水源地水庫富營養化演變及防治對策

摘要：基于長期監測數據分析水庫富營養化演變規律和影響因子，為制定防治對策提供依據。以浙江湖州老虎潭水庫為例，收集2009-2021年歷史數據，并于2022年3月-2023年2月開展為期1年的監測，分析水庫及入庫支流水質時空變化特征。結果表明，2009-2022年，老虎潭總體呈中營養狀態，總氮長期處于IV～劣V類水平，總磷多為III類，氨氮呈顯著下降趨勢（Plt;0.01），庫區不同臨測點水質和營養狀態差異較小。入庫支流水質明顯劣于庫區，是庫區氮、磷等營養鹽的主要來源；支流總氮、總磷分別以劣V類和IV類為主，2014-2022年僅硝酸鹽氮濃度顯著下降，2022年以來支流總磷濃度有所升高。氮主要來自農業面源污染，磷的來源較為復雜，包括農業、生活污水等多種途徑。總氮、總磷、氨氮三者顯著正相關，且與葉綠素a密切相關，反映出氮、磷輸入促進了藻類的生長。老虎潭水庫目前尚未見大面積藻華，但極端天氣或全球變暖可能加劇其富營養化風險。建議采取流域面源污染控制、河口濕地修復、水庫生態調控等措施加以防控。

關鍵詞：水源地；富營養化；長時間序列；入庫支流；老虎潭水庫

中圖分類號：Q142" " " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2024）05-0133-09

河湖水庫水質與城市供水安全及經濟社會可持續發展密切相關（Ma et al，2020；朱廣偉等，2024）。然而，近年來全球湖泊富營養化問題日趨嚴重：1982-2019年，248 243個研究湖泊中有21 878個湖泊（占8.8%）發生過藍藻水華（Hou et al，2022）。全球71個大型湖泊中68%的研究湖泊夏季淺層富營養化強度增加（Ho et al，2019），反映出全球湖泊富營養化加劇的總體態勢。我國湖庫富營養化問題同樣嚴峻。朱廣偉等（2024）對22個代表性城市水庫的調查發現，大多數水庫總氮已達到IV類水平，總磷多為III類水平。解鑫等（2023）指出，雖然我國湖庫氨氮、高錳酸鹽指數有所下降，但總氮、總磷仍是主要制約性指標，營養鹽超標會加重水體富營養化程度。我國60.2%的大型湖泊（103個）曾發生過藍藻水華，其中92%的湖泊藍藻暴發頻率呈上升趨勢，（Wang et al，2023）。值得注意的是，藍藻水華不僅存在于富營養化水體，即便在貧營養湖泊和低溫環境下也有可能暴發（Reinl et al，2021），一旦藍藻大規模暴發，將嚴重威脅供水安全。

入庫支流水質對下游水庫產生直接影響（Baldwin et al，2008；Feng et al，2022）。盡管大型河流在營養鹽輸入方面占據較大比重，然而小支流具備以可溶性無機態為主、濃度較高以及更易在近岸區域富集等特性（Mooney et al，2020）。Chen等（2021）在三峽水庫的研究也發現，雖然大河流占據了大部分營養鹽的輸入量，但小支流輸入的無機態營養鹽更易被水生生物利用，因此小支流對近岸區域富營養化影響顯著（Chen et al，2021）。系統研究水庫及入庫支流水質長期變化，分析水質影響因子，掌握水體污染來源和程度，對于控制入庫污染負荷、預防富營養化和水華、保障供水安全具有重要意義。

近年來極端天氣事件頻發，藍藻水華等問題加劇，即使是貧-中營養型水庫，也存在著偶發性的藍藻水華風險，會給供水安全構成嚴重威脅（陳文權等，2022）。老虎潭水庫作為湖州市主要飲用水源地，其水質狀況直接關系到公眾飲水安全。已有研究對老虎潭水庫周邊養殖污染（丁新新等，2012）、氮磷營養鹽和富營養化狀態（金樹權，2008；金培堅，2009；蔡臨明，2014；沈繼濤和郁聰，2015；李丹等，2018）、藻毒素與浮游生物（張愛菊等，2016；王奕棉等，2017；殷燕等，2022）等方面進行過調查。但對于老虎潭水庫水質和生物群落缺乏長時間尺度的系統研究。本文以老虎潭水庫及其支流為研究對象，分析2009-2023年水庫及支流水質變化趨勢，掌握流域水質空間特征，分析其影響因素，以期為老虎潭水庫水質安全管理提供科學依據。

1" "材料與方法

1.1" "研究區域概況

老虎潭水庫位于浙江省湖州市，是一座以防洪為主，結合供水，兼顧灌溉等綜合利用的水庫。壩址在東苕溪支流埭溪上游、吳興區埭溪鎮張村附近。水庫集水面積110 km2，總庫容9 966萬m3，正常蓄水量7 207萬m3，相應水面面積5.3 km2，調節庫容 6 813萬m3，防洪庫容3 503萬m3，屬于中型水庫。水庫日供水能力22萬m3，年供水量7 716萬m3，是湖州市中心城區的主要飲用水源。老虎潭水庫集水區內有莊上溪、大陳溪、小溪3條主要入庫支流，水庫目標水質為《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）II類。

1.2" "調查與測定方法

2022年3月-2023年2月在老虎潭水庫庫區布設5個監測點，分別為小溪入庫庫灣（L1）、大陳溪入庫庫灣（L2）、莊上溪入庫庫灣（L3）、庫中心（L4）、取水口（L5），在3條入庫支流上、下游布設8個監測點（圖1），開展每月1次的水質采樣監測，調查時間為每月下旬。2022年11月和12月受新冠疫情影響，未開展野外監測。

水質樣品采集、處理和分析參照《水和廢水監測分析方法》（第4版），樣品采集于500 mL聚乙烯塑料瓶，加酸后于0～4℃保存，隨即運回實驗室測試分析。使用YSI水質參數儀現場測定pH、溶解氧（DO）、電導率，用塞氏盤法測定透明度，在實驗室測定高錳酸鹽指數、總磷、氨氮、硝氮、總氮、葉綠素a。

2009-2021年老虎潭水庫長序列水質數據收集于老虎潭水庫水源地管理委員會，監測點位于取水口附近，2014-2021年3條入庫河流水質數據收集于湖州市中環原水有限公司。

1.3" "評價與統計分析方法

富營養化評價采用中國環境監測總站《關于印發湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定的通知》（總站生字[2001]090號）中推薦的綜合營養狀態指數法。選擇葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數作為老虎潭水庫富營養化評價指標。采用0～100的一系列連續數字對水庫營養狀態進行分級，同一營養狀態下，指數值越高，營養程度越重。

水質長期變化趨勢分析選擇Mann-Kendall趨勢分析法（趙健等，2019），屬于非參數檢驗，零假設為數據不存在趨勢，備擇假設為數據具有趨勢（可能是向上或者向下），如果Plt;0.05，說明時間序列數據具有趨勢，采用Sen’s斜率估計法計算水質變化趨勢的斜率β（Sen，1968；Gocic amp; Trajkovic，2013）。采用Pearson相關系數進行水質指標之間的相關性分析，當Plt;0.05時，水質指標具有顯著相關性。

統計分析在軟件SPSS Statistics 23中進行，監測點空間分布圖使用軟件ArcGIS 10.3制作，數據制圖使用軟件Origin 2021完成。

2" "結果與分析

2.1" "入庫支流水質時空變化

2.1.1" "入庫支流歷年水質變化" "老虎潭水庫入庫支流歷年水質變化趨勢見圖2。2014年-2023年2月，入庫支流高錳酸鹽指數和氨氮維持較低水平，總體不超過Ⅱ類水質標準限值（高錳酸鹽指數：4 mg/L，氨氮：0.5 mg/L）。總氮一直處于較高水平，大部分時段高于2 mg/L，硝酸鹽氮呈現相似的變化。2014-2020年，總磷在年內有波動，但年間變化較穩定，2021年有所降低，總體在Ⅱ類水平。2022年開始總磷逐步升高，2022年8月超過Ⅱ類水質標準限值（0.1 mg/L）。Mann-Kendall趨勢檢驗結果表明，2014-2022年，水庫入庫支流僅硝酸鹽氮濃度呈現明顯的下降趨勢（Plt;0.01），年平均下降率為-0.1466 mg/L，高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷均無顯著的變化趨勢。

2.1.2" "入庫支流水質空間分布" "2022年3月-2023年2月入庫支流上下游水質空間分布見圖3。高錳酸鹽指數在入庫支流上下游之間無明顯差異，均值不超于Ⅱ類水質標準（4.0 mg/L）。與高錳酸鹽指數變化規律一致，氨氮在入庫支流上下游之間無明顯差異，均值不高于0.1 mg/L，遠低于Ⅱ類水質標準（4.0 mg/L）。硝酸鹽氮在入庫支流上下游存在較大差異，莊上溪上游較高，為（3.23±1.19）mg/L。總氮在入庫支流上下游之間沒有明顯差異，總磷在入庫支流上下游存在較大的差異，大陳溪下游較高，為（0.124±0.051）mg/L，超過Ⅱ類水質標準（0.1 mg/L），大陳溪上游較低，為（0.029±0.010）mg/L。葉綠素a在入庫支流上下游之間無明顯的差異。

2.2" "庫區水質時空變化

2.2.1" "庫區歷年水質變化" "老虎潭水庫2009年-2023年2月水質變化見圖4。水庫高錳酸鹽指數和氨氮總體維持較低水平，長期低于Ⅱ類（高錳酸鹽指數：4 mg/L，氨氮：0.5 mg/L）。硝酸鹽氮和總氮先升高后下降，呈現出較為相似的變化規律。2009-2016年硝酸鹽和總氮先上升，且波動性較大，2017年逐漸下降，2019年后下降較明顯，但是總氮一直處于較高水平，按照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）為IV～劣V類。總磷在2015年10月和2020年6月出現最高值（0.092 mg/L），2017年9月也較高（0.078 mg/L）。從總體上看，2016年前，總磷大多在Ⅱ類水質標準以內波動，2016年之后，總磷波動較大，超標頻率變高，由2009-2016年的17.0%上升至2017-2022年的48.0%。葉綠素a濃度2012年5月出現最高值（72.85 μg/L），2013年5月（40.67 μg/L）和2022年4-5月（平均44.17 μg/L）也較高，其余時段較低。

Mann-Kendall趨勢檢驗分析結果（表1）表明：2009-2022年，老虎潭水庫僅氨氮濃度呈現明顯的下降趨勢（Plt;0.05），年平均下降率為-0.0095 mg/L。高錳酸鹽指數、硝酸鹽氮、總氮、總磷、葉綠素a均無顯著變化趨勢。

2.2.2" "庫區水質空間特征" "2022年3月-2023年2月，老虎潭水庫水質空間特征見圖5。高錳酸鹽指數在空間上波動不大，平均值為（2.37±0.75）mg/L，不超過Ⅱ類水質標準（4.00 mg/L）。氨氮、硝酸鹽氮、總氮在水庫空間分布上均無明顯差異，但總氮處于V類水質標準（2.0 mg/L）。總磷濃度在小溪入庫庫灣處L3較高，平均值為（0.032±0.009）mg/L，在其余監測點沒有明顯的差異。與總磷變化相似，葉綠素a在L3較高，其余點位變化不大，平均值為（16.63±16.25）μg/L。

2.3" "老虎潭水庫富營養化狀況

2022年3月-2023年2月老虎潭水庫不同監測點綜合營養狀態指數見圖6。水庫綜合營養狀態指數平均值為42.74，表明水庫總體處于中營養狀態，尚未達到富營養化狀態。由各指標的營養狀態指數計算結果可知，高錳酸鹽指數指標表征為貧營養化，透明度、總磷和葉綠素a均表征為中營養化，總氮指標表征為中度富營養化。

老虎潭水庫水質指標之間的相關性分析見圖7。葉綠素a與溶解氧（DO）總氮、總磷和氨氮呈現出顯著正相關，與透明度和水溫呈現出顯著負相關，與水深、pH、高錳酸鹽指數無顯著性相關。總氮、總磷、氨氮三者之間總是存在顯著性正相關，與高錳酸鹽指數無顯著相關關系，硝酸鹽與總氮顯著相關。

2.4" "水庫與入庫支流水質比較

2022年3月-2023年2月監測結果如圖8。水庫及入庫支流高錳酸鹽指數和氨氮大多數時段滿足II類地表水環境質量標準。水庫葉綠素a、高錳酸鹽指數、氨氮濃度高于入庫支流，3條入庫支流總氮、總磷明顯高于水庫，水庫總氮和總磷大多為V類和III類，而入庫支流總氮和總磷大多為劣V類和IV類。

3" "討論

3.1" "老虎潭水庫水質變化關鍵因素解析

朱廣偉等（2024）對我國22個重要城市水源水庫的調查發現，大多數水庫總氮處于IV類，總磷處于III類，與老虎潭水庫情況類似。解鑫等（2023）的研究表明，我國湖庫高錳酸鹽指數、氨氮整體呈下降趨勢，總氮、總磷依然是主要的制約性指標，這一結論與本研究基本一致。這表明老虎潭水庫面臨的氮磷污染問題具有典型性，需要重點關注支流輸入的氮磷負荷及其對水庫水質的影響。

3.1.1" "庫區高錳酸鹽指數、氨氮變化原因" "本研究中葉綠素a與高錳酸鹽指數無顯著相關性，可能由于老虎潭屬于中營養水平，浮游植物生物量對高錳酸鹽指數的影響不明顯。外源輸入的有機污染物，以及亞鐵離子等無機還原性物質也可能影響高錳酸鹽指數（Lv et al，2022；楊鍵，2023）。水庫氨氮高于入庫河流可能源于鰱鳙等魚類的排泄、底泥氨氮釋放以及內源有機氮分解等。雖然近年來湖州市加大了流域污染防治力度，但入庫河流總磷濃度仍有升高趨勢，表明需進一步控制外源性磷的輸入，并考慮開展內源磷治理，以穩定庫區水質。

3.1.2" "入庫支流氮磷來源分析" "農業面源是老虎潭入庫支流氮磷的主要來源。老虎潭上游養殖業年排放氮磷分別約為156 t和98 t（蔡臨明，2014）；種植業因過量施肥造成的氮磷排放量分別約為312 t和24 t（沈繼濤和郁聰，2015）。此外，丁新新等（2012）估算生活污水年排放氮磷分別約為176 t和9.8 t。農業種植業污染對老虎潭庫區總氮（TN）、總磷（TP）入庫量的貢獻率分別達40.32%和56.80%（浙江環科環境研究院有限公司，2021）。這些面源污染物通過地表徑流匯入支流，最終進入水庫沉積富集。

本研究發現，老虎潭水庫入庫小支流的總磷濃度較大支流高。這與Chen等（2021）在三峽水庫區的研究結果和Mooney等（2020）在密歇根湖的研究結果類似，小支流由于流程短、水土過程時間短暫等原因，污染物尤其是無機氮磷更易進入水體并保持較高濃度。因此老虎潭水庫入庫小支流對庫區富營養化影響不容忽視。

3.1.3" "入庫支流與湖庫氮、磷協同控制" "我國現行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中對河流、湖庫水體的總氮（TN）、總磷（TP）標準限值的規定差異較大。以地表水Ⅲ類為例：河流TP≤0.2 mg/L，TN未作要求；湖庫TP≤0.05 mg/L，TN≤1.0 mg/L。如果以Ⅲ類水質為入湖河流和湖庫水體控制標準，不同湖庫的入湖庫河流TN、TP協同控制限值均需低于河流Ⅲ類標準（高可偉等，2021）。美國對流入靜態水體（湖泊）的河流執行更嚴格的營養物標準，對于受損湖泊還要制定總最大日負荷削減計劃，針對上游河流實施嚴格控制（高可偉等，2021）。顯然，如果僅以現行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中Ⅲ類標準為湖庫及其入湖庫河流水質控制目標，河流的氮、磷控制標準可能難以滿足湖庫氮、磷控制需求，這對于有效控制富營養化湖庫外源氮、磷的輸入十分不利。我國也應結合實際情況，開展“一湖一策”差異化管控（高可偉等，2021），這對于水源地水庫的水質管理同樣具有借鑒意義。

與入湖河流TN相比，入湖河流TP輸入對湖庫水體富營養化程度的影響更顯著。以太湖為例，太湖水體中通過反硝化等途徑去除的TN約為太湖入湖河流輸入的50%左右（秦伯強等，2006）。相比之下，入湖庫河流輸入的磷，僅少部分通過出湖庫水體流出，被湖庫截留的磷均可能成為水體潛在內源磷。因此，從長期及湖庫富營養化控制角度，為了有效防止磷在湖庫內的長期累積，開展入湖河流及其對應湖庫中磷的協同控制可能尤為重要。因此，入湖庫河流氮磷控制應該充分考慮下游湖庫富營養化控制和生態保護需求，并執行比一般河流更為嚴格的限值。建議結合老虎潭水庫的特點和保護要求，開展入庫河流與水庫的氮磷協同控制研究，為制定科學合理的水質控制目標和措施提供支撐。

3.1.4" "水庫葉綠素季節變化的特殊性及其原因" "值得注意的是，老虎潭水庫葉綠素有春季高峰，無夏秋季高峰，所以導致葉綠素與水溫呈顯著負相關。這可能是由于老虎潭水庫水體葉綠素與總磷正相關，而總磷與水溫負相關，高溫季節磷濃度低，水體可能受磷限制而導致水體葉綠素與溫度呈現負相關。此外由于鰱鳙放養使夏秋季鰱鳙對藻類的牧食壓力大而使藻類無夏秋季高峰，同時由于鰱鳙放養導致春季缺乏浮游動物無法形成高峰，降低了浮游動物對小型藻類的牧食壓力，導致小型藻類形成了春季高峰。所以流域內磷的控制和庫區鰱鳙放養策略在老虎潭水庫富營養化防控中需重點關注（王洪鑄等，2020；Chen et al，2023）。

3.2" "老虎潭水庫富營養化風險

盡管綜合營養狀態指數顯示老虎潭尚未達到富營養化水平，但不能忽視其偶發性藍藻水華的風險。Li等（2022）基于遙感反演的研究發現，近30年來氣溫升高是導致千島湖透明度下降、藻類生物量增加的重要因素。未來進一步增溫將加劇千島湖溫躍層變淺，藻類生長區將更集中于表層，通過“濃縮效應”將增大水華風險。極端天氣事件如暴雨、高溫熱浪、極端干旱等，能夠在短期內劇烈改變水庫的溫度場、光場、營養鹽和種源條件，從而為藍藻水華暴發創造有利契機（朱廣偉等，2024）。例如，夏季暴雨往往能帶來外源磷的大量輸入，刺激表層藻類生長；而高溫晴好天氣下強光和持續靜風，也有利于藍藻異常增殖。極端干旱更會導致水庫水位劇降，生態緩沖能力降低，常引發各類水華藍藻的大量增殖。陳文權等（2022）研究發現中營養狀態的水庫也可能發生嚴重的藍藻水華。值得注意的是，老虎潭集雨區內莊上溪上游的錢塢山塘和大陳溪上的紅旗水庫夏季都曾暴發藍藻水華。因此，未來隨著氣候變化和富營養化加劇，老虎潭水庫發生偶發性藍藻水華的風險也將與日俱增，這就要求開展水華監測，加強富營養化防控，完善應急預案，確保供水安全。

3.3" "老虎潭水庫水質改善對策建議

（1）流域面源污染防控。控制流域開發強度，優化土地利用，特別是減少經濟林的開發，加強生活污水的深度處理，提升脫氮除磷能力，實施精準施肥和構建濕地斑塊，以攔截營養鹽。

（2）生態調控措施。運用魚類調控和生態浮島技術，通過科學投放鰱、鳙等濾食性魚類控制藻類過度繁殖，同時利用生態浮島技術進行人工脫氮除磷，增強水庫生物調節和自凈能力。

（3）加強監測與預警。開展水華監測，完善富營養化防控預案，確保供水安全。

目前老虎潭水庫尚未出現大面積藻華，但極端氣候事件和全球變暖可能加劇其富營養化風險。因此，建議采取流域面源污染控制、河口濕地修復、水庫生態調控等措施加以防控。

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（責任編輯" "鄭金秀）

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HOU Yi‐hang4， HU Ju‐xiang2， ZHAO Xian‐fu2

（1. General water of Chinalt;Huzhougt; Co.， Ltd， Huzhou" "313000， P.R. China;

2. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources and

Chinese Academy of Sciences， Wuhan" "430079， P.R. China;

3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing" "210098， P.R. China;

4. College of Fisheries and Life Science， Shanghai Ocean University， Shanghai" "200090， P.R. China）

Abstract：Eutrophication of drinking water reservoirs is a global environmental issue and threatens drinking water safety. Analyzing the evolution of reservoir eutrophication based on long-term data provides a basis for formulating prevention and control strategies. In this study， Laohutan reservoir in Huzhou， Zhejiang Province was selected for case study， and we analyzed the spatiotemporal variation of water quality and associated driving factors in the reservoir and its primary tributaries. The analysis was based on historical data collected from 2009 to 2021， and monitoring conducted monthly from March 2022 to February 2023. Our primary goal was to provide scientific data for managing water quality in Laohutan reservoir. Chlorophyll-a， total phosphorus， total nitrogen， transparency and the permanganate index were selected as eutrophication indicators. Results show that Laohutan reservoir was in a mesotrophic state during 2009-2022. Total nitrogen （TN） met the Class IV-V surface water quality standard， total phosphorus （TP） was mainly at Class III， and ammonia nitrogen （NH3-N） decreased significantly （Plt;0.01）. Water quality and nutrient levels varied little with location in the reservoir， while water quality in the tributaries was significantly lower and the primary source of nutrients to Laohutan reservoir. Total nitrogen in reservoir tributaries was mostly below Class V and total phosphorus remained mostly at Class IV. From 2014 to 2022， the concentration of nitrate nitrogen decreased significantly， but total phosphorus has increased since 2022. Nitrogen in the reservoir and tributaries came primarily from agricultural non-point source pollution， while phosphorus sources were more varied. Analysis indicated that TN， TP， and NH3-N were significantly correlated and closely related to chlorophyll-a， reflecting the positive effect of nitrogen and phosphorus on algal growth. Although Laohutan reservoir has not experienced large-scale algal blooms to date， extreme climate events and global warming increase the risk of eutrophication. Therefore， we recommend adopting the following strategies： control watershed non-point source pollution， restore estuary wetlands， and strengthen reservoir biomanipulation. This study supports water quality management in Laohutan reservoir and also provides a valuable reference for managing other drinking water reservoirs in China.

Key words： drinking water reservoir; eutrophication; long-term data series; tributary inflows; Laohutan reservoir