北方某大型水库水质理化性质研究

洪 雷

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

北方某大型水库位于北京市东北方向，建成于1960年，总面积188km2，最大水深60m，最大库容43.75亿m3。该水库是一座集防洪、供水、生态涵养、南水北调来水调蓄等功能于一体的大型水利枢纽工程，目前以防洪、供水和生态涵养3大功能为主。

本文从多年平均水质基本理化性质、代表性监测点水质指标、有机污染物等角度研究该大型水库水质状况，可为北方同类型水库的水质状况研究提供参考。

1 采样点及监测指标

1990—2012年每月中旬于监测点取样进行常规水质指标分析， 水库1990—1995年的监测站点主要包括1、2、3、4、5、6、7、8等八个监测站点(见图1)，1996年逐步增设了采样点9和10。立体采样方面亦由最初的3、6、7三个监测点扩展到几乎包含库区的所有监测站点，所有监测点的分层情况均为三层，即表层、中间层和下层。

2 水库多年平均水质基本理化性质

根据水库1990 —2012年连续23a的常规水质指标监测数据，得出3、4、5、6、7、8、9、10共8个监测点的年平均水质状况。其基本理化性质见表1。

由表1可知， 点位9和10的水温、pH、电导率、总碱度均显著高于其它6个监测点，说明该两点水中的含盐量要稍高于其它6个监测点。较高的pH给藻类生长提供了较为适宜的环境条件。另外点位10水较其它监测点的浑浊度较高。8个监测点取水的BOD5/COD = 1∶10～1∶9，这说明该水库的有机物含量较低。

2.1 水温

水库水温从6月初到9月底，大部分时间水温高于20℃，最高水温出现在8月中旬，就水库整体而言，表层3m平均水温相差不大。从水温的角度看，水库藻类高发期有3个月左右。

2.2 pH

1990—2012年水库不同监测点5月份水体的pH变化情况见图2。由图2可知，水库pH值平面分布差异较小，但总体呈缓慢升高趋势。

水库水质偏碱性与流域面积内的土壤性质有关，我国土壤盐饱和度北方高于南方，因此北方水库的pH值高于南方水库。水库周围土壤性质为：黄土中以黄土(立土)为主、白浆土次之；黄土中的沃土稀少，大都为沙石混料、风华土、管沙和油砂。此种土壤盐基饱和度高，含有钙质土，因此造成该水库水质偏碱性。

表1 水库8个监测点的基本理化性质

“—”表示由于各种原因无该项监测数据。

pH是衡量湖泊水环境水质的重要指标，其对水环境的各种物理化学反应均有重要影响，在沉积物释放磷反应中亦是如此[2]。研究表明，pH接近中性，在其它条件不变时，磷的释放量较小，而在酸性和碱性范围内释放量较大，这主要是因为pH影响磷与沉积物的吸附作用和离子交换作用[3]。因此针对1990 —2012年水库不同监测点5月份水体的pH呈缓慢升高的这一趋势应提高关注度。

2.3 营养盐分析

由表2可知：该水库溶解氧为9.0～10.5mg/L，BODMn为2.0～3.0mg/L，总磷含量范围为0.01～0.03mg/L，总氮区域变化较大，含量在1.0～1.5mg/L。

水体营养盐的月度变化显示，总磷含量有1个小高峰区，出现在5—7月，高峰值接近0.019mg/L，其它时间含量较低，维持在0.012mg/L左右；而总氮含量月度变化较小，在0.9mg/L上下波动，氨氮和硝氮含量有一定的月度变化。水中氮磷质量浓度比为38.4∶1，远>9∶1。一般认为，当水体中总磷的浓度超过0.02mg/L，无机氮超过0.3mg/L时，就足以引起藻类的大量繁殖，导致水体的富营养化[4]，因此磷为该水库生物生产力的主要限制性营养元素。

从年际(1990—2010年)变化来看，该水库总氮变化分两个阶段，2002年之前总氮含量趋于稳定下降状态，2002年后该下降趋势变缓，而氨氮含量则呈逐年升高的趋势(除2005、2006年外)；总磷含量一直处于稳中有降的趋势，尤其是2005年、2006年以来总磷含量一直处于下降状态。该水库全年叶绿素a含量水平较低，仅在8—11月份出现小高峰(最大平均含量<0.008mg/L，远远低于水华暴发阈值)，另调查发现，仅在局部区域偶有条带状蓝藻水华短暂出现。由此可见，近年来尤其是对该水库加强治理后，该水库水质已逐渐出现好转的趋势。

点位9与10水中溶解氧的含量稍低于其它6个监测点。点位10水中叶绿素的含量显著高于其它7个监测点，为0.0035mg/L，透明度亦最低，为1.8m。说明点位10藻类生长旺盛，导致水的透明度降低，浊度较高，为4.5 NTU。监测数据表明，2007年、2008年及2010年5月点位10处叶绿素的含量均显著高于其它年份同期的叶绿素含量，因此判断2007年、2008年及2010年点位10处水中的营养元素较高，点位10发生富营养化的可能性较大，其原因为点位10水温较高(20℃)，水位较浅，不存在跃温层，水体垂直扰动较小，适宜藻类生长。故在以后的工作中应对点位10的水质情况多加关注，尤其是在夏秋富营养化高发季节。此外，根据叶绿素的含量高低，亦应对点位6、7、9等区域的水质情况加强关注。

2.4 重金属及有毒物质含量分析

表3为水库8个监测点重金属及有毒物质含量多年监测数据。根据《GB3838-2002地表水环境质量标准》的规定，铜<0.01mg/L，锌<0.05mg/L，砷化物<0.05mg/L，六价铬<0.01mg/L、氰化物<0.005mg/L、挥发酚 ≤0.002mg/L达地表水环境I类水标准；镉<0.005mg/L，满足地表水环境Ⅱ类水标准；汞基本满足地表水环境I类水标准。因此，在重金属毒理指标上，该水库基本满足地表水环境I类水标准，是安全的源头水。

表2 水库8个监测点的富营养化指标 (mg/L)

表3 水库8个监测点的重金属及有毒物质含量 (mg/L)

2.5 水质综合评价

目前，河流水质评价方法有很多种，但采用合理的水质评价方法，才能准确、客观、全面地反映水体水质现状，为水环境管理提供科学依据。水质综合评价改善了用单项指标表征水质污染不够全面的欠缺，解决了用多项指标描述水质污染时不便于进行计算、对比和综合评价的困难，并且克服了用生物指标评价水污染时不易给出简明的定量数值的缺点。因此，对该水库水质采用水质综合污染指数的评价方法，可以准确、全面地反映出该水库整体水质的状况。

2.5.1 水质综合污染指数的计算

水库在计算水质污染指数时，按照水体功能对应的标准进行计算。

水质综合污染指数是在单项污染指数评价的基础上计算得到的[5]。考虑到该水库水质特点，在计算水质综合污染指数时选择了该水库具有代表性的污染物，包括pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮，其余监测项目在该水库水质监测中均能满足相应的地表水功能要求。

单项污染指数的计算方法：Pi=Ci/Si

式中：Ci—污染物实测浓度；Si—相应类别的标准值。

综合污染指数的计算方法：P=1/n

式中：n为6，即参与评价的六个项目。

水质综合污染指数是基于不同类别标准计算得到的，所以综合污染指数的比较只能在同一类别水体中进行，亦可进行年际比较，但不同类别的水体之间缺少可比性。

根据表2中该水库8个监测点的数据，计算各种污染物的平均值，见表4。

表4 水库6种污染物平均值 (mg/L)

分别以《GB3838-2002地表水环境质量标准》中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类标准作为计算的基础标准。

按照上述水质综合污染指数的计算方法，得出的该水库综合污染指数P分别为：1.43、0.47、0.14。

2.5.2水质污染程度的判别

根据上述计算结果，以地表水Ⅰ类标准为基础标准得出该水库综合污染指数为1.43，表明该水库水质功能不能满足Ⅰ类水质标准。以地表水II类标准为基础标准得出的综合污染指数为0.47，各项水质指标基本能够达到II类水质标准，其中TN指标超标，水体功能可以得到充分发挥，该水库水体是合格的II类水。

3 有机污染物情况

3.1 分析方法

采用保留时间锁定(RTL)和谱图解卷积(Deconvolution)技术， 结合解卷积报告软件(DRS)，对该水库库区地表水中的半挥发性有机污染物进行分析。采用保留时间锁定和谱图解卷积技术对样品中存在的有机污染物进行定性识别。基于气相色谱质谱(GC-MS)分析检测方法，构建了包含有1283种污染物的毒性数据库。基于超高效液相色谱质谱分析检测方法，定性和定量分析84种药品和个人护理产品及环境内分泌干扰物。

3.2 有机污染物现状

应用上述方法对水库的5个样点进行了分析，共定性检出22种半挥发性有机污染物、20种药品和内分泌干扰物类化合物。6种半挥发化合物在各个样点中都有检出，检出率为100%，检出率>80%的半挥发化合物有9种，检出率>60%的化合物共有12种。在定性筛查出的20种药品和内分泌干扰物中有9种化合物均有检出。半挥发性有机污染物如邻苯二甲酸二正丁酯为塑化剂，这种化合物的来源复杂，可能为实验室背景干扰(无法避免)。水库地表水筛查检出化合物的浓度均为ng/L级，不具有生态和健康风险，其来源需要多次采样和分析确定。

4 结论与建议

4.1 结论

从水温的角度看，该水库有3个月左右的藻类高发期；水库pH值平面分布差异较小，水库的pH呈现出缓慢升高的趋势；磷为水库生物生产力的主要限制性营养元素；水库水质较为稳定，整体处于二类水体，氮磷含量在6—7月份相对较高，但时有氨氮和总氮超标的现象；根据《GB3838-2002地表水环境质量标准》的规定，在重金属毒理指标上，该水库大体满足地表水环境I类水标准，是安全的源头水；水库综合污染指数为0.47，各项水质指标基本能够达到II类水质标准，其中TN指标超标，水体功能可以得到充分发挥，水库整体水质是合格的II类水。

水库共定性检出22种半挥发性有机污染物、20种药品和内分泌干扰物类化合物，水库地表水筛查检出化合物的浓度均为ng/L级，不具有生态和健康风险，不会影响水质安全，是安全的源头水。

4.2 建议

(1)合理增设监测点位、布设垂直断面，完善水质监测指标，尽快摸清该水库水质多年来的衍变规律，保证水库的长期安全供水及南水北调工程的顺利实施；合理增设自动监测站，建立综合管理平台，实现监测、监控、数据存储、评价和管理预测标准化完整流程，为水库水质预测提供科学依据。

(2)加大应急力度，储备应急物资，并做好应对突发污染等事件的准备；加大对库区及上游地区的人类生产、生活活动的管理力度，加强村民的水源保护意识，尽可能保证入库河流、径流的水质。

(3)根据现有水质监测数据并收集南水北调来水水质监测数据，进行深入的数据分析工作，开展水质汇兑模拟实验，在此基础上分析预测水库未来水质的走向与趋势，为制订水库水质控制规划与方案做好准备工作。