新安江水库主要入流营养盐的时间变化特征及其影响因素分析

兰 佳，王裕成，陈世燕，余传冠，吴志旭，张雅燕

淳安县环境保护监测站，浙江 杭州 311700

水库是由人工拦河筑坝形成的相对封闭的水体，是区域的生产生活用水的重要储备水源，其水质安全具有战略重要性。与天然湖泊相比，水库受人为调蓄和干扰明显，其水质更易受流域上来水的影响。当前，我国85%的饮用水来自于湖泊、水库，水库作为饮用水水源地的功能不断强化，但近10年来，我国有1/3的重要水库达到富营养化水平[1]，因此，解决水质问题逐渐成为湖库管理的重要任务[2]。控制入库河流输入水库的污染物总量，是目前控制水体富营养化、防治藻类水华爆发的最根本手段[3-5]。近年来，随着丘陵山区农业开发热情的提高，新安江流域以农家乐为代表的乡村旅游快速发展，导致流域上游污染物排放强度急剧增大，高强度的污染负荷输移进入缓流的库湾、河口等开阔区域，藻类异常增殖，极易爆发蓝藻水华。目前有关新安江流域上游入库污染物时间变化特征相关分析的详细报道仍不多见，因此，系统认识入库水质的演变特征，揭示其时间尺度上变化的驱动因素是指导流域管理的科学基础，在保护水库水质上具有重要的理论和实际意义。

新安江水库位于浙江省西部与安徽省南部交界的淳安县境内，水库于1959年新安江上游拦坝建水电站后形成，是特大山谷型深水水库，多年平均径流量65.3亿m3。新安江流域总面积11 850 km2，其中安徽省境内新安江流域面积为6 408.4 km2，安徽上游来水占新安江水库入库总量的60%，是新安江水库的主要水源，对新安江水库水质的影响巨大。本文通过分析2007—2016年新安江上游来水几个重要的水质指标的变化，探讨新安江流域的水文、营养盐状况及相关理化因子的变化特征，为下一步保障新安江水库饮用水安全和健康的生态系统提供科学依据。

1 实验部分

1.1 监测站点和监测方法

新安江上游安徽境内来水注入新安江水库的唯一入口为街口断面(北纬29°43′28″，东经118°43′31″)。该断面水质监测频次为每月的月初监测1次，全年共12次。本文采用淳安县环境保护监测站2007—2016年街口断面定位观测数据资料。

数据测定指标主要包括透明度、水温、溶解氧、叶绿素a(Chl-a)、TP、TN、CODMn等。其中，水体透明度用塞氏圆盘法现场测定；水温、溶解氧采用YSI-52型溶解氧测定仪现场测定；理化项目现场取样后带回实验室分析，分析方法依据《水和废水监测分析方法》；水样Chl-a浓度采用丙酮萃取分光光度法测定；浮游植物定量样品取表层水2.5 L，现场用鲁哥氏液固定，带回实验室沉淀浓缩至30 mL用显微镜分类计数，浮游植物物种鉴定和计数等参考文献[6]。选用Chl-a、TP、TN、CODMn和透明度作为参数，计算综合营养状态指数(TLI)对街口断面水质富营养状态进行评价[7]。降水量和入库流量数据由水利部门提供。

1.2 数据处理

采用Microsoft Excel工作表进行数据整理和绘图，采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析。文中水质指标的“年”值为2007—2016年每年年均值，“月”值为2007—2016年的每月月均值。

2 结果与讨论

2.1 水文动态

2007—2016年街口断面年均降水量(1 271.45±317.14) mm，波动范围803～1 560.86 mm，年均降水量呈现波动上升趋势。2007—2016年年均入库流量(352.6±92.2) m3/s，波动范围184～483.1 m3/s，整体呈现波动上升趋势。入库流量同降水量变化基本一致[图1(a)]。

2007—2016年街口断面月均降水量(106±69) mm，降水量季节性差异较大，新安江流域3月中旬至5月上旬进入春汛期，5月中旬至7月中旬进入主汛期。最大降水量出现在6月，为292.02 mm；最小降水量出现在12月，为42.49 mm。2007—2016年，街口断面月均入库流量为(352.83±290.79) m3/s，最大入库流量出现在6月，为1 102.9 m3/s，最小入库流量出现在12月，为100.15 m3/s[图1(b)]。入库流量同降水量的变化基本一致，入库流量与降水量呈极显著相关关系(r=0.968，P<0.01)。

图1 2007—2016年街口断面降水量和入库流量的动态变化Fig.1 Annual and monthly variations of precipitation and inflow at Jiekou section from 2007 to 2016

2.2 水温与透明度

2007—2016年街口断面年均水温为(20.5±0.5) ℃，水温年际变化幅度较小[图2(a)]。2007—2016年，街口断面水温季节性变化明显，水温在1—3月最低，最低水温出现在2月，为10.6 ℃，4—8月水温逐渐升高，最高水温出现在8月，为31.1 ℃，9月以后水温开始降低[图2(b)]。

2007—2016年街口断面年均透明度(241±31) cm，范围为206～304 cm，整体呈现缓慢下降趋势[图2(a)]。月均透明度为(241±89) cm，透明度最高值为405 cm，出现在2月，最小值为114 cm，出现在7月[图2(b)]。

图2 街口断面透明度和水温的动态变化Fig.2 Annual and monthly variations of temperature and transparency at Jiekou section from 2007 to 2016

2.3 高锰酸盐指数与氨氮

2007—2016年街口断面CODMn年均值为(1.99±0.10) mg/L，范围为1.88～2.12 mg/L，整体呈现逐年缓慢下降趋势，详见图3(a)。CODMn月均值为(1.99±0.022) mg/L，6月平均值最高(2.34 mg/L)，1月最低(1.65 mg/L)，详见图3(b)。

2007—2016年街口断面NH3-N年均质量浓度(0.098±0.03) mg/L，范围为0.064～0.159 mg/L，除2015年明显下降外，整体呈上升趋势，2016年达最高值0.159 mg/L[图3(a)]。NH3-N月均质量浓度为(0.098±0.047) mg/L，4月平均质量浓度最高(为0.179 mg/L)，12月最低(为0.048 mg/L)，详见图3(b)。

2.4 N、P营养盐浓度

N、P是水体富营养化的主要营养物质[8-9]，是水体水质的重要指标。2007—2016年街口断面TN年均质量浓度(1.28±0.16) mg/L，范围为1.11～1.53 mg/L，整体呈上升趋势。2007—2009年上下波动，2010—2015年呈上升趋势，2016年TN浓度略有下降[图4(a)]。TN月均质量浓度为(1.28±0.19) mg/L，4月质量浓度最高(为1.59 mg/L)，1月最低(为1.07 mg/L)。1—4月，水体中N含量波动上升，4月达到最大值，5—12月缓慢下降[图4(b)]。

2007—2016年街口断面TP年均质量浓度(0.03±0.01) mg/L，范围0.016～0.039 mg/L，最高质量浓度出现在2016年，最低浓度出现在2011年，整体为波动上升趋势[图4(a)]。TP月均质量浓度为(0.029±0.014) mg/L，3月质量浓度最高(为0.054 mg/L)，1月最低(为0.013 mg/L)。1—3月呈稳步上升趋势，4月后又呈现波动下降趋势。整体上TP的动态变化在3—7月明显高于其他月份，3月和7月出现峰值，8月后快速下降[图4(b)]。

图4 街口断面TN和TP的动态变化Fig.4 Annual and monthly variations of TN and TP at Jiekou section from 2007 to 2016

2.5 叶绿素a

2007—2016年街口断面Chl-a年均质量浓度(0.010 1±0.002 9) mg/L，范围为0.006 1～0.016 9 mg/L，2010年平均质量浓度最高，2016年平均质量浓度最低，整体为下降趋势[图5(a)]。Chl-a月均质量浓度为(0.010 1±0.007 9) mg/L，呈单峰形态，5月平均质量浓度最高(为0.023 9 mg/L)，1月最低(为0.002 4 mg/L)[图5(b)]。

图5 街口断面Chl-a的动态变化Fig.5 Annual and monthly variation of Chl-a at Jiekou section from 2007 to 2016

2.6 营养状况水平

选取TN、TP、透明度、Chl-a和CODMn作为计算水库综合营养状态指数TLI(Trophic Level Index)的水质参数。2007—2016年街口断面综合营养状态指数年均值(40.4±0.9)，范围为39.3～41.6，处于中营养状态，整体呈现波动上升趋势[图6(a)]。综合营养状态指数月均值39.5±5.9，波动范围为31.7～46.6，处于中营养状态，4—7月都处在高位，最大值出现在7月，最低值出现在1月[图6(b)]。

图6 街口断面富营养状况的变化Fig.6 Annual and monthly variations of TLI at Jiekou section from 2007 to 2016

2007—2016年，CODMn和透明度均呈缓慢下降趋势，TN和TP均呈现波动上升趋势，TP上升趋势明显，Chl-a整体上呈波动下降趋势，街口断面水质综合营养状态指数呈波动上升趋势主要是由TN、TP和SD等水质指标变差所致。

3 分析

3.1 透明度的影响因子

透明度是反映水体感官程度的重要指标，也是评价水体富营养化的一个重要因子。一般认为，藻类、悬浮物和溶解性有机物是几个常见的影响因子。2007—2016年街口断面透明度的变化曲线(图2)显示，在汛期3—7月透明度较低(143 cm)，在非汛期，降雨较少的时候透明度较高(290 cm)。透明度与街口断面各水质主要指标相关分析表明：透明度与降水量、入库流量、TN、TP、Chl-a和藻类呈显著负相关(P<0.05)(表1)。N、P是藻类生长繁殖所需的营养物质，而3—7月流域汛期降雨引起水土流失，带来大量悬移质泥沙，降低了水体的透明度。因此，可以认为藻类生长和流域降水过程是影响安徽上游来水透明度的主要原因。汛期以悬移质泥沙等无机颗粒影响为主；非汛期以藻类生长影响为主，但汛期悬移质泥沙的影响程度要远大于藻类生长，2014年4月街口断面受暴雨径流影响透明度仅有10 cm。

表1 街口断面水文因子及水质指标间的相关性Table 1 Correlation between hydrological factors and water quality indexes in Jiekou section

注：“*”表示P<0.05；“**”表示P<0.01。

3.2 营养盐的影响因子

流域营养盐输入与降水量有很大的关系，街口断面多年水质与同期月降水量相关分析表明：TN、TP、NH3-N等营养盐浓度与降水量都有显著正相关的关系(P<0.05)(表1)。

对比N、P指标的月度变化状况发现，上游来水TN、TP浓度在3—7月明显高于其他月份(图4)，但TN、TP的动态变化则有不同，结合流域水文情势，3月流域上进入春汛，N、P指标均出现了峰值，而P在流域主汛期7月还有一个峰值，N却没有。新安江流域在春节后有个习惯，把空猪栏中的有机肥清理到农田和山上去，使含N、P化合物、有机物在地表和土壤中累积[10]。3月进入春汛，污染物随地表径流进入河道，因此街口断面水体中TN更大程度上受流域春季农耕施肥的影响，特别是春节前后生产生活方式，叠加流域春汛，使安徽上游来水中N在3—4月达到了一年中的峰值。

地表径流引起N、P等养分的流失是农业非点源污染发生的重要形式[11]。P在水中的浓度一般比较低，主要吸附于土壤颗粒中[12]，降雨、开沟排水等产生地表径流[13]，使营养丰富的表土层被侵蚀进入水体，从而使水体中含P量增加。当6月降雨达到最大值时，7月TP含量也达到了全年峰值，之后降水量逐渐减少，TP也逐渐降低。因此，街口断面水体中TP表现为3月和7月双峰结构，与流域在汛期降水导致水土流失密切相关，暴雨径流磷输入是安徽新安江流域的主要形式。

3.3 影响浮游植物生长的因子

浮游植物生长通常受N、P营养盐、水温、光照、水文、水动力和生物因子调控。N、P是浮游植物生长的物质基础，OLIVER等[14]对欧洲水体的研究指出，当水体中无机氮质量浓度超过0.1 mg/L，可溶性磷质量浓度超过0.01 mg/L时，浮游植物的生长将不受到限制。2007—2016年街口断面TP年均质量浓度0.029 mg/L，可溶性磷质量浓度为0.017 mg/L；TN年均质量浓度1.28 mg/L，无机氮年均质量浓度0.97 mg/L，表明街口断面浮游植物的生长已经不受N、P营养盐的限制。

当水体的营养盐浓度达到一定程度，水温、光照、水文、水动力等条件就成为影响浮游植物生长的主要因子。2013年以来，街口断面入库流量逐年增加，营养盐浓度逐年增加，但藻类生物量却逐年减少。街口断面在新安江水库属河流区，营养盐含量最高、透明度最低，藻类生长易受水动力条件影响，入库流量大、流速大的区域，藻类不易生长，流域降雨导致流域水动力条件变化，影响藻类的生长。

4 结论

1) 2007—2016年，新安江流域上游来水中的CODMn、TN、TP、NH3-N、Chl-a、透明度平均值分别为1.99 mg/L、1.28 mg/L、0.030 mg/L、0.098 mg/L、0.0 101 mg/L、241 cm，CODMn稳中略有下降，透明度为下降趋势，TN、TP、NH3-N为明显上升趋势，但Chl-a浓度为下降趋势。2007—2016年，街口断面的综合营养状态指数年均值40.4，波动范围为39.3～41.8，属于中营养状态，整体为波动上升趋势。

2) 2007—2016年，新安江上游来水CODMn呈缓慢下降趋势，表明新安江流域安徽境内点源污染控制取得成效；结合年际、月际间数据分析，上半年汛期来水中N、P浓度高，下半年枯水期浓度低，安徽新安江流域的污染特征为面源污染。来水中N、P浓度的上升、透明度下降趋势及富营养化水平呈上升趋势，表明近些年来安徽新安江流域上的面源污染还未能得到有效控制。

3) 流域上降水带来的水文情势变化对来水湖沼学参数起重要作用。流域降水量大，来水中的N、P浓度高，透明度低。TN很大程度上受制于流域春季农耕施肥和春汛的影响，而TP主要来源于汛期流域降水导致的暴雨径流输入。街口水域藻类生长，营养盐不是限制性因子，流域降水带来的水动力过程变化很大程度上影响浮游植物的生长。