紫坪铺水库水质及水体富营养化状况分析

杜世军 ，刘 卫

(都江堰市环境保护监测站，成都 611830)

水体富营养化是指受人类活动影响，生物生存所必需的大量氮、磷营养盐进入水库、湖泊等缓流水体，引起浮游生物主要是藻类的迅速繁殖，水体中溶解氧含量明显下降，水质恶化，水体内生物群落大量出现死亡的现象[1～3 ]。在水体自然流动条件下，随着水库、湖泊周边河流夹带冲刷物和生物残骸在底部不断沉积，水库、湖泊会从贫营养化状态演变为富营养化状态[4]，进而恶化为沼泽和陆地，这本身是一个极缓慢的演变过程[5-6]。但由于人类的活动，将大量生活污水和养殖废水以及农田中的营养物质排入水库、湖泊等缓流水体后，导致水生生物尤其是藻类的大量繁殖，使生物种群、种类发生较大改变，破坏了水体的生态平衡，加剧了演变过程[7]。

水体富营养化的研究始于二十世纪初期，当时水体富营养化问题初次出现，引起了国外环境保护者、生态学家和湖泊学家关注，并开始对其形成原因进行初步探索，国外是从二十世纪七十年代开始系统性的进行湖泊富营养化研究[8]，而我国是从二十世纪六十年代末才开始关注富营养化问题[9]。据不完全统计，全球约有80%以上的封闭型水体存在富营养化问题[10 ]。

水体富营养化的研究意义主要是解决水体污染问题，进而解决水体周边的经济生态圈问题。水体富营养化的爆发将直接缩短湖泊水库的生命周期，导致湖泊水库的功能性作用丧失[11-12]。目前大多数的湖泊水库兼具多个功能，例如：同时具有饮用水源地、发电功能、城市涵养地和经济生态圈功能。无论任何功能都是人类生产生活中不可或缺的载体[13-14]。湖泊水库一旦受到水体污染达到水体富营养化的高危等级，将导致湖泊水库的去功能化，因此扼制水体富营养化的主要手段就是解决水体污染问题[ 15]。

1 材料与方法

1.1 水库基本情况与采样断面设置

紫坪铺水库水利枢纽工程位于岷江上游，都江堰城西北9km处。岷江是长江一级支流，全长711km，流域面积13 588km2。水库正常蓄水位为877m，最大坝高156m，总库容11.26亿m3，其中调节库容7.74亿m3 [16-17]。都江堰市环境保护监测站自2012年1月开始对紫坪铺水库进行采样监测，共设置四个监测点位分别为：库头阿坝铝厂，入湖库口漩口村，库中跨库大桥，库尾查关村。详细布点位置见图1。

A:阿坝铝厂(库头) B：旋口村(入湖库口) C：跨库大桥(库中) D：查关村(库尾) 图1 紫坪铺水库监测布点位Fig.1 The distributed monitoring points in Zipingpu reservoir

1.2 分析项目及频次

按照湖库地表水监测项目进行采样分析，项目主要为：水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、石油类、砷、汞、挥发酚、氟化物、硫化物、总磷、总氮、六价铬、镉、铜、锌、铅、阴离子表面活性剂、粪大肠菌群、氰化物、硒、透明度、叶绿素α等26项。

监测频率：各点位每月监测一次。

1.3 数据处理

综合营养状态指数[17]公式:

式中：TLI(Σ) 表示综合营养状态指数；TLI(j)代表第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；m为评价参数的个数。

2 结果与分析

2.1 水质现状

从下表可以看出，在2012～2016年监测期间，库中和库尾全部达到Ⅲ类水质标准，而库头和入湖库口除2016年未达到Ⅲ类水质标准外，其余时间均到达Ⅲ类水质标准。从评价项目上看：pH、DO、CODMn、CODCr和BOD5均达到I类水质标准；氨氮除2016年为Ⅱ类水质外，其余时间均为I类水质；T-N全部为Ⅲ类水质；T-P除2016年库头和入湖库口为Ⅳ类水质外，其余均为Ⅲ类水质。

表 紫坪铺水库水质类别现状Tab. Water quality status of Zipingpu Reservoir

2.2 综合营养状态指数结果

从图2可以看出，每年从4月开始会出现中营养化状态，一般持续到9月，究其原因主要有以下几点：

2.2.1 都江堰及水库周边地区气温从4月逐步上升，且持续高温至9月，导致水温升高、水体微生物大量繁殖，进而导致溶解氧含量下降，引起水质恶化，出现水体富营养化现象[ 18-19]；

2.2.2 每年3月开始灌溉性和防洪性调水，大量排水减小库容量，此时水库本身的水体容量降低，同时伴随降雨和其他形式的外来源注入水库，也是导致综合营养状态指数升高的主要原因；

2.2.3 每年5～9月为丰水期，全年有百分之八十以上的降水集中于该时期，由于水库周边主要为石灰岩和浅土层，库区周围山体植被较少，一旦暴雨就会有大量的表层沉积物冲刷入水库，导致氮、磷和高锰酸盐指数直接升高[20]，故而造成综合营养状态指数升高。

图2 紫坪铺水库各监测点位综合营养状态指数Fig.2 The TLI of each monitoring point of the Zipingpu Reservoir

2.3 综合营养状态指数年均值变化趋势

从图3可知年均综合营养状态指数近五年呈明显递增趋势，库头和入湖库口是富营养化重灾区，它们的年均低值接近或高于其余监测点位年均高值，且由成都市环境保护科学研究院组建的紫坪铺水库科研项目组已在这两个监测点位监测出绿藻门衣藻种。从图1.1可以看出它们分别是岷江干流和寿溪河主要入口，水量输入占比分别为六十个百分点[21]和三十个百分点[21]。此监测点位上游为高海拔草原地区，水源主要来源于冰雪溶水和降雨，按理此点位水质应较好。从工业布局来看此点位上游地区工业较少，故而可排除工业型输入污染。上文提到水库周边及上游地区主要为石灰岩和浅土层，库区周围山体植被较少，暴雨会冲刷大量的表面层沉积物进入水库，导致氮、磷和高锰酸盐指数直接升高，再则最近几年大力发展畜牧养殖造成点位上游水源氮磷盐污染。虽然入湖库口最近几年里就2016年出现中度富营养化状态，但是其富营养化指数却要高于剩余两个监测点位。其他两个监测点位：库中和库尾从目前来看还没有出现年均值中度富营养化状态，但是月监测值中则出现过中度富营养化状态，从综合营养状态指数来看，库尾要好于库中。

图3 紫坪铺水库各监测点位历年综合营养状态指数年均值变化趋势Fig.3 The average annual change trend for each monitoring point of the Zipingpu Reservoir TLI

2.4 综合营养状态指数最大值变化趋势

从图4可以看出，各监测点位最近几年(除2014年)的最大值变化区间不大，趋于稳定。但是历史最大值却出现在了2014年库中和库尾这两个洁净点，从原始监测数据分析可知，月监测数据最大值出现频次最多为5月，但2014年5月因水库水位过低无法达到库头采样点位，因此该月库头无监测数据。次月库中和库尾均出现当年最大值。该情况主要是气候原因造成的，由气象数据可知2014年5月和6月降雨量同比为近几年的低值，所以造成2014年6月综合营养状态指数值创出近几年新高。

图4 紫坪铺水库各监测点位历年综合营养状态指数最大值变化趋势Fig.4 The TLI maximum value change trend chart for each monitoring point of the Zipingpu Reservoir

2.5 综合营养状态指数最小值变化趋势

从图5可以看出，近五年综合营养状态指数最小值变化区间较小，趋于稳定，从最小值可以看出库尾和库中受水流方向和自然沉降的影响在四个监测点位中属于洁净点，综合营养状态指数库头均大于24，其余监测点位大多在24以下。

图5 紫坪铺水库各监测点位历年综合最小值变化趋势图营养状态指数Fig.5 The TLI minimum value change trend chart for each monitoring point of the Zipingpu Reservoir

2.6 紫坪铺水库富营养化状态分析

2.6.1 富营养化趋势

从近五年的水质监测可知，水库四个监测点位平均综合营养状态指数有逐年升高的趋势，2012～2016年间只有2015年有所下降，但仍然高于2012年和2013年。详情见图6。

图6 紫坪铺水库综合营养状态指数年平均值走势Fig.6 The annual average TLI change trend of Zipingpu Reservoir

造成2015年综合营养指数下降的主要原因有：

(1)2015年5月库头、入湖库口由于采样船只无法到达设定采样点，导致2015年5月数据的缺失，本文做年数据统计时，将缺失数据的月份不纳入统计(2015年库头统计月份为11个月，入湖库口统计月份为11个月)，而其他年份有2014年5月、2016年9月库头阿坝铝厂出现数据缺失现象。从时空分布来看，每年的5月至9月几乎都是综合营养状态指数最高点，故而导致2015年综合营养状态指数年平均值降低。

(2)从各监测点位逐年分析可见2015年除库头综合营养状态指数为最大值外，其余三个监测点位几乎为近几年较小值，故而导致平均综合营养状态指数有所降低，导致这种结果的原因是在2015年年均降雨量值较其余几年值大，导致平均库容量较大，故而造成环境容量大于其它时段，促使监测结果小于其它时段。

2.6.2 富营养化时空分布图

都江堰市气候学上每年5～10月为丰水期，11～2月为枯水期，其3～5月为平水期。然而紫坪铺水库的蓄水量跟气候上的水期刚好相反。每年11月后进入枯水期，水库为来年的灌溉用水要做好蓄水准备，此时水库处于全年最高水位，而进入平水期后就会为灌溉而大量放水，同时为了迎接洪汛期而降低库容。因此水库十二个月中出现中度营养化状态的比重最高者为每年的5月，如果将因为水位过低而造成未能采样监测的月份算作中度营养化，那么占比是100%，而比重最低者为每年的10月和12月，一次都未是中度营养化。详见图7。

从综合营养状态指数最高值分布的时间和地点来看，每年的5月是综合营养状态指数出现频率最高的月份，而库头则是综合营养状态指数最高值出现最多的监测点位。综合营养状态指数最小值则比较分散除库头外都有出现，但出现次数最多的是库尾，时间分布暂无规律可循。详情见图8和图9。

图7 紫坪铺水库综合营养状态指数每个月出现 中营养化的比例分布Fig.7 Monthly oligotrophication appearance proportion of the Zipingpu Reservoir TLI

图8 紫坪铺水库综合营养状态指数 最大值监测点位及监测时间分布Fig.8 The Zipingpu Reservoir TLI maximum monitoring sections and monitoring time distribution

图9 紫坪铺水库综合营养状态指数 最小值监测点位及监测时间分布Fig.9 The Zipingpu Reservoir TLI minimum monitoring sections and monitoring time distribution

2.6.3 富营养化的发展趋势

紫坪铺水库水源主要来自于寿溪河(入湖库口)和岷江干流(库头)，水量贡献比高达九十个百分点[21]，其余水量主要来自于降雨和水库周边支流。从近几年的浮游生物监测指标可以看出，进入中度富营养化状态时水库只是暂时出现大量无毒无害的衣藻类浮游植物[22]，但是从2016年的4月监测数据可知从库头和入湖库口由成都市环境保护科学研究院紫坪铺水库科研项目组已经开始监测出微量蓝藻。因此暂时认为水库水体富营养化的可能引入点是岷江干流和寿溪河支流。但藻华爆发点不会出现于此，因为这两个入库口有着较好的水体动力学优势，它们只是蓝藻的引入者和大量营养盐的提供者。藻华爆发点会在水体流动较少，水源交换较少的龙溪河入口处。进而蔓延至库中及周边死水地带，最后到达库尾。

从五年监测数据可知，紫坪铺水库综合营养状态指数显示水体富营养状态仍是贫营养状态和中营养状态，但有值已经很接近轻度富营养化状态(2014年6月库尾查关村47.19)，这已经敲响了警钟，必须加强水体保护。从整体趋势来看由于紫坪铺水库2005年才开始蓄水，至今只有12年库龄，从水库生命周期来看还比较年轻[25]，但是从其他湖库经验可知，如果对水体富营养化研究和治理不提早介入，那么湖库的生命周期必将有很大的缩减。

2.7 讨论

2.7.1 氮磷营养盐的主要来源

2.7.1.1 入库水源沿岸环境原因

从水源引入地可知，上游地区工业较少，工业废水带来的污染也几乎可以忽略，反倒是农牧业的面源污染带来的污染较大。从水库周边多年的排查可知，水库沿岸人烟稀少，工业除阿坝铝厂外(环评为无废水外排单位)，还有几家水泥厂，但这些企业废水排放均能达到相关排放标准。因此由工业废水带来的氮磷营养盐的贡献率较低。而农牧业的面源污染才是氮磷营养盐的主要贡献者。从水库沿岸情况可知，在距入湖库口监测点位下游五公里左右处有数家大型养殖场，且从这些养殖场下游入库口的监测数据可知，这些养殖场是氮磷营养盐又一最大贡献者。

由于紫坪铺水库暂列为饮用水源取水地，未划为保护区，因此水库沿岸有许多散居农户和集中安置点，这些生活区产生的生活废水也加快和加剧紫坪铺水库富营养化。

2.7.1.2 地质原因

紫坪铺水库沿岸主要为石灰岩地层，表层土壤较浅，植被生长有限，一旦有降雨发生，雨水冲刷土壤表层，带入泥沙，同时也溶融出可溶性氮磷营养盐[23～25]。

2.7.1.3 气候学原因

都江堰市属中亚热带湿润气候，常年以西北风为主，都江堰常年降雨以PH小于6.8的降雨为主，且降雨中磷酸根离子维持在0.02～0.08mg/L，硝酸根离子含量维持在2～4mg/L，而总磷主要维持在0.01～0.05mg/L，总氮主要维持在0.3～0.8mg/L。因此降雨对紫坪铺水库富营养化影响也较大[26-27]。

2.7.1.4 底泥的影响

虽然现在我们暂未对紫坪铺水库底泥进行探索和研究，但是根据国内外的研究成果可知底泥的研究是各大水体富营养化研究不可回避的问题。且随着底泥的富集藻华发生的概率将大大增加[28-29]。

紫坪铺水库自蓄水以来，经受2008年“5.12”特大地震影响，造成库容量有所缩减，且同时会带来大量沉积物的富集，虽然暂时没有紫坪铺水库相关沉积物的资料可寻，但沉积物和底泥是水库生命周期的主要主宰者。

2.7.2 数据缺失带来的影响

本文采样分析时出现三次由于水位较浅采样船只无法到达采样点位的情况，它们分别是2014年5月，2015年5月和2016年9月。在做数据处理时，将缺失数据的月份不纳入统计范畴。如果采用全数据统计，引入不当的填充值将增大统计误差，例如：使用检出限填充法将明显拉低平均值，无论是使用平均值填充法，还是预估值填充法，都将由于统计数据较少将增大误差，故而本文采取影响最低的缺失法，既将缺失数据的月份不计入统计。

3 结 论

3.1 紫坪铺水库水体质量整体仍主要处于湖库地表水Ⅲ类水质。

3.2 紫坪铺水库水体富营养化状态整体年均值仍处于贫营养状态，但已接近中度富营养化状态。紫坪铺水库虽然水体交换率较高，但受外界污染源的影响和多年来底泥的不断富集等因素影响，且两大主要入湖库口已经出现中度富营养化状态，且由成都市环境保护科学研究院组建的紫坪铺水库科研项目组已发现微量蓝藻，如果不采取有效措施和办法，紫坪铺水库将在加速进入重度富营养化状态而导致蓝绿藻爆发。

3.3 紫坪铺水库的水质变化时空分布特点较为明显：库头和入湖库口水质比其余两个监测点位明显较差，这跟水库本身水源来源和水体流向有关；水库主要受污染时期为丰水期，此时水库本身库容量全年最低，环境容量最小，此时为全年水质最差时期，反之，枯水期为全年水质最好时期。