南水北调来水对密云水库水质及水生生物的影响

曹鲲鹏，刘 岩，李亚楠

(1.北京市智慧水务发展研究院，北京 100036；2.北京市密云水库管理处，北京 101512)

0 引言

南水北调来水调入密云水库调蓄工程于2013年9月开工建设, 起点为团城湖调节池，通过京密引水渠反向引水，经6级泵站提升输水至怀柔水库，经雁栖泵站加压后，由京密引水渠输至白河电站下游调节池，再由溪翁庄泵站加压后将来水送入密云水库。输水线路总长约103 km，总扬程132.85 m[1]。2015年9月11日，南水北调水正式进入密云水库，至2020年9月南水停止向密云水库反向引水，南水北调来水共进入密云水库5.16亿 m3。源水区丹江口水库水与密云水库水进行水质汇兑，由于两种水源水质化学特征存在差异，而且随着南水不断入库，密云水库水位逐渐抬升,消落带面积增大,汇兑之后，密云水库水生态存在重构风险。因此，南水入库后，进行汇水区及整个库区的水质、水生态调查监测，明确水库水环境变化，对指导密云水库水质安全管理调度具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集方案

按照SL219-2013《水环境监测规范》[2]采样点布设原则，密云水库库区水质监测站点分布如图1所示，为白河主坝、库西、套里、恒河、库东、金沟、水九进口与潮河主坝，2015年9月南水北调水入库后增设节制闸采样点。水生植物监测断面为大关桥、辛庄桥、石匣村、燕落村。

1.2 水质分析方法

每月用有机玻璃采样器对库区8站点表中底层进行样品采集(金沟只采集表层样品)，低温保存并在48 h内进行分析检测。样品采集过程有严格的质量控制。

溶解氧的分析方法为电化学探头法HJ506-2009；总氮的测定为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 HJ 636-2012；氨氮的测定为纳氏试剂比色法HJ535-2009；总磷的测定为钼酸铵分光光度法GB11893-1989；高锰酸盐指数的测定为GB11892-1989。样品检测分析过程有严格的质量控制。

1.3 藻类分析方法

浮游藻类定性标本用浮游生物网采集，在表层至0.5 m深处以20～30 cm/s的速度作∞形巡回缓慢拖动约1～3 min，把样品放入塑料瓶中，进行浮游藻类定性分析。定量标本用有机玻璃采样器取上、中、下三层混合水样，取1L作为定量样品，立即加入15 ml鲁哥氏液固定，水样直接静置沉淀 24～ 36 h后，用虹吸管抽掉上清液，余下 20～25 ml 沉淀物转入 30 ml定量瓶中，进行浮游藻类定量分析。

浮游藻类的定量与定性分析参照《淡水微型生物图谱》、《水和废水监测分析方法(第四版)》及《内陆水域浮游植物监测技术规程SL733-2016》[3]完成。

1.4 水生植物调查方法

水生植物调查参照《水生生物调查技术规范DB11/T 1721-2020》[4]完成。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2013进行数据处理与分析，采用Excel 2013、Origin、ArcGIS软件作图。

2 结果评价

2.1 节制闸水质

2015-2020年，节制闸总氮值一直低于密云水库库区，基本符合地表水III类标准。总磷值除在2018年低于库区外，其余年份均较库区总磷值偏高，符合地表水II类标准。2017-2018年高锰酸盐指数低于库区，其余年份高于库区，符合地表水II类标准。氨氮含量与库区相当，符合地表水II类标准[5](见图2)。

2.2 南水入库对密云水库水质的影响

南水入库之前，潮河和白河是密云水库两大主要入库河流；南水北调水入库之后，南水水源通过京密引水渠进入水库成为第三大入库水渠。2015年8月底库区水位133.3 m,蓄水量8.50亿 m3,水面面积74.09 km2。2020年12月底库区水位148.3 m,蓄水量24.74亿 m3,水面面积139.81 km2。截止到2020年底南水入库后库区历史最高水位是149.7 m,对应的蓄水量为26.8亿 m3,水面面积146.07 km2。2019年9月-2020年底南水共计向密云水库调蓄5.36亿 m3。

2.2.1 时间变化

分析2015-2020年库区各监测断面重要水质指标的时间变化趋势，可以看出：

pH值在7.2～8.9之间波动，有效的数据范围为7.7～8.8 mg/L，每年的中位数在8.4～8.5 mg/L。2015年箱体最短，全年pH值变化幅度最小，稳定性最好；2020年箱体最长，全年pH值变化幅度最大，稳定性最差。2015-2020年pH值变化幅度不大。

溶解氧在6.2～15.4 mg/L之间波动，有效的数据范围为6.2～14.0 mg/L，2019年溶解氧>14.0 mg/L的为异常值，每年的中位数在8.1～9.5 mg/L。2016年箱体最短，全年溶解氧变化幅度最小，稳定性最好；2018年箱体最长，全年溶解氧变化幅度最大，稳定性最差。2015-2018年溶解氧含量呈逐年上升趋势，2018年之后有轻微的下降趋势[6]。

高锰酸盐指数有效的数据范围为6.2～14.0 mg/L，每年的中位数在2.4～3.4 mg/L。2020年箱体最短，全年高锰酸盐指数变化幅度最小，稳定性最好；2016年箱体最长，全年高锰酸盐指数变化幅度最大，稳定性最差。2015-2016年高锰酸盐指数含量呈逐年上升趋势，2016年之后呈下降趋势。

氨氮有效的数据范围为0.025～0.22 mg/L，每年的中位数在0.1～0.2 mg/L。2019年箱体最短，全年氨氮变化幅度最小，稳定性最好；2016、2018年箱体最长，全年氨氮变化幅度最大，稳定性最差。2015-2018年氨氮含量呈逐年上升趋势，2018年之后有轻微的下降趋势。

总氮有效的数据范围为0.4～2.5 mg/L，每年的中位数在0.5～1.5 mg/L。2019年箱体最短，全年总氮变化幅度最小，稳定性最好；2018年箱体最长，全年总氮变化幅度最大，稳定性最差。2015-2020年总氮含量呈逐年上升趋势。

高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷在南水入库后均呈先升高再下降的趋势。高锰酸盐指数在2.7～3.1 mg/L之间波动，2015-2016年上升明显，2016-2019年相对比较平稳，2019-2020年逐渐下降。氨氮在0.1～0.2 mg/L之间波动，上升趋势持续到2018年，之后呈下降趋势。总氮在0.6～1.6 mg/L之间波动，上升趋势持续到2019年，之后呈下降趋势。分析可能原因：密云水库调蓄工程是利用原有京密引水渠，又新建9级加压泵站和22 km输水管道，输水线路总长约103 km，输水里程很长，且长期积水，又有工程建设，从而南水入库初期氮含量上升，之后南水不断汇入密云水库，同时上游河流来水量增多，库区水位从2015年的133 m上升至2019年的149 m，库区水面面积由74.09 km2增加到146.07 km2，出现了大面积的新淹没区，其中包括农田、林地，含有丰富的有机质和氮磷营养物质，导致了库区氮元素含量的持续上升，2019年之后库水位保持在146 m以上，消落带2 m左右，库区蓄水量较大，且变化幅度较小，水体自净能力较强，淹没区氮磷营养盐向水体的转移减少，导致了库区氮元素含量的下降[9]。

总体来说，各监测项目(除总氮外)年均值均符合地表水II类标准，总氮均>III类。见图3[10]。

2.2.2 空间变化

分析2015-2020年各监测断面重要水质指标的空间变化趋势，可以看出：

各监测断面pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷均为汛期最高，非汛期最低；金沟汛期氨氮偏高，非汛期偏低；各监测断面总氮非汛期最高，汛期最低。

pH、高锰酸盐指数、氨氮、总磷含量变化趋势相近，表现为库东、金沟浅水区域较高，其余深水区域较高；溶解氧变化趋势相反，浅水区域偏低，深水区域偏高；总氮含量库西、套里最高，白河主坝次之，其余断面最低且含量接近。见图4。

2.3 南水入库后密云水库富营养化状态

2015-2020年密云水库各监测富营养化状态指数值在 36～43之间，均为中营养水平，富营养化状态呈逐年改善趋势。其中2015-2019年库东、金沟两断面评分高于其他断面，表明库东、金沟浅水区域发生水华的概率大于深水区域，2020年库区各断面评分值趋于一致。

营养状态评价指标包括：叶绿素 a 、透明度、总磷、总氮、高锰酸盐指数。库区富营养化评分中总氮贡献率最高，其次是高锰酸盐指数，总磷贡献率偏低，表明总磷是密云水库水华发生的限制性营养因子。

图4 2015-2020年库区断面各指标空间变化趋势

图5 南水入库后密云水库富营养化状态

2.4 南水入库对密云水库浮游藻类的影响

密云水库共记录浮游植物7门，168种，其中绿藻门物种最为丰富，共72种，硅藻门46，蓝藻门21种，金藻门、甲藻门、隐藻门、祼藻门等种类较少；浮游植物种数秋季(9-11月)最高、夏季(6-8月)次之，春季(3-5月)、冬季(12-次年2月)最低。其藻细胞密度季节变化显著，春季、夏初硅藻细胞密度高，绿藻次之；夏季、秋季绿藻、蓝藻细胞密度逐渐升高；2015-2018年冬季硅藻、绿藻细胞密度高，从2019年开始冬季因伪鱼腥藻的爆发使得蓝藻细胞密度偏高，硅藻、绿藻次之(见图6)。

南水入库后，密云水库浮游植物种类数量有所减少，优势藻种构成季节变化显著。南水入库前优势种春季优势为硅藻-金藻，夏季蓝藻，秋季蓝藻-绿藻，冬季硅藻；南水入库之后，优势种春季硅藻，夏、秋季蓝藻-绿藻，冬季蓝藻-硅藻，其中冬季蓝藻优势种主要是南水入库后喜凉的伪鱼腥藻数量较多，在白河主坝区域更显著，潮河主坝次之(见图6)。

图6 密云水库2015-2019年藻类浮游植物密度

2.5 南入库对密云水库大型水生植物的影响

南水入库之前，一年中的4-6月以菹草为优势种，辅以轮叶黑藻、小茨藻，7-9月以狐尾藻为优势种，马来眼子菜和金鱼草为辅，10-12月，结冰之前，以篦齿眼子菜为优势种，辅以狐尾藻。

2015年9月，南水北调来水汇入密云水库，同时，上游河流来水量增多，库区水位从134 m上升至2019年的149 m，出现了大面积的新淹没区。库区岸边带的沉水植物、挺水植物以及陆生草本植物全部被淹没致死。2020年8月和10月，分中心对潮河入库口(辛庄桥)、白河入库口(大关桥)、库北岸边带(石匣村、燕落村、董各庄村)进行了水生植物调查工作，发现潮河入库口和白河入库口存在大量的水生植物，库北岸边带有狐尾藻、大茨藻零星分布。预计库岸带水生植物的大面积恢复还需要多年时间。

3 结语

(1)南水入库调水初期，密云水库各水质指标(除pH外)均有所升高；pH呈先下降再升高的趋势，最低达8.2，到2020年恢复到南水入库前水平。

(2)各监测断面pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷均为汛期最高，非汛期最低；金沟汛期氨氮偏高，非汛期偏低；各监测断面总氮非汛期最高，汛期最低。pH、高锰酸盐指数、氨氮、总磷含量变化趋势相近，表现为库东、金沟浅水区域较高，其余深水区域较高；溶解氧变化趋势相反，浅水区域偏低，深水区域偏高；总氮含量库西、套里最高，白河主坝次之，其余断面最低且含量接近。

(3) 2015-2020年密云水库各监测富营养化状态指数值在 36～33之间，均为中营养水平，富营养化状态呈逐年改善趋势。库东、金沟浅水区域发生水华的概率大于深水区域。

(4)浮游植物种数秋季(9-11月)最高、夏季(6-8月)次之，春季(3-5月)、冬季(12-次年2月)最低，其藻细胞密度季节变化显著。南水入库后，密云水库浮游植物种类数量有所减少，优势藻种构成季节变化显著。

(5)南水入库后，库区岸边带的沉水植物、挺水植物以及陆生草本植物全部被淹没致死，目前发现潮河入库口和白河入库口存在大量的水生植物，库北岸边带有狐尾藻、大茨藻零星分布。预计库岸带水生植物的大面积恢复还需要多年时间。