南水入京后密云水库水质与营养状态分析

康 欣，王晓羽，李 淼，张 琦

(北京市自来水集团有限责任公司，北京 100085)

密云水库是华北地区最大的水库，是北京重要的地表饮用水水源地，也是南水北调重要的调蓄库,担负着北京城市生活用水的重要任务。南水进京前，水库上游来水一直偏少，然而北京社会经济发展快速，常住人口不断增长，密云水库入不敷出，水资源供需矛盾十分突出。2014年南水北调调水进京，作为北京市的主要水源，同时也是密云水库的补水源，其水质安全受到了极大的重视。南水入库后，密云水库的蓄水量有明显的提升，同时南水的进入也对密云水库的水质、营养状态等造成改变。

1 水量评价

水量状况参考北京市水务局大中型水库水情日报。收集统计2012—2021年枯水、丰水期期间固定时段的密云水库水位及蓄水量数据如图1所示，可以看出近年来枯、丰水期水位水量变化较为一致。2012—2015年整体水位较低，蓄水量少并呈现下降趋势。南水入库后，2016年起水库水位呈快速上升趋势，并于2019年至今保持相对稳定，水位增长近16m。2016年起密云水库蓄水量也大幅度上升，至2021年已可达到250000万m3，同比2015年前水量增长1倍有余。蓄水量的增加进一步确保了密云水库在为京供水中的中坚作用，肩负起重要使命，其稳定供水的战略作用不可替代。

图1 2012—2021年度枯、丰水期密云水库水位-蓄水量情况图

2 水质评价

水质状况采用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》作为评价依据。水样监测根据SL 219—2013《水环境监测规范》，每月进行水样采集工作，所有水样的采集均按采样规定执行，并进行了严格的质量控制，确保数据的准确性。水质评价采用级指数综合评价法，根据实测的各项指标值，对照各类标准逐项评定，此项值符合某类水质标准，即属该类。综合评价以所有参加评价的各项参数的最高类为该水质类别。此次对密云水库的水质综合评价中，总氮和溶解氧暂不计入，但会作为重要特征指标进行数据分析。

南水入库后，如不考虑总氮和溶解氧的影响，2015—2021全年各月水质质量基本保持在Ⅰ到Ⅱ类之间，水质相对稳定。考虑到标准中的多项基本项目常年均小于检出限或Ⅰ类水质限值，故选取重要特征指标高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷、总氮、溶解氧和粪大肠菌群进行时间变化趋势分析。如图2所示。如把总氮和溶解氧计入综合评价的考虑范围，由于总氮多个月份严重超标，全年的水质将达到Ⅳ类甚至Ⅴ类。

图2 2015—2021年度密云水库水质特征指标分类变化图

从监测数据来看，常规指标如pH值，毒理学指标如砷、镉、六价铬、铅、硒、汞、氰化物、氟化物等，一般化学指标如氟化物、挥发性酚类、阴离子表面活性剂、铝、铁、锰、铜、锌等均符合Ⅰ类标准。

重点分析的6个特征指标中，化学需氧量常年维持Ⅰ类标准，偶有Ⅱ类的情况发生，整体情况良好。总磷及粪大肠菌群的水质情况大部分为Ⅰ类，每年中有少部分时间出现Ⅱ类情况，但都未有恶化的趋势，南水输水至今也没有Ⅲ类检出的情况，相对稳定。

高锰酸盐指数虽没有Ⅲ类检出的情况，但2015年至今，被检出为Ⅱ类的月份在不断增多。2015—2017年36个月份的监测数据均为Ⅰ类，2018年首次检出为Ⅱ类，但全年中的Ⅱ类水被检出率仅占四分之一。2019年全年10个月份均被检为Ⅱ类，2020年被检为Ⅱ类的月份有8个。到2021年，全年中仅1个月份被检为Ⅰ类水，故虽高锰酸盐指数暂未发生Ⅲ类检出的情况，但其数据确有不断恶化的趋势，应给予高度关注。

溶解氧指标大部分时段为Ⅰ类或Ⅱ类，满足Ⅲ类水质标准。但多年夏季有降低的情况发生，小部分时段只能达到Ⅳ类水质标准。溶解氧的降低说明水体受到了有机、无机还原性物质污染，而溶解氧的下降利于水中部分藻类的生长，严重时可能还会引起鱼类和浮游生物缺氧致死。

总氮是水中无机氮和有机氮的总和，是衡量水质的重要指标之一，也是水质恶化的重要因素之一。南水输水至今，密云水库水中的总氮大部分时段皆超过Ⅲ类标准，2019年起，部分时段甚至达到V类或劣V类。因此，对库区水体中总氮含量的监测和控制显得尤为重要，对库区中可导致总氮含量升高和生活污水可能带入的污染源要给予高度重视。

3 营养状态评价

本文通过对水库营养状态的相关指标及其相互关系进行计算分析，从而对水库的营养状态作出判断，并对水库富营养化发展的可能性与趋势进行预测。

3.1 评价参数与标准

3.1.1限制因子

水库富营养化是一个复杂的生态过程。影响水体营养状态的因子很多且影响程度也有差异，随着环境条件的变化，各因子都极大可能影响水体富营养化的进程。其中限制因子为氮、磷元素，这是因为水体发生富营养化时最直观的表现就是浮游藻类大量繁殖，藻类分子中氮、磷元素所占的重量百分比非常小，故而氮、磷元素的变化可对其生长繁殖起到主导作用。氮、磷是生物生长所必需的营养元素，农业化肥的流失、生活污水和工业废水的不达标排放以及地表水冲刷进入水体都可能造成水库中氮、磷的增长，氮、磷含量的增减会影响藻类的生长率，一般情况下当水体中氮、磷总量上升时，水中的藻类也会随之大量繁殖。

3.1.2评价项目

水体营养水平主要反映在藻类数量和种类密度，考虑到各类藻中均含有叶绿素a，因而叶绿素a在水体营养状态评价中常常作为重要指标和必评项目。考虑到水库营养状态的影响因素非常复杂，不同湖泊、水库有一定差异，根据历年的监测数据整理，此次对密云水库的评价，选择了最有代表性和有密切影响的叶绿素a、总磷、总氮和高锰酸盐指数4项指标作为此次评价的评价项目。

3.1.3评价标准

湖泊(水库)营养状态评价标准及分级方法见表1，采用SL 395—2007《地表水水资源质量评价技术规程》作为评价指导和依据，状态分级及评分规则参考第5章节。

表1 湖泊(水库)营养状态评价标准及分级方法

3.2 评价方法的选择

采用SL 395—2007作为评价指导，评价方法参考规程中的5.2章节，选取营养状态指数法作为评价的基本方法。

湖库营养状态指数评价包括以下3个步骤：

(1)水质评价项目浓度值与赋分值间的相关关系如图3所示，采用线性插值法将各项水质评价项目浓度值转化为赋分值，准确地进行插值计算；

(2)按图3中的计算公式计算出各评价项目的赋分值En，根据En值和评价项目个数N计算出湖库的营养状态指数EI；

图3 水质评价项目浓度值与赋分值间的相关关系

(3)参照表1，根据计算出的营养状态指数EI确定营养状态分级。

3.3 营养状态评价

根据南水入库后2015—2021年的水质检测数据形成密云水库营养状态变化趋势图如图4所示，可以看出影响密云水库营养状态的的主要因子是总磷和总氮。南水入库后水体总氮浓度达到0.14～2.35mg/L，总磷浓度0.01～0.08mg/L，高锰酸盐指数的浓度1.0～2.7mg/L，叶绿素a的含量相对较低，维持在0～0.0078mg/L。水库营养状态的评价结果表明，水库营养状态指数在31.5～49.4之间，虽均位于中营养状态，但部分时段接近富营养水平。

图4 2015—2021年度密云水库营养状态变化趋势图

3.3.1叶绿素

叶绿素a作为必评项目直观地反映水体中藻类情况，从其变化趋势上可以看出，2015年南水刚入库时叶绿素a的整体评分较高，维持在中营养水平；之后每年较有规律性的在贫营养到中营养间大幅波动，整体评分维持在20分上下。

3.3.2高锰酸盐指数

高锰酸盐指数整体评分维持在40分上下，属于中营养偏富水平且无显著性波动。从整体的大趋势上可以看出，其评分值在逐年上升。2015—2017年部分评分仍低于40，且未有超过45分的情况发生。2018年仅3个月低于40分，并且首次出现了超过45分的情况。自2019年开始，评分均在40以上，维持在45分上下微小波动且仍有升高的趋势，应给予高度关注。

3.3.3总磷

就营养单因子评价而言，总磷的评分变化波动较大，虽大部分时段都可维持在中营养水平，但2018年出现过轻度富营养的情况，评分高达58.4分，年度单因子评分均值超过40分，处于中营养偏富水平。水体中营养物质含量丰富，能够提供足够的营养来源。

3.3.4总氮

总氮作为密云水库营养源的重要监测项评分最高，大部分时间处于富营养状态，且维持在中度富营养水平。2015—2021年水体中总氮含量的评分均值超60分，于2021年底达到最高71.2分。从具体的变化趋势来看，如果不加以控制，总氮可能会继续上升，加重富营养水平。因此，控制水库中总氮的含量、减少氮污染是首要任务。

3.3.5营养状态指数

近年来，整个库区水体表现状态呈中营养。但是，水库水体中总氮、总磷浓度的持续上升使得水库营养水平持续增加，已多次达到偏富水平，富营养化风险不断增大，很可能导致藻类过度繁殖，破坏水体的生态平衡、降低水质质量，增加水处理的技术难度。

3.4 评价结果分析

富营养化是当前我国湖泊、水库面临的主要水环境问题，通过水质评价和营养状态评价可以有效地识别湖库的营养状态和水体污染程度，进行富营养化防治与对策制定。由密云水库的评价结果来看，其污染程度相对较轻，水体中的主要污染因子为氮、磷元素。总氮浓度处于较高水平，极大可能导致水体富营养化。

4 结语

(1)南水入库后密云水库水位和蓄水量都有大幅度的增加。蓄水量的增加进一步确保了密云水库在为京供水中的中坚作用。并且，南水北调中线工程北京段干线检修期间，密云水库作为北京城市供水的主力水源，稳定供水的作用不可替代。

(2)目前南水入库后密云水库水质状态良好，能满足供水水质需要。个别指标如溶解氧、总氮的含量相对偏高，建议持续关注重点指标，做好水源水质保护和源头管理工作。同时，继续增强水厂接纳高藻水的能力，优化除藻、除氮、除磷工艺，确保运行稳定和水质安全。

(3)库区水体营养状况处于中营养。历年数据表明水体已多次达到偏富水平，富营养化风险不断增大。这主要是由于水体中的氮磷元素含量较高，尤其是总氮的评分维持在中度富营养水平。建议采取谨慎的态度进行科学管理，减少输入变化对水体营养状态的改变。加大控制外源性营养物质输入的同时，利用流行的生物和生态修复手段去除水中氮、磷营养物质，确保水体生态平衡，营养状态维持良好水平。

(4)南水入库后运行至今，未预料到的水质问题也在不断暴露，新的风险仍需继续探索。为确保水库水的可持续利用、保障首都供水安全，应进一步收集分析多种水质数据、寻找规律，以便更好地应对各种可能发生的问题。同时，继续加强水质监测工作和应急准备工作，完善水质监测加密制度，确保供水安全。