黄银春，梁时军，陈兰英

(1.南充市环境工程评估中心，四川 南充 637002；2 南充市环境监测中心站，四川 南充 637002； 3.西华师范大学生命科学学院，四川 南充 637000)

升钟水库位于四川南充北部地区的西河干流上，是以灌溉为主，兼有防洪、发电、航运、养殖、旅游等综合效益的大型骨干水利工程。升钟水库总库容13.39亿m3，其中有效库容6.72亿m3，防洪库容2.71亿m3，灌区总耕地面积296万亩，设计灌溉面积211.74万亩[1]。升钟水库是西南地区最大的人工蓄水灌溉工程，作为饮用水源地和工农业灌溉等方面发挥着重要的作用。随着泥沙淤积及大量污染物排入湖内等因素，升钟水库已面临诸多水环境问题，特别是水体富营养化成为严威胁库区水资源和水安全的最重要的社会和环境问题之一[2]。南充市地表水利用率低于全国20%的平均水平，实际利用效益在2008年只达到设计能力的70%，尽管嘉陵江水量较为丰富，水体的自净能力较强，但是多年的水质监测结果表明，嘉陵江南充段在不同时期会受到不同程度的污染[3]。本文以升钟水库作为研究对象，以近十年的水质监测数据，在综合营养指数历史变化趋势评价为基础，分析升钟水库水质演变趋势和富营养化状态，讨论升钟水库营养化程度的关键因素，采用线性回归模型和累积概率密度模型对升钟水库富营养化未来5年的发展趋势进行风险预测，为有效控制和科学管理湖泊水体污染提供科学依据。

1 监测概况

1.1 监测断面分布

根据库区的地理形状，从上游到下游，共布设4个采样点，包括大坝(果园场)、李家坝、铁鞭电站、铁炉寺(图1)。铁炉寺主要反映水库入库水质的基本情况，李家坝、铁鞭电站断面主要反映升钟水库库区整体水质状况，大坝(果园场)断面为该水库的出库断面，主要反映水库水质在出库前的基本状况。

图1 南充市升钟水库监测断面分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in Shengzhong Reservoir

1.2 样品采集与测试方法

每个断面均进行3种类型水质指标的测定：(1)物理水质指标：透明度(Sd);(2)化学水质指标高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)；(3)水生态指标：叶绿素a(Chla)。透明度采用塞氏盘法，其余项目参数具体分析办法及详细步骤参照国家相关标准方法和2002年《水和废水监测分析方法(第四版)》(增补版)进行，叶绿素a采用丙酮浸提法测定[4-5]。

2 评价方法

2.1 富营养化评价

水库营养状态评价采用卡尔森综合营养状态指数法[6-7]，评价指标有叶绿素a(Chla)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)和透明度(Sd)，采用加权平均处理，水库加权综合营养状态指数为：

TLI(∑)为综合营养状态指数，Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重，TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。水库营养状态分级包括：贫营养、中营养、富营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养，与污染程度关系如表1[8]。

表1 水质类别与评分值对应表Tab.1 Water quality categories and rating values corresponding

2.2 水质污染情况趋势分析

目前，对水库等淡水的富营养化预测方法较多，常用的预测方法有回归分析法、神经网络模型、决策树方法、支持向量机模型等[9～11]。回归分析是在相关分析的基础上建立的预测模型被广泛应用于水质评价与预测、大气污染预测、海洋悬浮泥沙等环境预测领域[12～14]。该方法的预测是基于大量环境监测数据，在经济社会稳步发展的情况下能够有效预测富营养化的变化趋势，为环境风险管理提供定量依据。

本研究的富营养风险评估和预测基于以下科学假设：综合营养指数围绕期望值波动，并且其波动满足正态分布。首先，基于升钟水库2006～2016年4个断面的数据(数据来源于南充市环境监测中心站)，利用一元线性回归分析法对综合营养指数期望值进行预测，模型见式： TLI = aYear + b，式中：Year值为年份；TLI值为综合营养指数，a和b 值利用最小二乘法确定。其次，利用累积概率密度模型对富营养化风险进行预测[15]。第i年的综合营养指数TLIi围绕期望值TLIi波动，并且其波动满足正态分布，即：TLI～N( a Year + b，θ)。

3 结果与分析

3.1 水质变化趋势

3.1.1 季节变化

升钟水库4个监测断面的水温各个年份均呈季节性的变化规律(图2)，高锰酸盐指数(CODMn)、5日生化耗氧量(BOD5)和透明度(Sd)随着年份的增加有上升的趋势；TN、TP、氨氮(NH3-N)和叶绿素a的变化规律随着年份的增加具有下降的趋势。CODMn从季节上看夏秋两季显著高于冬春两季，2016年和2017年夏季最高值在3.5～3.9mg/L的范围，总体上春夏高，冬季较低(图2A)。TP为2011年夏季最高，2012～2013年各个季节的变化较为平缓，呈缓慢下降的趋势，2014年各个季节有小幅上升，2015年的秋季季出现最低值，随后TP值小幅上升(图2B)。氨氮(NH3-N)总体上随着年份的增加呈下降的趋势，2011～2014年中夏季最高，冬季最低；2011年冬季出现最高值，到2015年夏季后缓慢上升(图2C)。5日生化耗氧量(BOD5)的变化趋势呈上升的趋势，但各个年份的季节变化规律不一致(图2D)。Chla的含量在2011年夏季到2014年夏季呈下降趋势，变化幅度较大，2011年夏季最高值16～18 μg/L的范围，其中，在2012年的春季有小幅上升，2015年后叶绿素a有回升的趋势(图2E)。透明度(Sd)随着年份的变化，透明度呈上升的趋势，其中2011年透明度最低，不足2m，其余年份为秋、冬季节较高，透明度最高的年份为2016年秋季和2017年秋季(图2F)。TN在2011年夏季节有高峰值的出现，总体上随着年份的增加呈下降的趋势(图2G)，各个监测站点的变化不显著。

图2 富营养化评价指标2011～2017年月测值变化趋势Fig.2 Changes of eutrophication evaluation indicators in Shengzhong reservoir from 2011 to 2017

表2 升钟水库各监测项目的季节对比Tab.2 Seasonal comparison of monitoring projects in Shengzhong Reservoir

续表2

项目春夏秋冬Chla7.97±0.14a7.89±0.07a6.29±0.05b5.49±0.08cCODMn1.81±0.03b2.21±0.04a1.76±0.02bc1.66±0.04cBOD510.03±0.03c15.75±0.02a12.22±0.03b11.08±0.07c

注：不同小写字母表示不同季节差异显著水平(p<0.05或p<0.01)。

3.1.2 空间变化

在对4个监测断面的逐月的月均值进行空间异质性分析，结果表明，各个监测指标空间无显著差异(表3)，这说明升钟水库水质大体呈现稳定的状态，无空间异质性。

表3 升钟水库监测断面水质监测指标对比Tab.3 Water quality monitoring indicators of the monitoring section of Shengzhong reservoir

注：不同小写字母表示不同监测点间的差异显著水平(p<0.05或p<0.01)。

3.2 升钟水库营养状况及富营养化限制因子

3.2.1 综合营养指数变化

一直以来富营养化是造成内陆水库水体污染最主要的方式。水体富营养化指水体中氮磷等营养性物质含量过多而藻类及其他好氧性水生生物过度繁殖，造成水质恶化的现象。氮磷元素是水体富营养化的主要控制因子[16]，而人类生产活动向水体中排放过量的氮磷元素，农田化肥，渔业养殖以及人蓄粪便是氮磷元素的主要来源。对四个监测断面2006～2016年的TLI(∑)的变化趋势见图3。

图3 升钟水库综合营养状态年份变化Fig.3 Annual changes of comprehensive nutrition status of Shengzhong reservoir

铁炉寺断面为入库断面，在2010年显著上升，2011年后呈下降趋势，2013年呈下降趋势，李家坝断面及铁鞭电站断面为库中区，处于中营养状态，有一定概率出现富营养化，大坝断面为出库断面，2006～2016年综合营养状态指数呈比较平稳的趋势。整体上看，4个断面的水质2006年、2008年在50以上，属于富营养状态；2006～2009年TLI(∑)均在40以上，2010年后 TLI(∑)基本保持在35左右，属于中营养状态。

3.2.2 水质监测指标相关性分析

3.2.3 升钟水库富营养化的限制因子

表4 升钟水库水质监测指标相关性分析Tab.4 Correlation analysis of water quality monitoring indicators in Shengzhong Reservoir

注：*表示p<0.05，**表示p<0.01。

图4 升钟水库年份综合营养指数和监测指标的线性关系(A)，2006～2016年叶绿素a与氮磷比变化趋势(B)Fig.4 The linear relationship between the comprehensive nutrition index and monitoring index of Shengzhong Reservoir (A), the trend of chlorophyll a and nitrogen-phosphorus ratio in 2006～2016 (B)

3.3 升钟水库富营养化状态的未来变化趋势

在水库10年来综合营养状态指数变化趋势评价的基础上，首先对4个断面的综合营养指数数据进行正态检验，4个断面综合营养状态指数均为对数正态分布p> 0.05，通过对数正态分布曲线对综合营养状态指数进行拟合。然后采用回归分析法对升钟水库未来 5年(2018～2021年)的富营养化发展趋势进行风险预测，结果如表5所示。富营养化中中度风险区主要位于大坝断面，是未来发生富营养化风险最高的库区，如果不采取有效地污染控制措施，很快会发展成为富营养化高风险水体；其余的断面发生富营养化的概率较低，但如果高风险区发生富营养化现象，很有可能会牵连到其他断面。

表5 升钟水库水质4个断面富营养化风险概率Tab.5 Probability of eutrophication risk in four sections of Shengzhong Reservoir (%)

4 讨论与建议

4.1 讨论

2011～2017年间，高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷浓度均存在显著年际变化和季节变化，一般丰水期水质比枯水期水质差。综合营养状态指数表明，近年来水库营养状态逐步下降，由富营养逐步向中营养转变，水体中主要营养盐总氮、总磷、高锰酸盐指数呈显著下降趋势。众多研究结果表明水库浮游植物群落的季节变化与水体的营养盐和稳定性等密切相关[20～22]。根据升钟水库近10年的监测指标的分析结果，各水质指标有明显的季节变化，N、P是水体发生富营养化的主导因素，氮磷的增加和适宜的温度和光照再加上水库水体流动缓慢更新较慢的水环境，会导致浮游植物的生长加快，主要表现在Chla的增加[23]。张晟等人对三峡水库回水区营养状态季节变化研究表明化学耗氧量、总氮、氨氮、总磷、叶绿素a含量季节间差异较大，Chla季节分布夏季、秋季>春季>冬季，总磷、总氮与高锰酸盐指数显著正相关的研究结论一致[24]。升钟水库水质在空间上无显著的差异，这是因为在地理尺度上，水库生态系统间的差异主要是与纬度有关的变量引起的，包括太阳辐射、气温、降水、蒸发和风速等[25-26]。升钟水库属于亚热带湿润季风气候，升钟水库区内内，4个监测点在这些地理变量上差异不显著。同时，升钟水库管理局在“十二五”期间，加强库区流域的水污染防治和生态环境保护全面取缔排污口以及加强沿库景观绿化等工作，周围建立了饮用水源保护区，受库周流域内经济活动影响较小。营养状态指数表明，升钟水库2011～2015年处于中营养状态，2011年Chla的营养指数达到轻度富营养的状态，在夏季各监测指标的营养指数高于其他季节，这说明升钟水库在近10年维持较好的生态系统。

4.2 建议

2017年来，升钟水库污染治理成果得到公认，水质逐步改善并接近达标，但由于水库总氮浓度目前水平较高，具备富营养化的潜在能力，继续打好巩固治理成效的“持久战”将是今后的重点任务，故提出建议如下：

4.2.1 重视城镇生态环境保护，强化城镇污染综合治理。兴建库区集镇生活污水、生活垃圾处理设施,加快升钟水库流域相关城镇的城市污水管网改造和污水处理设施建设，彻底解决城镇污水“跑、冒、滴、漏”等问题。

4.2.2 扎实巩固污染治理成果。加大流域沿线巡查监管力度；落实“四级联动”监管体系，强化基层管理职能，逗硬兑现奖惩，重点抓好畜禽养殖污染和乡镇生活污染监管，巩固治污成效。

4.2.3 调整农业生产结构，大力发展生态农业。一是调整农作物种植结构，培养和发展无公害蔬菜基地、农业观光旅游基地等；二是加强畜禽粪便的综合利用与治理；三是大力提倡和推广秸秆综合利用，推广有机肥的使用，改善库区农田土壤质量，减少化肥使用量；四是大力开发和发展生物防治病虫害技术，大力减少农药的使用量。

4.2.4 推动“开发性污染治理”工作。重构水污染防治管理体制，以应对区域性小流域污染治理工作，由单纯的“防护性污染治理”转为“开发性污染治理”，因地制宜的发展生态农业，切实减少化肥使用和水土流失，真正实现生态环境可持续发展。

4.2.5 加强升钟水库流域水土保持，加强水源涵养区、来水汇入地和饮用水取水口、入湖河道口生态环境保护和治理,加大退耕还林、河湖疏浚的力度，提高升钟水库的自然吞吐能力，综合保护升钟水库稀释和自净能力。

5 结 论

根据对升钟水库水质污染和营养化原由分析，2006～2008年水质为Ⅳ类，受肥水养鱼、农药(化肥)过度使用等因素影响，污染严重，2008年取缔网箱养鱼后，水质显著改善，2012年后水质中总磷和高锰酸盐指数均能达到Ⅱ类水质类别要求；总氮虽然也有显著降低，但总氮仍超标。但由于总氮不作为地表水的评价指标，故升钟水库水质状况逐步变好，水质状态为Ⅱ类，达到四川省规定的水质考核目标。升钟水库总氮超标，造成水体富营养化，预防和治理富营养化应重点研究氮、磷2种元素的输入和输出，严格控制肥水养鱼，加强升钟水库的环境和生态管理[27-28]。水体中氮、磷等营养物质过多，会导致富营养化现象的发生。然而，适量的氮、磷元素又是维护水质生态平衡的必要条件。目前升钟水库已进入中营养化状态，按该水库的主要用途，水质能控制在这营养状态是比较适宜的。根据我们的研究，磷是升钟水库的限制因子，今后只要控制磷的输入就会控制着该水库富营养化的发展，从而防止水库水质进一步恶化。根据水库近10年的综合营养指数变化趋势，运用一元线性回归模型和累积概率密度模型，预测其未来5年的富营养化风险概率，预测大坝断面是富营养化风险概率最高的区域，应引起水库管理部门的高度重视，及时控制升钟水库上、中游的城镇点源和农业面源污染；同时，其他较低风险的点位也不容忽视，应加强面源污染的控制。