潘家口水庫水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)分析

戴會冉,田 偉,段龍飛

(水利部海河水利委員會 引灤工程管理局，河北 遷西 064300)

1 概 述

潘家口水庫是灤河目前最大的水利工程，是引灤工程的“龍頭”，是天津、唐山及灤河下游的重要水源，水庫原設(shè)計同時兼顧防洪、灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、改善航運、開展旅游等綜合效益。多年來，由于灤河上游工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城市生活污水的大量排放，潘家口水庫周邊工業(yè)點源及農(nóng)田徑流帶來的污染，潘家口水庫網(wǎng)箱養(yǎng)魚的不斷增加，餌料及魚類排泄物的不斷增加，使得水庫均受到不同程度的污染。因而，其水體的營養(yǎng)狀況受到關(guān)注。

環(huán)境部2004年頒布的《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級規(guī)定》推出的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)及日本相崎守弘等的修正營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)[1]是當(dāng)前通用的一種適合評價胡湖泊(水庫)水體營養(yǎng)狀態(tài)的水質(zhì)評價方法。運用這兩種方法對潘家口水庫的水質(zhì)狀況展開評價，有助于了解潘家口水庫的營養(yǎng)狀況、預(yù)測其未來演化趨勢。

1.1 潘家口水庫概況

潘家口水庫位于河北省承德市和唐山市的交界處,地跨承德、寬城、興隆、遷西4縣，壩址在遷西縣桃園村北約2 km的灤河干流上，控制流域面積33 700 km2，占灤河流域面積的75%，多年平均徑流24.5×108m3,約占灤河流域徑流量的53%。總庫容29.3×108m3，其中興利庫容19.5×108m3,正常蓄水位222 m。總裝機(jī)42×104kW，發(fā)出的電力通過22萬伏高壓輸電線路并入華北電網(wǎng)。潘家口水庫一期工程于1975年10月動工，1979年12月下閘蓄水，1981年4月第一臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1983年開始供水，1984年主體工程基本完成。二期工程是在主壩下游6 km建攔河閘，形成下池，并安裝兩臺各5 000 kW發(fā)電機(jī)組。

1.2 采樣點設(shè)置

潘家口水庫從上游到下游設(shè)置4個采樣點，依次為暴河口斷面、燕子峪斷面、潘家口斷面、潘壩上斷面。

1.3 水樣的采集機(jī)數(shù)據(jù)處理

使用20 L的采水器采集水樣，水樣帶回實驗室后立即進(jìn)行各種項目的監(jiān)測。水樣采集在每月上旬進(jìn)行。

透明度(SD)、葉綠素采用多參數(shù)測定儀進(jìn)行測定，總磷(TP)、總氮(TN)采用國家地表水質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。其中，TN在2006～2012年采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計(GB11894-1989)、2013年采用流動注射儀(HHLY-LD 008-2011)，TP采用磷鉬酸銨比色法(GB11893-1989)，高錳酸鹽指數(shù)(CODM)采用高錳酸鉀酸性法[2]。

1.4 評價方法

目前，國內(nèi)外有關(guān)富營養(yǎng)化的研究方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法( TLI) 、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSIM)、營養(yǎng)度指數(shù)法和評分法，其中營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)由于可對營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)值化分級，從而為大多數(shù)研究工作者所采用。依據(jù)《湖泊( 水庫) 富營養(yǎng)化評價方法及分級規(guī)定》，采用綜合營養(yǎng)指數(shù)法和修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSIM) 對潘家口水庫的營養(yǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行評價[3-4]。

綜合營養(yǎng)指數(shù)法評價因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式:

TLI(Chl.a)=10×(2.5+1.086LnChl.a)

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+2.661×LnCODmn)

式中：葉綠素a(Chl.a)單位為μg/m3,透明度SD單位為m，其它指標(biāo)單位為mg/L。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式:

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)；TLI(J)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

以Chl.a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重Wj計算公式為：

式中：m為評價參數(shù)的個數(shù)；rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl.a的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)TLI(∑)數(shù)值對湖泊(水庫) 營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級[5]，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其富營養(yǎng)程度越重。

表1 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)

相崎守弘等將卡爾森以透明度為基準(zhǔn)的TSI指數(shù)改為以葉綠素 a 為基準(zhǔn)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，稱之為修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSLM)。修正的TSLM法采用 0 ～100 一系列連續(xù)的數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級，指數(shù)在 30 以下為貧營養(yǎng); 30 ～50 為中營養(yǎng); 50 ～100 為富營養(yǎng)。

修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSLM)法評價因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式:

TSI(∑)=0.54TSIM(CHl.a)+0.297TSIM(SD)+0.163TSIM(TP)

2 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)情況

2.1 潘家口水庫水質(zhì)參數(shù)

見表2。從表2可以看出，潘家口水庫藻類的數(shù)量呈上升趨勢，透明度則相反，總氮、總磷、CODmn的含量變化不大。葉綠素a(CHl.a)8年的均值為(14.55±18.85)μg/L，總磷(0.058±0.019)mg/L，總氮(5.19±0.60)mg/L，CODmn(3.74±0.47)mg/L，透明度(2.17±0.52)m。

表2 潘家口水庫水質(zhì)參數(shù)

2.2 潘家口營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI、TSIM)的年際變化

用TLI和TSIM對2006～2013年潘家口水庫水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合指數(shù)狀態(tài)分析，見圖1、圖2。可以看出，潘家口水庫綜合指數(shù)TLI呈現(xiàn)上升并緩慢下降的趨勢，從中營養(yǎng)逐漸變?yōu)檩p度富營養(yǎng)，2006～2009年為中營養(yǎng)，2010～2013年為輕度富營養(yǎng)。TLI的8年均值為48.9，TLI最小值出現(xiàn)在2006年，為40.2；最大值出現(xiàn)在2010年，為58.6，2006～2010年增長速度較快，2011～2013年出現(xiàn)了負(fù)增長：2010(22.13%)>2009(11.30%)>2008(5.09%)>2007(2.23%)>2013(-1.87%)>2011(-2.62%)>2013(-8.83%)。

圖1 潘家口水庫2006～2013年營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI

圖2 潘家口水庫2006～2013年營養(yǎng)指數(shù)TSIM

潘家口水庫TSIM變化趨勢與TLI基本一致(圖2)，從中營養(yǎng)逐漸變?yōu)檩p度富營養(yǎng)，2006～2009年為中營養(yǎng)，2010～2013年為輕度富營養(yǎng)。TSIM的8年均值為47.9，TSIM最小值出現(xiàn)在2006年，為34.8；最大值出現(xiàn)在2010年，為64.4，2006～2010年增長速度較快，2011～2013年出現(xiàn)了負(fù)增長：2010(36.45%)>2009(22.83%)>2009(5.74%)>2008(4.48%)>2013(-2.51%)>2011(-8.34%)>2013(-11.56%)。

2.3 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的空間變化

圖3、圖4表明潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI和TSIM值變化趨勢基本一致，暴河口斷面營養(yǎng)水平較高，燕子峪斷面、潘家口斷面偏低，潘壩上斷面2010、2013年偏高些，其他年份最低。

圖3 潘家口水庫2006～2013年各斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)TLI指數(shù)的空間變化

圖4 潘家口水庫2006～2013年各斷面營養(yǎng)狀態(tài)TLIM指數(shù)的空間變化

4個采樣點的TLI平均值的波動范圍2006年為38～47，2007年為39～43，2008年為40～57，2009年為45～52，2010年為53～65，2011年為54～61，2012年為50～57，2013年為49～54；4個采樣點的TLI均值暴河口斷面、燕子峪斷面2007年最低，潘家口斷面、潘壩上斷面2006年最低，暴河口斷面、潘家口斷面2010年最高，燕子峪斷面、潘家口斷面2011年最高。

4個采樣點的TSIM平均值的波動范圍2006年在33～43之間，2007年在34～38之間，2008年在35～54之間，2009年在43～52之間，2010年在56～68之間，2011年在59～63之間，2012年在50～57之間，2013年在48～51之間；4個采樣點的TLI均值暴河口斷面2007年最低，燕子峪斷面、潘家口斷面、潘壩上斷面2006年最低，暴河口斷面、潘家口斷面2010年最高，燕子峪斷面、潘家口斷面2011年最高。

2.4 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI、TSIM)的季節(jié)變化

由于潘家口水庫冬天庫區(qū)結(jié)冰，庫區(qū)內(nèi)無法采集水樣，故只對春夏秋3個季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計，見圖5、圖6。2011年，潘家口水庫的TLI、TSIM春夏明顯比其他年份高，2010年秋季TLI、TSIM明顯比其他年份高。2006～2008年，TLI、TSIM春季最低、2009～2010年夏季最低，2006～2010年秋季最高，2011～2013年秋季最低，2011年夏季最高，2012～2013年春季最高。2006～2009年，除2009年春季外，其它全年處于中營養(yǎng)狀態(tài)；2010～2013年，除2010年 秋天、2011年夏天處于中度富營養(yǎng)化、2013年秋天處于中營養(yǎng)外，其它處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。

圖5 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI季節(jié)性變化

圖6 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLIM季節(jié)性變化

3 結(jié) 論

3.1 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)變化情況

圖3、圖4表明，總體上潘家口水庫從暴河口斷面到潘壩上斷面TLI和TSIM值呈現(xiàn)下降的趨勢，這與湖庫營養(yǎng)鹽梯度相一致，即上游的營養(yǎng)鹽濃度高、下游的營養(yǎng)鹽濃度低。營養(yǎng)狀態(tài)水平在水流方向上呈梯度下降。上游不斷的有雨水注入，帶入大量的營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致上游營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)高于下游。

圖5、圖6表明潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)的季節(jié)變化與湖庫的水位變化相對應(yīng)，夏秋豐水期升至峰值，冬春枯水期降至谷值，這充分顯示了汛期入庫的污染物在湖庫中的沉降、消解的過程。圖5、圖6表明，除2012、2013年春季最高外，其它年份均出現(xiàn)在夏天或秋天。

3.2 影響潘家口水庫水質(zhì)的因素

影響潘家口水庫水質(zhì)的因素包括上游工業(yè)及生活污水的影響、水庫周邊工業(yè)污染、日益增加的網(wǎng)箱養(yǎng)魚對水庫富營養(yǎng)化起到加速作用、水庫周邊旅游生活設(shè)施的污染以及降水帶入的大量營養(yǎng)鹽等。2011年7月累計降雨量388.9 mm，2012年7月21日降雨平均雨量250 mm，6月累計降雨量220.6 mm，7月累計降雨量353.6 mm，2013年7月累計降雨量238.9 mm，2011～2013年大量雨水入庫，帶入營養(yǎng)鹽的同時也降低了庫區(qū)營養(yǎng)鹽的溶度，使庫區(qū)內(nèi)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)出現(xiàn)負(fù)增長。

總之，通過對潘家口水庫8年來營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI和TSIM值的分析，潘家口水庫由中營養(yǎng)向輕度富營養(yǎng)過度。因此，需要采取嚴(yán)格有效的保護(hù)管理辦法，加大潘家口水庫上游地區(qū)污染企業(yè)的治理力度，逐漸減少并取締水上旅游活動、網(wǎng)箱養(yǎng)魚，并采取修復(fù)措施來減緩其富營養(yǎng)化的進(jìn)化過程。