蓝藻水华的暴发。许海等[28]研究发现，当氮磷比较充足时(磷质量浓度达到2 mg/L)，氮磷比对藻类的生长不再具有显著影响，而当磷质量浓度在0.02～0.20 mg/L时，不同的氮磷比能显著抑制或者促进藻类的生长，低氮磷比是蓝藻水华暴发导致氮质量浓度下降、磷质量浓度升高的结果。大黑汀水库水体总磷质量浓度小于0.1 mg/L，且其在夏季最高(图1)，而氮磷比在夏季最低，因此夏季极易发生蓝藻水华现象。此外，大黑汀水库独特的地理特征也造成了各个区域的水量大小不一，其对水体氮磷比也有较大影响[16]，下游较大的水量和相对较低的磷质量浓度是导致下游氮磷比较高的原因。因此磷是大黑汀水库水体富营养化的限制因子，磷质量浓度增大会显著地促进藻类的生长。

富营养化的发生受多种因素的影响，如温度、流速等，但最主要的是水体中氮磷等营养物质充足[8]。国内外水体的治理经验都表明，控制外源氮磷的输入是抑制水体蓝藻水华暴发的根本途径[29]。对于污染富集严重的沉积物，其仍能在长时间尺度上通过沉积物-水界面向上覆水体释放营养盐，当外源污染得到控制后，控制来自沉积物的内源氮磷负荷对于水体治理同样至关重要[30]，大黑汀水库内源负荷远高于国内其他富营养化湖库，必须重视水库由于长期的网箱养殖等人为活动导致的沉积物污染及内源负荷[31]。针对大黑汀水库水体富营养化问题，应采取“控源截污、生态修复”的策略，通过阻止外源输入、改善库区沿岸带生态环境、采用底泥疏浚及生态修复等手段对水库进行综合治理。应加强工业污染治理和农村城市生活污染源治理，提高上游污水处理厂效率；此外，要加大农业面源治理力度，减少水库周边化肥、农药、除草剂的使用量[4]。因为春季上游和夏季中上游较高的氮磷质量浓度和较低的氮磷比，有关部门应着重加强对中上游水质变化的监控。

(a) 总氮

(b) 氨氮

(c) 硝态氮

(d) 总磷

(e) 磷酸盐图6 养鱼网箱拆除前后大黑汀水库水质比较Fig.6 Comparison of water quality before and after the removal of fish cages in Daheiting Reservoir

4.2 养鱼网箱拆除前后水库水质特征

大黑汀水库养鱼网箱于2017年5月拆除完毕，采用2016年7月至2017年5月的月平均值代表养鱼网箱拆除前水库水质特征，2017年6月至2018年11月的月平均值代表养鱼网箱拆除后水库水质特征，养鱼网箱拆除前后水库水质变化情况如图6所示。总体上网箱拆除前后总氮质量浓度无显著差异(P=0.167>0.05)。氨氮质量浓度表现出随深度增加逐渐变大的趋势，网箱拆除后质量浓度显著降低(P=0.01),平均降低48.34%～67.47%。硝态氮质量浓度表现出与总氮相似的分布特征，网箱拆除前后无显著变化(P=0.247>0.05)。总磷和磷酸盐表现出相似的时空分布特征，在10 m以下水深随深度增加磷质量浓度逐渐增大，且在养鱼网箱拆除后，水体磷质量浓度显著降低(总磷:P=0.004;磷酸盐:P=0.005)，较网箱拆除前，总磷和磷酸盐质量浓度分别下降了61.91%～83.28%和67.03%～86.09%。因为磷是大黑汀水库水体富营养化的限制因子，养鱼网箱拆除能有效降低水库水体磷质量浓度，进而发挥出改善水库水质、遏制富营养化进程及防治蓝藻水华暴发的作用。

5 下游于桥水库的引水策略

于桥水库是引滦入津工程的重要调蓄水库，同时又是天津市工农业和生活用水的主要水源地[32]，大黑汀水库是于桥水库重要的水源补给水库，每年通过于桥水库主要入库河流黎河向于桥水库供水，据统计，2010—2018年于桥水库每年从大黑汀水库引水1.0～9.5亿m3，年均引水量为4.6亿m3。为尽可能地避免或减小引水对于桥水库水质的负面影响，要科学制定于桥的引水方案。

大黑汀水库的下游水质要优于中上游，而大黑汀水库的引水闸门位于下游大坝，这对于桥水库的引水有着积极的意义。根据大黑汀水库水质的季节变化特征，在引水时机的选择上要避免冬季引水，尤其是冬季春初冰雪消融时期。在引水高度的选择上，建议选择中层水柱，原因是：大黑汀水库夏秋季节表层水柱中藻类聚集现象明显，而且还存在漂浮陆源的新鲜有机质及其他漂浮物；具有分层现象的湖库底层水柱尤其是沉积物-水界面处水柱通常含有较高的营养盐[33]，而大黑汀水库总磷存在分层现象，且表层5 cm左右沉积物呈果冻状悬浮体，非常容易发生再悬浮导致营养盐释放，引水时应尽量避免扰动下层水柱尤其是沉积物-水界面及表层沉积物。

6 结 论

a. 大黑汀水库表层水体中总氮质量浓度在冬季最高，夏秋次之，春季最低；总磷质量浓度在冬夏较高，春秋次之。硝态氮是水体DIN的主要成分。

b. 总氮、硝态氮、总磷和磷酸盐的质量浓度在水平方向上呈现自上游到下游逐渐减小的趋势，垂向上水体总氮、硝态氮和总磷质量浓度8月最高，CODMn质量浓度10月最高。水体热分层主要出现在夏秋季节，溶解氧分层主要表现在秋季。养鱼网箱拆除后显著降低了水库总磷和磷酸盐质量浓度，氨氮质量浓度也显著降低，总氮和硝态氮质量浓度无显著变化。

c. 大黑汀水库水体氮磷比表明磷为水库水体富营养化的限制因子。氮磷比在夏季最低，冬季最高，中游最低，下游最高。较高的氮磷比使得大黑汀水库对磷比较敏感，养鱼网箱拆除能显著降低水库磷质量浓度，进而可有效遏制富营养化进程。

d. 下游于桥水库要避免冬季引水，尤其是冬季春初冰雪消融时期；引水口高度建议选择中层水柱，应尽量避免引用表层水柱及扰动底层水柱。