霍岳飞, 王尚义

1.太原旅游职业学院，山西 太原 030006；2.山西大学黄土高原研究所，山西 太原 030006

1 研究背景

水环境质量研究是水域综合体研究中的一个重要方面，通过定性和定量分析为区域水域环境治理提供帮助.水环境质量评价始于本世纪初，60年代以后，在我国水环境质量得到了广泛的应用和发展[1].目前对水环境进行评价的方法众多，每一种方法都有其优缺点、适应性.在汾河水库被列为饮用水源保护区，为太原市、晋中和吕梁工农业生产做出了巨大贡献[2].至汾河水库运营50年以来，尤其是最近十几年，随着汾河流域工业的发展，政策、环保措施的滞后，极有可能会对汾河水库水质造成进一步的污染.因此，研究汾河水库水环境质量显得极其重要.本文从流域水环境质量、富营养化和水生态系统三个方面对汾河水库水环境质量进行了定量分析，指出了汾河水库水环境中存在的问题并提出了改善的意见和建议.

2 研究区概况

汾河水库位于山西省最大的河流——汾河干流上游娄烦县境内，是山西省的第一座大型水库，控制流域面积5 268 km2，总库容77 300万m3，是太原市最大的城市生活用水供水水源，主要以省城太原城市与工业供水、防洪、灌溉为主，兼顾发电等综合利用的大型水利枢纽工程，汾河水库在保障太原市的经济、社会和生态的可持续发展和社会稳定方面起着至关重要的作用[2].

汾河流域范围广，主要涵盖了宁武县和静乐县部分地区，岚县和娄烦县的全部辖区县域范围，流域控制面积5 268 km2，涧河、岚河和汾河干流是三条主要支流.汾河流域属于大陆性半干旱季风气候条件，四季分明，春季多风干燥，夏季多雨炎热，秋季天气凉爽，冬季少雪严寒，矿产资源丰富[3,4].

3 数据和研究方法

3.1 数据来源

(1)2002 a～2011 a汾河水库库体、水库出库口、汾河干流入库口水质监测数据；(2)2015 a～2017 a的汾河的水生态系统水生生物监测数据；(3)2010 a～2012 a引黄水达标情况统计数据；(3)太原市环保局2017年汾河水库污染源普查更新和综合营养监测数据.

3.2 水质监测

研究组2014年对涧河上游主要支流进行了水质补充监测，监测点位于涧河、岚河和汾河三条主要支流，提取了2014 a～2106 a三条入库支流的水质监测数据.

3.3 评价标准和方法

(1)汾河水库水质标准执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，取水口执行Ⅱ类标准.(2)采用综合营养状态指数法对汾河水库进行富营养化综合评价，评价体系包括贫营养、中营养、富营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养六级指标[5～8].

4 结果与分析

4.1 流域水环境质量

4.1.1 汾河水库库区水质分析

汾河水库水质标准执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，取水口执行Ⅱ类标准[7].利用太原市环境监测中心站2002 a～2011 a对汾河水库库体、水库出库口、汾河干流入库口水质监测数据，分析汾河水库库体和主要入库河流总氮与COD浓度历年变化过程(图1).由图1可知：(1)汾河水库总氮为主要超标污染物，超标率90 %，超标倍数在12 %～100 %之间，同时，汾河水库库体和出库口总氮变化规律与汾河和涧河两条入库河流入库口具有一致性规律，这表明入库河流水质是造成水库水质总氮超标的重要原因之一；(2)水库库体及出库口个别年份COD不能稳定达到Ⅲ类标准，超标率20 %，超标倍数介于10 %～20 %之间.汾河和涧河入库口COD超标情况较为严重，超标率分别为30 %和40 %，超标倍数分别位于20 %～25 %和10 %～40 %.

图1 汾河水库库区水质总氮和COD浓度变化趋势
Fig.1 Variation Trend of total nitrogen and COD concentration in Fenhe Reservoir Area

4.1.2 上游入库河流水质分析

根据研究组2014年设置涧河、岚河和汾河干流三条主要入库河流水质监测点数据，选取2016年具有代表性年度监测数据(图2).由图2可知，三条主要入库河流水质均较差，达不到地表水环境Ⅲ类标准.分析监测数据可知：(1)汾河干流主要超标污染物为总磷、氨氮、总氮、BOD和粪大肠菌群5项，水质是Ⅴ类水质；其中，总氮超标明显，超标倍数在2倍～3倍之间，超标率100 %；总磷超标倍数高达1倍～6倍，超标率87.5 %.(2)岚河水质监测数据中的8项指标中有7项指标均达不到Ⅲ类标准，水质是劣Ⅴ类；其中，总氮、BOD、粪大肠菌群3项指标超标率100 %，总氮超标在2倍～5倍之间，总磷超标高达2倍～4倍.(3)涧河水质超标污染物为总氮、总磷、COD、BOD和粪大肠菌群，水质是Ⅴ类；其中，总氮、粪大肠菌群超标率100 %，总氮超标高达2倍～6倍.

图2 2016年汾河水库上游入库河流水质分析
Fig.2 The water quality analysis of the upstream river of Fenhe Reservoir in 2106

4.1.3 引黄水水质情况

根据黄委会2010 a～2012 a引黄水达标情况统计数据分析(图3)，引黄水不能稳定达到地表水环境Ⅲ类标准，超标污染物主要为氨氮和总氮.

引黄工程自2003年通水后，汾河水库一直不能稳定达到城市供水水质Ⅲ类标准的要求.万家寨水库的水质由于受到水库上游黄河干流沿岸污染排污的影响，水质为Ⅳ 类～Ⅴ 类，即使通过长距离的输送，到头马营也不能稳定达到Ⅲ类水质，而汾河本身的水质多数情况下又处于Ⅳ 类～Ⅴ 类，甚至劣Ⅴ 类，基本无稀释净化作用，因此，在人工引水不能稳定达Ⅲ类、汾河干流本身也受到污染的情况下，水质不能稳定达标，影响太原市400万居民的饮水安全问题.引黄水南干线一期工程设计年向太原供水3.2×108m3，目前，每年供水量不到1×108m3，如万家寨水库水质得不到根本改善，并最终实现设计年引黄水量6.4×108m3后，将对汾河水库的水质产生更加严重的影响.

图3 引黄水质超标情况汇总
Fig.3 The summary of water quality exceeding
standard in Yellow River

4.1.4 富营养化程度

应用综合营养状态指数法，采用0～100的一系列连续数字对汾河水库进行富营养化评价[9～10].根据监测结果，2017年全年汾河水库综合营养状态指数介于31.5～33.6之间.研究组同步对汾河水库叶绿素和透明度指标进行监测，测算综合营养状态指数(TLI)介于31.1～38.6，水库的营养状态为中营养.

4.1.5 水生生态系统

根据山西省水产科学研究所2015 a～2017a的汾河的水生态系统水生生物监测数据，汾河的水生态系统主要包括浮游生物、底栖动物、大型水生植物资源以及鱼类资源.汾河浮游植物共有7门24属(种).浮游植物生物总量介于2.05 mg/L～3.83 mg/L之间，低值和高值分别在汾河源头和库区下静游段.浮游动物在0.001 mg/L～0.005 mg/L之间变动，共检出原生动物5属(种)、轮虫9属(种)，原生动物主要为钟虫和急游虫，轮虫主要有无柄虫、多肢轮虫和异尾轮虫.

4.2 污染负荷分析

根据太原市环保局2017年污染源普查更新数据，对流域内COD和氨氮排放污染源分析发现(图4)，结合研究组实地调研，来自生活源和农业源的COD分别占全流域的65.41 %和31.92 %，氨氮的排放分别占全流域的82.92 %和16.80 %；比较明显的是工业源COD和氨氮排放很少，分别仅占2.67 %和0.28 %.

进一步分析污染源区域分布分析：排放COD最多的主要来自静乐县的生活源和农业源，分别占该县COD排放的45.94 %和49.69 %，其次是来自岚县生活源排放的COD，占该县COD排放的78.30 %.

图4 流域主要污染物分析
Fig.4 The analysis of major pollutants in Fenhe Basin

对汾河水库涧河、岚河和汾河干流三条主要支流的入库河流污染物分析，汾河干流接纳的污染物量最高，COD占54 %，氨氮占34 %；其次是岚河接纳的污染物，COD占33 %，氨氮占36 %；涧河接纳的污染物量较少，COD为13 %，氨氮为30 %.

5 结论与讨论

根据以上对汾河水库水环境质量分析，库区主要存在的问题是：(1)岚河汇入汾河处总氮、氨氮、化学需氧量、总磷超标，涧河入库口总氮、总磷超标；汾河干流与支流涧河径流进入汾河水库，经水库自净作用，水库出口断面仅符合Ⅲ类水质标准要求，特征指标总氮不能满足Ⅱ类水质标准要求.(2)城镇生活污水、工业废水及农业面源污染导致水质不达标.汾河流域干流沿线到东寨桥后，由于东寨桥未经处理的生活污水直接排入干流，同时由于矿山开采，农业面源污水汇入，水体遭到恶化，水质突降到Ⅳ类，使得经过头马营断面水质得到一段净化后仍为Ⅳ类；由于受到内蒙古自治区以上工业生活以及面源污染影响，引黄水水质不能稳定达到Ⅲ类水质要求，因此经过化北屯断面加入引黄水后，汾河干流水质仍未Ⅳ类；流经静乐县城后，汾河干流汇入了东碾河，由于区域产业结构单一、布局不合理，东碾河沿岸矿区废水、县城生活污水的排入，使得原本水质较差的汾河干流水质进一步恶化，虽然进入娄烦境内后水质得到净化，但总氮仍达不到Ⅴ类水质标准要求，入库水质严重超标.(3)入库河流岚河上游岚县生活污水处理厂仅收集处理县城60 %的生活污水，仍有40 %的生活污水尚未纳入污水厂，目前污水厂出水水质仅达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级B要求，水质劣于地表水环境质量标准Ⅴ类水质要求.污水厂处理后的生活污水以及未处理的生活污水排放，导致岚河进入娄烦境内水体水质达不到地表水Ⅲ类水质标准要求，入库口化学需氧量、总氮、总磷超标.(4)入库河流涧河上游水质较好，但下游娄烦县城生活污染源的排放，加之县城生活污水厂处理后达到一级A的废水排放，导致水体达不到地表水Ⅲ类水质标准要求，入库口总氮、总磷超标.

针对目前汾河水库的水环境质量现状研究，笔者认为应采取以下措施改善汾河水库水环境质量：(1)污染源治理措施.流域内四县加大污水处理厂提标改造工作，加大污水管网建设力度，提高污水收集率.(2)河道治理措施.针对主要入库河流涧河、岚河存在河道设防标准低，河道两岸泥沙冲刷严重，河道垃圾成堆、淤积严重造成行洪能力不畅等问题，开展了河道疏浚、提防加固、生态护坡、拦污沉砂等河道整治工程，保证河道行洪畅通，确保了安全度汛，减少水质污染，保护了省城水源地[11].(3)生态环境保护措施.汾河水库管理局作为汾河水库直接管理部门，近年来对汾河水库的水质保护、水源涵养、环库及管理区建设等方面采取了一系列措施，取得了较好的效果.