大黑汀水庫水質時空變化特征及下游引水策略

吳 濤,王建波,楊 潔,郝志香

(天津市水利科學研究院,天津 300061)

大黑汀水庫作為唐山市及下游居民生活用水和工農業用水的水源地，識別其水質變化趨勢和時空特征是合理開發、保護水資源的基礎工作[1]。有關大黑汀水庫水環境變化及污染的研究多有報道，陳勇等[2]基于2006—2014年大黑汀水庫水環境因子調查，發現總氮和總磷是該水庫的主要污染物；暴柱等[3]研究發現，自2012年開始大黑汀水庫總磷迅速升高，水質總體上處于Ⅳ類水水平；王燕等[4]對灤河干流水質狀況分析表明其水體主要污染物為氨氮、總磷和六價鉻，對浮游植物的監測分析發現大黑汀水庫優勢種群由原來的硅藻向藍藻、綠藻、硅藻門變化；通過對大黑汀水庫水體污染空間特征的分析，楊晨昱等[5]發現大黑汀水庫表現出從上游到下游污染逐漸加重的趨勢，表明大黑汀水庫來自水庫內部的污染對水庫污染有較大的貢獻。事實上，2000年后隨著水庫上游和周邊的經濟社會快速發展，尤其是庫區養魚網箱的迅速增加，大黑汀水庫的水質和水生態狀況持續惡化[6]。2016年11月至2017年6月河北省開展了潘家口水庫和大黑汀水庫養魚網箱的拆除工作，據水利部海河水利委員會水環境監測中心2017年10月監測數據，大黑汀水庫總磷較治理前下降了85%，逐步達到Ⅲ類水質。目前關于大黑汀水庫養魚網箱拆除后水質特征的研究還相對較少，其氮磷污染與富營養化的時空變化特征還不清楚。本文基于2018年大黑汀水庫不同季節的水質監測數據，對養魚網箱拆除后水體氮磷時空分布與富營養化特征進行了分析，以期為大黑汀水庫氮磷污染防治及下游于橋水庫引水決策提供參考。

1 研究區概況

大黑汀水庫(40°11′N～40°21′N，118°15′E～118°19′E)位于唐山市遷西縣城北5 km的灤河干流上，1986年建成，控制流域面積3.51萬km2，總庫容3.37億m3。大黑汀水庫地處暖溫帶大陸性季風氣候區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。大黑汀水庫上接潘家口水庫，兩庫聯合運用發揮防洪、供水作用。大黑汀水庫作為引灤系列工程之一，通過灤河干流向唐山市及下游供水，發揮了巨大的經濟效益和社會效益，緩解了天津市多年來的水源危機。由于長期的網箱養魚，近年來大黑汀水庫底泥積累了大量的污染物，水體水質嚴重惡化。

2 樣品采集與分析方法

采用Excel 2013和SPSS 22.0 進行數據處理與分析，用OriginPro 2017軟件作圖。不同季節和空間水庫水體營養鹽質量濃度的差異采用單因素方差分析法分析，用“平均值±標準差”的形式表示數據的均值及離散程度。

3 結果與分析

3.1 表層水體營養鹽季節變化特征

(a) 氮質量濃度

(b) 磷質量濃度圖1 大黑汀水庫不同季節水體營養鹽變化特征Fig.1 Variation characteristics of water nutrients in different seasons of Daheiting Reservoir

硝態氮是表層水體無機氮的主要形式，冬春夏秋4個季節其在DIN(包括氨氮、硝態氮和亞硝態氮)中的質量濃度占比分別為98.41%、94.59%、93.02%和94.70%，而DIN在總氮中的占比分別為15.10%、55.66%、73.83%和94.35%。冬春夏秋4個季節表層水體中溶解性磷酸鹽在總磷中的質量濃度占比分別為8.31%、63.60%、19.80%和60.59%。水體中的氮形態具有明顯的季節性差異，其中夏秋季水體中的氮主要以DIN的形式存在，而冬季DIN占比最小。冬季水體中DIN和磷酸鹽占比最小，說明水體中顆粒態物質較多，而水體水華顆粒物及底泥懸浮顆粒物對水體總氮和總磷質量濃度有較大的影響[11-13]。此外，冬季取暖產生的煙塵以及降雪等也會使得水體中顆粒態氮磷增多。夏秋季大黑汀水庫水體溶解性氮磷相對較多，藍藻水華頻發，冬季則無藍藻產生。雖然冬季水體總氮和總磷質量濃度較高，但溶解性氮磷質量濃度低于夏秋季，這從側面說明了相較于總氮和總磷，水體中的DIN及活性磷是影響藻類暴發的關鍵因子。

3.2 表層水體營養鹽時空分布規律

表1為大黑汀水庫表層水體營養鹽質量濃度空間差異的顯著性，圖2為大黑汀水庫表層水體營養鹽質量濃度時空分布特征，可以看出，總氮質量濃度在冬春夏季的空間差異不大，僅在秋季表現出顯著差異，上游總氮質量濃度高于中下游；氨氮質量濃度在冬季差異顯著，冬季中游質量濃度高，春夏季則上游質量濃度高，秋季則無顯著差異；硝態氮質量濃度僅在秋季表現出顯著差異，其空間特征與總氮相似；亞硝態氮質量濃度僅在春季表現出顯著差異，大小順序為下游、中游、上游；總磷和磷酸鹽質量濃度在冬春夏季表現出顯著差異，總磷質量濃度冬夏季表現出大小順序為中游、上游、下游的空間特征，而春季則表現出上游高、下游低的空間特征；磷酸鹽與總磷質量濃度的空間特征在冬春季相似，不同的是夏季磷酸鹽質量濃度表現出大小順序為上游、下游、中游的空間特征。

表1 大黑汀水庫表層水體營養鹽質量濃度空間差異顯著性Table 1 The significance of spatial differences of nutrients concentration in surface water of Daheiting Reservoir

注：顯著性水平為0.05。

(a) 總氮

(b) 氨氮

(c) 硝態氮

(d) 亞硝態氮

(e) 總磷

(f) 磷酸鹽圖2 大黑汀水庫表層水體營養鹽質量濃度時空分布特征Fig.2 Spatio-temporal distribution characteristics of nutrients concentration in surface water of Daheiting Reservoir

圖3為大黑汀水庫表層水體全年營養鹽空間特征，可以看出，在全年尺度上，水庫表層水體總氮和硝態氮質量濃度表現為上游高、下游低，而氨氮和亞硝態氮表現為下游高、上游低；總磷質量濃度表現為上游和中游較高，下游較低，而磷酸鹽表現為上游高、下游低。陳勇等[2]研究發現大黑汀水庫總氮除了受到上游潘家口水庫下泄水的影響外，更受到上游灑河來水的影響。灑河途經灑河鎮，周邊居民生活污水和鐵礦廠工業廢水[14]可能是造成大黑汀水庫上游氮磷質量濃度較高的原因。大黑汀水庫上、中、下游平均水深分別為(4.11±0.70) m、(7.69±3.69) m和(16.87±5.44) m，上下游不同的水深伴隨著不同的氧化還原環境，其上、中、下游的氧化還原電位分別為(170.01±20.84) mV、(126.36±9.67) mV和(115.34±9.91) mV，上游相對較高的氧化環境使得水體中的無機氮向硝態氮轉化，而下游相對較低的氧化環境使得無機氮向氨氮和亞硝態氮轉化?？偭缀土姿猁}質量濃度在中上游明顯高于下游，下游水域開闊，較大的水量稀釋了來自中上游的總磷質量濃度較高的水體。大黑汀水庫中游是網箱養殖最集中的區域，該區域來自污染沉積物內源釋放的磷可能是造成中游磷質量濃度和上游同樣較高的原因。楊晨昱等[5]研究發現大黑汀水庫從上游到下游污染逐漸加重(養魚網箱拆除前)，而本文研究發現該水庫上游比下游污染嚴重，說明大黑汀水庫養魚網箱拆除后，其水質污染源特征發生了改變，網箱養魚造成的內源污染變小。相關研究[15-16]表明，總磷質量濃度在0.02～0.05 mg/L的水體為中營養型，0.05～0.09 mg/L為富營養型，因此大黑汀水庫下游水體為中營養型，而中上游達到了富營養型。

(a) 總氮

(b) 氨氮

(c) 硝態氮

(d) 亞硝態氮

(e) 總磷

(f) 磷酸鹽圖3 大黑汀水庫表層水體全年營養鹽空間特征Fig.3 Spatial characteristics of nutrients concentration in surface water of Daheiting Reservoir

3.3 水庫水質分層特征

圖4為大黑汀水庫水溫和溶解氧垂向變化特征。12月水庫上下層水體水溫一致，壩前比庫心高 1.25 ℃，差異顯著(P<0.05)；4月、8月和10月存在明顯的溫度分層，隨著春季到來氣溫回升，庫區表層水溫開始升高，而下層水溫上升緩慢，8月表層和20 m深度水溫差異達13.3 ℃，形成明顯的溫躍層，而壩前和庫心的水體溫差不顯著。水溫是影響水密度的重要因素[17]，由熱分層引起的水體分層使得上下層水體缺乏交換，進而影響水體溶解氧的傳遞[18]。溶解氧質量濃度季節差異明顯，4月和12月較高，12月無明顯分層特征，4月水體底部略有降低；8月在0～5 m范圍內明顯變小，5 m以下壩前位置垂向無較大變化，庫心位置繼續隨深度增加而降低；10月有一個明顯的分層特征，在10 m以上較高，平均為10.1 mg/L，在10～15 m范圍急速降低，在 15 m 以下平均為1.9 mg/L，處于厭氧狀態。壩前和庫心溶解氧質量濃度在12月差異顯著(P<0.05)，其他季節無明顯差異。

(a) 水溫

(b) 溶解氧圖4 大黑汀水庫水溫和溶解氧垂向變化Fig.4 Vertical variation of water temperature and dissolved oxygen in Daheiting Reservoir

圖5為大黑汀水庫水體氮磷和CODMn垂向變化。壩前和庫心水體總氮質量濃度10月差異顯著(P<0.05)，壩前比庫心平均高0.17 mg/L，其他3個月壩前和庫心總氮差異不顯著。硝態氮是水體氮的主要成分，其變化特征與總氮相似。氨氮質量濃度4月隨深度增加而增大，8月則相反，10月隨深度波動增加，12月垂向無明顯變化?？偭踪|量濃度的垂向變化在壩前和庫心無顯著差異，8月隨深度增加逐漸增大，10月垂向變化較小，12月和4月波動中略有增大。CODMn質量濃度季節差異明顯，10月顯著高于4月、8月和12月，除8月垂向逐漸減小外，其他月垂向變化特征不明顯；4月和10月壩前水體CODMn質量濃度顯著高于庫心(P<0.05)，8月和12月則差異不顯著。

水體季節性熱分層是引起水體溶解氧分布、底泥營養鹽釋放等過程變化的主要因素，對生物新陳代謝和物質分解過程起著重要作用[19-20]。夏季底層水體低溫和相對較低的溶解氧質量濃度促進沉積物磷的釋放，導致底層水體總磷質量濃度高于表層。而夏季較強的光照、較高的水體總氮和總磷質量濃度(圖5)促進藻類的暴發，通過水氣界面及藻類的光合作用進行復氧[21]，使得8月水體垂向上有相對較高的溶解氧水平。在之后的藻類死亡分解過程中，產生大量的有機物，使得秋季水體CODMn質量濃度升高，受風向和水流影響，藻類往下游壩前匯集，這是導致壩前水體CODMn質量濃度高于庫心的原因。秋季藻類死亡降解消耗大量的溶解氧，使得秋季底層水體溶解氧質量濃度快速降低，側面反映了大黑汀水庫藻類生長與消亡的過程。

(a) 總氮

(b) 氨氮

(c) 硝態氮

(d) 總磷

圖5 大黑汀水庫水體氮磷和CODMn垂向變化
Fig.5VerticalvariationofN,PandCODMninDaheitingReservoir

表2 大黑汀水庫水體氮磷比時空分布Table 2 Spatio-temporal distribution of nitrogen phosphorus ratio in Daheiting Reservoir

4 討 論

4.1 水體氮磷污染特征

氮磷是引起湖庫水體富營養化的重要環境因子[22-24]，氮磷比是判斷水體富營養化及其限制因子的一個重要參數[16,25]。浮游植物健康生長及生理平衡所需氮磷原子比為16∶1，其比值小于16表明氮為浮游植物生長的限制因子，大于16則磷為浮游植物生長的限制因子[26]。由表2可知，大黑汀水庫水體的氮磷比在40.42～220.98之間，平均值顯著高于16，因此磷是大黑汀水庫水體富營養化的主要限制因子。大黑汀水庫水體氮磷比在時間上表現為夏季最低，冬季最高；在空間上表現為中游最低，下游最高。藍藻水華暴發會導致氮質量濃度下降，磷質量濃度升高，氮磷比減小，Schindler[27]研究發現低氮磷比能誘導藻類大量生長，認為低氮磷比更易導致藍藻水華的暴發。許海等[28]研究發現，當氮磷比較充足時(磷質量濃度達到2 mg/L)，氮磷比對藻類的生長不再具有顯著影響，而當磷質量濃度在0.02～0.20 mg/L時，不同的氮磷比能顯著抑制或者促進藻類的生長，低氮磷比是藍藻水華暴發導致氮質量濃度下降、磷質量濃度升高的結果。大黑汀水庫水體總磷質量濃度小于0.1 mg/L，且其在夏季最高(圖1)，而氮磷比在夏季最低，因此夏季極易發生藍藻水華現象。此外，大黑汀水庫獨特的地理特征也造成了各個區域的水量大小不一，其對水體氮磷比也有較大影響[16]，下游較大的水量和相對較低的磷質量濃度是導致下游氮磷比較高的原因。因此磷是大黑汀水庫水體富營養化的限制因子，磷質量濃度增大會顯著地促進藻類的生長。

富營養化的發生受多種因素的影響，如溫度、流速等，但最主要的是水體中氮磷等營養物質充足[8]。國內外水體的治理經驗都表明，控制外源氮磷的輸入是抑制水體藍藻水華暴發的根本途徑[29]。對于污染富集嚴重的沉積物，其仍能在長時間尺度上通過沉積物-水界面向上覆水體釋放營養鹽，當外源污染得到控制后，控制來自沉積物的內源氮磷負荷對于水體治理同樣至關重要[30]，大黑汀水庫內源負荷遠高于國內其他富營養化湖庫，必須重視水庫由于長期的網箱養殖等人為活動導致的沉積物污染及內源負荷[31]。針對大黑汀水庫水體富營養化問題，應采取“控源截污、生態修復”的策略，通過阻止外源輸入、改善庫區沿岸帶生態環境、采用底泥疏浚及生態修復等手段對水庫進行綜合治理。應加強工業污染治理和農村城市生活污染源治理，提高上游污水處理廠效率；此外，要加大農業面源治理力度，減少水庫周邊化肥、農藥、除草劑的使用量[4]。因為春季上游和夏季中上游較高的氮磷質量濃度和較低的氮磷比，有關部門應著重加強對中上游水質變化的監控。

(a) 總氮

(b) 氨氮

(c) 硝態氮

(d) 總磷

(e) 磷酸鹽圖6 養魚網箱拆除前后大黑汀水庫水質比較Fig.6 Comparison of water quality before and after the removal of fish cages in Daheiting Reservoir

4.2 養魚網箱拆除前后水庫水質特征

大黑汀水庫養魚網箱于2017年5月拆除完畢，采用2016年7月至2017年5月的月平均值代表養魚網箱拆除前水庫水質特征，2017年6月至2018年11月的月平均值代表養魚網箱拆除后水庫水質特征，養魚網箱拆除前后水庫水質變化情況如圖6所示。總體上網箱拆除前后總氮質量濃度無顯著差異(P=0.167>0.05)。氨氮質量濃度表現出隨深度增加逐漸變大的趨勢，網箱拆除后質量濃度顯著降低(P=0.01),平均降低48.34%～67.47%。硝態氮質量濃度表現出與總氮相似的分布特征，網箱拆除前后無顯著變化(P=0.247>0.05)。總磷和磷酸鹽表現出相似的時空分布特征，在10 m以下水深隨深度增加磷質量濃度逐漸增大，且在養魚網箱拆除后，水體磷質量濃度顯著降低(總磷:P=0.004;磷酸鹽:P=0.005)，較網箱拆除前，總磷和磷酸鹽質量濃度分別下降了61.91%～83.28%和67.03%～86.09%。因為磷是大黑汀水庫水體富營養化的限制因子，養魚網箱拆除能有效降低水庫水體磷質量濃度，進而發揮出改善水庫水質、遏制富營養化進程及防治藍藻水華暴發的作用。

5 下游于橋水庫的引水策略

于橋水庫是引灤入津工程的重要調蓄水庫，同時又是天津市工農業和生活用水的主要水源地[32]，大黑汀水庫是于橋水庫重要的水源補給水庫，每年通過于橋水庫主要入庫河流黎河向于橋水庫供水，據統計，2010—2018年于橋水庫每年從大黑汀水庫引水1.0～9.5億m3，年均引水量為4.6億m3。為盡可能地避免或減小引水對于橋水庫水質的負面影響，要科學制定于橋的引水方案。

大黑汀水庫的下游水質要優于中上游，而大黑汀水庫的引水閘門位于下游大壩，這對于橋水庫的引水有著積極的意義。根據大黑汀水庫水質的季節變化特征，在引水時機的選擇上要避免冬季引水，尤其是冬季春初冰雪消融時期。在引水高度的選擇上，建議選擇中層水柱，原因是：大黑汀水庫夏秋季節表層水柱中藻類聚集現象明顯，而且還存在漂浮陸源的新鮮有機質及其他漂浮物；具有分層現象的湖庫底層水柱尤其是沉積物-水界面處水柱通常含有較高的營養鹽[33]，而大黑汀水庫總磷存在分層現象，且表層5 cm左右沉積物呈果凍狀懸浮體，非常容易發生再懸浮導致營養鹽釋放，引水時應盡量避免擾動下層水柱尤其是沉積物-水界面及表層沉積物。

6 結 論

a. 大黑汀水庫表層水體中總氮質量濃度在冬季最高，夏秋次之，春季最低；總磷質量濃度在冬夏較高，春秋次之。硝態氮是水體DIN的主要成分。

b. 總氮、硝態氮、總磷和磷酸鹽的質量濃度在水平方向上呈現自上游到下游逐漸減小的趨勢，垂向上水體總氮、硝態氮和總磷質量濃度8月最高，CODMn質量濃度10月最高。水體熱分層主要出現在夏秋季節，溶解氧分層主要表現在秋季。養魚網箱拆除后顯著降低了水庫總磷和磷酸鹽質量濃度，氨氮質量濃度也顯著降低，總氮和硝態氮質量濃度無顯著變化。

c. 大黑汀水庫水體氮磷比表明磷為水庫水體富營養化的限制因子。氮磷比在夏季最低，冬季最高，中游最低，下游最高。較高的氮磷比使得大黑汀水庫對磷比較敏感，養魚網箱拆除能顯著降低水庫磷質量濃度，進而可有效遏制富營養化進程。

d. 下游于橋水庫要避免冬季引水，尤其是冬季春初冰雪消融時期；引水口高度建議選擇中層水柱，應盡量避免引用表層水柱及擾動底層水柱。