南湾水库水质及富营养化特征分析

□于 刚（河南省周口水文水资源勘测局）

1.水质及富营养化概况

南湾水库除供水功能外，还具有灌溉、防洪、发电、养殖、旅游等多种功能。水库水质的好坏与居民生活、健康息息相关。近年来，随着工业、旅游和沿岸茶叶与板栗种植业的发展，污水排放和水土流失加剧，大量的有机物质和营养盐类进入水体。20世纪90年代的水质状况较80年代恶化，化学需氧量和高锰酸盐指数及硝酸盐氮均呈现递增趋势。2000-2009年10年间，除2006年和2007年处于轻度富营养化外，其它8年南湾水库均处于中度富营养化水平，水质在国家地表水标准II～III类之间。从20世纪90年代到21世纪，氨氮、高锰酸盐指数和硝酸盐氮总体呈现上升趋势。可见，随着社会经济的迅速发展，南湾水库的水质呈现恶化趋势。

2.水库富营养化因子关系分析

2.1 氮对南湾水库富营养化的影响

水体中氮的组成包含无机氮和有机氮两类，其中无机氮由硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮组成，氨氮又可分为铵离子和非离子氨两类。本研究分别以硝酸盐氮（NO3-N）和氨氮（NH3-N）分析南湾水库水体中氮的季节变化过程。

2.1.1 硝酸盐氮

水体中NO3-N是藻类繁殖可直接吸收的氮的最主要部分，南湾水库水体中NO3-N 2007-2009年3年的年均值分别为0.52，0.54，0.44 mg/L，其年内变化趋势基本类似；NO3-N的浓度最高值出现在春秋两季，而在夏季随着藻类和水草的增殖，浓度降至最低，表现为强烈的生物吸收过程。

2.1.2 氨氮

南湾水库NH3-N 2007-2009年3年的年均值分别为0.32，0.18，0.21 mg/L，其年内变化趋势并不明显，夏季略高。NH3-N的这种变化特点可能是由于藻类的死亡、分解，氨在沉积物中的积累，特别是上游来水的影响所致，此外，沉积物的NH3-N释放可能也是一个重要的原因。

2.1.3 总氮

TN是无机氮和有机氮的总和。南湾水库水体中TN 2007-2009年3年的年均值分别为1.05，0.87，0.86 mg/L，TN季节变化趋势并不明显，夏季略高。TN水平除受无机氮的影响外，还与水库水体中的有机氮含量有密切关系。

2.2 磷对南湾水库富营养化的影响

南湾水库的TP存在明显的季节变化规律，2007-2009年3年的TP浓度年均值分别为0.071，0.021，0.014 mg/L，年际变化不明显；TP浓度冬季较低，春季缓慢上升，夏季为全年最高。春季由于冰雪融化及藻类开始繁殖，水体中TP浓度有所上升，而此时，来水中TP浓度亦较夏季为低，故TP浓度上升幅度不大。夏季，由于暴雨径流汇水进入水库，入库河流流量增大，同时，随着水温增高以及良好的光照条件等，藻类及生物体迅速繁殖，外源的输入及磷在生物体内的累积使TP浓度在夏季达到峰值。而秋季，藻类生长速度明显减缓和藻类种属生长的季节交替等原因，TP浓度逐渐降低。

2.3 南湾水库富营养化限制因子分析

氮和磷是浮游植物生长所必须的营养元素，两者之间的相互关系对于确定富营养化的限制性因子具有重要意义。湖泊、水库中所需的营养物质的绝对数量和相对数量是决定水体初级生产量的主要限制因子。据此，只要判别出具体湖泊的限制性营养盐，并对其加以控制则可达到对初级生产力的控制。判别水体富营养化限制性营养盐的方法如下：当水体中可被生物直接吸收的磷的浓度<5μg/L时，磷是可能制约水生植物生长的限制性营养盐；当可被水生植物吸收的氮的浓度<20μg/L时，就意味着氮是可能制约水生植物生长的限制性营养盐。如果氮和磷的浓度均小于上述标准，则二者都可能是限制性营养盐。如果氮磷浓度都不低于限制生长的含量时，则可利用湖泊水体的氮磷比，确定哪一种元素有可能成为限制性营养盐。根据藻体中所含碳、氮、磷的原子比率为106C:16N:1P，假定藻类以同样的比率吸收氮磷，则可用此比率来确定限制性营养盐。与16N:1P的原子比对应的质量比为7.2N:1P，因此，当湖泊中可被植物吸收的氮和磷的浓度比<7.2时，则氮可能是限制性营养盐，反之则磷可能是限制性营养盐，如果该比率接近7.2，则二者都可能是限制性营养盐。由于水库中营养盐浓度在全年的循环中变化很大，以氮磷年均值为基础的氮磷比率常常与藻类生长期的氮磷比率有很大差异，故判断限制性营养盐的氮磷比率应取自藻类最大生物量时期的比值。

根据上述方法，对南湾水库的限制性营养盐进行判断，水体中可被水生植物直接吸收的磷酸盐浓度较低，2007-2009年3年年均值分别为5.0，17.9，10.1μg/L，但均高于限制植物生长的量（5μg/L），水库中可被水生植物直接吸收利用的无机氮含量也远远大于限制植物生长的量（20μg/L）。因此，需根据无机氮与溶解性磷酸盐的比率判断，2007-2009年3年的氮磷比平均值分别为 130.5（36.6～258.5），59.1（8.9～181.5），131.2（24.5～352.6）。

南湾水库水体中氮磷比随水体中氮、磷的季节变化而变化，水库水体中氮含量远远高于磷，随着藻类和水生植物的繁殖，特别是到5-6月份之后，水库中的氮磷比迅速下降，但比值仍>7，即表明磷是南湾水库初级生产力的限制性营养盐，相对于磷，水体中氮的含量比较充足，因此氮对藻类生长的影响较小，而磷的影响会比氮明显。

2.4 水温

藻类的各种生理活动及生化反应都必须在一定温度条件下才能进行，而且温度变化也能引起其它因子的变化，如pH等，这些环境因子的变化又能影响藻类的生长发育，因此，水温对藻类生长具有重要影响。

南湾水库1999-2009年多年平均月均水温最高为8月的28.0℃，最低为1月的5.6℃，多年平均值为16.8℃，而藻类生长的最佳水温为20～30℃，因此水温在天气较冷的季节也是南湾水库藻类生长的限制性因子。

2.5 CODMn

以2007-2009年3年平均值为据，南湾水库水体中CODMn的年内变化比较大，其最小值与最大值分别为2.5 mg/L和4.3 mg/L。其中8-11月份的值比较高，这是由于该时期水库藻类大量繁殖，藻类光合作用及呼吸作用产生大量的耗氧有机物，使水体中的CODMn明显增高。

2.6 DO

DO浓度的季节性变化主要与水温变化有关，DO和水温的年内变化趋势相反，在夏季和冬季尤为明显，DO含量随水温降低而增高，随水温升高而降低。

水温和光照等条件为藻类生长提供了良好的繁殖条件，光合作用使表层水体DO呈过饱和状态，然而，夏季不仅藻类生长快，其新陈代谢作用也加速，死亡的藻类残骸沉入水体下层并发生腐烂、分解等耗氧作用。同时由于表层水温高于底层水温，因而水体难以发生对流交换，从而造成水库水体在夏季的底部缺氧。

3.水库水质趋势分析

采用季节性Kendall检验，应用南湾水库多年水质资料进行分析，推断南湾水库水质污染的发展趋势。

3.1 水质资料的选用

水质序列的选用要注意资料的可靠性和可比性，最好在进行趋势分析的水质资料中，其取样到分析全过程应遵守统一的水质采样规范，否则因水质数据本身的不可比性会影响趋势分析的准确性。文章对南湾水库库内监测点选择了2004-2009年6年的水质序列进行趋势分析。

3.2 水质参数的选择

在确定趋势分析的参数时，重点选择了监测序列长、数据可靠，又在判定污染和影响水质的变化上有代表性的项目。根据所掌握的水质监测资料，对6个水质指标进行水质趋势分析：DO，TN，TP，NH3-N，NO3-N，CODMn。

3.3 南湾水库水质趋势分析

选用2004-2009年间的水质数据，取显著性水平为0.1和0.01，即当时，说明检验具有高度显著性水平；当时，说明检验是显著的。6个项目的趋势分析结果如表1所示。

表1 水质浓度趋势分析成果表

水质浓度趋势分析结果表明：南湾水库在2004-2009年间，总磷、总氮、高锰酸盐指数和硝酸盐氮等4项水质指标的变化趋势均不明显，只有氨氮和溶解氧项目分别出现显著上升和显著下降趋势，水质状况相对较为稳定。