蘑菇湖水库水质时空变化及富营养化特征分析

孙宇颖 ， 费长龙

（新疆生产建设兵团生态环境第一监测站，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 前言

地表水环境质量的优劣直接关系到经济社会的发展，社会经济的不断发展和人类生产活动的不断增加给河流、湖库等地表水体带来了极大的环境风险。大量的氮、磷等营养物质进入水中，导致水体水质污染和水体富营养化程度日益严重[1]。相较于河流，湖库水体更新时间更长，氮、磷等营养元素更容易积累而导致湖库水体富营养化[2]。

蘑菇湖水库于1958年建成，位于石河子市西北21 km处的一处自然洼地，是石河子垦区内最大的天然洼地型人工内陆平原水库。水库地处玛纳斯河西岸，地理坐标为东经84°46′30″~86°51′14″，北纬43°26′36″~44°37′17″，总库容1.8亿m3，有效库容1.4亿m3，水库最大蓄水面积31.61 km2，水源主要为玛纳斯河水、沙湾河和千泉湖洪水、冬闲水、上游泉水及灌溉余水，同时接纳石河子市工业及生活污水。

近年来，随着城市人口的不断增加，工业的迅速发展，生活污水及工业废水排放量不断增加，各种污染物也随之增加。大量生活污水和工业废水流入水库，导致水库的水环境不断恶化，水质长期处于劣Ⅴ类状态，且污染物长期累积，导致水库内源污染严重[3]，水体呈富营养化状态，已影响下游的灌溉安全和水库周边的生态环境[4]。

1 数据与方法

1.1 数据来源

根据蘑菇湖水库的特点，在水库设置5个监测断面，分别是进水区、出水区、湖心区、浅水区、岸边区。根据取样范围，测出这几个区域所占水库水域面积分别为20%、20%、40%、10%、10%。监测结果显示，蘑菇湖水库的污染指标以化学需氧量、总氮、总磷为主，本研究数据来源于2013—2020年各采样点监测的年均值。

1.2 评价方法

本研究对蘑菇湖水库的主要水质指标进行时空变化规律分析，采用中国环境监测总站《地表水环境质量评价办法（试行）》对水库水环境质量状况进行评价，采用综合营养状态指数法对湖泊营养状态进行评价，从而为蘑菇湖水库水污染防控及可持续发展提供支撑。

2 结果与分析

2.1 pH值与溶解氧时空变化规律

2013—2020年，蘑菇湖水库pH值在8.53~8.96之间，水体呈弱碱性，年度总体变化幅度不大。从监测年份上看，2015年pH值最小为8.53，2020年pH值最大为8.96。从监测断面看，湖心区pH值相对较低，浅水区pH值相对较高，依次为湖心区<出水区<岸边区<进水区<浅水区。

2013—2020年，蘑菇湖水库溶解氧浓度在8.11 mg/L~12.6 mg/L之间，溶解氧浓度呈先降后升的趋势，2018年最低为8.11 mg/L，2020年最高为12.6 mg/L。从监测断面看，出水区溶解氧浓度相对较低，湖心区溶解氧浓度相对较高，溶解氧浓度依次为出水区<岸边区<进水区<浅水区<湖心区，2020年各监测断面溶解氧变化幅度较大。蘑菇湖水库主要污染因子变化趋势图如图1所示。

图1 蘑菇湖水库主要污染因子变化趋势图

2.2 总氮与总磷的时空变化规律

2013—2020年，蘑菇湖水库总磷浓度变化幅度较大，年均浓度在0.328 mg/L~1.006 mg/L之间，呈“M”形的变化趋势。2016年浓度最高为1.006 mg/L，超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，2020年浓度最低为0.328 mg/L，较2016年下降了67.4%，但仍然超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准。从监测断面看，进水区总磷浓度最高，岸边区总磷浓度相对较低，依次为岸边区<湖心区<浅水区<出水区<进水区，总磷浓度最大值出现在2015年的进水区。不同断面总磷年度变化如图2所示。

图2 不同断面总磷年度变化

2013—2020年，蘑菇湖水库总氮浓度在1.278 mg/L~10.63 mg/L之间，变化趋势与总磷相一致。2016年浓度最高为10.63 mg/L，超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，2020年浓度最低为1.278 mg/L，较2016年下降了87.9%，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准限值要求。从监测断面看，出水区总氮浓度最低，进水区总氮浓度最高，依次为出水区<岸边区<湖心区<浅水区<进水区。不同断面总氮年度变化如图3所示。

2.3 化学需氧量与高锰酸盐指数的时空变化规律

2013—2020年，蘑菇湖水库的化学需氧量浓度在27.8 mg/L~44 mg/L之间，呈逐年下降的趋势，个别年份略有升高。2013年浓度最高为44 mg/L，超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，2020年浓度最低为27.8 mg/L，较2013年下降了36.8%，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准限值要求。从监测断面看，湖心区化学需氧量浓度最低，进水区浓度最高，依次为湖心区<岸边区<浅水区<出水区<进水区。不同区域化学需氧量年度变化如图4所示。

图4 不同区域化学需氧量年度变化

2013—2020年，蘑菇湖水库的高锰酸盐指数浓度在5.37 mg/L~9.19 mg/L之间，呈现先升后降的趋势。2017年浓度最高为9.19 mg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准限值要求，2019年浓度最低为5.37 mg/L，较2017年下降了41.56%，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准限值要求。从监测断面看，出水区高锰酸盐指数浓度最低，进水区浓度最高，依次为出水区<湖心区<岸边区<浅水区<进水区。不同区域高锰酸盐指数年度变化如图5所示。

2.4 水体营养状态

本研究采用0~100的一系列连续数字对蘑菇湖水库营养状态进行分级，在相同营养状态下，指数数值越高，其营养程度越高，水体富营养化的风险越高。2013—2020年，蘑菇湖水库水质综合营养状态指数为65.6~76.4，水体呈现中度富营养化、重度富营养化状态，且以重度富营养化为主。2013年、2014年水体富营养化程度较高，2015年略有所好转，2016年水体富营养化程度最高，其后开始逐年降低，2020年水体营养状态由重度富营养化转为中度富营养化。变化趋势与水体总磷、总氮变化趋势相一致。水体营养状态统计情况如表1所示。

图5 不同区域高锰酸盐指数年度变化

表1 水体营养状态统计表

3 结论

从2013—2020年的监测结果看，蘑菇湖水库水体呈弱碱性，水质为劣Ⅴ类，属于重度污染水体，污染指标以总磷、总氮和化学需氧量为主，水库水质2016年最差，2020年有所好转，主要污染物浓度均大幅度降低，水体呈现中度富营养化状态。从监测断面看，水库进水区污染物浓度相对较高，水库出水区污染物浓度相对较低。

综合蘑菇湖水库分析结果，建议继续按照“先控外源污染汇入，再治内源积累”的原则，加强对入库水质的管理。加强对石河子市污水处理厂的运行管理，严格控制污水处理厂排放的废水浓度，提高中水回用率，减少进入蘑菇湖水库的污染物的总量。同时，及时清理河道淤泥与垃圾，加强河道长效管护，进行合理水量调蓄，保障生态用水，定期对入库水质和水库生态进行监测，切实改善蘑菇湖水库水质。