摘要：根據(jù)貴州省某水庫富營養(yǎng)化特征，采用外源氮磷污染物控制（入庫河流污染+面源污染）、庫區(qū)內(nèi)氮磷污染物削減、水華應急處置與藻類群落結構調控、水華預警體系平臺建設等思路，建設某水庫水質提升工程，以期達到改善水體水質減緩水體富營養(yǎng)化趨勢目的。工程實施后，將充分發(fā)揮水土保持、防洪和環(huán)境保護等綜合效益，改善水質和生態(tài)環(huán)境，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。同時，需要加強后期運維管理，發(fā)揮工程持續(xù)的功能作用。

關鍵詞：水庫；富營養(yǎng)化；水質提升；水華預警預測

中圖分類號：TV67 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）08-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.012

Planning and Design of Water Quality Improvement and Water Bloom Early Warning and Prediction Engineering for a Reservoir

ZHANG Huajun， ZHANG Wenlei

（School of Tourism and Resource Environment， Qiannan Normal University for Nationalities， Duyun 558000， China）

Abstract： According to the eutrophication characteristics of a reservoir in Guizhou Province， the water quality improvement project of a reservoir is constructed by adopting the ideas of controlling exogenous nitrogen and phosphorus pollutants （pollution of incoming rivers + surface pollution）， reducing nitrogen and phosphorus pollutants in the reservoir area， emergency disposal of water flora and regulating the structure of the algal community， and the construction of platform for the early-warning system of water flora， in order to achieve the purpose of improving the quality of the water and slowing down the trend of eutrophication of the water body. After the implementation of the project， it will give full play to the comprehensive benefits of soil and water conservation， flood control and environmental protection， improve water quality and ecological environment， and promote regional economic development. At the same time， it is necessary to strengthen the later operation and maintenance management， and give full play to the continuous functional role of the project.

Keywords： reservoir; eutrophication; water quality improvement; forecast and early warning of bloom

喀斯特地貌的地質特征多樣，天然湖泊少，多為人為修建的河道型深水水庫，匯入大量來自喀斯特入庫河流的營養(yǎng)鹽等，且光照和水溫等變化規(guī)律獨特，導致有機質和營養(yǎng)鹽循環(huán)不同于淺水水體，其富營養(yǎng)化進程規(guī)律極具當?shù)靥攸c[1]。目前，水庫富營養(yǎng)化逐年加劇，已成為水環(huán)境保護棘手問題之一[2]。水庫持續(xù)接納過量營養(yǎng)物質，結合合適的水文水動力等條件易發(fā)生水華，導致水生態(tài)系統(tǒng)退化，對水庫供水安全造成威脅[3]。

《貴州省水污染防治行動計劃工作方案》（以下簡稱方案）中主要任務明確提到“到2020年，貴州省水環(huán)境局部污染嚴重水體基本消除；八大水系的主要河流水質優(yōu)良比90%以上；縣城以上集中式飲用水源水質優(yōu)良比例保持100%”。為積極推進《方案》和貴州省“十四五”規(guī)劃，積極籌劃水環(huán)境保護相關重大項目實施，需要開展貴州省喀斯特高原地區(qū)水庫水質提升與水華預警預測工程。

1 項目概況

1.1 水庫簡介

項目水庫是一座以城市防洪為主兼有城市供水的綜合性水利工程，水庫流域面積為100 km2，設計日供水能力為10萬m3/d，壩高最大值為39.1 m，總庫容為2 960萬m3，其中防洪庫容為1 280萬m3，水庫正常蓄水位為872 m，相應庫容為1 520萬m3，死庫容為125萬m3，設計洪水位為877 m。項目水庫服務人口約30萬人，實際日均供水量為8萬m3。

1.2 水庫水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀

2019年8月至2022年8月數(shù)據(jù)表明：該水庫水溫平均為22.36 ℃，水溫在每年7—8月出現(xiàn)較高值，較有利藻類生長繁殖；2019—2022年，水庫總氮逐年提高，年平均值為0.825 mg/L，最大值高達1.500 mg/L，表明該水庫總氮背景值向較高方向發(fā)展，只要總磷稍有增加，就易引起水華；總磷的平均值為0.020 mg/L，長期處于Ⅱ～Ⅲ類，總磷年平均值雖有下降，但其大多月份的高值處于一個利于藻類生長的區(qū)間，易引起水華；葉綠素a含量范圍在1.3～15.2 μg/L，研究認為葉綠素a含量處于10.0 μg/L時，湖庫水體常定義為藻類水華[4]，該水庫藻類某些時期現(xiàn)存量值較高，表明其某些時段處于富營養(yǎng)化狀態(tài)；該水庫pH和溶氧超標，尤其是2021年7月，pH值大于9.00，最大值達到9.26，溶解氧最高可達13.86 mg/L，表明該水庫在適合季節(jié)存在藻類生物量增加現(xiàn)象[5]。

1.3 污染源分析

現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)該水庫周邊居住大量農(nóng)戶，污水排放、農(nóng)業(yè)種植等給水庫水環(huán)境帶來了風險。該水庫保護區(qū)存在主要問題：第一，一級、二級及準保護區(qū)內(nèi)存在大量自然村寨，并開展傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植活動，缺乏基本的面源污染治理措施，農(nóng)業(yè)氮磷污染物可直接隨降雨進入水源地，成為氮磷污染的主要來源；第二，水庫離城區(qū)較近，庫區(qū)游玩人員較多，對水體造成一定污染；第三，入庫河流生態(tài)系統(tǒng)脆弱，水生態(tài)系統(tǒng)受到威脅；第四，該水庫年均入庫水量明顯降低，水位顯著下降，甲藻水華和藍藻水華頻發(fā)；第五，水源地水質持續(xù)退化，缺乏必要的長效污染惡化防治措施與水華應急防范防控工程；第六，該市環(huán)境監(jiān)測中心已具備109項水質全分析監(jiān)測能力，但水華預警預測監(jiān)測能力較弱，流域水環(huán)境監(jiān)測體系尚不完善，綜合管理能力急需提升。

1.3.1 庫區(qū)工業(yè)廢水和農(nóng)村生活污水狀況

該水庫庫區(qū)與入庫河流匯水范圍內(nèi)沒有排放廢水的工業(yè)企業(yè)。為減輕該水庫污染，修建了污水處理廠，生活污水經(jīng)處理后流入該水庫。現(xiàn)庫區(qū)農(nóng)村污水大多是用于農(nóng)灌，多余部分存在外排現(xiàn)象，還有一部分村莊的生活污水以明渠或明溝的形式排放，溝渠堵塞導致污水橫流，嚴重影響水環(huán)境。目前，政府對水源二級保護區(qū)范圍內(nèi)居民生活污水開展收集與處理，健全完善污水處理體系，因此設計中居民生活污水處理暫不考慮。

1.3.2 農(nóng)業(yè)面源污染狀況

水庫所在的鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主，總計水田面積為549.33 hm2，旱地面積為590 hm2。糧食產(chǎn)量為4 654 t，油料作物種植面積為230 hm2，產(chǎn)量為606 t；蔬菜種植面積為360 hm2，產(chǎn)量為7 659 t。較大的糧食產(chǎn)出必然大量投入農(nóng)作物氮、磷肥，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的營養(yǎng)物質、有機或無機污染物通過地表徑流和滲漏形成水污染。

核算農(nóng)田徑流污染物排放量：標準農(nóng)田每667 m2化肥施用量為25～35kg/a，降水量在400～800 mm。

化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，CODCr）是徑流污染物中較為重要的指數(shù)。標準農(nóng)田每667 m2源強系數(shù)為10 kgCODCr/a，氨氮2 kg/a。對于其他農(nóng)田對應的源強系數(shù)需要進行修正。一是農(nóng)田類型修正。旱地修正系數(shù)為1.0，水田修正系數(shù)為1.5，其他修正系數(shù)為0.7。二是土壤類型修正。按質地分類農(nóng)田土壤，即根據(jù)土壤成分中的黏土和砂土比例進行分類，分為砂土、壤土和黏土，以壤土為1.0，砂土修正系數(shù)為1.0～0.8，黏土修正系數(shù)為0.8～0.6。三是化肥施用量修正。每667 m2化肥施用量在25 kg以下，修正系數(shù)取0.8～1.0；每667 m2化肥施用量在25～35 kg，修正系數(shù)取1.0～1.2；每667 m2化肥施用量在35 kg以上，修正系數(shù)取1.2～1.5。四是降水量修正。年降雨量在400 mm以下地區(qū)取流失系數(shù)為0.6～1.0；年降雨量在400～800 mm地區(qū)取流失系數(shù)為1.0～1.2；年降雨量在800 mm以上地區(qū)取流失系數(shù)為1.2～1.5[6]。核算后，該水庫保護區(qū)內(nèi)CODCr產(chǎn)生量為215.15 t/a，氨氮產(chǎn)生量為43.03 t/a。需要針對性凈化這部分污染，以降低該水庫污染負荷和富營養(yǎng)化風險。

1.3.3 水庫入庫河流輸入

該水庫有兩條入庫河流，入庫河流接納流域范圍內(nèi)的各類污染，2022年和2023年每個季度的河流斷面水質監(jiān)測結果表明：水體總磷在0.03～0.15 mg/L，氨氮在0.096～0.936 mg/L，化學需要量在4～6 mg/L，高錳酸鉀指數(shù)在0.7～2.4 mg/L，主要水質指標都達到地表水Ⅱ類水標準，個別指標在個別時間為Ⅲ類水，但2023年水質要差于2022年。由此表明，入庫河流水質有降低趨勢，隨著入庫河流污染負荷的增加給水庫富營養(yǎng)化帶來加劇風險。

2 某水庫水質提升工程治理規(guī)劃

2.1 總體思路

本設計緊扣該水庫特點，某水庫水質提升工程治理規(guī)劃總體思路包括外源氮磷污染物控制（入庫河流污染+面源污染）、庫區(qū)內(nèi)氮磷污染物削減、水華應急處置與藻類群落結構調控、水華預警體系平臺建設。同時，本設計綜合考慮項目區(qū)特殊性，遵循布局上的空間控制、工程上的剛柔結合、維護上的持續(xù)發(fā)展及功能的多角度體現(xiàn)等原則。

首先，以控制該水庫氮磷外源污染為根本措施，對于該水庫保護區(qū)內(nèi)村莊和農(nóng)田產(chǎn)生的氮磷污染，開展氮磷污染降解生態(tài)工程。通過工程和管理措施，能夠有效減少周邊村莊和農(nóng)田的氮磷污染物入庫量，從而降低水體富營養(yǎng)化程度和控制水華發(fā)生。

其次，以水庫水質的物理-生態(tài)綜合治理為重點措施。通過物理-生態(tài)集成技術，有效降低水中氮磷濃度，調控藻類群落結構，通過水體生態(tài)系統(tǒng)結構的恢復與完善，形成更穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，讓系統(tǒng)自我調節(jié)與發(fā)展，提升抗外界污染的能力，遏制水體富營養(yǎng)化趨勢和控制藻類水華發(fā)生。

最后，采取水華應急處置與水華預警措施，有效控制水華發(fā)生。水環(huán)境監(jiān)測與預警體系平臺建設，滿足水質考核、水質預警等監(jiān)測大數(shù)據(jù)應用，實時掌握入庫河流及庫區(qū)真實有效的水質、水文、氣象等數(shù)據(jù)，提升水庫水質水華監(jiān)控和預測預警能力，保障區(qū)域水環(huán)境生態(tài)安全。對于水華嚴重的區(qū)域，開展應急處置，采用生態(tài)高效地措施和手段，精準、高效地調控藻類群落結構，從而控制水華。

2.2 主要具體措施

2.2.1 外源氮磷污染物的控制工程

河流流域內(nèi)主要的面源污染有農(nóng)田、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村徑流和分散生活污水等[7]。河流流域內(nèi)點源污染得到較好控制，但面源污染未得到有效治理，河流水質也很難滿足水庫水質要求[8]。根據(jù)入庫面源徑流污染特點，在水庫集水區(qū)內(nèi)因地制宜采用溝塘攔截、濕地凈化、緩沖帶削減等治理技術，完成面源徑流“產(chǎn)生-排放-入水”全過程中氮磷污染物的削減，減少入庫面源污染負荷[9-10]。一方面，在農(nóng)田退水區(qū)域建設生態(tài)溝渠進行氮磷污染物的末端截留[11]，并通過農(nóng)田附近消落帶的植被恢復作用降解地表徑流到該水庫的農(nóng)田污水，同時兼顧景觀工程。另一方面，消減入庫河流氮磷污染量，由于水庫支流開放性特征，支流水體富營養(yǎng)化程度對庫區(qū)的水環(huán)境質量和生態(tài)安全構成威脅。河流污染物最終會匯入水庫，僅削減入河面源污染量尚不能完全滿足入庫水質要求，還需開展河流末端入庫水質提升工程，進一步削減入庫污染物負荷和提升自凈能力，以應對水質突發(fā)事件，確保入庫水質良好。生態(tài)河道工程不僅能夠進一步降低入庫河流氮、磷負荷總量，還能夠提高入庫河流生物多樣性[12]。通過貴州省高原河流水生植物調查和篩選研究，獲得常見水生植物，利用植物的吸收和攔截作用，以及生物助凝、吸附、周叢生物（包括微生物）降解等機制凈化污水。

2.2.2 庫區(qū)內(nèi)氮磷污染物的削減工程

水庫水體其物理環(huán)境與淺水水體區(qū)別較大，在充分了解水庫特性基礎上對其采用合理治理方法才會取得較好的治理效果。水庫水較深，常常出現(xiàn)水體熱分層現(xiàn)象，水體熱分層產(chǎn)生底部厭氧區(qū)，加速沉積物營養(yǎng)鹽釋放，帶來一定隱患。在有效控制外源后，水庫水質的主要污染將是底泥釋放。

本項目的內(nèi)源污染控制主要在該水庫入庫河口處開展，該水庫存在入庫水流量少、水庫水年交換量低、集水面積寬、水體滯留時間長、水庫老齡化、沉積物負荷重等問題，且該水庫蓄水形狀較為特殊，主要入庫河流匯集大量來自上游河流輸入的營養(yǎng)鹽和顆粒物在次區(qū)域沉積很難向下游湖區(qū)遷移；而下游的湖區(qū)由于接收來自上游湖區(qū)的水量少，流速慢，且下游湖區(qū)的周邊村莊人為活動導致的地表徑流污水排放等，也加重了下游庫區(qū)的營養(yǎng)鹽負荷。為此，在控制外源營養(yǎng)鹽輸入的同時，需要控制庫區(qū)內(nèi)源污染對控制該水庫富營養(yǎng)化水平。

2.2.3 水華應急處置與藻類群落結構調控

針對該水庫庫區(qū)污染特點，本工程中擬采取控制水庫庫區(qū)水華的方法主要如下。第一，根據(jù)水庫供水量合理調控水庫水力滯留時間，增加水庫水體交換通量。第二，通過紅壤鎖磷劑等控制內(nèi)源營養(yǎng)鹽濃度，尤其控制水體擴散能力受限制且水淺的庫灣區(qū)域沉積物中營養(yǎng)鹽釋放，該區(qū)域充足的營養(yǎng)鹽有低擾動性，易引發(fā)該區(qū)域水華。并對河口淤積交嚴重區(qū)域進行適當清淤，淤泥可就近放置于淺水濕地以恢復水生植物用。第三，對于水華嚴重時啟動應急控藻措施，主要包括人工打撈和噴灑濃度合適的過氧化氫等，起到快速控制水華爆發(fā)的作用，水華結束后再結合沉積物清淤加噴灑紅壤鎖磷劑，降低內(nèi)源營養(yǎng)鹽負荷水平，從而長效控制水華發(fā)生。第四，通過水庫生物群落結構的調整，增加肉食性和濾食性魚類的數(shù)量，間接增加浮游動物生物量降低藻類生物量。第五，通過在大水面庫灣處布置生態(tài)浮島和生態(tài)網(wǎng)膜，掛養(yǎng)水生底棲動物，利用植物、動物、微生物系統(tǒng)作用凈化水體營養(yǎng)物，使水質得到提升。生物操縱調節(jié)水庫生物群落結構如圖1所示。

2.2.4 水華預警體系平臺建設工程

水庫存在水華難以準確識別與快速預警等難題。水華暴發(fā)是水體多種因素交互作用的結果，在淡水湖庫中豐富的營養(yǎng)和長時間溫暖氣候及相對平靜的水力條件會導致藍藻在短時間（4 d左右）內(nèi)上浮聚集，形成水華。目前，國內(nèi)外對有害藻水華發(fā)生進行預測的方法主要基于透明度、溶解氧、葉綠素a、電導率、藻藍蛋白等關鍵因子或多種理化因子綜合評價的經(jīng)驗指標因子臨界值預警法[13]；或運用多元逐步回歸方法并篩選水體溫度等15項環(huán)境理化因子和葉綠素a進行初步線性回歸分析的確定性生態(tài)數(shù)學模型。藍藻水華預警是國際生態(tài)學的一大難題，目前暫無確切的方法提前對其做出完全準確預警，這給水源地管理帶來了挑戰(zhàn)，特別是大面積的水體。通過該水庫水環(huán)境監(jiān)測與預警體系平臺建設，對營養(yǎng)鹽在內(nèi)的污染物濃度實施高頻監(jiān)測，因此建設浮臺遠程水生態(tài)在線監(jiān)控系統(tǒng)將提高水華預測水平。該平臺滿足水質考核、水質預警等監(jiān)測大數(shù)據(jù)應用，實時掌握入庫河流及庫區(qū)真實有效的水質、水文、氣象等數(shù)據(jù)，提升該水庫水質水華的監(jiān)控和預測預警能力，保障區(qū)域水環(huán)境生態(tài)安全。

湖庫水生態(tài)監(jiān)測參數(shù)的選擇應考慮監(jiān)測目的和監(jiān)測斷面的類型，并參考《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002），《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2022），《國家水資源監(jiān)控能力建設項目地表水飲用水水源地水生態(tài)在線監(jiān)測技術指南》等指導文件，對于湖庫型監(jiān)測斷面，其必測參數(shù)為常規(guī)水生態(tài)5個參數(shù)（水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮參數(shù)，以及對湖庫富營養(yǎng)化有重要指示作用的總氮、總磷，共計9項。如經(jīng)費允許，水源地有已知特殊污染物監(jiān)測要求的，可加測葉綠素、藍綠藻、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、總氮、總磷等參數(shù)，還有水華預警其他關鍵因素如氣象因子（風速風向、湖流、溫濕度、氣壓等）。

3 結論

貴州某水庫水質提升與水華預警預測工程實施后，可有效改善該水庫生態(tài)環(huán)境，提高區(qū)域保水能力，有效保障該水庫的整體水質。本生態(tài)工程具有重大經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，基于綜合評價角度分析，本工程建設具有可行性。工程實施后，發(fā)揮水土保持水、防洪和環(huán)境保護等綜合效益，改善水質和生態(tài)環(huán)境，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。但后期運維管理也很重要，良好的管理方能發(fā)揮持續(xù)的功能作用，如每月對前置水庫與前置壩濕地系統(tǒng)、生態(tài)浮床系統(tǒng)內(nèi)雜草、病蟲害及植物殘體進行整理；根據(jù)藻類生長情況調控水庫藻類等。

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