大伙房水庫水體富營養化及其影響因素分析

劉韶華

（撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

大伙房水庫是遼寧省最大的水庫，其城市供水已成為大連、盤錦、營口、鞍山、遼陽、沈陽、撫順等7個城市近2000萬人的飲用水源。長期以來，大伙房水庫總氮、總磷含量一直超過國家ΙΙ類水體標準，庫區總氮單獨評價為劣V類，是導致水庫富營養化的關鍵指標［1］。水庫污染主要來自旅游、生活、農業和工業4個方面。為預測大伙房水庫的水環境質量狀況，多位學者建立了各種水質模擬模型。張穎純等［2］建立了大伙房水庫藍藻優勢度和浮游植物豐度預測預報的人工神經網絡模型；陳藜藜等［3］通過二維生態水質動力學模型對碳生化需氧量和溶解氧的變化過程進行了較好模擬；尚佰曉等［4］基于FVCOM水動力數值模型與WASP建立的水質模型相耦合，對大伙房水庫的水質敏感因子進行研究，比較了通水前后水庫水質因子的變化情況。本文基于RCA模型建立了大伙房水庫水質模型，對不同水質要素進行模擬，分析了各水質要素空間分布規律及其隨時間的變化特征，并研究了各河流營養鹽輸入對水庫水質要素的影響，為大伙房水庫水資源可持續利用及水質管理提供理論指導。

1 大伙房水庫概況

1.1 水庫水質監測情況

大伙房水庫是遼寧省最大的水庫。位于撫順市東部，建成于1958年，最大蓄水面積114km2。水庫的主要功能有發電、養魚、工業及城市用水、灌溉、防洪等。為搜集積累水質資料、掌握水庫水質變化規律，共設 7個監測斷面，如圖1。其中社河、蘇子河、渾河3條河流入庫口分別設置監測斷面，分別為臺溝、鼓樓和北雜木；出庫口設1個出庫斷面，撫順取水口；庫區設置3個監測斷面，分別為渾7、渾37和渾73，分別對每個斷面平、豐、枯3個水期進行監測，每個水期采樣2次。

圖1 大伙房水庫水質監測斷面

1.2 模型設置

基于質量守恒原則建立RCA水質模型，考慮了物質進入或離開水體的所有過程，包括物質在水體內的擴散、對流過程，水體外界的輸入過程及其自身的生物、化學和物理轉化過程。一般地，物質的外部輸入源包括：大氣沉降、地表降水攜帶、暴雨排水管道溢流、聯合排水管道溢流、城鎮生活廢水排放和工業廢水排放等。

RCA水質模型的基本方程為：

式中 c為水質因子濃度（mg/L）；t為時間（s）；E為擴散系數（m2/s）；U為對流速度（m/s）；S為水質因子的內部源（mg/（m·s））；W為外部源（mg/（m·s））。

根據水質監測資料，利用RCA水質模型對大伙房水庫富營養化進行模擬計算。

RCA水質模型中的水質變量包括：溶解氧（DO）、1種形態的碳 （LDOC）、3種形態的氮（LDON，NH4T，NO23）、2種形態的磷（LDOP，PO4T）。 本次采用離線方式對大伙房水庫富營養化進行模擬，水質模型從2017年4月1日開始運行至當年的12月1日，水質時間步長為10min，水動力時間步長設定為30s。

2 結果與討論

B處各水質要素的實測結果與計算結果的對比，如圖2。

圖2 B處水質要素的模擬值與實測值對比

可以看出，該站實測和模擬的次表層溶解氧均呈現出明顯的季節變化：春季溶解氧濃度保持在較高的水平，為9.41～10.40mg O2/L；夏季隨著水庫水位降低、浮游植物生長、氮磷營養鹽輸入增加、溫度層化出現，溶解氧濃度逐步下降，在秋初達最低，為4.95mg O2/L；秋季隨著浮游植物消亡、氮磷營養鹽輸入減少、水溫降低、水體垂向混合加強，溶解氧濃度迅速上升。模型很好地再現了模擬時段從富氧到缺氧再到富氧及溶解氧的濃度變化過程。模擬的總氮、硝酸鹽氮和氨氮的變化趨勢與實測值吻合良好，整個春季氨氮濃度較低，為0.06mg N/L；夏季，河流向水庫輸入的氨氮增長較多，但浮游植物生長需要吸收及硝化作用等，導致氨氮濃度增長較小，最大為0.17mg N/L；秋季后，河流輸入氨氮減少，氨氮濃度逐漸回落；硝酸鹽氮的變化過程同氨氮類似，而總氮變化趨勢不明顯，濃度相對其他水質要素較高。在整個年度內，葉綠素a濃度均處于較低水平。夏季隨著河流輸入無機磷、無機氮，浮游植物在營養鹽較充足的條件下開始生長，夏末其濃度達到最大，10月上旬以后葉綠素a濃度逐漸減小，主要由于水溫下降導致浮游植物消亡。

測站G處水質要素計算結果與實測結果對比，如圖3。

圖3 G處水質要素模擬值與實測值對比

可以看出，該測點對渾河水質要素的輸入有很明顯的響應，由于該測點水深較淺，葉綠素a、總磷、總氮、硝酸鹽氮和氨氮的季節變化非常明顯，夏初增長迅速、秋初明顯下降。其中葉綠素a和總磷的變化較為突出，溶解氧濃度在8月末初達到最小。

通過分析，最低、最高庫水位的溶解氧濃度、總磷、總氮和葉綠素a在表層的分布情況，可以看出，葉綠素a在撫順取水口保持在較低的濃度水平。夏初，高葉綠素a濃度一般分布在蘇子河、渾河下游和社河上游；秋季庫中葉綠素a濃度幾乎為零。對比可以看出葉綠素a與磷、氮的分布密切相關，而且葉綠素a與總磷的相關性更強。同時，表層溶解氧濃度夏秋兩季分布有較大不同。6月中旬水體溫度出現了明顯分層現象，導致了溶解氧濃度在表底層存在差異。但并不是所有區域的溶解氧濃度都是表層低而底層高：蘇子河、渾河下游段及兩河交匯處溶解氧濃度表層高于底層，而社河下游、庫首及庫中溶解氧濃度表層低于底層，可能是由于浮游植物的光合作用引起此處表層溶解氧濃度升高。10月中旬水庫溫度分層現象已消失，水體混合均勻，表層和底層溶解氧濃度幾乎相同。總的來說，實測數據與模型計算數據吻合較好，模型很好地再現了各水質要素的濃度變化過程。

3 河流營養鹽輸入對水庫富營養化的影響

為降低水體中各類水質要素的濃度水平，改善大伙房水庫的水環境質量，對排放進入水庫的污染源進行控制并削減其排放總量。本次設計了3組數值試驗，如表1。

表1 數值試驗

續表1

3.1 S0組

兩種工況下撫順取水口水質要素如圖4。

圖4 水質要素在不同營養鹽輸入時的計算值對比

在將磷、氮輸入同時減少一半后，溶解氧濃度在水體出現溫度分層后有所增加，最大增幅可達24.45%，溫度分層消失后溶解氧濃度趨于一致；總磷、總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度均降低，其中隨時間推移總氮和硝酸鹽氮降幅逐步加大，總磷在9，10月份降幅較大，氨氮在7月底8月初降幅最大；葉綠素a濃度最高可下降74.21%。可見，減少上游磷、氮輸入能限制浮游植物生長、降低營養鹽濃度水平、明顯改善夏季庫內的缺氧狀況。

3.2 S1組

各試驗工況下撫順取水口水質要素如圖5。

圖5 水質要素在氮輸入減少時的計算值對比

在蘇子河和渾河的氮輸入分別減少一半時，溶解氧濃度僅有極微小的變化，撫順取水口處的葉綠素a和總磷濃度均沒有變化，總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度變化各工況有所不同。同時減少各河流氮輸入（E11）時總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度的降幅遠比分別減少渾河（E12）和蘇子河（E13）的氮輸入時要大。而在分別減少蘇子河和渾河的氮輸入時，撫順取水口處的總氮、硝酸鹽氮和氨氮濃度的歷時曲線互相糾纏，表明兩條河流的氮輸入對撫順取水口處總氮、硝酸鹽氮和氨氮的影響相當。

3.3 S2組

各試驗工況下撫順取水口水質要素如圖6。

圖6 水質要素在磷輸入減少時的計算值對比

在蘇子河和渾河的磷輸入分別減半時，撫順取水口處的溶解氧濃度均增加，且增長幅度差別較小；總氮幾乎不變，硝酸鹽氮、氨氮濃度有很小的下降；葉綠素a、總磷濃度均有所下降，且蘇子河磷輸入減半時（E23）降幅大于渾河磷輸入減半（E22）。表明蘇子河的磷輸入對撫順取水口處浮游植物生長和總磷的貢獻大于渾河。

綜合分析，大伙房水庫的浮游植物生長是磷限制的，減小各河流磷輸入將會有效降低庫內葉綠素a的濃度，控制蘇子河的營養鹽輸入更為適宜。但是由于水庫總氮濃度一直處于較高水平，對各河流氮排放總量進行控制也應引起足夠的重視。

4 結語

基于RCA模型建立了大伙房水庫水質模型，對不同水質要素進行模擬，分析了各水質要素空間分布規律及其隨時間的變化特征，并研究了各河流營養鹽輸入對水庫水質要素的影響，主要得出以下結論：

（1）模擬得到的水質要素與監測點位的實測值與符合良好，將各河流磷、氮營養鹽輸入均減半時，能夠減小水庫葉綠素a、氮、磷營養鹽濃度，明顯增加水體夏季溶解氧濃度。

（2）減少各河流氮營養鹽輸入對浮游植物生長、總磷和溶解氧幾乎沒有影響，僅對總氮、硝酸鹽氮、氨氮和濃度產生影響；而減少各河流磷營養鹽輸入卻可以減小葉綠素a、總磷硝酸鹽氮和氨氮的濃度水平，降低水體富營養化程度。

（3）渾河、蘇子河的氮輸入對撫順取水口處各水質要素的影響相當，減小蘇子河的磷輸入能更有效地降低撫順取水口處的葉綠素a濃度。該研究以期為大伙房水庫水資源可持續利用及水質管理提供理論指導。