潘家口水库水质营养状态分析

戴会冉,田 伟,段龙飞

(水利部海河水利委员会 引滦工程管理局，河北 迁西 064300)

1 概 述

潘家口水库是滦河目前最大的水利工程，是引滦工程的“龙头”，是天津、唐山及滦河下游的重要水源，水库原设计同时兼顾防洪、灌溉、发电、水产养殖、改善航运、开展旅游等综合效益。多年来，由于滦河上游工业、农业及城市生活污水的大量排放，潘家口水库周边工业点源及农田径流带来的污染，潘家口水库网箱养鱼的不断增加，饵料及鱼类排泄物的不断增加，使得水库均受到不同程度的污染。因而，其水体的营养状况受到关注。

环境部2004年颁布的《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级规定》推出的综合营养状态指数法(TLI)及日本相崎守弘等的修正营养状态指数(TSIM)[1]是当前通用的一种适合评价胡湖泊(水库)水体营养状态的水质评价方法。运用这两种方法对潘家口水库的水质状况展开评价，有助于了解潘家口水库的营养状况、预测其未来演化趋势。

1.1 潘家口水库概况

潘家口水库位于河北省承德市和唐山市的交界处,地跨承德、宽城、兴隆、迁西4县，坝址在迁西县桃园村北约2 km的滦河干流上，控制流域面积33 700 km2，占滦河流域面积的75%，多年平均径流24.5×108m3,约占滦河流域径流量的53%。总库容29.3×108m3，其中兴利库容19.5×108m3,正常蓄水位222 m。总装机42×104kW，发出的电力通过22万伏高压输电线路并入华北电网。潘家口水库一期工程于1975年10月动工，1979年12月下闸蓄水，1981年4月第一台机组并网发电，1983年开始供水，1984年主体工程基本完成。二期工程是在主坝下游6 km建拦河闸，形成下池，并安装两台各5 000 kW发电机组。

1.2 采样点设置

潘家口水库从上游到下游设置4个采样点，依次为暴河口断面、燕子峪断面、潘家口断面、潘坝上断面。

1.3 水样的采集机数据处理

使用20 L的采水器采集水样，水样带回实验室后立即进行各种项目的监测。水样采集在每月上旬进行。

透明度(SD)、叶绿素采用多参数测定仪进行测定，总磷(TP)、总氮(TN)采用国家地表水质量监测标准进行。其中，TN在2006～2012年采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计(GB11894-1989)、2013年采用流动注射仪(HHLY-LD 008-2011)，TP采用磷钼酸铵比色法(GB11893-1989)，高锰酸盐指数(CODM)采用高锰酸钾酸性法[2]。

1.4 评价方法

目前，国内外有关富营养化的研究方法主要有营养状态指数法( TLI) 、修正的营养状态指数法(TSIM)、营养度指数法和评分法，其中营养状态指数法和修正的营养状态指数由于可对营养状态进行连续的数值化分级，从而为大多数研究工作者所采用。依据《湖泊( 水库) 富营养化评价方法及分级规定》，采用综合营养指数法和修正的营养状态指数法(TSIM) 对潘家口水库的营养现状进行评价[3-4]。

综合营养指数法评价因子营养状态指数计算公式:

TLI(Chl.a)=10×(2.5+1.086LnChl.a)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624LnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694LnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94LnSD)

TLI(CODmn)=10×(0.109+2.661×LnCODmn)

式中：叶绿素a(Chl.a)单位为μg/m3,透明度SD单位为m，其它指标单位为mg/L。

综合营养状态指数计算公式:

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；m为评价参数的个数；TLI(J)为第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

以Chl.a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重Wj计算公式为：

式中：m为评价参数的个数；rij为第j种参数与基准参数Chl.a的相关系数。

根据TLI(∑)数值对湖泊(水库) 营养状态进行分级[5]，分级标准见表1。同一营养状态下，指数值越高，其富营养程度越重。

表1 湖泊(水库)营养状态分级标准

相崎守弘等将卡尔森以透明度为基准的TSI指数改为以叶绿素 a 为基准的营养状态指数，称之为修正的营养状态指数(TSLM)。修正的TSLM法采用 0 ～100 一系列连续的数字对湖泊营养状态分级，指数在 30 以下为贫营养; 30 ～50 为中营养; 50 ～100 为富营养。

修正的营养状态指数(TSLM)法评价因子营养状态指数计算公式:

TSI(∑)=0.54TSIM(CHl.a)+0.297TSIM(SD)+0.163TSIM(TP)

2 潘家口水库营养状态情况

2.1 潘家口水库水质参数

见表2。从表2可以看出，潘家口水库藻类的数量呈上升趋势，透明度则相反，总氮、总磷、CODmn的含量变化不大。叶绿素a(CHl.a)8年的均值为(14.55±18.85)μg/L，总磷(0.058±0.019)mg/L，总氮(5.19±0.60)mg/L，CODmn(3.74±0.47)mg/L，透明度(2.17±0.52)m。

表2 潘家口水库水质参数

2.2 潘家口营养状态指数(TLI、TSIM)的年际变化

用TLI和TSIM对2006～2013年潘家口水库水质指标进行综合指数状态分析，见图1、图2。可以看出，潘家口水库综合指数TLI呈现上升并缓慢下降的趋势，从中营养逐渐变为轻度富营养，2006～2009年为中营养，2010～2013年为轻度富营养。TLI的8年均值为48.9，TLI最小值出现在2006年，为40.2；最大值出现在2010年，为58.6，2006～2010年增长速度较快，2011～2013年出现了负增长：2010(22.13%)>2009(11.30%)>2008(5.09%)>2007(2.23%)>2013(-1.87%)>2011(-2.62%)>2013(-8.83%)。

图1 潘家口水库2006～2013年营养状态指数TLI

图2 潘家口水库2006～2013年营养指数TSIM

潘家口水库TSIM变化趋势与TLI基本一致(图2)，从中营养逐渐变为轻度富营养，2006～2009年为中营养，2010～2013年为轻度富营养。TSIM的8年均值为47.9，TSIM最小值出现在2006年，为34.8；最大值出现在2010年，为64.4，2006～2010年增长速度较快，2011～2013年出现了负增长：2010(36.45%)>2009(22.83%)>2009(5.74%)>2008(4.48%)>2013(-2.51%)>2011(-8.34%)>2013(-11.56%)。

2.3 潘家口水库营养状态指数的空间变化

图3、图4表明潘家口水库营养状态指数TLI和TSIM值变化趋势基本一致，暴河口断面营养水平较高，燕子峪断面、潘家口断面偏低，潘坝上断面2010、2013年偏高些，其他年份最低。

图3 潘家口水库2006～2013年各断面综合营养状态TLI指数的空间变化

图4 潘家口水库2006～2013年各断面营养状态TLIM指数的空间变化

4个采样点的TLI平均值的波动范围2006年为38～47，2007年为39～43，2008年为40～57，2009年为45～52，2010年为53～65，2011年为54～61，2012年为50～57，2013年为49～54；4个采样点的TLI均值暴河口断面、燕子峪断面2007年最低，潘家口断面、潘坝上断面2006年最低，暴河口断面、潘家口断面2010年最高，燕子峪断面、潘家口断面2011年最高。

4个采样点的TSIM平均值的波动范围2006年在33～43之间，2007年在34～38之间，2008年在35～54之间，2009年在43～52之间，2010年在56～68之间，2011年在59～63之间，2012年在50～57之间，2013年在48～51之间；4个采样点的TLI均值暴河口断面2007年最低，燕子峪断面、潘家口断面、潘坝上断面2006年最低，暴河口断面、潘家口断面2010年最高，燕子峪断面、潘家口断面2011年最高。

2.4 潘家口水库营养状态指数(TLI、TSIM)的季节变化

由于潘家口水库冬天库区结冰，库区内无法采集水样，故只对春夏秋3个季节进行统计，见图5、图6。2011年，潘家口水库的TLI、TSIM春夏明显比其他年份高，2010年秋季TLI、TSIM明显比其他年份高。2006～2008年，TLI、TSIM春季最低、2009～2010年夏季最低，2006～2010年秋季最高，2011～2013年秋季最低，2011年夏季最高，2012～2013年春季最高。2006～2009年，除2009年春季外，其它全年处于中营养状态；2010～2013年，除2010年 秋天、2011年夏天处于中度富营养化、2013年秋天处于中营养外，其它处于轻度富营养状态。

图5 潘家口水库营养状态指数TLI季节性变化

图6 潘家口水库营养状态指数TLIM季节性变化

3 结 论

3.1 潘家口水库营养状态变化情况

图3、图4表明，总体上潘家口水库从暴河口断面到潘坝上断面TLI和TSIM值呈现下降的趋势，这与湖库营养盐梯度相一致，即上游的营养盐浓度高、下游的营养盐浓度低。营养状态水平在水流方向上呈梯度下降。上游不断的有雨水注入，带入大量的营养盐，导致上游营养状态指数高于下游。

图5、图6表明潘家口水库营养状态的季节变化与湖库的水位变化相对应，夏秋丰水期升至峰值，冬春枯水期降至谷值，这充分显示了汛期入库的污染物在湖库中的沉降、消解的过程。图5、图6表明，除2012、2013年春季最高外，其它年份均出现在夏天或秋天。

3.2 影响潘家口水库水质的因素

影响潘家口水库水质的因素包括上游工业及生活污水的影响、水库周边工业污染、日益增加的网箱养鱼对水库富营养化起到加速作用、水库周边旅游生活设施的污染以及降水带入的大量营养盐等。2011年7月累计降雨量388.9 mm，2012年7月21日降雨平均雨量250 mm，6月累计降雨量220.6 mm，7月累计降雨量353.6 mm，2013年7月累计降雨量238.9 mm，2011～2013年大量雨水入库，带入营养盐的同时也降低了库区营养盐的溶度，使库区内的营养状态指数出现负增长。

总之，通过对潘家口水库8年来营养状态指数TLI和TSIM值的分析，潘家口水库由中营养向轻度富营养过度。因此，需要采取严格有效的保护管理办法，加大潘家口水库上游地区污染企业的治理力度，逐渐减少并取缔水上旅游活动、网箱养鱼，并采取修复措施来减缓其富营养化的进化过程。