潘家口水庫秋季水質狀況及富營養化評價

王麗婷，柴增凱，肖偉華，劉玉才，王建華，尚靜石

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038;2.國核電力規劃設計研究院，北京 100095;3.內蒙古自治區興安盟水文局，內蒙古烏蘭浩特 137400)

與河流相比，水深比較大的水庫、湖泊，由于流速小、深層紊動摻混能力差和風力的表層混合作用，其溫度、泥沙以及水體中溶質濃度沿水深方向和水平流動方向都有顯著的變化。在綜合評價湖泊水庫水環境質量以及夏季水溫分層方面，國內相關學者［1-5］做了許多探索。潘家口水庫作為天津、唐山等城市的主要水源地，建成以來就受到科研和管理人員［6-8］的格外關注。潘家口水庫的來水量特點是，時間上分配很不均勻，一年之內的來水主要集中在7—9月，秋季進入枯水期。秋季是保證潘家口水庫水質安全和供水安全的關鍵階段，研究秋季潘家口水庫水環境質量狀況對保障潘家口水庫供水安全具有重要意義。

1 數據獲取

目前在年際、年內以及不同水期對水質和富營養化狀況進行評價的研究較多，但缺少對枯水期河道型水庫水質在垂向和流動向分布規律的研究。由于冬季水庫水面結冰，不適合水質監測，因此安排2010年秋季10月29—31日在潘家口水庫采集水質數據，詳細分析潘家口水庫水質在秋末的特殊分布規律，評價潘家口水庫的水質和富營養化狀況，以期為枯水期潘家口水庫的供水安全保障提供參考。

潘家口水庫位于河北省承德、唐山兩市的灤河干流上，總庫容為29.3億m3，多年平均徑流量24.5億m3，屬多年調節水庫，其功能以供水為主，兼顧防洪、發電和灌溉。多年來，潘家口水庫水質一直符合國家GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準。潘家口水庫水深最大可達80 m，向北綿延60多千米，為典型的河道型深水水庫。筆者選取2010年10月29—31日的潘家口水庫的水質監測數據，綜合考慮潘家口水庫的形態，采樣斷面的地形，數據的可獲得性、代表性，以及發生水華的可能區域，沿水流方向依次選擇壩前、潘家口、燕子峪以及郭家莊南4個斷面作為水質監測斷面。潘家口水庫水溫及水樣數據采集斷面分布見圖1，其中屁股甸子、賈家庵和壩前1 km僅采集了溫度數據。水樣檢測方法及主要儀器見表1。

圖1 潘家口水庫水質數據采集斷面分布示意圖

表1 水樣檢測方法及主要儀器

除pH值、DO、Chl-a、透明度等參數是在現場測定的外，其他指標均在實驗室檢測，其中用于現場監測水質數據的便攜式測定儀經過技術人員率定后使用，實驗室監測方法與SL 219—98《水環境監測規范》的標準一致。各水樣檢測結果見表2。根據水溫的分布規律，各斷面在垂向采樣點的位置見表2。

表2 2010年10月潘家口水庫各斷面水樣檢測結果

2 數據分析方法

2.1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法［9］是水環境質量綜合評價的方法之一，它通過確定實測樣本序列與各級標準序列間的隸屬度來確定水質級別。該方法給參加評價的各項因子配以適當的權重，確定隸屬函數，進行模糊矩陣復合運算，求得綜合隸屬度，最后根據綜合隸屬度來劃分水質類別。其基本步驟如下。

第一步:建立因子集和評價集。

在水質評價中，因子集是由參與評價的n個污染因子的實測質量濃度組成的模糊子集，評價集是由與因子集相對應的評價標準組成的集合。GB3838—2002《地表水環境質量標準》［10］依據地表水水域功能和保護目標，按功能高低將地表水水質劃分為5類。因此，可確定因子集C為{c1，c2，…，cn}，評價集 S 為{s1，s2，s3，s4，s5}

第二步:確定權重。

權重是衡量評價因子對水質污染影響程度的相對大小的量。權重越大，說明評價因子對水質的影響程度越大。權重按下式計算:

式中:ci為第i項評價因子質量濃度的實測值，Si為該評價因子5類標準質量濃度的平均值。計算出各評價因子的權重后，得到權重矩陣W=(W1，W2，…，Wn)。

第三步:建立單因素評價矩陣。

單因素評價矩陣是由各個評價因子的隸屬度組成的矩陣。本文采用降半梯形分布來刻畫隸屬度，其中DO是增益型指標，TN、TP、CODMn是遞減型指標。隸屬度按如下公式計算。

a.對Ⅰ類水，即j=1，其隸屬函數為

b.對Ⅱ～Ⅳ類水，即j=2～4，其隸屬函數為

c.對Ⅴ類水，即j=5，其隸屬函數為

式中，sj和sj+1分別為評價因子第j類和j+1類水的質量濃度標準值。

在確定了隸屬函數之后，可以得到隸屬函數矩陣:

第四步:確定模糊綜合評價矩陣。根據R=W·U進行矩陣復合運算，得到綜合隸屬度矩陣。根據最大隸屬度原則，對綜合隸屬度進行比較判別，再根據隸屬度最大的級別判定水質類別。

第五步:確定隸屬等級。由于最大隸屬度原則存在有效性問題，可能評價結果不太合理，故提出利用加權平均的原則［11］對評價因子按照其等級進行排序。隸屬度B'計算公式為

式中:bj為隸屬第j等級的隸屬度;k為待定系數(k=1或2)，起到控制較大的bj的作用，本文取k=2;m為分成的等級數，本文m=5。

根據B'計算結果，即得到各評價因子的相對位置，從而可以分析水質類型。

2.2 綜合營養指數法

我國在SL395—2007《地表水資源質量評價技術規程》［12］中，依據 TP、TN、Chl-a、CODMn和透明度5個參數評價湖泊、水庫的富營養狀態。具體步驟為:①根據各個參數值查表3，采用線性插值法得到各參數的營養狀態指數IiE;②按式(7)計算綜合營養狀態指數IE;③按IE值再查表3，即可確定水體的營養狀態。IE的計算公式為)

式中:IiE為某參數的營養狀態指數;N為評價參數的個數。

表3 湖泊、水庫營養狀態評價標準與分級

3 結果分析

3.1 水溫分布規律

一般而言，秋末水體表層接受的輻射熱大量減少，同時由于水體的比熱容較大，使得秋末水體溫度高于氣溫，水體到周圍環境中的熱通量增大，河道深型水庫水溫在垂向呈現獨特的規律。潘家口水庫的壩前、壩前1 km、潘家口等斷面的水溫隨水深變化的曲線見圖2。選取燕子峪斷面不同時刻水溫隨水深變化的數據來表征水溫隨時間的變化趨勢，見圖3。

圖2 不同斷面水溫隨水深變化曲線

圖3 燕子峪斷面不同時刻水溫隨水深變化曲線

由圖2可知:①由于郭家莊南斷面水深較淺，再加上瀑河匯入帶來的水體擾動，使得該斷面水溫分層現象不明顯;②對賈家庵和屁股甸子斷面而言，雖然水深較淺，但是由于水流穩定性較好，水溫在垂向存在分層現象，其溫躍層中心水深在11 m左右;③對于水深大于30 m的斷面，如燕子峪、潘家口和壩前等，其表層水溫分層不明顯，溫躍層中心水深在30 m左右，溫躍層以上的水溫平衡層厚度較大.

從圖3可知，雖然一天當中的正午時刻水體表層溫度出現略微的上升，但是整體來說水庫水溫還是在逐日下降的。

3.2 水庫水質評價

本文選用 DO、TP、TN、NH3-N 和 CODMn作為評價因子，利用模糊綜合評價方法，依據采集到的數據(表2)，利用式(2)～(4)對潘家口水庫進行水質等級綜合評價，得到各個評價因子的綜合評價結果，見表4。同時對2011年4月及8月的水質狀況進行分析，綜合評價潘家口水庫秋季與其他時段水質的差異，評價結果見表5。

表4 2010年10月潘家口水庫水質綜合評價結果

本次實驗采用的是2010年秋末的監測數據，對潘家口水庫的壩前、潘家口、燕子峪以及郭家莊南4個監測斷面進行模糊綜合評價。由表4可知，4個不同的監測斷面模擬的水質類型均為Ⅴ類。而由表5可知，秋末壩前、潘家口等4個斷面不同水層的B'(k=2)的值，評價結果為:壩前、潘家口、燕子峪3個斷面的水質均為Ⅴ類，稍偏向Ⅳ類，而郭家莊南的水質屬于Ⅳ類，稍偏向Ⅴ類，此方法得出的結果與最大隸屬度原則方法得出的結果稍不相同，但更符合實際情況。兩種方法的結論都證明潘家口水庫的水質污染相當嚴重。此外，從計算結果可以反映出一些基本規律:①潘家口水庫各監測斷面水質污染程度按從重到輕的順序為:郭家莊南、燕子峪、潘家口、壩前，說明水庫上游的水質要好于下游;②TN是影響潘家口水庫水質的關鍵性指標，其質量濃度是Ⅲ類水質標準(潘家口水庫水質控制標準為地表水Ⅲ類)的3.31～7.16倍;③由于潘家口水庫水深較大，污染物質量濃度在垂直方向也存在分層現象，水庫表層水質要好于深層。④對比不同季節的水質狀況可以看出，秋季潘家口水庫的水質最差，其次為春季，水質狀況最好的季節為夏季，因此秋季是維持潘家口水庫水質狀況的關鍵時期。

表5 潘家口水庫各斷面水質評價結果

3.3 水庫營養化程度評價

根據2.2 所述方法，用 TP、TN、Chl-a、CODMn和透明度5個參數，對壩前、潘家口、燕子峪和郭家莊南斷面進行水庫的營養化程度評價，結果圖4和圖5。

圖4 各斷面綜合營養狀態指數

圖5 潘家口水庫營養狀態評價結果

由圖4可知，潘家口水庫水體處于中營養狀態，其中郭家莊南富營養程度最高，潘家口、壩前次之，燕子峪最小。但從總體賦分值來看，營養狀況已經偏向輕度富營養化。由圖5可知，TN和TP是制約水體富營養化的關鍵因素。水庫水體氮磷比值介于19～80之間，而且水體ρ(TP)都大于美國水庫的總磷質量濃度上限0.025 mg/L［13］。氮磷比過高會導致藻類大量生長，氮和磷會被大量消耗，而磷營養鹽將會被首先消耗到低值，甚至低于閾值，因此磷是水庫的限制性營養鹽?？梢姡瑥臓I養狀態指數來看，只有盡快采取相應措施控制水體TN和TP的質量濃度才能延緩潘家口水庫的富營養化趨勢。

3.4 DO異常的可能原因

數據采集過程中發現潘家口斷面處水面漂浮有大量死魚，便攜式溶解氧測試儀數據也顯示水體DO非常低，最低處僅僅0.25 mg/L，因此，在燕子峪至壩前段又加測小河口、北山以及走馬哨3個監測斷面的ρ(DO)數據。DO隨水深變化曲線見圖6。

圖6 不同監測斷面DO隨水深變化的曲線

根據水體DO與其影響因素之間的相關轉換關系(圖7)，綜合分析水庫該時段DO質量濃度異常的可能因素，結論如下:①水體富營養化，藍綠藻大量繁殖，其呼吸作用消耗大量的氧氣，導致DO質量濃度過低;藻類大量死亡腐敗并被微生物分解，消耗了大量的氧氣，更加造成局部區域的DO質量濃度偏低。②該區域是魚箱養殖最密集的地區，魚飼料分解要消耗大量的氧氣。③秋末氣溫下降，葉綠素活性受限，水體中植物產氧量減少，也是影響水體DO質量濃度的重要原因。④壩前水庫斷面面積變大，水流條件差，紊動摻混能力有限，影響大氣復氧，故壩前斷面的DO質量濃度低于其他斷面。

圖7 影響DO因素相關關系示意圖

4 結論

基于2010年10月29—31日潘家口水庫的實測水質數據，應用模糊綜合評價法和綜合營養指數法對潘家口水庫進行水質評價和營養化程度評價，結果表明:①除郭家莊南斷面不存在水溫垂向分層外，其他幾個斷面都存在水溫分層現象;水庫水溫整體上隨時間的推移而逐漸降低;②從DO等5個指標的模糊綜合評價結果來看，潘家口水庫總體水質為Ⅴ類，水體處于中營養狀態;TN是制約水質類別和富營養化的關鍵因素，因此潘家口水庫污染防治措施要從控制入庫污染物總量著手，嚴格控制污水排放，及時采取有效措施改善水庫的水質狀況;③潘家口水庫水質在水深方向和水流流動方向都存在明顯的差異，上游水質要明顯優于下游水質，表層水質要優于底層水質;④對比春季和夏季水質狀況，潘家口水庫的秋季水質明顯要差許多，夏季水質狀況則最好;⑤燕子峪至壩前段DO過低，大量魚類死亡，可能是水體富營養化和網箱養殖過于集中造成大量碳化合物分解耗氧以及產氧量下降等一系列因素所致。

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