蘑菇湖水庫水質時空變化及富營養化特征分析

孫宇穎 ， 費長龍

（新疆生產建設兵團生態環境第一監測站，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

地表水環境質量的優劣直接關系到經濟社會的發展，社會經濟的不斷發展和人類生產活動的不斷增加給河流、湖庫等地表水體帶來了極大的環境風險。大量的氮、磷等營養物質進入水中，導致水體水質污染和水體富營養化程度日益嚴重[1]。相較于河流，湖庫水體更新時間更長，氮、磷等營養元素更容易積累而導致湖庫水體富營養化[2]。

蘑菇湖水庫于1958年建成，位于石河子市西北21 km處的一處自然洼地，是石河子墾區內最大的天然洼地型人工內陸平原水庫。水庫地處瑪納斯河西岸，地理坐標為東經84°46′30″~86°51′14″，北緯43°26′36″~44°37′17″，總庫容1.8億m3，有效庫容1.4億m3，水庫最大蓄水面積31.61 km2，水源主要為瑪納斯河水、沙灣河和千泉湖洪水、冬閑水、上游泉水及灌溉余水，同時接納石河子市工業及生活污水。

近年來，隨著城市人口的不斷增加，工業的迅速發展，生活污水及工業廢水排放量不斷增加，各種污染物也隨之增加。大量生活污水和工業廢水流入水庫，導致水庫的水環境不斷惡化，水質長期處于劣Ⅴ類狀態，且污染物長期累積，導致水庫內源污染嚴重[3]，水體呈富營養化狀態，已影響下游的灌溉安全和水庫周邊的生態環境[4]。

1 數據與方法

1.1 數據來源

根據蘑菇湖水庫的特點，在水庫設置5個監測斷面，分別是進水區、出水區、湖心區、淺水區、岸邊區。根據取樣范圍，測出這幾個區域所占水庫水域面積分別為20%、20%、40%、10%、10%。監測結果顯示，蘑菇湖水庫的污染指標以化學需氧量、總氮、總磷為主，本研究數據來源于2013—2020年各采樣點監測的年均值。

1.2 評價方法

本研究對蘑菇湖水庫的主要水質指標進行時空變化規律分析，采用中國環境監測總站《地表水環境質量評價辦法（試行）》對水庫水環境質量狀況進行評價，采用綜合營養狀態指數法對湖泊營養狀態進行評價，從而為蘑菇湖水庫水污染防控及可持續發展提供支撐。

2 結果與分析

2.1 pH值與溶解氧時空變化規律

2013—2020年，蘑菇湖水庫pH值在8.53~8.96之間，水體呈弱堿性，年度總體變化幅度不大。從監測年份上看，2015年pH值最小為8.53，2020年pH值最大為8.96。從監測斷面看，湖心區pH值相對較低，淺水區pH值相對較高，依次為湖心區<出水區<岸邊區<進水區<淺水區。

2013—2020年，蘑菇湖水庫溶解氧濃度在8.11 mg/L~12.6 mg/L之間，溶解氧濃度呈先降后升的趨勢，2018年最低為8.11 mg/L，2020年最高為12.6 mg/L。從監測斷面看，出水區溶解氧濃度相對較低，湖心區溶解氧濃度相對較高，溶解氧濃度依次為出水區<岸邊區<進水區<淺水區<湖心區，2020年各監測斷面溶解氧變化幅度較大。蘑菇湖水庫主要污染因子變化趨勢圖如圖1所示。

圖1 蘑菇湖水庫主要污染因子變化趨勢圖

2.2 總氮與總磷的時空變化規律

2013—2020年，蘑菇湖水庫總磷濃度變化幅度較大，年均濃度在0.328 mg/L~1.006 mg/L之間，呈“M”形的變化趨勢。2016年濃度最高為1.006 mg/L，超過《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，2020年濃度最低為0.328 mg/L，較2016年下降了67.4%，但仍然超過《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準。從監測斷面看，進水區總磷濃度最高，岸邊區總磷濃度相對較低，依次為岸邊區<湖心區<淺水區<出水區<進水區，總磷濃度最大值出現在2015年的進水區。不同斷面總磷年度變化如圖2所示。

圖2 不同斷面總磷年度變化

2013—2020年，蘑菇湖水庫總氮濃度在1.278 mg/L~10.63 mg/L之間，變化趨勢與總磷相一致。2016年濃度最高為10.63 mg/L，超過《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，2020年濃度最低為1.278 mg/L，較2016年下降了87.9%，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準限值要求。從監測斷面看，出水區總氮濃度最低，進水區總氮濃度最高，依次為出水區<岸邊區<湖心區<淺水區<進水區。不同斷面總氮年度變化如圖3所示。

2.3 化學需氧量與高錳酸鹽指數的時空變化規律

2013—2020年，蘑菇湖水庫的化學需氧量濃度在27.8 mg/L~44 mg/L之間，呈逐年下降的趨勢，個別年份略有升高。2013年濃度最高為44 mg/L，超過《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，2020年濃度最低為27.8 mg/L，較2013年下降了36.8%，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準限值要求。從監測斷面看，湖心區化學需氧量濃度最低，進水區濃度最高，依次為湖心區<岸邊區<淺水區<出水區<進水區。不同區域化學需氧量年度變化如圖4所示。

圖4 不同區域化學需氧量年度變化

2013—2020年，蘑菇湖水庫的高錳酸鹽指數濃度在5.37 mg/L~9.19 mg/L之間，呈現先升后降的趨勢。2017年濃度最高為9.19 mg/L，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準限值要求，2019年濃度最低為5.37 mg/L，較2017年下降了41.56%，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準限值要求。從監測斷面看，出水區高錳酸鹽指數濃度最低，進水區濃度最高，依次為出水區<湖心區<岸邊區<淺水區<進水區。不同區域高錳酸鹽指數年度變化如圖5所示。

2.4 水體營養狀態

本研究采用0~100的一系列連續數字對蘑菇湖水庫營養狀態進行分級，在相同營養狀態下，指數數值越高，其營養程度越高，水體富營養化的風險越高。2013—2020年，蘑菇湖水庫水質綜合營養狀態指數為65.6~76.4，水體呈現中度富營養化、重度富營養化狀態，且以重度富營養化為主。2013年、2014年水體富營養化程度較高，2015年略有所好轉，2016年水體富營養化程度最高，其后開始逐年降低，2020年水體營養狀態由重度富營養化轉為中度富營養化。變化趨勢與水體總磷、總氮變化趨勢相一致。水體營養狀態統計情況如表1所示。

圖5 不同區域高錳酸鹽指數年度變化

表1 水體營養狀態統計表

3 結論

從2013—2020年的監測結果看，蘑菇湖水庫水體呈弱堿性，水質為劣Ⅴ類，屬于重度污染水體，污染指標以總磷、總氮和化學需氧量為主，水庫水質2016年最差，2020年有所好轉，主要污染物濃度均大幅度降低，水體呈現中度富營養化狀態。從監測斷面看，水庫進水區污染物濃度相對較高，水庫出水區污染物濃度相對較低。

綜合蘑菇湖水庫分析結果，建議繼續按照“先控外源污染匯入，再治內源積累”的原則，加強對入庫水質的管理。加強對石河子市污水處理廠的運行管理，嚴格控制污水處理廠排放的廢水濃度，提高中水回用率，減少進入蘑菇湖水庫的污染物的總量。同時，及時清理河道淤泥與垃圾，加強河道長效管護，進行合理水量調蓄，保障生態用水，定期對入庫水質和水庫生態進行監測，切實改善蘑菇湖水庫水質。