松子坑水库水质评价及初探

吴天书

（深圳市东江水源工程管理处 松子坑水库管理所，广东 深圳 518122）

1 基本概况

松子坑水库位于深圳市坪山区龙田街道（如图1所示），作为东江水源工程进入深圳市内的第一座联网调蓄水库，集雨面积4.96m2，总库容0.4073亿m³，设计洪水位 66.31m，校核洪水位 66.66m，常水位66m，死水位50m，水库分为一期、二期工程，两期通过坝下涵管连通，共有20条大坝，设计年均供水8555万m³，水库从獭湖泵站前池取水，承担深圳坪山和龙岗部分片区以及深圳全市供水网络体系中的备用应急供水任务，是深圳市重要的中型水库。松子坑水库所在流域为珠江流域东江水系，属于南亚热带海洋季风气候，长夏短冬，气候温和，日照充足，雨量充沛，流域内多年平均气温22.4℃，多年平均日气温超过30℃的天数为123 d；根据清林径雨量站系列资料分析，流域内多年平均降雨量约1719.1mm，降雨量年际变化较大，最大年降雨量为2476mm，最小年降雨量为980mm，雨量年内分配不均衡，其中，5—9月降雨量占全年降雨量的80%；流域内多年平均年蒸发量为1345.7mm；多年平均相对湿度79%。2021年平均气温为 24℃，与常年相比偏高，年平均降雨量1550 mm，降雨量阶段性偏少严重。

2 水质监测情况

2.1 样本采集

采样时间为2022年1—12月，共计24次，每月月中根据《湖泊和水库采样技术指导》（GB/T 14581—93）和《广东省江河湖库水生态环境调查与评价技术指导指引（试行）》采集表层水样品。由于水库采取完全封闭式管理多年，不存在农业面源污染、工业点源污染及固体废物污染，因此选取pH、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）以及总磷（TP）等8个典型指标进行水质分析评价。

2.2 指标监测结果

2022年1—12月松子坑水库库中和来水口各水质指标浓度变化如图2所示，对图2中的结果进行综合分析如下：pH值即酸碱度，决定着水体中很多化学何生物过程，在1—11月pH为7～8，7月库中pH为8.1，2月pH为6.7，水库水质呈现比较稳定的变化规律（碱性状态）。由于松子坑水库无外源污染，因此水中的二氧化碳浓度主要取决于浮游植物的光合作用，光照越强，光合作用消耗的二氧化碳量增多，水体pH值也升高。溶解氧浓度全年基本在I类水标准和II类水标准之间，呈现饱和状态。CODMn浓度变化规律如图2所示，2—6月数值明显高于其他月份，5月CODMn数值达到峰值，在此期间的浮游植物数量及活跃程度较高，其他月份数值均≤2mg/L，因此可以判断水库CODMn浓度受浮游植物影响。

图2 2022年1—12月松子坑水库各水质指标浓度变化

总氮是水中各种形态无机和有机氮的总量，水库全年总氮浓度均超过地表II类水标准，年平均值为0.823mg/L，其中5月浓度数值超标严重，达到V类水标准，说明水库氮负担较高，此期间浮游植物的大量繁殖受N元素的提升影响严重；氨氮是氮在水中的主要存在形式，全年基本低于1mg/L（III类水标准），说明水库分解有机物能力较强。

全年的水库总磷浓度为0.01mg/L～0.06mg/L，年平均值为0.033mg/L，5月水库总磷浓度达到最大值。浮游植物的密度也较高，说明磷是松子坑水库浮游植物生长的限制因子。溶解氧浓度全年低于过地表II类水标准，说明水库具有较低的污染物和较高的水动力学流动性，可以促进氧气在水中的溶解和分布。

3 分析评价方法

3.1 水环境评价方法

单因子评价法是利用实测数据和标准对比分类，选取水质最差的类别为评价结果[1]。在水环境质量评价中，当有一项指标超过相应功能的标准值时[2]，表示该水体已经不能完全满足该功能的要求，因此单因子评价法可以了解水域是否满足功能要求，其是水环境影响评价中最常用的方法。

水质的单因子污染指数Pi的计算如公式（1）所示。

式中：Pi为某一评价指标的相对污染值；Ci为某一评价指标的实测浓度值；Co为某一评价指标的最高允许标准值。

单因子评价法的优势为概念明确、计算简单，通过水质监测数据可以直观地体现水质指标污染程度，然后计算每个污染因子的超标指数，并将计算结果中最坏的指标评价级别作为整体水质的评价等级。

3.2 水体营养状态评价

综合营养状态指数法是选取叶绿素a、高锰酸盐指数、总磷、总氮和透明度等富营养化指标，来实现对水质营养状态的连续分级。

综合营养状态指数采用卡尔森指数，计算过程如公式（2）所示。

式中：TLI（∑） 为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数。

以chla作为基准参数，第j种参数的归一化的相关权重计算如公式（3）所示。

式中：rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；m为评价参数的个数。

chla与其他参数之间的相关关系rij及rij2见表1。

表1 中国湖泊（水库）部分参数与chla的相关关系rij 及rij2值

各项目营养状态指数计算如下。

TLI（chla）=10（2.5+1.086lnchla）

TLI（TP）=10（9.436+1.624lnTP）

TLI（TN）=10（5.453+1.694lnTN）

TLI（SD）=10（5.118-1.94lnSD）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661lnCODMn）

式中：TLI为富营养化指数；chla为叶绿素a，mg/m3；SD为浊度，m。

4 评价结果

4.1 水环境评价结果

以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）作为本次指标监测结果的评价标准[3]，根据2022年1—12月的水质监测结果，整体来看，下半年水质较上半年水质情况更好，超Ⅲ类水标准的月份有2月、3月和5月，表现主要集中出现在上半年，其中超标指标主要为总氮、总磷。5月份松子坑水库的总氮超标严重，超标值为2.1mg/L，水质甚至达到劣V类。当月正处于升温变化较大的期间，由监测结果可以看出总氮、总磷受温度升降影响，且与温度呈正相关趋势，应注意氮磷污染的防范，建议在升温的期间加密监测库区的水质。

4.2 水体营养化评价分析

根据松子坑水库叶绿素a、TP、TN、高锰酸盐指数、透明度5项监测数据，通过综合营养状态指数法计算松子坑水库库中2022年1-12月的营养状态指数分别为40.98、41.43、44.88、41.55、50.46、39.56、26.93、36.64、37.51、33.28、31.46和37.59 ；来水口每月营养状态指数分别为46.25、46.65、45.44、45.69、55.22、41.01、27.09、38.35、38.39、38.61、40.58和39.95，在松子坑水库库中、来水口各月营养状态指数变化情况如图3所示。2022年度松子坑水库综合营养状态指数平均值为40.667，表明水库的富营养状态处于中营养状况。5月份库中、来水口TN浓度超III类水标准的倍数分别为0.38、2.1，对应的营养指数也为全年最高，属于轻度富营养化，存在藻华爆发风险。来水口的营养状态指数均高于库中的营养状态指数，因此可以确定松子坑水库来水口是营养物质输入最严重的区域。

图3 松子坑水库库中、取水口各月营养状态指数变化情况

5 结论

松子坑水库在2022年共采取水样24次，并进行水质监测工作，通过监测数据可以分析得到：松子坑水库Ⅲ类水的达标率为70.83%，除TP、TN指标外其余4种指标均满足III类水标准且变化幅度不大，其中pH、CODMn指标主要受浮游植物生长状况影响。TP、TN指标在大多数情况下满足III类水标准，超标月份集中在5月前后，氮、磷负荷较严重，需要控制外源性营养物质的输入，对TN、TP采取减量措施。磷是浮游植物生长的限制因子之一。

采用综合营养状态指数法评价水库富营养化情况[4]，结果表明松子坑水库基本处于中营养状况，水体中营养物质能满足浮游植物大量繁殖，例如蓝藻生长并成为优势类群，由于水库全年境外引水，供水情况单一，供水量较少，水力滞留时间较长，气候和水文条件适合的情况，易爆发蓝藻水华[5]。

在未来的水库管理中，一方面，要对水库生态系统和浮游植物加强监测，及时掌握其数量及种类的变化情况，构建水华生物预警体系；另一方面，减少污染物输入，采取安全、健康的措施减少内源营养负荷，改变水库运行方式，缩短水力滞留时间，采取分层取水。