大寧調蓄水庫水生態監測成果分析及評價

孫昊蘇 李 壘

(1.北京市南水北調大寧管理處，北京 102442；2.北京市水科學技術研究院，北京 100048)

近年來，中國在湖庫富營養化防控方面加大了整治力度，但湖泊富營養化的事態并未得到有效遏制。巢湖、洞庭湖、滇池等湖泊均不同程度地存在富營養化風險［1-3］。科學、合理地評價湖庫富營養化風險，對于區域水體水質保護有著十分重要的意義。湖庫水質分析、富營養化評價的方法已較為成熟［4-6］。目前，由于南水北調中線工程通水不久，對大寧調蓄水庫水質、富營養化評價的研究較少，而大寧調蓄水庫水質、水生態狀況的優劣，關系到北京城市用水安全，因此，開展大寧調蓄水庫的水質和水生態指標連續監測和科學評價工作，及時掌握入庫南水的水質狀況，加強南水北調配套工程的水質保護，對提升北京城市供水安全保障率具有重要意義。

圖1 北京城市供水新格局示意圖

1 工程概況

南水北調中線工程，自2014年12月起自丹江口水庫調水進京，截至2018年12月，進京江水累計超過40億m3。工程通水后，顯著增加了北京市水資源總量，提高了城市供水安全保障率，改善了居民用水條件，在改變首都水源保障格局的同時，也為北京贏得了寶貴的水資源涵養期［7］。

現階段已建成的北京市南水北調配套工程包括：?輸水管線工程：南干渠、東干渠、團城湖至第九水廠等工程；?調蓄庫(池)工程：大寧調蓄水庫、亦莊調節池、團城湖調節池等工程；?水廠工程：第三水廠、第九水廠、309水廠、門頭溝城子水廠、郭公莊水廠、長辛店第一水廠、田村山水廠等工程［8］。已建配套工程和南水北調中線總干渠等工程共同構成了北京市“兩大動脈、六大水廠、兩個樞紐、一條環路、三大應急水源地”的“26213”供水新格局，見圖1。其中，大寧調蓄水庫是北京市南水北調配套工程的重要組成部分之一，承擔著南水北調中線總干渠工程檢修、突發事故等情況下的應急供水任務，是解決南水北調來水與北京市用水過程不匹配、保障北京城市供水安全的重要部分。

2 研究方法

2.1 樣品的采集、選取與分析

大寧調蓄水庫的水質監測工作由北京市南水北調水質監測中心負責，自2014年通水后連續監測至今，選取大寧調蓄水庫泵站北側位置為水質監測取水點，監測頻次為每月1次(部分月份因冰凍等原因停測)。采用便攜式多功能水質速測儀測量水溫、pH值等常規物理指標；在實驗室分析硫化物、硫酸鹽、汞等無機物指標；分析揮發酚，陰離子表面活性劑，耗氧指標如溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量等有機物指標；分析氨氮、硝氮、總氮、總磷等營養鹽指標；分析鋅、硒、砷、鎘、鐵、錳、銅、鉛等金屬離子指標，以及生物學指標糞大腸菌群，共計28項。2017年水質監測中汞、氰化物、揮發酚等15項指標均低于檢出限，不再進行統計分析。本次研究選取水溫T、pH值、溶解氧DO、高錳酸鹽指數 CODMn、化學需氧量 COD、五日生化需氧量BOD5、氨氮NH3-N、硝酸鹽氮NO3-N、總氮 TN、總磷 TP共10個指標進行分析。

2017年，大寧調蓄水庫水生態監測工作由北京市水科學技術研究院負責實施，監測頻次為每月1次(部分月份因冰凍等原因停測)，汛期加密。根據大寧調蓄水庫水面及庫底地形特點，選取庫中4處監測位，共10個監測點進行連續監測，見圖2，其中，1、2、3號監測點位分別取表層、中層、底層3個監測水樣。水生態監測指標包括水深、透明度、總氮、總磷、葉綠素a、高錳酸鹽指數、總有機碳、浮游植物定性定量等。監測和分析嚴格按照《水和廢水監測分析方法》(第四版)中的監測分析方法進行。

圖2 大寧調蓄水庫水生態監測點布置圖

2.2 數據的處理與評價

選取的10項水質指標，對其月監測平均值進行分析。采用Excel 2007軟件和SPSS 22.0軟件對水質數據進行統計和分析，低于檢出限的數據，用1/2檢出限代替。采用單因子標準指數法對水質指標進行評價，依據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)確定水質類別。

采用《地表水環境質量評價辦法》(試行)中的綜合營養狀態指數法對大寧調蓄水庫營養狀態進行評價。采用0～100的數字，對水庫營養狀態進行分級：TLI(∑)＜30為貧營養；30≤TLI(∑)≤50為中營養；50＜TLI(∑)≤60為輕度富營養；60＜TLI(∑)≤70為中度富營養；TLI(∑)＞70為重度富營養。

綜合營養狀態指數計算公式為

式中：TLI(∑)為綜合營養狀態指數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數。

以chla作為基準參數，則第j種參數歸一化的相關權重計算公式為

式中：rij為第j種參數與基準參數chla的相關系數；m為評價參數的個數(湖泊或水庫的chla與其他參數之間的相關關系rij及r2ij見表1)。

（一）在識字教學中，要充分利用孩子愛想象地特點激發他們用自己的方法記憶漢字，并加以引導：根據字形，字的結構，各部分所表達的意思等來識記漢字。

表1 湖泊(水庫)部分參數與chla的相關關系r ij及r2 ij值

各項目營養狀態指數計算公式為

式中：chla單位為mg/m3，SD單位為m；其他指標單位均為mg/L。

浮游植物的優勢種用優勢度來表示，優勢度Y計算公式為

式中：fi為第i種浮游植物出現的頻率；pi為第i種浮游植物占所有浮游植物數量的比例。

3 結果與分析

3.1 水質指標特征

2017年，對大寧調蓄水庫全年水溫T、pH值、溶解氧DO、高錳酸鹽指數CODMn、化學需氧量COD、五日生化需氧量 BOD5、氨氮 NH3-N、硝酸鹽氮 NO3--N、總氮TN、總磷TP的含量變化情況進行了分析，見圖3。水溫T變化范圍為2.0～29.6℃，受季節變化影響；pH值變化范圍為7.5～8.5，總體呈弱堿性；溶解氧DO含量變化范圍為7.4～12.5mg/L，夏季較低，其他季節較高，均達到Ⅱ類水標準；高錳酸鹽指數CODMn含量變化范圍為2.1～4.0mg/L，均達到Ⅱ類水標準；化學需氧量COD含量變化范圍為5～11mg/L，均達到Ⅱ類水標準；五日生化需氧量 BOD5含量變化范圍為0.5～2.6mg/L，均達到Ⅱ類水標準；氨氮NH3-N含量變化范圍為0.071～0.324mg/L，均達到Ⅱ類水標準；硝酸鹽氮NO3--N含量變化范圍為0.068～0.349mg/L，均達到Ⅱ類水標準；總氮 TN含量變化范圍為0.358～0.762mg/L，在Ⅱ類水標準和Ⅲ類水標準之間波動；總磷TP含量變化范圍為0.01～0.02mg/L，均達到Ⅱ類水標準。

綜上所述：大寧調蓄水庫水體呈弱堿性，現狀水質狀況良好，達到地表水Ⅱ類標準。

圖3 大寧調蓄水庫2017年部分指標水質監測結果

表2 大寧調蓄水庫綜合營養狀態計算

3.2 富營養化評價

2017年，對大寧調蓄水庫綜合營養狀態進行了分析，計算結果見表2。2017年，大寧調蓄水庫綜合營養狀態指數為41.63。對比《地表水環境質量評價辦法》(試行)中的水庫營養狀態分級，大寧調蓄水庫富營養程度為中營養。

3.3 浮游植物群落結構及優勢度分析

3.3.1 大寧調蓄水庫浮游植物群落結構

浮游植物的密度和種類變化會影響水體水質狀態，它的群落結構和組成變化往往也預示著該水域水環境的改變［9］。2017年大寧調蓄水庫共檢測出浮游植物57種，其中硅藻門16種、綠藻門23種、藍藻門7種、甲藻門3種、裸藻門2種、黃藻門2種、金藻門2種、隱藻門2種。大寧調蓄水庫浮游植物群落結構時間分布見圖4。從圖4中可以看出，大寧調蓄水庫浮游植物在8—10月迅速增長，且有暴發趨勢。比重最大的是藍藻門，其次為綠藻門。

圖4 大寧調蓄水庫2017年浮游植物群落結構時間分布

3.3.2 大寧調蓄水庫浮游植物優勢度時間累積分布

某種浮游植物的優勢度大于0.02時，該浮游植物為優勢種，大寧調蓄水庫浮游植物優勢種優勢度時間累積分布見圖5。從圖5中可以看出，大寧調蓄水庫3—4月浮游植物優勢種較為單一，主要為脆桿藻；5—6月優勢種開始增加；6月優勢種最多；到7月優勢種又逐漸減少；8月起擬柱孢藻占主導；9月之后鞘絲藻、假魚腥藻、小環藻、錐囊藻、澤絲藻先后達到優勢種水平。

圖5 大寧調蓄水庫2017年浮游植物優勢種優勢度時間累積分布

4 分析與探討

4.1 大寧調蓄水庫水質保護的優勢

2017年大寧調蓄水庫水質指標依據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)達到Ⅱ類水標準，水質情況良好，能夠滿足作為一個城市備用水源地所應具備的水質條件；大寧調蓄水庫現狀水生態狀況良好，浮游生物種類豐富，水源區是一個完整的生態系統，且水庫能有效稀釋上游來水［10］，自凈能力較強；水庫地處京西平原地區，春、秋季多風，且短時風力較大，水體常年流動，水庫調水運行較為規律［11］。

4.2 影響大寧調蓄水庫水質、水生態狀況的主要風險

大寧調蓄水庫水質風險主要是庫北的小啞叭河。小啞叭河河道匯流面積近20km2，匯水區內主要涉及居民區及各類交通道路，有一定的生活污水匯集，汛期暴雨期間易形成徑流，將囤積于河道內的生活污水沖入水庫，是汛期潛在污染源。

通過分析2017年大寧調蓄水庫水生態監測成果，發現8—10月水庫藻類，尤其是藍藻有暴發的趨勢，優勢種擬柱孢藻具有一定的毒性，可能影響水庫水生動植物的生長，破壞水庫生態。

4.3 維護水庫水質、水生態安全的措施探討

采用新挖小啞叭河河道工程措施，將河道末端引到庫外是較好地消除水庫水質污染風險的手段，但新建工程受地區規劃和拆遷成本的影響較大，不易實現。通過整理水庫近年暴雨引起洪水入庫的情況分析，發現入庫水量并不大，所攜污染物不足以影響水庫整體水質狀況，并且，采取果斷措施可以消除洪水入庫對于水質的輕微影響。

有研究表明，通過生物操縱放養鰱、鳙等魚類能夠迅速改變浮游生物群落結構，改善水質指標［12］。對于大寧調蓄水庫來說，水質風險主要存在于7—9月，但夏季魚類采購困難，且投放成活率不高。因此，應當在入汛之前儲備一定量的魚類以備不時之需。水庫在汛期調度極少，并且伴隨長時間高溫和暴曬，因此，在北京城市防汛的主汛期7—8月以及隨后的9—10月均應該密切關注大寧調蓄水庫TP、pH值和TN的變化，適時以濾食性魚類，主要是鰱、鳙等，進行生態調節，提升水生態系統的自我調節能力［13］。

5 結論與建議

大寧調蓄水庫水體呈弱堿性，現狀水質良好，水質達到地表水Ⅱ類標準；采用綜合營養狀態指數法評價的水庫水體為中營養狀態。

對于大寧調蓄水庫來說，主要風險發生的時間正處在汛期，應當做好充分的汛前準備，及時預估風險，保障安全；應主要預防藍藻水華的發生。在水庫水體趨于惡化時，應當采取果斷措施，迅速控制藻類生長，消除水質安全威脅，維護水庫生態穩定。