南水入京后密云水庫水質與營養(yǎng)狀態(tài)分析

康 欣，王曉羽，李 淼，張 琦

(北京市自來水集團有限責任公司，北京 100085)

密云水庫是華北地區(qū)最大的水庫，是北京重要的地表飲用水水源地，也是南水北調重要的調蓄庫,擔負著北京城市生活用水的重要任務。南水進京前，水庫上游來水一直偏少，然而北京社會經濟發(fā)展快速，常住人口不斷增長，密云水庫入不敷出，水資源供需矛盾十分突出。2014年南水北調調水進京，作為北京市的主要水源，同時也是密云水庫的補水源，其水質安全受到了極大的重視。南水入庫后，密云水庫的蓄水量有明顯的提升，同時南水的進入也對密云水庫的水質、營養(yǎng)狀態(tài)等造成改變。

1 水量評價

水量狀況參考北京市水務局大中型水庫水情日報。收集統(tǒng)計2012—2021年枯水、豐水期期間固定時段的密云水庫水位及蓄水量數(shù)據如圖1所示，可以看出近年來枯、豐水期水位水量變化較為一致。2012—2015年整體水位較低，蓄水量少并呈現(xiàn)下降趨勢。南水入庫后，2016年起水庫水位呈快速上升趨勢，并于2019年至今保持相對穩(wěn)定，水位增長近16m。2016年起密云水庫蓄水量也大幅度上升，至2021年已可達到250000萬m3，同比2015年前水量增長1倍有余。蓄水量的增加進一步確保了密云水庫在為京供水中的中堅作用，肩負起重要使命，其穩(wěn)定供水的戰(zhàn)略作用不可替代。

圖1 2012—2021年度枯、豐水期密云水庫水位-蓄水量情況圖

2 水質評價

水質狀況采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》作為評價依據。水樣監(jiān)測根據SL 219—2013《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》，每月進行水樣采集工作，所有水樣的采集均按采樣規(guī)定執(zhí)行，并進行了嚴格的質量控制，確保數(shù)據的準確性。水質評價采用級指數(shù)綜合評價法，根據實測的各項指標值，對照各類標準逐項評定，此項值符合某類水質標準，即屬該類。綜合評價以所有參加評價的各項參數(shù)的最高類為該水質類別。此次對密云水庫的水質綜合評價中，總氮和溶解氧暫不計入，但會作為重要特征指標進行數(shù)據分析。

南水入庫后，如不考慮總氮和溶解氧的影響，2015—2021全年各月水質質量基本保持在Ⅰ到Ⅱ類之間，水質相對穩(wěn)定。考慮到標準中的多項基本項目常年均小于檢出限或Ⅰ類水質限值，故選取重要特征指標高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、總磷、總氮、溶解氧和糞大腸菌群進行時間變化趨勢分析。如圖2所示。如把總氮和溶解氧計入綜合評價的考慮范圍，由于總氮多個月份嚴重超標，全年的水質將達到Ⅳ類甚至Ⅴ類。

圖2 2015—2021年度密云水庫水質特征指標分類變化圖

從監(jiān)測數(shù)據來看，常規(guī)指標如pH值，毒理學指標如砷、鎘、六價鉻、鉛、硒、汞、氰化物、氟化物等，一般化學指標如氟化物、揮發(fā)性酚類、陰離子表面活性劑、鋁、鐵、錳、銅、鋅等均符合Ⅰ類標準。

重點分析的6個特征指標中，化學需氧量常年維持Ⅰ類標準，偶有Ⅱ類的情況發(fā)生，整體情況良好。總磷及糞大腸菌群的水質情況大部分為Ⅰ類，每年中有少部分時間出現(xiàn)Ⅱ類情況，但都未有惡化的趨勢，南水輸水至今也沒有Ⅲ類檢出的情況，相對穩(wěn)定。

高錳酸鹽指數(shù)雖沒有Ⅲ類檢出的情況，但2015年至今，被檢出為Ⅱ類的月份在不斷增多。2015—2017年36個月份的監(jiān)測數(shù)據均為Ⅰ類，2018年首次檢出為Ⅱ類，但全年中的Ⅱ類水被檢出率僅占四分之一。2019年全年10個月份均被檢為Ⅱ類，2020年被檢為Ⅱ類的月份有8個。到2021年，全年中僅1個月份被檢為Ⅰ類水，故雖高錳酸鹽指數(shù)暫未發(fā)生Ⅲ類檢出的情況，但其數(shù)據確有不斷惡化的趨勢，應給予高度關注。

溶解氧指標大部分時段為Ⅰ類或Ⅱ類，滿足Ⅲ類水質標準。但多年夏季有降低的情況發(fā)生，小部分時段只能達到Ⅳ類水質標準。溶解氧的降低說明水體受到了有機、無機還原性物質污染，而溶解氧的下降利于水中部分藻類的生長，嚴重時可能還會引起魚類和浮游生物缺氧致死。

總氮是水中無機氮和有機氮的總和，是衡量水質的重要指標之一，也是水質惡化的重要因素之一。南水輸水至今，密云水庫水中的總氮大部分時段皆超過Ⅲ類標準，2019年起，部分時段甚至達到V類或劣V類。因此，對庫區(qū)水體中總氮含量的監(jiān)測和控制顯得尤為重要，對庫區(qū)中可導致總氮含量升高和生活污水可能帶入的污染源要給予高度重視。

3 營養(yǎng)狀態(tài)評價

本文通過對水庫營養(yǎng)狀態(tài)的相關指標及其相互關系進行計算分析，從而對水庫的營養(yǎng)狀態(tài)作出判斷，并對水庫富營養(yǎng)化發(fā)展的可能性與趨勢進行預測。

3.1 評價參數(shù)與標準

3.1.1限制因子

水庫富營養(yǎng)化是一個復雜的生態(tài)過程。影響水體營養(yǎng)狀態(tài)的因子很多且影響程度也有差異，隨著環(huán)境條件的變化，各因子都極大可能影響水體富營養(yǎng)化的進程。其中限制因子為氮、磷元素，這是因為水體發(fā)生富營養(yǎng)化時最直觀的表現(xiàn)就是浮游藻類大量繁殖，藻類分子中氮、磷元素所占的重量百分比非常小，故而氮、磷元素的變化可對其生長繁殖起到主導作用。氮、磷是生物生長所必需的營養(yǎng)元素，農業(yè)化肥的流失、生活污水和工業(yè)廢水的不達標排放以及地表水沖刷進入水體都可能造成水庫中氮、磷的增長，氮、磷含量的增減會影響藻類的生長率，一般情況下當水體中氮、磷總量上升時，水中的藻類也會隨之大量繁殖。

3.1.2評價項目

水體營養(yǎng)水平主要反映在藻類數(shù)量和種類密度，考慮到各類藻中均含有葉綠素a，因而葉綠素a在水體營養(yǎng)狀態(tài)評價中常常作為重要指標和必評項目。考慮到水庫營養(yǎng)狀態(tài)的影響因素非常復雜，不同湖泊、水庫有一定差異，根據歷年的監(jiān)測數(shù)據整理，此次對密云水庫的評價，選擇了最有代表性和有密切影響的葉綠素a、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)4項指標作為此次評價的評價項目。

3.1.3評價標準

湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)評價標準及分級方法見表1，采用SL 395—2007《地表水水資源質量評價技術規(guī)程》作為評價指導和依據，狀態(tài)分級及評分規(guī)則參考第5章節(jié)。

表1 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)評價標準及分級方法

3.2 評價方法的選擇

采用SL 395—2007作為評價指導，評價方法參考規(guī)程中的5.2章節(jié)，選取營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法作為評價的基本方法。

湖庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價包括以下3個步驟：

(1)水質評價項目濃度值與賦分值間的相關關系如圖3所示，采用線性插值法將各項水質評價項目濃度值轉化為賦分值，準確地進行插值計算；

(2)按圖3中的計算公式計算出各評價項目的賦分值En，根據En值和評價項目個數(shù)N計算出湖庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI；

圖3 水質評價項目濃度值與賦分值間的相關關系

(3)參照表1，根據計算出的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI確定營養(yǎng)狀態(tài)分級。

3.3 營養(yǎng)狀態(tài)評價

根據南水入庫后2015—2021年的水質檢測數(shù)據形成密云水庫營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢圖如圖4所示，可以看出影響密云水庫營養(yǎng)狀態(tài)的的主要因子是總磷和總氮。南水入庫后水體總氮濃度達到0.14～2.35mg/L，總磷濃度0.01～0.08mg/L，高錳酸鹽指數(shù)的濃度1.0～2.7mg/L，葉綠素a的含量相對較低，維持在0～0.0078mg/L。水庫營養(yǎng)狀態(tài)的評價結果表明，水庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在31.5～49.4之間，雖均位于中營養(yǎng)狀態(tài)，但部分時段接近富營養(yǎng)水平。

圖4 2015—2021年度密云水庫營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢圖

3.3.1葉綠素

葉綠素a作為必評項目直觀地反映水體中藻類情況，從其變化趨勢上可以看出，2015年南水剛入庫時葉綠素a的整體評分較高，維持在中營養(yǎng)水平；之后每年較有規(guī)律性的在貧營養(yǎng)到中營養(yǎng)間大幅波動，整體評分維持在20分上下。

3.3.2高錳酸鹽指數(shù)

高錳酸鹽指數(shù)整體評分維持在40分上下，屬于中營養(yǎng)偏富水平且無顯著性波動。從整體的大趨勢上可以看出，其評分值在逐年上升。2015—2017年部分評分仍低于40，且未有超過45分的情況發(fā)生。2018年僅3個月低于40分，并且首次出現(xiàn)了超過45分的情況。自2019年開始，評分均在40以上，維持在45分上下微小波動且仍有升高的趨勢，應給予高度關注。

3.3.3總磷

就營養(yǎng)單因子評價而言，總磷的評分變化波動較大，雖大部分時段都可維持在中營養(yǎng)水平，但2018年出現(xiàn)過輕度富營養(yǎng)的情況，評分高達58.4分，年度單因子評分均值超過40分，處于中營養(yǎng)偏富水平。水體中營養(yǎng)物質含量豐富，能夠提供足夠的營養(yǎng)來源。

3.3.4總氮

總氮作為密云水庫營養(yǎng)源的重要監(jiān)測項評分最高，大部分時間處于富營養(yǎng)狀態(tài)，且維持在中度富營養(yǎng)水平。2015—2021年水體中總氮含量的評分均值超60分，于2021年底達到最高71.2分。從具體的變化趨勢來看，如果不加以控制，總氮可能會繼續(xù)上升，加重富營養(yǎng)水平。因此，控制水庫中總氮的含量、減少氮污染是首要任務。

3.3.5營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

近年來，整個庫區(qū)水體表現(xiàn)狀態(tài)呈中營養(yǎng)。但是，水庫水體中總氮、總磷濃度的持續(xù)上升使得水庫營養(yǎng)水平持續(xù)增加，已多次達到偏富水平，富營養(yǎng)化風險不斷增大，很可能導致藻類過度繁殖，破壞水體的生態(tài)平衡、降低水質質量，增加水處理的技術難度。

3.4 評價結果分析

富營養(yǎng)化是當前我國湖泊、水庫面臨的主要水環(huán)境問題，通過水質評價和營養(yǎng)狀態(tài)評價可以有效地識別湖庫的營養(yǎng)狀態(tài)和水體污染程度，進行富營養(yǎng)化防治與對策制定。由密云水庫的評價結果來看，其污染程度相對較輕，水體中的主要污染因子為氮、磷元素。總氮濃度處于較高水平，極大可能導致水體富營養(yǎng)化。

4 結語

(1)南水入庫后密云水庫水位和蓄水量都有大幅度的增加。蓄水量的增加進一步確保了密云水庫在為京供水中的中堅作用。并且，南水北調中線工程北京段干線檢修期間，密云水庫作為北京城市供水的主力水源，穩(wěn)定供水的作用不可替代。

(2)目前南水入庫后密云水庫水質狀態(tài)良好，能滿足供水水質需要。個別指標如溶解氧、總氮的含量相對偏高，建議持續(xù)關注重點指標，做好水源水質保護和源頭管理工作。同時，繼續(xù)增強水廠接納高藻水的能力，優(yōu)化除藻、除氮、除磷工藝，確保運行穩(wěn)定和水質安全。

(3)庫區(qū)水體營養(yǎng)狀況處于中營養(yǎng)。歷年數(shù)據表明水體已多次達到偏富水平，富營養(yǎng)化風險不斷增大。這主要是由于水體中的氮磷元素含量較高，尤其是總氮的評分維持在中度富營養(yǎng)水平。建議采取謹慎的態(tài)度進行科學管理，減少輸入變化對水體營養(yǎng)狀態(tài)的改變。加大控制外源性營養(yǎng)物質輸入的同時，利用流行的生物和生態(tài)修復手段去除水中氮、磷營養(yǎng)物質，確保水體生態(tài)平衡，營養(yǎng)狀態(tài)維持良好水平。

(4)南水入庫后運行至今，未預料到的水質問題也在不斷暴露，新的風險仍需繼續(xù)探索。為確保水庫水的可持續(xù)利用、保障首都供水安全，應進一步收集分析多種水質數(shù)據、尋找規(guī)律，以便更好地應對各種可能發(fā)生的問題。同時，繼續(xù)加強水質監(jiān)測工作和應急準備工作，完善水質監(jiān)測加密制度，確保供水安全。