劉大水庫總磷污染特征分析與控制

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

劉大水庫位于普蘭店市的西北部，是普蘭店市主要的供水水源，同時擔負著大連市城市事故供水的備用水源任務，并擔負著瓦房店市部分工業與居民生活用水的任務。隨著水庫流域工農業生產的快速發展，進入水庫水域的總磷污染物逐年增加，總磷是水體富含有機質的指標之一，磷含量過多會引起藻類植物的過度生長、水體富營養化，發生水華或赤潮，打亂水體的平衡。劉大水庫庫區總磷含量在2015年8—12月出現了明顯的異常波動和嚴重超標現象，按地表水環境質量標準中湖庫總磷標準評價已達Ⅴ類或劣Ⅴ類水質標準，說明劉大水庫已呈現出總磷污染，容易出現富營養化。水庫暴發大規模的藍藻水華現象，會給城市的生產、生活用水造成較大影響，湖泊一旦發生富營養化，需要幾十年的控制才能恢復到較低的營養鹽水平。

1 水庫概況

劉大水庫流域屬千山山脈東側，是遼南暴雨區之一，洪水陡漲陡落，峰高量大，洪量較集中。水庫上游有入庫河流一條，為大沙河干流。劉大水庫壩址以上集雨面積278.3km2，河道長度33.96km，河道平均比降2.73‰。水庫死庫容480萬m3，正常水位88.25m，正常庫容6700萬m3，總庫容1.89億m3，屬大(2)型水庫。

2 水庫近年來水質綜合評價

根據2016年水庫水質監測資料，劉大水庫依據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)評價結果為Ⅱ類水質類別，選取2016年監測數據葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)作為富營養化狀況評價指標，評價結果見表1。綜合營養狀態指數計算公式如下：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

(1)

式中，Wj采用中國湖泊(水庫)的chla與其他參數之間的相關關系進行計算。

表1 劉大水庫近三年富營養化綜合營養指數評價結果

采用湖泊(水庫)營養狀態分級對劉大水庫近3年綜合營養狀態情況進行評價，劉大水庫一直處于輕度富營養化狀態。

依據2015—2017年水質監測結果分析，劉大水庫水體總磷含量多數月份低于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中按湖庫計的Ⅲ類標準，僅部分時段水體中的總磷含量超過國家對集中式生活飲用水地表水源地中總磷的含量要求(0.05mg/L)，見圖1。但在2015年8—12月出現了明顯的異常波動和嚴重超標現象，8—12月5個月的總磷含量分別為0.37mg/L、0.12mg/L、0.22mg/L、0.15mg/L、0.35mg/L，按地表水環境質量標準中湖庫標準評價已達Ⅴ類或劣Ⅴ類水質標準，已經出現總磷污染，導致水庫容易出現富營養化。

圖1 2015—2017年劉大水庫總磷含量過程

對劉大水庫2015年5—10月各月富營養化程度進行綜合營養狀態指數評價，從圖2中可以看出劉大水庫在8月、10月富營養化程度處于“輕度富營養”狀態，其他時間均為“中營養”，營養指數峰值出現在10月。

圖2 2015年劉大水庫綜合營養狀態趨勢

初步分析認為，劉大水庫總磷超標問題主要與降雨徑流沖刷和水庫低水位運行底泥沉積物的污染釋放影響有關，具體原因將進一步探究。

3 總磷來源與影響因素分析

3.1 外源污染

通過對劉大水庫的調查結果可知，劉大水庫流域內第二產業很少，沒有規模性工業污水排放點的存在，就2015—2017年流域外源污染負荷對劉大水庫總磷的影響機理進行分析，水庫上游河道與庫區內磷含量對比結果表明:外源污染負荷總磷進入水庫后不斷遷移擴散導致水庫總磷濃度增加，說明水庫總磷水質濃度超標月份主要由外源污染所致。

采用近年來水庫監測資料，對劉大水庫入庫流量、入庫總磷濃度、庫區總磷濃度及湖庫地表水評價水質標準進行耦合，繪制劉大水庫入庫與水庫庫區總磷含量對比圖(圖3)。從圖3中可以看出，水庫和上游河道總磷水質濃度基本成正比關系，2015年汛期來水集中，總量大，8—12月總磷超標原因很可能是受到降雨徑流輸入影響，入庫徑流攜帶的污染物逐漸運動至壩前，導致短期的總磷含量超標，此后，隨著污染物的沉積，水體總磷含量趨于正常。而汛期來水量大的2016年8月和9月，庫區中總磷含量同樣出現了超標現象。

圖3 2015—2017年劉大水庫入庫與庫區總磷含量對比

3.2 水庫低水位運行沉積物的污染釋放

從監測結果中可以看出水庫庫區總磷水質濃度部分月份高于上游河道總磷水質濃度，說明外源污染負荷不是影響水庫總磷的唯一因素。作為河流生態系統的重要組成部分，底泥不僅是河流營養物質循環的中心環節，也是污染物質的主要聚集庫，底泥不僅可以直接反映水體的污染歷史，而且在一定條件下可向上覆水體釋放各種污染物，是影響河流水質的重要二次污染源。劉大水庫常年運行蓄積了大量的污染物，分析認為庫底多年蓄積的底泥沉積物是導致總磷超標的另一主要原因。

從2014年以來普蘭店地區降雨量減少，劉大水庫蓄水量呈下降趨勢，呈低水位運行狀態，見圖4，上覆水較淺促使底部沉積物污染釋放的總磷，更容易進入表層。

圖4 2015—2017年水庫蓄水量線

底泥污染物向上覆水體釋放擴散是一個復雜的過程。但究其釋放機理，主要表現為兩種釋放擴散類型：底泥泥水界面釋放擴散和底泥污染物起動懸浮釋放擴散。前者釋放時間長，對上覆水體水質影響深遠，后者受上覆水體水力條件變化影響，對水質短時間內的變化影響較大。李彬[7]在底泥污染物向上覆水體釋放擴散的水動力學研究中，通過底泥污染物向上覆水體釋放的水槽模擬實驗結果和現場實測結果比較，分析得到了底泥污染物向上覆水體釋放擴散的規律，即其上覆水體的水動力特性對底泥污染物的釋放有很大影響。在水深大、水流流速小的情況下，其底泥不易泛起，此時底泥污染物的釋放較少。當水位降低、水流流速增大時，底泥懸浮于上覆水體中，底泥污染物釋放增大，對水質影響很大。

對比劉大水庫庫區近年來水位和總磷變化情況(見圖5)可以看出，當庫區水位持續下降，總磷濃度會出現反向增長現象。分析可以得出：在低流速情況下，底泥污染物緩慢釋放增長，在一定時間積累后底泥污染物濃度會出現峰值，說明低水位對污染物釋放擴散有一定影響。

圖5 2016—2017年水庫庫區總磷含量與水位關系線

篩選2015—2017年汛期雨季及非汛期降雨期庫區及上游河道總磷監測數據，見表2，可以看出，汛期雨季初雨產生的地表徑流和農田退澇排水對河道及庫區總磷污染影響較大；而非汛期雨季對河道總磷濃度貢獻較小，總磷濃度出現庫區高于入庫河流的情況，是因為水位降低，水流流速增大，底泥懸浮于上覆水體中，底泥污染物釋放增大。

表2 劉大水庫入庫流量與總磷濃度關系對比

通過表2數據分析和研究可以看出，水庫低水位運行會加重水體中總磷濃度升高現象。

4 結 語

劉大水庫庫區總磷污染超標主要為水庫上游入庫河流污染負荷入庫所致，外源面源污染為水庫庫區總磷污染主要來源，同時水庫庫底底泥沉積物是導致總磷超標的次要原因。為保護水庫飲用水源地，劉大水庫的治理與保護需將外源污染控制和內源治理相結合，針對以上問題，建議水庫庫區坡地、耕地退耕還林，采用種植物籬、預留植被緩沖帶等水土保持措施，鼓勵庫區上游農民合理堆放和使用畜禽糞便，引導農民科學施肥，加強庫尾人工濕地建設，加大湖域管理力度，實現水庫總磷優化管理措施。