刘大水库总磷污染特征分析与控制

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

刘大水库位于普兰店市的西北部，是普兰店市主要的供水水源，同时担负着大连市城市事故供水的备用水源任务，并担负着瓦房店市部分工业与居民生活用水的任务。随着水库流域工农业生产的快速发展，进入水库水域的总磷污染物逐年增加，总磷是水体富含有机质的指标之一，磷含量过多会引起藻类植物的过度生长、水体富营养化，发生水华或赤潮，打乱水体的平衡。刘大水库库区总磷含量在2015年8—12月出现了明显的异常波动和严重超标现象，按地表水环境质量标准中湖库总磷标准评价已达Ⅴ类或劣Ⅴ类水质标准，说明刘大水库已呈现出总磷污染，容易出现富营养化。水库暴发大规模的蓝藻水华现象，会给城市的生产、生活用水造成较大影响，湖泊一旦发生富营养化，需要几十年的控制才能恢复到较低的营养盐水平。

1 水库概况

刘大水库流域属千山山脉东侧，是辽南暴雨区之一，洪水陡涨陡落，峰高量大，洪量较集中。水库上游有入库河流一条，为大沙河干流。刘大水库坝址以上集雨面积278.3km2，河道长度33.96km，河道平均比降2.73‰。水库死库容480万m3，正常水位88.25m，正常库容6700万m3，总库容1.89亿m3，属大(2)型水库。

2 水库近年来水质综合评价

根据2016年水库水质监测资料，刘大水库依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)评价结果为Ⅱ类水质类别，选取2016年监测数据叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)作为富营养化状况评价指标，评价结果见表1。综合营养状态指数计算公式如下：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

(1)

式中，Wj采用中国湖泊(水库)的chla与其他参数之间的相关关系进行计算。

表1 刘大水库近三年富营养化综合营养指数评价结果

采用湖泊(水库)营养状态分级对刘大水库近3年综合营养状态情况进行评价，刘大水库一直处于轻度富营养化状态。

依据2015—2017年水质监测结果分析，刘大水库水体总磷含量多数月份低于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中按湖库计的Ⅲ类标准，仅部分时段水体中的总磷含量超过国家对集中式生活饮用水地表水源地中总磷的含量要求(0.05mg/L)，见图1。但在2015年8—12月出现了明显的异常波动和严重超标现象，8—12月5个月的总磷含量分别为0.37mg/L、0.12mg/L、0.22mg/L、0.15mg/L、0.35mg/L，按地表水环境质量标准中湖库标准评价已达Ⅴ类或劣Ⅴ类水质标准，已经出现总磷污染，导致水库容易出现富营养化。

图1 2015—2017年刘大水库总磷含量过程

对刘大水库2015年5—10月各月富营养化程度进行综合营养状态指数评价，从图2中可以看出刘大水库在8月、10月富营养化程度处于“轻度富营养”状态，其他时间均为“中营养”，营养指数峰值出现在10月。

图2 2015年刘大水库综合营养状态趋势

初步分析认为，刘大水库总磷超标问题主要与降雨径流冲刷和水库低水位运行底泥沉积物的污染释放影响有关，具体原因将进一步探究。

3 总磷来源与影响因素分析

3.1 外源污染

通过对刘大水库的调查结果可知，刘大水库流域内第二产业很少，没有规模性工业污水排放点的存在，就2015—2017年流域外源污染负荷对刘大水库总磷的影响机理进行分析，水库上游河道与库区内磷含量对比结果表明:外源污染负荷总磷进入水库后不断迁移扩散导致水库总磷浓度增加，说明水库总磷水质浓度超标月份主要由外源污染所致。

采用近年来水库监测资料，对刘大水库入库流量、入库总磷浓度、库区总磷浓度及湖库地表水评价水质标准进行耦合，绘制刘大水库入库与水库库区总磷含量对比图(图3)。从图3中可以看出，水库和上游河道总磷水质浓度基本成正比关系，2015年汛期来水集中，总量大，8—12月总磷超标原因很可能是受到降雨径流输入影响，入库径流携带的污染物逐渐运动至坝前，导致短期的总磷含量超标，此后，随着污染物的沉积，水体总磷含量趋于正常。而汛期来水量大的2016年8月和9月，库区中总磷含量同样出现了超标现象。

图3 2015—2017年刘大水库入库与库区总磷含量对比

3.2 水库低水位运行沉积物的污染释放

从监测结果中可以看出水库库区总磷水质浓度部分月份高于上游河道总磷水质浓度，说明外源污染负荷不是影响水库总磷的唯一因素。作为河流生态系统的重要组成部分，底泥不仅是河流营养物质循环的中心环节，也是污染物质的主要聚集库，底泥不仅可以直接反映水体的污染历史，而且在一定条件下可向上覆水体释放各种污染物，是影响河流水质的重要二次污染源。刘大水库常年运行蓄积了大量的污染物，分析认为库底多年蓄积的底泥沉积物是导致总磷超标的另一主要原因。

从2014年以来普兰店地区降雨量减少，刘大水库蓄水量呈下降趋势，呈低水位运行状态，见图4，上覆水较浅促使底部沉积物污染释放的总磷，更容易进入表层。

图4 2015—2017年水库蓄水量线

底泥污染物向上覆水体释放扩散是一个复杂的过程。但究其释放机理，主要表现为两种释放扩散类型：底泥泥水界面释放扩散和底泥污染物起动悬浮释放扩散。前者释放时间长，对上覆水体水质影响深远，后者受上覆水体水力条件变化影响，对水质短时间内的变化影响较大。李彬[7]在底泥污染物向上覆水体释放扩散的水动力学研究中，通过底泥污染物向上覆水体释放的水槽模拟实验结果和现场实测结果比较，分析得到了底泥污染物向上覆水体释放扩散的规律，即其上覆水体的水动力特性对底泥污染物的释放有很大影响。在水深大、水流流速小的情况下，其底泥不易泛起，此时底泥污染物的释放较少。当水位降低、水流流速增大时，底泥悬浮于上覆水体中，底泥污染物释放增大，对水质影响很大。

对比刘大水库库区近年来水位和总磷变化情况(见图5)可以看出，当库区水位持续下降，总磷浓度会出现反向增长现象。分析可以得出：在低流速情况下，底泥污染物缓慢释放增长，在一定时间积累后底泥污染物浓度会出现峰值，说明低水位对污染物释放扩散有一定影响。

图5 2016—2017年水库库区总磷含量与水位关系线

筛选2015—2017年汛期雨季及非汛期降雨期库区及上游河道总磷监测数据，见表2，可以看出，汛期雨季初雨产生的地表径流和农田退涝排水对河道及库区总磷污染影响较大；而非汛期雨季对河道总磷浓度贡献较小，总磷浓度出现库区高于入库河流的情况，是因为水位降低，水流流速增大，底泥悬浮于上覆水体中，底泥污染物释放增大。

表2 刘大水库入库流量与总磷浓度关系对比

通过表2数据分析和研究可以看出，水库低水位运行会加重水体中总磷浓度升高现象。

4 结 语

刘大水库库区总磷污染超标主要为水库上游入库河流污染负荷入库所致，外源面源污染为水库库区总磷污染主要来源，同时水库库底底泥沉积物是导致总磷超标的次要原因。为保护水库饮用水源地，刘大水库的治理与保护需将外源污染控制和内源治理相结合，针对以上问题，建议水库库区坡地、耕地退耕还林，采用种植物篱、预留植被缓冲带等水土保持措施，鼓励库区上游农民合理堆放和使用畜禽粪便，引导农民科学施肥，加强库尾人工湿地建设，加大湖域管理力度，实现水库总磷优化管理措施。