重庆三面环山，沟壑纵横，地形地貌等自然条件与平原地区有较大的差异，山地沟壑处形成的天然溪沟汇集至山谷自然成河，在洼地处形成小湖塘，城市建设多依山势、 沿水域周围布局. 近年来，由于工农业的发展和城市化进程的加快，城市水环境问题越来越突出. 刘景红等对重庆市35座大中型水库开展富营养化调查及评价，其中27座水库达到富营养，8座水库为中营养，水库营养盐输出直接影响三峡库区水环境质量^[1,2].

重庆市北部新区园博园是第八届世界园林博览会的举办地，为重庆市重大工程项目，会后的园博园作为高品质的生态旅游观光景区和休闲活动场所在运营. 园博园内的龙景湖是快速发展城市化地区的湖库水体典型代表，其主要通过在河流下游进行筑坝拦截和降雨补给以蓄水形成山地地区的新建湖库. 其水文水质特征体现为湖库深度大、 水体环境相对封闭，水流流速滞缓、 不易混合，水体更新周期长，易出现水质成分横向与纵向分布不均等. 龙景湖流域正处于快速城市化进程中，区域土地利用覆盖从自然的农业用地与林业用地向城市建设用地变更. 区域城市化过程中城市道路及铺砌路面等不透水地表的增加，必将影响下游水体龙景湖的水质. 特别在山地地形影响下，径流流程短、 抵峰时间短，面源污染负荷强度大、 初期效应突出^[3]，导致城市水系水环境质量整体水平下降，影响城市水循环健康发展.

本研究对龙景湖及上游流域的水环境质量现状进行调查和监测，结合山地地形影响下的水环境特性，探讨龙景湖水库氮磷营养盐的时空格局、 变化特点和相互关系，分析园博园旅游区人为活动的特点以及上游流域来水水质对水库水质的影响，以期为后续水质保持和水污染治理技术提供基础支撑. 1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

园博园位于重庆市两江新区核心地带，北部新区龙景湖片区核心，总面积2.2 km²，是综合自然景观、 人文景观、 休闲娱乐、 科普教育等多功能的大型城市生态公园. 园区中心的龙景湖是典型的山地城市水库，由上游山地城市河流汇入形成，水源补给主要来自降雨径流. 龙景湖水体面积0.53 km²，水库水深约20-30 m，设计常水位标高为306 m，死水位为296 m； 总库容为663万m³，调节库容为425万m³. 龙景湖水库蓄水后，改变了水体的天然状态，沿湖群山山体自然形成多个湖湾和半岛，是典型的山地地区新建水库. 湖库水位深，水生态系统简单，水环境容量小，流动性很差的半封闭缓流库湾较多，不利于污染物的扩散，自净能力差. 1.2 采样点布设与样品分析

为考察龙景湖水库氮磷营养盐分布和变化特征，本研究根据湖体形态特点及园内景区，将整个龙景湖湖体分为主水体区、 开阔水体区、 库湾区，分区设置采样(见图 1). 湖库的主水体区是湖体的核心水体组成部分，即A区，包括2个采样点； 开阔水体区是指主水体区与上游或库湾区相连接的水域，即为C区与D区附近水域，分别设置有采样点2个与3个； 库湾区是筑坝拦截蓄水后向山谷处蔓延形成的枝状水体区域，即B、 E、 F、 G、 H区，分别设置有采样点1个、 3个、 2个、 2个、 2个. 此外，对上游河流赵家溪沿水流方向沿程设置有R1-R7共7个水质监测采样点，赵家溪R7采样点下游即为龙景湖区域.

图 1

Fig. 1

图 1 龙景湖及上游采样区示意Fig. 1 Distribution of sampling areas in Longjing Lake and Zhaojia River

从2012年10月-2013年9月逐月进行水样采集. 水样采集于水面下约0.5 m深处，采集水样500 mL. 水质分析指标包括总氮(TN)、 总磷(TP)、 溶解性总氮(TDN)、 氨氮(NH⁺₄-N)、 硝酸盐氮(NO^-₃-N)、 溶解性总磷(DTP)、 活性磷酸盐(SRP)等，其中总氮和总磷采用原水样测定，其余指标将原水样过0.45μm滤膜测定. 水样预处理及分析测定方法均采用相应国家标准方法进行^[4]. 2 结果与讨论 2.1 总氮与总磷时空分布特征

龙景湖全年总氮的平均浓度为1.42 mg ·L^-1，总磷的平均浓度为0.09 mg ·L^-1，在湖库Ⅳ类水质标准限值附近. 丰水期和平水期湖体总氮、 总磷平均浓度水平低于全年均值，是夏季及春末秋初雨季多，湖体水量补给大，其浓度主要受稀释作用影响； 而枯水期总氮和总磷平均浓度有所上升，主要是湖体水量和补给水量减少，流动性和自净能力差等因素影响.

湖库主水体A区的部分深水区域是拦坝蓄水新建前存在的水域，是湖库新建的重要组成部分，其总氮年均质量浓度为1.26mg ·L^-1，总磷年均质量浓度为0.09mg ·L^-1，波动范围分别为0.96-2.29mg ·L^-1和0.04-0.17mg ·L^-1，即在湖库Ⅳ类水质标准限值附近波动(图 2). 质量浓度超过Ⅳ类水质标准的情况主要发生在10-12月及1-3月的枯水期，但超标程度均不大，总氮和总磷在枯水期的平均浓度分别超标约5.2%和3.0%. 4-9月的平水期和丰水期，总氮和总磷的含量均可维持在Ⅳ类水质标准限值以下. A区季节变化特征与湖库整体基本一致，枯水期湖体水位下降，总体容积减少，水体自净能力下降，呈现出总氮和总磷的水平整体较高. 而丰水期和平水期湖体总容积较枯水期增加，特别是暴雨季节雨量丰沛，湖体流动性提升，稀释作用使水体自净能力有所升高，氮磷水平相较枯水期整体降低.

图 2

Fig. 2

图 2 湖库总氮、 总磷区域季节性变化特征Fig. 2 Characteristics of TN and TP in Longjing Lake

上游来水是湖库水体水源补给的重要来源之一，上游河流赵家溪沿程的起点处河道较窄，具有库湾特点，水质较差，随着水流方向沿程至下游，河道逐渐变宽，总氮和总磷浓度均有逐渐降低的趋势，且丰/平水期沿程逐渐降低趋势明显，而枯水期略有波动(图 3). 顺水流方向，上游河流经入湖C区汇入主水体A区，总氮浓度的年均值依次为1.81、 1.32、 1.26mg ·L^-1，总磷浓度的年度均值依次为0.13、 0.10、 0.09 mg ·L^-1，即沿程氮磷含量：上游河流>C区>A区. 随水流方向，水体的稀释作用和程度逐渐升高，C区的开阔水体相当于上游河流入湖前的缓冲区，水质受上游来水水质直接影响^[5]，汇入后对湖库水质影响明显.

图 3

Fig. 3

图 3 上游沿程总氮、 总磷变化特征Fig. 3 Variation of TN and TP concentration along the Zhaojia River

湖库区D的开阔水体是连接主水体A区和各个典型库湾的过渡水体区域，总氮和总磷全年浓度平均值分别为1.35mg ·L^-1和0.09mg ·L^-1，均在湖库Ⅳ类水质标准限值以内. 但相较主水体区总氮含量略有升高，是由于条形水域区域毗邻的园内景区，是餐饮、 码头和娱乐的聚集地，较多的人为活动累积污染物，形成的面源污染负荷输入湖体对过渡区域水体产生影响^[5].

龙景湖水库典型的枝状库湾区水动力条件的共性特征体现在，水体环境相对封闭，水流迟缓、 不易混合，水体更新周期长，易产生成分横向与纵向分布不均. 库湾区的这类特点相较主水体区较大的水环境容量等对水质的影响有较大不同，根据实际情况将存在此类共性且典型特征的龙景湖各个库湾区进行合并分析. 库湾区总氮平均水平1.49mg ·L^-1高于湖库中心开阔区域，分别高出主水体A区和开阔水体C区、 D区总氮平均质量浓度的18.3%和11.2%. 总磷浓度和变化情况相较稳定，与A区及C区、 D区基本相似，在降雨量较大的暴雨季节5、 6月，大量的降雨入湖稀释，总磷浓度有明显的下降. 湖库典型库湾区也基本呈现出较明显的枯水期浓度较大，丰水期和平水期较小的季节性变化特点. 在降雨补给较少的枯水期，库湾区水深自然变浅，库湾区域水容量变小，水体交换和稀释作用更差，水体中氮磷累积，也是枯水期氮磷浓度较大的原因之一. 相较于A区和C区、 D区，其总氮浓度的波动更大，由于湖体库湾区水域的半封闭缓流特点，稀释扩散的自净能力较差； 加上沿库湾设置有园区污水管道排出口，同时库湾靠近游客活动区，此类点源和面源生活污水以库湾区水体作为受纳体； 而处于低洼地带的库湾区周围环湖不透水道路覆盖率高，亦接收较多地表径流冲刷带来的颗粒污染物等. 2.2 水体氮磷形态组成特征

湖体溶解态的总氮(TDN)和溶解态总磷(TDP)浓度随季节时间呈现出变化趋势，与区域TN、 TP浓度变化趋势一致，即丰水期浓度较低，枯水期浓度相对高的变化特征[图 4(a)、 4(c)]. 同样表现出这种季节性变化特征的有NO^-₃-N和SRP[图 4(a)、 4(c)]； 而NH⁺₄-N的浓度对于这种变化趋势表现不及NO^-₃-N和SRP显著，其质量浓度在0.5 mg ·L^-1附近波动，枯水期浓度极大值0.71 mg ·L^-1[图 4(a)]，没有超过Ⅳ类水质标准限值.

图 4

Fig. 4

图 4 氮磷不同形态分布特征Fig. 4 Composition of nitrogen and phosphorus

相较于溶解态氮、 磷，颗粒态氮(PN)和颗粒态磷(PP)在丰水期比例较高，分别达到51.7%和72.8%[图 4(b)、 4(d)]，是由于丰水期基本为春季和夏季，气温等各方面条件适宜藻类生长繁殖，大量生长的藻类有部分贡献^[6]. 此外，丰水期降雨发生较多，地表径流会冲刷颗粒物形成对湖体的面源输入^[7]； 进入枯水期，颗粒态的PON和PP浓度较丰水期分别下降了23.2%和38.5%，活性磷酸盐(SRP)占TP的质量分数则从丰水期的13.2%增至59.4%[图 4(d)].

各采样区在枯水期占TN质量分数较大的溶解态氮的形态均为NO^-₃-N，可达28.1%-49.1%[图 5(b)]，是由于枯水期湖库整体水量减少，且水源补给途径可能多为地下水补给，而冬季藻类因老化和缺氧等大量死亡后，经微生物分解等作用最终形成硝酸盐累积于水体中； 而进入丰水期NO^-₃-N占TN的质量分数不超过19.9%[图 5(d)]，质量浓度也不超过枯水期质量浓度的一半[图 5(c)]，丰水期湖库补给水源途径和补给量均增多，暴雨季节较大降雨带来的地表径流入湖补给量显著增加，同时气温转暖致动植物活动将冬季累积的硝酸盐利用，湖库整体显示出受丰水期稀释作用影响明显的特征. NH⁺₄-N所占TN的质量分数保持在20%左右[图 5(b)、 5(d)]，在丰水期人为活动多，NH⁺₄-N较其他形态溶解氮占TN比例略占优[图 5(d)]，但枯水期平均质量浓度0.46mg ·L^-1仍显著高于丰水期0.25mg ·L^-1[图 5(a)、 5(c)]，枯水期浓度极大值未超过Ⅳ类水质标准限值. 溶解态有机氮(DON)在质量浓度和TN的贡献率上相对稳定，其质量浓度基本保持在0.2-0.3mg ·L^-1附近波动[图 5(a)、 5(c)]，占TN的质量分数的变化范围主要在15%-20%之间[图 5(b)、 5(d)].

图 5

Fig. 5

图 5 溶解态氮区域分布特征Fig. 5 Regional distribution of dissolved nitrogen

主水体A区及开阔水体C区、 D区是整个湖库的中心区域和主要组成部分，其营养盐浓度的季节性变化特征与湖体情况基本一致，枯水期浓度较高而丰水期浓度相对低，其中NH⁺₄-N的质量浓度在丰水期降低了44.4%，NO^-₃-N区域平均质量浓度降为0.13mg ·L^-1[图 5(a)、 5(c)]. 丰水期各溶解态氮的形态中，NO^-₃-N在TN占的质量分数由42.0%减少至13.1%[图 5(b)、 5(d)]，NH⁺₄-N占TN的比例较多[图 5(d)]，改变了枯水期NO^-₃-N在TN中比例占绝对优势的情况.

丰水期的库湾B区有较高的NH⁺₄-N浓度[图 5(c)]，是其所在景区处于园区主入口附近，有较多的游客活动； 库湾F区和D区的NH⁺₄-N浓度相较其他区域高[图 5(b)]，其分别设置有游船码头和园内餐饮集中区. 库湾附近景点集中、 游客量大，同时设置有园区污水管道排出口，受纳来源于附近厕所、 餐饮及游客活动等产生的生活污水. 园区厕所及部分餐饮生活污水主要经化粪池简单处理和一体化污水处理设施处理，排入湖库湾； 地表累积的人为活动污染物，在丰水期随降雨径流冲刷进入洼地地势的库湾区，形成面源污染来源. 丰水期和平水期的气温适宜，园区游客活动增多，人为因素和生活类污水的排放增多对湖库水体影响增大. 此外，园区内的绿化园林养护施肥也是龙景湖水库潜在的面源污染负荷来源.

山地地势形成的各库湾B、 E、 F、 G、 H区具有相似的周边环境条件和水力条件，水流缓慢、 稀释自净能力差，接受面源污染负荷大，污染累积致营养盐浓度高于湖库主要组成部分A区和C区、 D区[图 5(a)、 5(c)]. 库湾区的营养盐浓度与组成，同周围的园区景点布设类型及季节变化带来的人为活动量变化等因素有关. 2.3 氮、 磷营养盐关系研究

表 1是龙景湖水库TN、 TP及其比值结果的全年和季节性变化波动情况. 全年龙景湖水库TN浓度介于0.68-2.86mg ·L^-1，平均浓度为(1.42±0.46)mg ·L^-1，在湖库Ⅳ类水质标准限值(1.5mg ·L^-1)附近； TP浓度变化范围0.03-0.17mg ·L^-1，平均浓度为(0.09±0.03)mg ·L^-1，基本可达到湖库Ⅳ类水质浓度限值(0.1mg ·L^-1)以内. 丰水期和平水期，受雨季湖体雨水补给量大，对营养盐浓度稀释作用等因素影响，TN、 TP平均浓度的水平不高，分别为(1.15±0.27)mg ·L^-1、 (0.07±0.02)mg ·L^-1； 气温相对较低的枯水期，湖体水量和补给水量减少，流动性和自净能力差，TN和TP的浓度上升，平均浓度分别为(1.81±0.39)mg ·L^-1和(0.11±0.03)mg ·L^-1.

表 1(Table 1)

表 1 龙景湖水库 TN、 TP和 TN/TP值统计结果 1) Table 1 Statistics of TN,TP and TN/TP ratio in Longjing Lake 指标 项目 全年(n=170) 丰水期(n=102) 枯水期(n=68) TN/mg·L-1 均值±S.D. 1.42±0.46 1.15±0.27 1.81±0.39 变化范围 0.68-2.86 0.68-2.86 1.03-2.70 TP/mg·L-1 均值±S.D. 0.09±0.03 0.07±0.02 0.11±0.03 变化范围 0.03-0.17 0.03-0.16 0.04-0.17 TN/TP 均值±S.D. 18.43±7.88 18.61±7.75 18.16±8.13 变化范围 6.60-49.38 8.22-49.38 6.60-46.68 1) n为统计样本数

表 1 龙景湖水库 TN、 TP和 TN/TP值统计结果 1) Table 1 Statistics of TN,TP and TN/TP ratio in Longjing Lake

根据Wetzel提出的湖泊、 水库营养状态划分标准^[8]，湖库中营养状态对应的氮磷浓度值界限分别为0.753mg ·L^-1≤TN＜1.875mg ·L^-1，0.026 7 mg ·L^-1≤TP＜0.084 4 mg ·L^-1，超过此TN、 TP对应上界限值范围的则属富营养状态. 图 6为龙景湖水库丰水期和枯水期TN、 TP质量浓度分布情况. 在龙景湖TN和TP的样本中，分别有80.6%、 51.2%的TN、 TP质量浓度在中营养状态湖库对应浓度界限以内，而超过富营养状态对应浓度值的TN、 TP分别占18.8%、 48.2%，龙景湖水库总体在中营养状态.

图 6

Fig. 6

图 6 龙景湖水库TN、 TP浓度分布Fig. 6 TN and TP distribution in Longjing Lake

TN/TP是对湖库营养结构的关键表征，可以一定程度上反映营养物输入负荷对水体营养结构的影响，同时也是水中浮游生物种群营养结构特点的重要影响因素和体现，对掌握湖库限制性营养物类型及季节性变化以便对浮游生物生长情况进行调控有重要意义<^{[8,9,10,11,12]}. 龙景湖全年TN/TP的均值为18.429±7.883，变化范围为6.6-49.4. 依据Michael等^[13]提出的水中营养物限制性分类标准，质量比TN/TP≥22.6时，磷为主要限制因素； TN/TP≤9.0时，氮为主要限制因素. 就龙景湖全年营养物限制情况而言，磷为主要限制因素的时段为21.2%，氮为5.3%，其余时段为氮、 磷双重限制时期. TN/TP处于磷限制状态的样本数据丰水期、 枯水期分别有8.8%、 16.2%，而处于氮限制状态的样本数据在丰水期、 枯水期分别有2.9%、 24.5%，湖库枯水期相较于丰水期受氮、 磷因素影响限制较大.

表 2的相关性分析结果显示，在TN与各溶解态氮的相关关系中，TN与硝氮、 氨氮呈正相关关系，通过关系系数可发现硝氮对于TN的增长贡献大于氨氮，湖库整体呈氧化性环境^[14]，同时硝氮和氨氮间也有显著正相关关系. TN与TP呈显著正相关关系，湖库氮磷的输入和输出途径基本一致^[10]. 总磷、 活性磷酸盐也与总氮、 硝氮和氨氮相互之间呈现出显著的正相关关系. TN/TP与TN呈显著正相关关系，与TP呈显著负相关关系，也显示出湖库氮磷营养物中没有显著的限制因素^[15]，需综合调控TN/TP并削减氮磷营养盐含量.

表 2(Table 2)

表 2 龙景湖水库部分监测指标相关性分析 1) Table 2 Correlation analysis of partial monitoring indicators in Longjing Lake NO-3-N NH+4-N DON SRP TP TN TN/TP NO-3-N 1 NH+4-N 0.413** 1 DON 0.198* — 1 SRP 0.849** 0.492** 0.206* 1 TP 0.514** 0.359** 0.206* 0.626** 1 TN 0.633** 0.433** — 0.484** 0.431** 1 TN/TP — — — — -0.632** 0.315** 1 1)**表示显著性水平为0.01； *表示显著性水平为0.05

表 2 龙景湖水库部分监测指标相关性分析 1) Table 2 Correlation analysis of partial monitoring indicators in Longjing Lake

3 结论

(1)龙景湖水库整体总氮和总磷的年平均质量浓度分别为(1.42±0.46) mg ·L^-1和(0.09±0.03) mg ·L^-1，在湖库Ⅳ类水质标准限值附近. 湖库主水体区、 开阔水体区和库湾区水质存在差异. 季节性水量补给变化影响水体总氮与总磷浓度.

(2)颗粒态的氮磷占总氮、 总磷的质量分数在丰水期大于枯水期. 溶解态氮磷营养盐中，硝氮占总氮质量分数枯水期大于丰水期，质量浓度丰水期不超过枯水期的一半； 氨氮占总氮的质量分数保持在20%左右； 溶解态有机氮占总氮质量分数的变化范围主要在15%-20%； 活性磷酸盐占总磷的质量分数枯水期达59.4%. 硝氮和活性磷酸盐表现出与总氮、 总磷类似的季节性变化特征.

(3)丰水期和平水期龙景湖景区游客增多，厕所、 餐饮、 游客活动等产生的污水，对湖库水体中不同形态溶解氮的比例构成影响增大，氨氮占总氮的比例上升，改变了枯水期硝氮在总氮中比例占绝对优势的情况.

(4)氮磷比全年均值为18.43±7.88，多数处于氮、 磷营养物为限制因素交替发生的中间状态，枯水期相较于丰水期受氮、 磷因素影响限制大.