新安江水庫主要入流營養鹽的時間變化特征及其影響因素分析

蘭 佳，王裕成，陳世燕，余傳冠，吳志旭，張雅燕

淳安縣環境保護監測站，浙江 杭州 311700

水庫是由人工攔河筑壩形成的相對封閉的水體，是區域的生產生活用水的重要儲備水源，其水質安全具有戰略重要性。與天然湖泊相比，水庫受人為調蓄和干擾明顯，其水質更易受流域上來水的影響。當前，我國85%的飲用水來自于湖泊、水庫，水庫作為飲用水水源地的功能不斷強化，但近10年來，我國有1/3的重要水庫達到富營養化水平[1]，因此，解決水質問題逐漸成為湖庫管理的重要任務[2]。控制入庫河流輸入水庫的污染物總量，是目前控制水體富營養化、防治藻類水華爆發的最根本手段[3-5]。近年來，隨著丘陵山區農業開發熱情的提高，新安江流域以農家樂為代表的鄉村旅游快速發展，導致流域上游污染物排放強度急劇增大，高強度的污染負荷輸移進入緩流的庫灣、河口等開闊區域，藻類異常增殖，極易爆發藍藻水華。目前有關新安江流域上游入庫污染物時間變化特征相關分析的詳細報道仍不多見，因此，系統認識入庫水質的演變特征，揭示其時間尺度上變化的驅動因素是指導流域管理的科學基礎，在保護水庫水質上具有重要的理論和實際意義。

新安江水庫位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安縣境內，水庫于1959年新安江上游攔壩建水電站后形成，是特大山谷型深水水庫，多年平均徑流量65.3億m3。新安江流域總面積11 850 km2，其中安徽省境內新安江流域面積為6 408.4 km2，安徽上游來水占新安江水庫入庫總量的60%，是新安江水庫的主要水源，對新安江水庫水質的影響巨大。本文通過分析2007—2016年新安江上游來水幾個重要的水質指標的變化，探討新安江流域的水文、營養鹽狀況及相關理化因子的變化特征，為下一步保障新安江水庫飲用水安全和健康的生態系統提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 監測站點和監測方法

新安江上游安徽境內來水注入新安江水庫的唯一入口為街口斷面(北緯29°43′28″，東經118°43′31″)。該斷面水質監測頻次為每月的月初監測1次，全年共12次。本文采用淳安縣環境保護監測站2007—2016年街口斷面定位觀測數據資料。

數據測定指標主要包括透明度、水溫、溶解氧、葉綠素a(Chl-a)、TP、TN、CODMn等。其中，水體透明度用塞氏圓盤法現場測定；水溫、溶解氧采用YSI-52型溶解氧測定儀現場測定；理化項目現場取樣后帶回實驗室分析，分析方法依據《水和廢水監測分析方法》；水樣Chl-a濃度采用丙酮萃取分光光度法測定；浮游植物定量樣品取表層水2.5 L，現場用魯哥氏液固定，帶回實驗室沉淀濃縮至30 mL用顯微鏡分類計數，浮游植物物種鑒定和計數等參考文獻[6]。選用Chl-a、TP、TN、CODMn和透明度作為參數，計算綜合營養狀態指數(TLI)對街口斷面水質富營養狀態進行評價[7]。降水量和入庫流量數據由水利部門提供。

1.2 數據處理

采用Microsoft Excel工作表進行數據整理和繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。文中水質指標的“年”值為2007—2016年每年年均值，“月”值為2007—2016年的每月月均值。

2 結果與討論

2.1 水文動態

2007—2016年街口斷面年均降水量(1 271.45±317.14) mm，波動范圍803～1 560.86 mm，年均降水量呈現波動上升趨勢。2007—2016年年均入庫流量(352.6±92.2) m3/s，波動范圍184～483.1 m3/s，整體呈現波動上升趨勢。入庫流量同降水量變化基本一致[圖1(a)]。

2007—2016年街口斷面月均降水量(106±69) mm，降水量季節性差異較大，新安江流域3月中旬至5月上旬進入春汛期，5月中旬至7月中旬進入主汛期。最大降水量出現在6月，為292.02 mm；最小降水量出現在12月，為42.49 mm。2007—2016年，街口斷面月均入庫流量為(352.83±290.79) m3/s，最大入庫流量出現在6月，為1 102.9 m3/s，最小入庫流量出現在12月，為100.15 m3/s[圖1(b)]。入庫流量同降水量的變化基本一致，入庫流量與降水量呈極顯著相關關系(r=0.968，P<0.01)。

圖1 2007—2016年街口斷面降水量和入庫流量的動態變化Fig.1 Annual and monthly variations of precipitation and inflow at Jiekou section from 2007 to 2016

2.2 水溫與透明度

2007—2016年街口斷面年均水溫為(20.5±0.5) ℃，水溫年際變化幅度較小[圖2(a)]。2007—2016年，街口斷面水溫季節性變化明顯，水溫在1—3月最低，最低水溫出現在2月，為10.6 ℃，4—8月水溫逐漸升高，最高水溫出現在8月，為31.1 ℃，9月以后水溫開始降低[圖2(b)]。

2007—2016年街口斷面年均透明度(241±31) cm，范圍為206～304 cm，整體呈現緩慢下降趨勢[圖2(a)]。月均透明度為(241±89) cm，透明度最高值為405 cm，出現在2月，最小值為114 cm，出現在7月[圖2(b)]。

圖2 街口斷面透明度和水溫的動態變化Fig.2 Annual and monthly variations of temperature and transparency at Jiekou section from 2007 to 2016

2.3 高錳酸鹽指數與氨氮

2007—2016年街口斷面CODMn年均值為(1.99±0.10) mg/L，范圍為1.88～2.12 mg/L，整體呈現逐年緩慢下降趨勢，詳見圖3(a)。CODMn月均值為(1.99±0.022) mg/L，6月平均值最高(2.34 mg/L)，1月最低(1.65 mg/L)，詳見圖3(b)。

2007—2016年街口斷面NH3-N年均質量濃度(0.098±0.03) mg/L，范圍為0.064～0.159 mg/L，除2015年明顯下降外，整體呈上升趨勢，2016年達最高值0.159 mg/L[圖3(a)]。NH3-N月均質量濃度為(0.098±0.047) mg/L，4月平均質量濃度最高(為0.179 mg/L)，12月最低(為0.048 mg/L)，詳見圖3(b)。

2.4 N、P營養鹽濃度

N、P是水體富營養化的主要營養物質[8-9]，是水體水質的重要指標。2007—2016年街口斷面TN年均質量濃度(1.28±0.16) mg/L，范圍為1.11～1.53 mg/L，整體呈上升趨勢。2007—2009年上下波動，2010—2015年呈上升趨勢，2016年TN濃度略有下降[圖4(a)]。TN月均質量濃度為(1.28±0.19) mg/L，4月質量濃度最高(為1.59 mg/L)，1月最低(為1.07 mg/L)。1—4月，水體中N含量波動上升，4月達到最大值，5—12月緩慢下降[圖4(b)]。

2007—2016年街口斷面TP年均質量濃度(0.03±0.01) mg/L，范圍0.016～0.039 mg/L，最高質量濃度出現在2016年，最低濃度出現在2011年，整體為波動上升趨勢[圖4(a)]。TP月均質量濃度為(0.029±0.014) mg/L，3月質量濃度最高(為0.054 mg/L)，1月最低(為0.013 mg/L)。1—3月呈穩步上升趨勢，4月后又呈現波動下降趨勢。整體上TP的動態變化在3—7月明顯高于其他月份，3月和7月出現峰值，8月后快速下降[圖4(b)]。

圖4 街口斷面TN和TP的動態變化Fig.4 Annual and monthly variations of TN and TP at Jiekou section from 2007 to 2016

2.5 葉綠素a

2007—2016年街口斷面Chl-a年均質量濃度(0.010 1±0.002 9) mg/L，范圍為0.006 1～0.016 9 mg/L，2010年平均質量濃度最高，2016年平均質量濃度最低，整體為下降趨勢[圖5(a)]。Chl-a月均質量濃度為(0.010 1±0.007 9) mg/L，呈單峰形態，5月平均質量濃度最高(為0.023 9 mg/L)，1月最低(為0.002 4 mg/L)[圖5(b)]。

圖5 街口斷面Chl-a的動態變化Fig.5 Annual and monthly variation of Chl-a at Jiekou section from 2007 to 2016

2.6 營養狀況水平

選取TN、TP、透明度、Chl-a和CODMn作為計算水庫綜合營養狀態指數TLI(Trophic Level Index)的水質參數。2007—2016年街口斷面綜合營養狀態指數年均值(40.4±0.9)，范圍為39.3～41.6，處于中營養狀態，整體呈現波動上升趨勢[圖6(a)]。綜合營養狀態指數月均值39.5±5.9，波動范圍為31.7～46.6，處于中營養狀態，4—7月都處在高位，最大值出現在7月，最低值出現在1月[圖6(b)]。

圖6 街口斷面富營養狀況的變化Fig.6 Annual and monthly variations of TLI at Jiekou section from 2007 to 2016

2007—2016年，CODMn和透明度均呈緩慢下降趨勢，TN和TP均呈現波動上升趨勢，TP上升趨勢明顯，Chl-a整體上呈波動下降趨勢，街口斷面水質綜合營養狀態指數呈波動上升趨勢主要是由TN、TP和SD等水質指標變差所致。

3 分析

3.1 透明度的影響因子

透明度是反映水體感官程度的重要指標，也是評價水體富營養化的一個重要因子。一般認為，藻類、懸浮物和溶解性有機物是幾個常見的影響因子。2007—2016年街口斷面透明度的變化曲線(圖2)顯示，在汛期3—7月透明度較低(143 cm)，在非汛期，降雨較少的時候透明度較高(290 cm)。透明度與街口斷面各水質主要指標相關分析表明：透明度與降水量、入庫流量、TN、TP、Chl-a和藻類呈顯著負相關(P<0.05)(表1)。N、P是藻類生長繁殖所需的營養物質，而3—7月流域汛期降雨引起水土流失，帶來大量懸移質泥沙，降低了水體的透明度。因此，可以認為藻類生長和流域降水過程是影響安徽上游來水透明度的主要原因。汛期以懸移質泥沙等無機顆粒影響為主；非汛期以藻類生長影響為主，但汛期懸移質泥沙的影響程度要遠大于藻類生長，2014年4月街口斷面受暴雨徑流影響透明度僅有10 cm。

表1 街口斷面水文因子及水質指標間的相關性Table 1 Correlation between hydrological factors and water quality indexes in Jiekou section

注：“*”表示P<0.05；“**”表示P<0.01。

3.2 營養鹽的影響因子

流域營養鹽輸入與降水量有很大的關系，街口斷面多年水質與同期月降水量相關分析表明：TN、TP、NH3-N等營養鹽濃度與降水量都有顯著正相關的關系(P<0.05)(表1)。

對比N、P指標的月度變化狀況發現，上游來水TN、TP濃度在3—7月明顯高于其他月份(圖4)，但TN、TP的動態變化則有不同，結合流域水文情勢，3月流域上進入春汛，N、P指標均出現了峰值，而P在流域主汛期7月還有一個峰值，N卻沒有。新安江流域在春節后有個習慣，把空豬欄中的有機肥清理到農田和山上去，使含N、P化合物、有機物在地表和土壤中累積[10]。3月進入春汛，污染物隨地表徑流進入河道，因此街口斷面水體中TN更大程度上受流域春季農耕施肥的影響，特別是春節前后生產生活方式，疊加流域春汛，使安徽上游來水中N在3—4月達到了一年中的峰值。

地表徑流引起N、P等養分的流失是農業非點源污染發生的重要形式[11]。P在水中的濃度一般比較低，主要吸附于土壤顆粒中[12]，降雨、開溝排水等產生地表徑流[13]，使營養豐富的表土層被侵蝕進入水體，從而使水體中含P量增加。當6月降雨達到最大值時，7月TP含量也達到了全年峰值，之后降水量逐漸減少，TP也逐漸降低。因此，街口斷面水體中TP表現為3月和7月雙峰結構，與流域在汛期降水導致水土流失密切相關，暴雨徑流磷輸入是安徽新安江流域的主要形式。

3.3 影響浮游植物生長的因子

浮游植物生長通常受N、P營養鹽、水溫、光照、水文、水動力和生物因子調控。N、P是浮游植物生長的物質基礎，OLIVER等[14]對歐洲水體的研究指出，當水體中無機氮質量濃度超過0.1 mg/L，可溶性磷質量濃度超過0.01 mg/L時，浮游植物的生長將不受到限制。2007—2016年街口斷面TP年均質量濃度0.029 mg/L，可溶性磷質量濃度為0.017 mg/L；TN年均質量濃度1.28 mg/L，無機氮年均質量濃度0.97 mg/L，表明街口斷面浮游植物的生長已經不受N、P營養鹽的限制。

當水體的營養鹽濃度達到一定程度，水溫、光照、水文、水動力等條件就成為影響浮游植物生長的主要因子。2013年以來，街口斷面入庫流量逐年增加，營養鹽濃度逐年增加，但藻類生物量卻逐年減少。街口斷面在新安江水庫屬河流區，營養鹽含量最高、透明度最低，藻類生長易受水動力條件影響，入庫流量大、流速大的區域，藻類不易生長，流域降雨導致流域水動力條件變化，影響藻類的生長。

4 結論

1) 2007—2016年，新安江流域上游來水中的CODMn、TN、TP、NH3-N、Chl-a、透明度平均值分別為1.99 mg/L、1.28 mg/L、0.030 mg/L、0.098 mg/L、0.0 101 mg/L、241 cm，CODMn穩中略有下降，透明度為下降趨勢，TN、TP、NH3-N為明顯上升趨勢，但Chl-a濃度為下降趨勢。2007—2016年，街口斷面的綜合營養狀態指數年均值40.4，波動范圍為39.3～41.8，屬于中營養狀態，整體為波動上升趨勢。

2) 2007—2016年，新安江上游來水CODMn呈緩慢下降趨勢，表明新安江流域安徽境內點源污染控制取得成效；結合年際、月際間數據分析，上半年汛期來水中N、P濃度高，下半年枯水期濃度低，安徽新安江流域的污染特征為面源污染。來水中N、P濃度的上升、透明度下降趨勢及富營養化水平呈上升趨勢，表明近些年來安徽新安江流域上的面源污染還未能得到有效控制。

3) 流域上降水帶來的水文情勢變化對來水湖沼學參數起重要作用。流域降水量大，來水中的N、P濃度高，透明度低。TN很大程度上受制于流域春季農耕施肥和春汛的影響，而TP主要來源于汛期流域降水導致的暴雨徑流輸入。街口水域藻類生長，營養鹽不是限制性因子，流域降水帶來的水動力過程變化很大程度上影響浮游植物的生長。