2024, Vol. 45
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 长三角（义乌）生态环境研究中心, 义乌 322000;
4. 浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058
, SHAO Zhi-ping3 , SHI Xin-ming3 , HE Yi1,2,3 , ZHENG Xiao-xu1,2,3 , WANG Jing-lin1,2,3 , JIANG Can-can1,2 , TIAN Zhe1,2 , XU Sheng-jun1,2,3 , WANG Dong-sheng3,4 , ZHUANG Xu-liang1,2
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Yangtze River Delta Research Center for Eco-Environmental Sciences, Yiwu 322000, China;
4. School of Environment and Resources, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
近年来, 随着生态文明建设的理念深入人心, 我国在注重社会经济发展和人民生活水平提高的同时, 也越来越重视污染治理与环境保护. 自2015年4月我国颁布并实施《水污染防治行动计划》以来, 全国各主要城市的水体黑臭问题得到了显著改善, 水质明显好转[1, 2], 但水体富营养化问题随之而来, 成为我国目前环境科学领域关注的研究热点[3, 4]. 过量的氮、磷等营养元素在水体内累积并广泛参与到生物代谢循环中, 成为河流、湖库等水体富营养化的主要影响因子[5, 6], 由此引起的“水华”等问题, 给水体带来了极大的生态风险[6, 7]. 基于既定管理目标, 水环境容量是水体富营养化治理的一项重要指标[8, 9], 因此, 水体富营养化评价结合水环境容量分析成为当前管理水环境的一项重要参考依据[10, 11]. 目前, 水体富营养化评价的主要方法包括单一因子法、综合营养状态指数法、灰色聚类分析法和模糊评价法等[12, 13], 其中综合营养状态指数法采用与富营养化和水华密切相关的多项指标[14, 15], 能够比较全面地反映出水体的营养状况[16, 17]；水环境容量则可反映在规划水文水质条件下, 水体满足水体生态功能时所能容纳的污染物负荷, 可以据此评估水体的自净能力[18, 19].
岩口水库位于浙江省义乌市上溪镇岩口村（29°17′25″~29°18′49″N, 119°54′11″~119°55′13″E）, 是钱塘江东阳江支流航慈溪的上游水体[20, 21], 其设计总库容为3 590万m3, 正常库容3 025万m3, 其生态功能主要包括水库流域周边村落及义乌市饮用供水、农村灌溉以及防洪, 水质综合管理目标为地表水Ⅲ类水质标准[22, 23]. 在之前的调查研究中, 本文作者已较详细地总结了岩口水库流域周边的城镇组成、社会经济发展以及流域水体分布等情况[24, 25], 在此不再赘述. 本文基于2013~2019年岩口水库及其上游支流每月的物理性指标（溶解氧和pH）以及总氮、总磷浓度监测数据, 初步分析了该流域各主要水体水质的动态变化, 并以总氮和总磷为主要影响因子, 初步评价了各主要水体的富营养化程度. 由于当时收集的数据以及针对岩口水库本身的立体监测不尽全面, 因此作者于2020年5月至2022年3月逐月监测了岩口水库的多项理化指标, 对其开展富营养化综合评价以及主要污染物（高锰酸盐、总氮和总磷）的水环境容量计算, 旨在为岩口水库水质评价与保护、水污染防控以及水环境可持续发展提供支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况岩口水库设计总库容为3 590万m3, 正常库容3 025万m3, 正常库容的平均水深为13.7 m, 该流域的集水面积5 715 km2, 上游有4条主要河流汇入, 分别是斯何溪、溪华溪、金傅翟溪和黄山溪；基于岩口水库汇水情况, 从库坝位置到上游汇水区, 在水库设置了6个采样点, 分别是库首（1号）、库中（2号）、库西（3号）、库东（4号）、库西北（5号）和库尾（6号）, 见图 1. 根据义乌市当地的气候条件, 本研究沿用之前的四季划分, 即春季（3~5月）、夏季（6~8月）、秋季（9~11月）和冬季（12月至次年2月）.
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图 1 岩口水库空间分布及采样点落位示意 Fig. 1 Spatial distribution and sampling location of Yankou Reservoir |
本研究集中在岩口水库以及上游溪流的入库口设置采样点（图 1）, 逐月采集水体样品. 在水库中的采样点, 分别采集其表层（距离水面0.5~1.0 m深处）、中层（距离水面5 m深处）和深层（距离水面10 m深处）的水样, 在上游溪流的入库口, 则采集其表层（距离水面0.5~1.0 m深处）的水样. 本研究参考《水质采样技术指导》（HJ 494-2009）开展水体样品采集, 为了减少误差, 每个水体样品是该处5次采集水体的均匀混合样本. 每个采样点采集500 mL水样, 装入干净的聚乙烯样品瓶, 密封后置于4℃保温箱中保存, 并运回实验室进行水质分析. 采集水样的同时, 在现场开展的水质数据测定包括：使用便携多参数水质仪（哈希SL1000多通道便携式水质分析仪）测定水温、pH值、溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP）, 使用便携式浊度仪（哈希2100Q便携式浊度仪）测定浊度, 使用塞氏盘法测定水库表层水体的透明度（SD）. 运送回实验室的水体样品则根据国家标准方法, 分别测定水样的氨氮、总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数和叶绿素a（Chl-a）的浓度.
1.3 富营养化评价方法本研究参考生态环境部发布的《地表水环境质量评价技术规范》, 采用综合营养状态指数法[TLI（∑）]对岩口水库分层水体以及上游溪流入库水体进行评价. 综合营养状态指数计算公式如下：
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式中, TLI（∑）为综合营养状态指数, Wi为i种参数的营养状态指数的相关权重, TLI（i）为第i种参数的营养状态指数. 以Chl-a为基准值, 则第i种参数均一化后的相关权重计算公式如下：
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式中, ri为第i种参数与基准值Chl-a的相关系数, m为评价参数的个数.
我国湖泊（水库）的叶绿素a与其他指标之间的相关权重Wi、相关关系ri和ri2见表 1.
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表 1 我国湖泊（水库）部分水质指标与叶绿素a的相关关系ri和ri2值 Table 1 Correlation and value of some water quality indices and chlorophyll a in lakes (reservoirs) in China |
本研究中, 各水质指标营养状态指数[TLI（i）]计算公式如下：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
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(4) |
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(5) |
式中, TP、TN和高锰酸盐指数的单位均为mg·L-1, Chl-a单位为mg·m-3, SD单位为m.
本研究采用0~100的一系列连续数字对岩口水库的营养状态进行分级评价, 具体分级标准见表 2, 综合营养状态指数数值越高, 代表其营养程度越高, 引起水体富营养化的风险越高[26, 27].
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表 2 水体营养状态分级标准 Table 2 Classification standard of nutrient state of water body |
1.4 水环境容量计算 1.4.1 化学需氧量水环境容量计算
岩口水库一年中水体交换较频繁, 年进出水库的水量相近, 因此化学需氧量的水环境容量参考沃伦威德尔模型（Vollenweider）进行计算[24], 该模型的平衡方程为：
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(6) |
式中, V为水库容积（m3）, C为高锰酸盐指数（mg·L-1）, Ci为河流入库高锰酸盐指数（mg·L-1）, Q为入库流量（m3·d-1）, K1为高锰酸盐指数的自净系数（d-1）.
当水库的高锰酸盐指数（C）达到规定的水质标准（Cs）, 即C=Cs时, 水库的高锰酸盐指数水环境容量（W）计算公式为：
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(7) |
水体营养元素模型基于物质平衡基本方程, 主要的相关模型包括沃伦威德尔模型（Vollenweider）、狄龙模型（Dillon）、合田健模型以及国际经济合作与开发组织模型（OECD）等[28, 29]. 考虑到岩口水库水体沉降系数不易确定, 以及狄龙模型的普适性, 本研究采用狄龙模型来计算岩口水库总氮和总磷的环境容量, 相应计算方程为：
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(8) |
式中, W为总氮或总磷的水环境容量（t）；Csc为TN或TP的水环境质量标准（mg·L-1）；S为岩口水库的水面面积（m2）；H为岩口水库的平均水深（m）；Qin为入库流量（m3）；V为岩口水库的容积（m3）；R为岩口水库TN或TP的滞留系数.
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(9) |
式中, Wout和Win分别为TN或TP的出、入水库总量（t）. 由于本研究逐月检测了各项水质指标, 因此入库流量、TN和TP的出、入水库总量采用月总量, 相应地, TN和TP的水环境容量为月容量.
1.4.3 水环境容量模型参数选取义乌市当地部门对岩口水库的水质管理目标为地表Ⅲ类水质标准, 因此高锰酸盐指数、TN和TP选择《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准, 高锰酸盐指数的降解系数K则参照《全国水环境容量核定技术指南》确定, 总氮或总磷的滞留系数（RTN或RTP）则根据入库水量及监测点总氮、总磷浓度数据估算获得. 各项模型参数取值见表 3和表 4.
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表 3 水环境容量模型参数及取值 Table 3 Parameters and values of water environmental capacity model |
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表 4 入库水量及总氮和总磷滞留系数 Table 4 Water inflow and retention coefficient of total nitrogen and total phosphorus |
1.5 数据统计与分析
本研究使用Excel 2016进行数据统计和处理, 使用GraphPad（V8.0）作图. 同样地, 采用综合营养指数法评价水库以及上游溪流的营养状态后, 对不同营养状态赋值, 5、4、3、2和1分别表示重度富营养、中度富营养、轻度富营养、中营养和寡营养状态, 利用热力图展示不同水体营养状态的动态变化.
2 结果与讨论 2.1 岩口水库水质指标的时空变化规律本研究于2020年5月至2022年3月间, 逐月监测了岩口水库本体以及水库上游溪流的主要水质指标, 包括水温、pH、DO、ORP、浊度、NH4+-N、TN、TP、Chl-a和高锰酸盐指数, 结果见图 2.
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A.2020年, B.2021年, C.2022年 图 2 岩口水库及上游河流水质指标监测 Fig. 2 Environmental variables of Yankou Reservoir and the upstream rivers |
本部分主要包括岩口水库以及上游溪流的水温、pH、DO、ORP、浊度和NH4+-N浓度的时空变化（图 2）.
本研究期间, 岩口水库及上游溪流的水温呈现出明显的季节性变化规律, 夏季水温最高, 冬季水温最低, 而且在各季节中, 岩口水库的平均水温由表层至深层呈现出逐渐降低的趋势[图 2（a）]. 除了2020年春季, 岩口水库及上游溪流的pH短暂超过9.0外, 其余季节中, 相应水体的pH稳定在7~9的范围内[图 2（b）], 水体略偏碱性的产生原因, 推测一定程度上与水体的富营养化有关, 即富营养化导致藻类生长, 藻类的繁殖消耗了水中的CO2, 改变了水体的酸碱平衡, 使得水体pH升高[30, 31]. 本研究期间（2021年冬季除外）, 岩口水库四季的表层水体DO浓度平均值均高于中层和深层水体, 而4条上游河流各季节的平均DO浓度相差不大[图 2（c）], 且2021年全年, 4条溪流水体显示出夏季DO浓度低, 冬季DO浓度高的变化规律.
本研究期间, 岩口水库以及上游河流的ORP逐年升高[图 2（d）], 2020年全年至2021年秋季, 整体流域水体的ORP均低于0 mV, 而2021年冬季后, 整体流域水体的ORP高于0 mV, 甚至达到150 mV, 水体由还原状态（< 0 mV）转变为氧化状态（> 0 mV）, 说明水体中的耗氧污染物含量减少[28], 这从侧面证明研究期间岩口水库当地部门对水体展开的治理工作取得了阶段性的效果. 同样地, 浊度监测数据显示[图 2（e）], 除2020年夏季, 岩口水库各层水体的浊度均低于10 TU, 显示出较好的水体状况, 而各上游河流的浊度在春、夏两季较高, 这与当地两季降水较频繁, 泥沙等颗粒物被冲刷到河流中有关. 氨氮浓度[ρ（NH4+-N）]是水体污染状态的一项重要指标, 除2020年春季, 整体流域水体的NH4+-N浓度超过0.5 mg·L-1, 其余时间段, 水库及河流的NH4+-N浓度均维持在较低水平[图 2（f）], 达到了《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中Ⅱ类水体标准, 并且整体流域水体基本展现出夏季NH4+-N浓度低, 冬季NH4+-N浓度高的规律.
2.1.2 富营养化指标变化规律参考《地表水环境质量评价技术规范》, 本研究同时监测了评价水体富营养化的相关指标：Chl-a、TN、TP、高锰酸盐指数和SD[图 2（g）~2（j）和图 3].
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图 3 岩口水库水体透明度 Fig. 3 Water transparency of Yankou Reservoir |
本研究期间, 岩口水库Chl-a浓度[ρ（Chl-a）]整体低于20 mg·m-3[图 2（g）], 虽然从2020年春至2021年秋, 水库的Chl-a浓度逐季上升, 但2021年冬季之后, Chl-a浓度降低明显；而上游河流夏、秋两季的Chl-a浓度则明显高于冬、春两季, 岩口水库所呈现出温度高、藻类活跃生长导致水体Chl-a浓度高的规律, 这与其他湖库水体的研究结果一致[32, 33].
岩口水库的TN浓度[ρ（TN）]均低于2.0 mg·L-1[图 2（h）], 但2022年春季, ρ（TN）有所升高, 超过了水库规划管理的地表Ⅲ类水标准（1.5 mg·L-1）；相对地, 上游河流的TN浓度较高, 特别是2021年春、冬两季及2022年春季, 这是由于水温较低使得水体氮代谢速率减慢[31]；并且上游河流的TN浓度整体高于岩口水库, 岩口水库还处于“氮汇”的状态.
岩口水库的TP浓度[ρ（TP）], 除2020年夏季及2021年春、秋两季, 其余时间基本未超过水库规划管理的地表Ⅲ类水标准（0.05 mg·L-1）, 而上游河流的TP浓度在本研究期间未超过0.2 mg·L-1, 显示出较好的水质状况[图 2（i）]. 值得注意的是, 2020年夏季及2021年春、秋两季, 岩口水库中层和深层的TP浓度超过表层, 因此在后续的水体治理时需要留意水库底泥向上覆水释放氮、磷营养元素的情况；并且与总氮浓度趋势相似的是, 上游河流的TP浓度整体高于岩口水库, 岩口水库也处于“磷汇”的状态.
岩口水库整体流域各季节的高锰酸盐指数平均值均未超过6 mg·L-1, 并且2021年冬季至2022年春季, 高锰酸盐指数相比其他时间有所降低, 反映出整体流域较好的水质状况[图 2（j）]. 本研究期间, 岩口水库表层的水体透明度未低于100 cm（图 3）, 且秋、冬季的透明度普遍高于春、夏季, 这主要是因为降水减少从而降低了汇入水库的泥沙量, 并且水体中藻类含量也随着秋、冬季水温降低而减少, 使得透明度增加, 水体更清澈.
2.2 岩口水库流域水体营养状态评价在之前的研究中, 作者采用了单因子法评价岩口水库流域水体的营养化状态[34, 35]. 彼时研究采用国内外普遍接受的水体发生富营养化的阈值, 即ρ（TN）超过0.2 mg·L-1和ρ（TP）超过0.02 mg·L-1. 基于上述阈值, 岩口水库及上游河流在本研究期间几乎都处于富营养化状态[图 2（h）和图 2（i）]. 但是单因子评价法具有比较明显的局限性, 即不能反映综合因素对水体状态的影响[32], 因此本研究中, 在全面监测水质指标的基础上, 采用综合营养状态指数法以更全面地评价岩口水库及上游河流的营养状态.
由评价结果可知, 研究期间部分时间段即2020年7月、2021年3~4月、2021年6月以及2021年9月（即2020年夏季、2021年春、夏、秋季）, 岩口水库5号和6号采样点的表层水体处于轻度富营养化的状态[图 4（a）], 其余时间段各采样点的表层水体处于中营养状态. 相比而言, 研究期间岩口水库的中层[图 4（b）]和深层水体[图 4（c）]大部分处于中营养, 少部分时间处于寡营养状态. 岩口水库表层水体相比中层和深层水体更频繁地参与到氮、磷营养物质的循环反应中, 并且水库5号和6号采样点位于上游河流的入库区域, 基于前面水质分析结果, 岩口水库处于“氮汇”和“磷汇”的状态, 各因素综合影响下使得该区域的水体富营养化程度更严重.
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图 4 岩口水库及上游河流营养化状态评价 Fig. 4 Evaluation of nutrient state of Yankou Reservoir and upstream river |
前期研究结果显示, 岩口水库上游河流大部分时间（2013~2018年）处于轻度至重度富营养化的状态[20, 21], 但本研究期间, 岩口水库上游河流均处于中营养或寡营养状态[图 4（d）], 这进一步证明了义乌市当地部门对上游水体治理修复的成效明显.
2.3 岩口水库水环境容量变化规律将相应的模型参数及取值代入计算公式, 得到岩口水库2020~2022年期间主要水质指标（高锰酸盐指数、TN和TP）逐月的水环境容量. 研究期间部分时间段, 由于岩口水库的汇入水量小于蒸发量, 导致水量降低, 相应的TN和TP水环境容量为负值, 为了避免误解, 负值的水环境容量调整为零, 如图 5所示.
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图 5 岩口水库水环境容量计算 Fig. 5 Monthly dynamics of water environmental capacity of Yankou Reservoir |
整体而言, 岩口水库的高锰酸盐指数、TN和TP的水环境容量范围分别为19.08~36.79、0~2.8和0~0.23 t·月-1. 由数据可看出, 水库对高锰酸盐指数尚有一定容量, 但对TN和TP的容量较低, 特别是在汇入水量低或为负值的情况下. 岩口水库对上述水质指标的水环境容量还表现出较明显的季节变化规律, 即春、夏季环境容量逐渐升高, 秋、冬季则逐渐降低, 特别是在冬季, 水库对TN和TP的环境容量极低, 这主要是因为水库冬季的汇入水量减少, 并且冬季低温降低了水生微生物群落对氮、磷营养元素的循环和代谢[36 ~ 38].
2.4 岩口水库富营养化防治措施建议在前期研究中, 作者根据岩口水库的主要水质指标及水体营养化程度分析结果, 提出了“先控外源污染输入, 再治内源污染积累”的理念[39 ~ 41]. 经过近几年的治理, 上游的斯何溪、金傅翟溪、溪华溪和黄山溪的水质得到了较明显的改善, 营养化程度也有明显降低. 与之相对的, 岩口水库水体则呈现出营养化程度加深的趋势, 基于本研究结果, 岩口水库水体的防治成为未来几年的工作重点. 具体建议如下.
（1）继续从源头控制污染物的输入, 包括控制上游农村污水排放, 完善岩口水库流域集镇污水、垃圾处理设施, 制定相应的监管措施, 引导村民形成良好的用、排水习惯.
（2）构建水库周边生态防护带和上游河流的生态沟渠系统, 提高伴库生态系统对地表径流的截留、吸收转化作用, 削减入库的污染物总量.
（3）基于本研究结果, 分季节针对性地调整岩口水库水量使用, 优化岩口水库的水量调度方案, 研究提升岩口水库自我调控和循环能力, 降低内源污染负荷.
（4）加强环境监测, 进一步研究岩口水库水环境、水质变化规律, 及时监测富营养化及污染状况, 防治突发性水污染事件.
3 结论（1）2020年5月至2022年3月期间, 岩口水库及上游河流的水质指标如DO、Chl-a、TN和TP呈现出较明显的季节性变化规律；夏季岩口水库表层、中层和深层水体水质指标之间有显著差异, 而其他季节不同深度水体之间无显著差异.
（2）整体而言, 岩口水库流域的主要污染物指标相比之前得到较明显改善, 但部分时间段的氮、磷浓度依然超过了水库规划管理的地表Ⅲ类水标准, 并且参考岩口水库对高锰酸盐指数、TN和TP的水环境容量分析结果, 氮、磷仍然是岩口水库流域水体的管理重点.
（3）综合营养状态指数法显示, 岩口水库上游河流的富营养化程度得到了较明显的改善, 处于中营养甚至是寡营养状态；而岩口水库表层水体在春、夏季出现了轻度富营养化的状态.
（4）未来岩口水库地区水体污染和富营养化防治的工作, 应在继续保持上游河流防治的基础上, 偏向岩口水库的生态治理, 并分季节针对性地调整岩口水库水量, 进行合理调蓄与调配.
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