老虎潭水庫水體富營養化現狀及防治措施

左文蕊　丁新新

摘要 通過對老虎潭水庫營養元素氮、磷及氮磷比的研究，對該水庫營養化狀態進行分析，并針對水庫的富營養化現狀及特點，提出若干防治措施。結果表明，老虎潭水庫處于好氧、弱堿性環境，硝態氮是總氮的主要賦存形式，不溶性磷積累沉積于庫底；水庫磷含量較低，屬于磷限制性水庫。

關鍵詞 老虎潭水庫；富營養化；氮；磷；防治措施

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-214-03

水庫具有防洪、灌溉、城市供水、旅游等多項功能，對我國社會經濟可持續發展起到重要的支撐作用。但同時，人類的社會經濟活動對水庫水環境也造成巨大的影響，大量來自社會活動和農業生產的氮、磷元素進入水體，使藻類等浮游植物大量生長，導致水庫富營養化現象發生，影響水庫的供水安全。因此，針對水庫，尤其是飲用水源水庫的富營養狀態及防治對策的研究，受到廣泛關注。早在20世紀初，水體富營養化問題已引起國外部分生態學家的注意，并開始對其成因進行初步探索。由于富營養化的發生發展包含一系列生物、化學、物理變化過程，并與水體化學物理性質、水庫形態、底質、用途等眾多因素有關，其演變過程十分復雜，所以富營養化形成機理仍有待進一步深入研究。近年來，生態化學計量學理論逐漸應用于水生生態學研究，Redfield關于氮磷比和富營養化關系的理論不斷完善。筆者利用老虎潭水庫長期水質監測數據，初步探明老虎潭水庫氮磷污染現狀，利用氮磷比解析水庫的富營養化狀態，以期為水體富營養化防治措施的制定提供科學依據。

1 水庫概況與研究方法

1.1 水庫概況 老虎潭水庫位于浙江省西北部湖州市吳興區埭溪鎮境內，水庫攔河壩位于東苕溪支流埭溪上游埭溪鎮張村附近，集水區域涉及湖州吳興區埭溪鎮、德清縣莫干山鎮和安吉縣昆銅鄉。水庫集水面積110 km2，多年平均徑流量8 622萬m3，水庫主壩為砼面板堆石壩和砼重力壩混合壩型，主壩頂高54.8 m，總長774 m，寬6 m，總庫容9 966萬m3，正常蓄水位49 m，正常蓄水量7 207萬m3。水庫于2005年12月開工建設，2010年3月正式供水，日供水約18萬m3。供水范圍覆蓋湖州中心城市大部分區域，是湖州中心城市及周邊鄉鎮主要的飲用水源，是浙江省水資源保障百億工程之一，累計供水約3.29億m3，受益人口約80萬人，是一座以防洪為主、結合供水，兼顧灌溉，帶動地方經濟發展的重點水利工程。

1.2 樣品采集與分析 根據水庫地理環境特征，共設4個監測斷面，分別分布于老虎潭水庫上游莊上、大陳、小溪3條支流匯入口及水庫取水口（圖1）。在水面以下0.5 m處采集水樣，每月監測1次，監測項目為《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中相關水質指標，均按國家標準方法測定。在水質檢測與評價過程中，湖庫富營養化的評價項目為總磷、總氮、高錳酸鹽指數、葉綠素a及透明度。其中，總磷、總氮作為營養鹽，通常對富營養化程度起決定性作用。有研究指出，大約80%的湖泊、水庫以磷為限制因子，大約10%的湖泊、水庫以氮為限制因子，其余10%的湖泊、水庫與其他因素有關[1]。該研究選取總氮和總磷，分別進行分析。

2 老虎潭水庫水質指標及富營養化分析

2.1 水質基本現狀

2.1.1 水庫水環境狀況。

根據水環境條件，水體中有機物降解分為好氧降解和厭氧降解。

溶解氧含量高低直接影響水質及底泥的氧化還原條件。溶解氧含量高，水質、底泥呈氧化狀態；溶解氧含量低，呈還原狀態。由表1可知，老虎潭水庫水體溶解氧含量較高，有利于氧化反應進行，水庫水體總體處于弱堿性及較高的氧化環境下。

2.1.2 水庫氮指標現狀。

水體中的氮分為有機氮和無機氮兩類。無機氮主要由氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和溶解性氮組成；有機氮主要是構成蛋白質、鎂、核酸等的氨基酸、嘧啶和酰胺等。這些含氮化合物在水中經過一系列的反應互相聯系、互相轉換，形成氮循環。在好氧狀態下，水庫水體內的有機氮在好氧微生物的作用下分解，向無機氮轉化，釋放出氨氮。通過硝化細菌作用，繼續氧化為硝酸鹽、亞硝酸鹽等，其反應式為：

2NH2+3O2→2HNO2+2H2O+能量

2HNHO2+O2→2HNO3+能量

進行硝化作用的微生物包括亞硝化細菌和硝化細菌，都屬于化能自養菌，專性好氧，要求中性或弱堿性的環境（pH為6.5～8.0），當pH<6.0時，作用強度明顯下降。由表1可知，老虎潭水庫水體全年均屬于弱堿性環境，有利于微生物的硝化作用。

2011～2014年監測期間，老虎潭水庫總氮濃度為1.28～3.58 mg/L（圖2），均值為2.13 mg/L，超過Ⅴ類水質濃度限值（2 mg/L）；氨氮濃度為0.026～0.891 mg/L，均值為0.207 mg/L；硝酸鹽氮濃度為0.80～1.81 mg/L，均值為1.36 mg/L，硝態氮占總氮的65.7%，為總氮的主要賦存形式。水體中的還原態氨氮含量低，而氧化態硝酸鹽氮含量高，在一定程度上意味著水體環境氧化能力有提升的趨勢[2]，說明老虎潭水庫水體處于較高的氧化環境，其水體自凈能力較強。

2.1.3 水庫磷指標現狀。

水庫水體中磷的主要存在形式為顆粒態磷和溶解性磷，不溶性顆粒態磷大部分存在于底部沉積物中，而溶解性磷可以參與生物循環而被藻類利用，對水體富營養化有重要作用。水體中磷的循環包括磷的生物循環、顆粒態磷的沉降與再懸浮、溶解態磷的吸附與解吸等。①磷的同化作用。

水中溶解性無機磷首先為上層水中的浮游植物所吸收，轉化為有機磷。其中一部分用于本身生長的需要，大部分（95%以上）積累在細胞中以備磷源不足時使用。②磷的礦化作用。有機物中的磷在其生物降解過程中，生成無機磷和磷化物，許多細菌和真菌都參與這個過程。③不溶性磷轉化為可溶性磷。不溶性磷不能為水中生產者所利用，水中pH向酸性轉變時，可使沉積物中的不溶性磷轉化成可溶性。老虎潭水庫水體pH全年呈弱堿性，限制了不溶性磷的轉化，這將導致水體中不溶性磷積累，沉積于水庫底部。老虎潭水庫上游面源污染調查顯示，總磷污染負荷為100.58 t/a，除了部分通過生物降解消耗外，大部分不溶性磷沉入庫底。2011～2014年監測期間，老虎潭水庫總磷濃度為0.005～0.028 mg/L（圖3），部分監測結果小于檢測限，均值為0.017 mg/L，低于湖、庫Ⅱ類水質濃度限值（0.025 mg/L），濃度較小。

2.2 老虎潭水庫富營養化狀況

2.2.1 水庫水體氮磷比分析。水體富營養化過程中，氮、磷濃度的比值與藻類的生長有密切關系。當總氮和總磷濃度比值為10∶1～15∶1時，藻類生長與氮、磷濃度存在直線相關關系[3]。根據Redfield的假設，一個典型的藻類分子式為（CH2O）106（NH3）16（H3PO4），也就是說，臨界的氮磷比按元素計應為16∶1，按重量計應為7.2∶1。基于Liebig最小值定律，植物生長取決于外界提供給它的所需養料中數量最少的一種，如果氮磷比小于該比值，氮將限制藻類的生長；如果氮磷比大于該比值，則磷是藻類生長的限制因素[4]。老虎潭水庫水體中總氮和總磷的平均濃度分別為2.13和0.017 mg/L，氮磷比按元素計的數值為125，累計監測中氮磷比最低為50（2011年6月），最高時為512（2014年11月），大部分為70～200（圖4），大大高于16∶1，且氮磷比有逐漸增大的趨勢。這說明老虎潭水庫水體氮元素供應充足，磷元素則是藻類生長的限制因子。

將TN/TP與TP進行對數化處理后進行線性擬合，可得到如下方程：log10（TN/TP）=-0.907 log10（TP）+3.21（R2=0.850），擬合效果較好；而TN/TP與TN的對數化線性擬合效果較差（R2=0.024）（圖5）。說明老虎潭水庫水體氮磷比主要受磷元素調控，進一步支持了水庫水體營養結構主要處于磷元素限制的結論。

2.2.2 水庫富營養化現狀。

根據《地表水資源質量評價技術規程》（SL395-2007）中的指數評價法，對照標準表采用線性插值法將2011～2014年實測的水質項目濃度值轉化為賦分值，計算相應的營養狀態指數EI，參照表確定營養狀態分級。經計算，2011～2014年老虎潭水庫的水體營養狀態基本

保持在中營養化水平，EI指數為40～50（圖6），輕度富營養化占比20%。從時間變化上看，EI指數以十分緩慢的速度呈現逐步增長的趨勢，也意味著水庫將來可能發生富營養化。

3 老虎潭水庫富營養化防治措施

老虎潭水庫作為湖州中心城市最重要的水庫型水源地，水質好壞直接影響全市的飲水安全，是重要的民生工程，水體富營養化將是老虎潭水庫最大的水質安全隱患。下一步要探索建立科學、有效的水庫水質保護長效機制，降低營養鹽的入庫量，防止水質污染和水體富營養化的發生。

3.1 加大農業面源污染治理力度 根據上述監測結果及分析，老虎潭水庫水體總氮偏高的情況下，水體自凈能力仍較好，營養狀態以中營養為主，沒有產生水華現象。這是因為該水庫以磷為限制因子，而水體中磷含量較低，形成富營養化的營養物質受到限制，抑制了藻類的生長。在當前氮元素充足的情況下，磷元素一旦增加到形成富營養化所需要的含量，就會發生水體富營養化。因此，防治老虎潭水庫水體富營養化，限制磷的入庫量是關鍵。

經過對上游畜禽養殖的整頓搬遷，目前農業面源污染是老虎潭水庫磷的主要來源。水庫集水區內土地利用以竹林為主，庫區上游共有竹林面積7 037.8 hm2，占水源地總面積的68.5%。根據對上游集水區內農業施肥情況的調查，每年約有2 t總磷通過農田徑流進入水庫，增加水體中營養鹽的負荷。因此，一是改善竹林施肥方式，開展測土配方施肥，制定科學合理的施肥方案，提高化肥利用效率；二是嚴格控制土地流轉，禁止高污染、高耗肥的農業生產項目進入庫區，避免土壤污染；三是出臺產業結構調整政策，引導農戶發展生態農業、林業，推廣植保新技術。

3.2 提升生活污水處理水平 據調查，老虎潭庫區集水區內現有人口2萬余人，每年約產生總氮35 t、總磷3 t，而農村生活污水的處理大部分仍處于傳統的直排階段，雨季初期雨水沖刷后通過地表徑流進入水庫。嚴格控制生活污水是防治水庫富營養化的有效途徑，應制定生活污水收集管網和處理設施提升方案，提高污水收集率和處理效率，建立日常管理維護機制，確保長久發揮效益，控制、減少生活污染物的排放。

3.3 全面開展生態修復工程 開展庫周消落帶生態修復工作，提高水庫自凈能力；對開山造地項目落實水土保持措施，避免水土流失；開展水庫庫尾生態濕地建設，提高生物多樣性，消納吸收氮、磷等營養元素，建設庫區人工濕地，設置植被緩沖帶，通過濕地植物、微生物吸收、吸附、分解和沉積作用，有效攔截、分解各類污染物，從而達到截污治污、凈化水質的目的，減少老虎潭水庫污染物數量。

3.4 加大水源地執法檢查 建立水源保護重要區域聯合定期巡查制度，將巡查發現的問題及時通報有關部門；建立聯席會議制度，共同研判問題解決方案。同時，建立環保、公安、國土、水利等部門聯合執法機制，打擊破壞水源保護的違法生產行為，并建立跟蹤督辦和“回頭看”機制，確保執法成效。開展重點整治活動，根據庫區水容量及季節性變化的特點，組織開展專項執法，嚴厲打擊偷捕魚、庫區周邊偷盜沙石等破壞生態的行為。

3.5 提高水庫水質研判能力 開展水庫水源保護課題研究，充分利用水質自動監測站、環保、水文、衛生等單位監測數據，建立與中科院、浙江大學等科研機構聯合研判水庫水質動態機制，為水源保護工作提供支持。

參考文獻

[1] 劉春廣，喬光建.氮、磷循環特征對水體富營養化影響分析[J].南水北調與水利科技，2010，8（6）：82-85，97.

[2] 吳重華，王曉蓉，孫昊.羊角月牙藻的生長與湖水中集中磷形態關系的建立[J].環境化學，1997，16（4）：341-346.

[3] 喬光建.區域水資源保護探索與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[4] 李磊，王慧，張錫輝，等.不同底泥系統的湖泊內源釋磷規律研究[J].中國給水排水，2007，23（17）：76-79.