前坪水庫蓄水運行期水體富營養化預測分析

楊 剛 王 萍 馬 威 皇甫澤華

一、前言

北汝河發源于河南省嵩縣車村鄉，流經嵩縣的竹園鄉上莊村婁子溝進汝陽縣境內，至小店鄉黃屯村東北入平頂山市境內。前坪水庫選址位于沙潁河支流北汝河上游，擬建成為防洪為主，結合灌溉、供水與發電等綜合利用的大型水庫工程，總面積約560km2，共有50余萬畝耕地。前坪水庫是《淮河流域防洪規劃》中確定在北汝河干流上修建的以防洪為主的大型水庫，建成后北汝河防洪標準將由不足10年一遇提高到20年一遇。

水體富營養化及水華問題已經成為國內眾多水庫面臨的嚴重問題。長久以來，對水庫富營養化及水華的成因與機制研究是眾多學者的研究熱點。前坪水庫作為多用途綜合利用的大型水庫，其水質問題在很大程度上影響著經濟效益的發揮。本文通過分析工程涉及區域富營養化關鍵因子監測結果，預測該工程運行中產生水體富營養化的風險。

二、建庫前氮、磷含量

根據《2013年許昌市環境狀況公報》，北汝河下游地表水環境質量與往年基本持平。表明建庫區水質穩定，滿足相應水功能區水質要求。圖1是2013年對前坪水庫下游紫羅山水文站總磷的全年檢測結果，該監測斷面檢測結果均達到地表水III水質標準（GB 3838-2002）要求，全年監測總氮結果均小于0.20mg/L，滿足相應區域水功能區要求。在3月份及4月份，總磷含量呈現較高水平。前坪水庫建成后應在3月份與4月份加強水質監測，需要密切關注水體富營養化狀態。

圖2與圖3分別是2014年7月對庫區水體連續三天進行的總磷與總氮檢測結果，表明總磷與總氮含量穩定且處于低濃度水平，總磷含量在趙莊監測點相對較高，總氮含量在婁子溝監測點相對較高。總體而言，檢測結果表明對建庫后初期庫區水體富營養化的影響較小。在水庫建成運行中需重點關注總磷含量的變化，采取必要措施控制總磷向庫區的輸入。

2015年在前坪水庫壩址及其下游進行了連續三天的總磷與總氮檢測（圖4與圖5），總磷含量穩定且在地表水環境質量標準（GB 3838-2002）III類限值內，總氮檢測結果均超出該標準的III類標準限值。總磷、總氮超標與上游農業面源排放有很大關系，也可能與當地鄉鎮未建生活污水處理設施，生活污水隨地表徑流進入北汝河有關。對水庫建成后富營養化風險防控而言，總磷含量成為前坪水庫富營養化的限制因子。前坪水庫運行后，應采取必要的污水處理措施，加強對鄉鎮生活污水的處理及上游農業面源污染的管理。

圖1 前坪水庫下游（北汝河紫羅山水文站）2013年總磷含量變化圖

圖2 2014年7月對北汝河庫區連續三天取樣檢測總磷結果圖

圖3 2014年7月對北汝河庫區連續三天取樣檢測總氮結果圖

圖4 前坪水庫壩址及其下游2015年總磷檢測結果圖

圖5 前坪水庫壩址及其下游2015年總氮檢測結果圖

按照《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）監測項目要求，所測各點土壤環境質量良好，各項重金屬檢測指標均滿足二級標準。對各測點土壤中總磷、總氮檢測結果如圖6，總磷均呈現在較低的含量水平；總氮含量則在黃莊下河灘處呈現出較高的水平。水庫建成后，庫區土壤中總磷、總氮等對庫區水體環境質量影響程度，還需要進行浸出實驗進行研究。作為典型山區輕度營養型水庫，周駿等對尹府水庫底泥氮磷釋放規律研究表明，TN表現為上覆水體的內源，但輕度富營養化尹府水庫的底泥吸附上覆水體的磷，中營養化、富營養化水庫的底泥向上覆水體釋放磷。前坪水庫的環境特征與尹府水庫極為相似，其研究結果對前坪水庫富營養化防控具有一定的參考價值。前坪水庫建成運行后，在控制總磷外源輸入的同時，應重點關注底泥中總磷的釋放對水體富營養化的影響。

三、建庫后富營養化預測分析

水庫建成后壩上的環境問題主要是庫周及庫尾居民生產生活產生的污染，該地區經濟欠發達，居民環境與生態保護意識不強，居民養殖廢水直排，生活垃圾亂堆問題普遍，生活污水無集中處理設施，環境污染源主要為面源污染。

入庫面源污染量：前坪水庫控制流域農業污染主要來自農田徑流、分散式畜禽養殖等。根據《第一次全國污染源普查：畜禽養殖業源產排污系數手冊》統計測算，前坪水庫控制流域農業污染源總氮502.62t/a，總磷26.48t/a；生活污染源核算總氮258.82t/a，總磷22.63t/a。綜合考慮各因素，農業污染入庫系數取0.25，生活污染入庫系數取0.08，統計入庫面源污染量見表1。總磷、總氮污染物入河量中，畜禽養殖貢獻率均在60%以上，表明控制畜禽養殖污染物入庫，是前坪水庫運行后預防富營養化的重點。

表2是在規劃水平年污染物排放入庫量的預測結果。根據預測結果，庫區城鎮污水處理廠未建成情況下，2025年前坪水庫控制流域生活污染源總磷與總氮分別為24.19t與276.63t；庫區城鎮污水處理廠已建成情況下，生活污染源總磷和總氮分別為3.47t與103.81t（農業污染源總磷、總氮分別24.49t與464.8t計）。根據預測，前坪水庫控制流域污染物主要源自農業污染。

水庫營養狀態：規劃水平年入庫污染負荷（庫區鄉鎮污水處理未建成）總磷、總氮分別為138.33t/a和8.06t/a；庫區鄉鎮污水處理建成運行時則分別為124.87t/a和6.41t/a。前坪水庫蓄水后流速變緩，水體交換能力變差，在營養物來源豐富、富集條件好的庫灣和庫尾、支流回水區等地區，水庫存在出現富營養化的風險。表3對不同水文年條件下水庫出現富營養化狀態的預測。P=95%特枯水文年，在未建城鎮污水處理設施時，水庫運行極有可能出現輕度富營養化；在運行城鎮污水處理設施時，庫區水質得到一定的改善，但其綜合營養狀態指數接近最大允許值，說明存在發生富營養化的可能，仍受輕度富營養化威脅。TP富營養化控制理想濃度0.02mg/L；在不利的水文條件下需要控制總磷的入庫量。

四、對策與建議

針對不同類型水庫的研究，防治水庫富營養化的對策與措施較多。在水庫預測條件下，前坪水庫運行后水體呈中度營養水平，局部水域可能會出現富營養化現象。根據前坪水庫的特點及水質特征與相似水庫的管理經驗，前坪水庫在運行中需要重點從以下方面采取措施，防止前坪水庫富營養化風險。

一是控制污染源，嚴格控制含氮、磷元素的污染源進入庫區。限制庫區及水庫上游養殖業與畜牧業規劃及數量；加強生活污水集中處理能力與效果；在水源上游、入庫河渠及重點庫區建立監測網絡，加強總氮、總磷等水質監測。二是降低營養物水平，控制富營養化所需氮、磷含量。由于含氮、磷等營養物質沉降作用，水庫深層水體中營養化程度會高于表層，可通過改善水庫排水方式等措施降低庫區水體營養物含量。如加快水庫水循環能力，從深層開始排水等方式。在條件許可時，對庫區底泥進行清淤，也是有效降低營養物含量的方式之一。三是強化水庫管理，落實管理制度。水庫職能管理部門應制定水源保護管理辦法，建立管理激勵機制，進一步削弱面源污染量；前坪水庫運行后將作為飲用水水源保護地，因此嚴禁網箱養殖、肥水養殖等行為；水庫庫尾、庫叉區是富營養化重點防治區，因此運行期間要加強環境管理與富營養化監測。此外，還需要相關部門積極投資建設并運營鄉鎮污染處理廠，改進施肥技術與推廣新型肥料來提高肥料利用率，從而減輕水體氮、磷污染。

表1 前坪水庫當前入庫面源污染量統計表

表2 2025年污染物排放及入庫量預測表

表3 水庫富營養狀況預測表

氮、磷是湖庫水體富營養化的主導因子，對富營養化的發生起決定作用。前坪水庫的庫尾及庫叉區是富營養化防范的重點，運行期要加強庫尾與庫叉區環境管理和富營養化監測。前坪水庫建成運行期水庫水體富營養化主要受到面源污染。總磷是前坪水庫運行后水體富營養化的限制因子，蓄水初期庫容較小，淹沒耕地浸出磷會造成庫區濃度較高，但隨著庫容增加，磷濃度會逐漸降低。前坪水庫作為淮河上游、北汝河上重要的大型水庫，其富營養化風險防控是該水庫運行管理中的重要課題，需要管理者綜合分析與科學管理■