南水北調(diào)來(lái)水對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)及水生生物的影響

曹鯤鵬，劉 巖，李亞楠

(1.北京市智慧水務(wù)發(fā)展研究院，北京 100036；2.北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101512)

0 引言

南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)調(diào)蓄工程于2013年9月開(kāi)工建設(shè), 起點(diǎn)為團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池，通過(guò)京密引水渠反向引水，經(jīng)6級(jí)泵站提升輸水至懷柔水庫(kù)，經(jīng)雁棲泵站加壓后，由京密引水渠輸至白河電站下游調(diào)節(jié)池，再由溪翁莊泵站加壓后將來(lái)水送入密云水庫(kù)。輸水線路總長(zhǎng)約103 km，總揚(yáng)程132.85 m[1]。2015年9月11日，南水北調(diào)水正式進(jìn)入密云水庫(kù)，至2020年9月南水停止向密云水庫(kù)反向引水，南水北調(diào)來(lái)水共進(jìn)入密云水庫(kù)5.16億 m3。源水區(qū)丹江口水庫(kù)水與密云水庫(kù)水進(jìn)行水質(zhì)匯兌，由于兩種水源水質(zhì)化學(xué)特征存在差異，而且隨著南水不斷入庫(kù)，密云水庫(kù)水位逐漸抬升,消落帶面積增大,匯兌之后，密云水庫(kù)水生態(tài)存在重構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。因此，南水入庫(kù)后，進(jìn)行匯水區(qū)及整個(gè)庫(kù)區(qū)的水質(zhì)、水生態(tài)調(diào)查監(jiān)測(cè)，明確水庫(kù)水環(huán)境變化，對(duì)指導(dǎo)密云水庫(kù)水質(zhì)安全管理調(diào)度具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集方案

按照SL219-2013《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》[2]采樣點(diǎn)布設(shè)原則，密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示，為白河主壩、庫(kù)西、套里、恒河、庫(kù)東、金溝、水九進(jìn)口與潮河主壩，2015年9月南水北調(diào)水入庫(kù)后增設(shè)節(jié)制閘采樣點(diǎn)。水生植物監(jiān)測(cè)斷面為大關(guān)橋、辛莊橋、石匣村、燕落村。

1.2 水質(zhì)分析方法

每月用有機(jī)玻璃采樣器對(duì)庫(kù)區(qū)8站點(diǎn)表中底層進(jìn)行樣品采集(金溝只采集表層樣品)，低溫保存并在48 h內(nèi)進(jìn)行分析檢測(cè)。樣品采集過(guò)程有嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

溶解氧的分析方法為電化學(xué)探頭法HJ506-2009；總氮的測(cè)定為堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法 HJ 636-2012；氨氮的測(cè)定為納氏試劑比色法HJ535-2009；總磷的測(cè)定為鉬酸銨分光光度法GB11893-1989；高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定為GB11892-1989。樣品檢測(cè)分析過(guò)程有嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

1.3 藻類分析方法

浮游藻類定性標(biāo)本用浮游生物網(wǎng)采集，在表層至0.5 m深處以20～30 cm/s的速度作∞形巡回緩慢拖動(dòng)約1～3 min，把樣品放入塑料瓶中，進(jìn)行浮游藻類定性分析。定量標(biāo)本用有機(jī)玻璃采樣器取上、中、下三層混合水樣，取1L作為定量樣品，立即加入15 ml魯哥氏液固定，水樣直接靜置沉淀 24～ 36 h后，用虹吸管抽掉上清液，余下 20～25 ml 沉淀物轉(zhuǎn)入 30 ml定量瓶中，進(jìn)行浮游藻類定量分析。

浮游藻類的定量與定性分析參照《淡水微型生物圖譜》、《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》及《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程SL733-2016》[3]完成。

1.4 水生植物調(diào)查方法

水生植物調(diào)查參照《水生生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范DB11/T 1721-2020》[4]完成。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，采用Excel 2013、Origin、ArcGIS軟件作圖。

2 結(jié)果評(píng)價(jià)

2.1 節(jié)制閘水質(zhì)

2015-2020年，節(jié)制閘總氮值一直低于密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)，基本符合地表水III類標(biāo)準(zhǔn)。總磷值除在2018年低于庫(kù)區(qū)外，其余年份均較庫(kù)區(qū)總磷值偏高，符合地表水II類標(biāo)準(zhǔn)。2017-2018年高錳酸鹽指數(shù)低于庫(kù)區(qū)，其余年份高于庫(kù)區(qū)，符合地表水II類標(biāo)準(zhǔn)。氨氮含量與庫(kù)區(qū)相當(dāng)，符合地表水II類標(biāo)準(zhǔn)[5](見(jiàn)圖2)。

2.2 南水入庫(kù)對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)的影響

南水入庫(kù)之前，潮河和白河是密云水庫(kù)兩大主要入庫(kù)河流；南水北調(diào)水入庫(kù)之后，南水水源通過(guò)京密引水渠進(jìn)入水庫(kù)成為第三大入庫(kù)水渠。2015年8月底庫(kù)區(qū)水位133.3 m,蓄水量8.50億 m3,水面面積74.09 km2。2020年12月底庫(kù)區(qū)水位148.3 m,蓄水量24.74億 m3,水面面積139.81 km2。截止到2020年底南水入庫(kù)后庫(kù)區(qū)歷史最高水位是149.7 m,對(duì)應(yīng)的蓄水量為26.8億 m3,水面面積146.07 km2。2019年9月-2020年底南水共計(jì)向密云水庫(kù)調(diào)蓄5.36億 m3。

2.2.1 時(shí)間變化

分析2015-2020年庫(kù)區(qū)各監(jiān)測(cè)斷面重要水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)間變化趨勢(shì)，可以看出：

pH值在7.2～8.9之間波動(dòng)，有效的數(shù)據(jù)范圍為7.7～8.8 mg/L，每年的中位數(shù)在8.4～8.5 mg/L。2015年箱體最短，全年pH值變化幅度最小，穩(wěn)定性最好；2020年箱體最長(zhǎng)，全年pH值變化幅度最大，穩(wěn)定性最差。2015-2020年pH值變化幅度不大。

溶解氧在6.2～15.4 mg/L之間波動(dòng)，有效的數(shù)據(jù)范圍為6.2～14.0 mg/L，2019年溶解氧>14.0 mg/L的為異常值，每年的中位數(shù)在8.1～9.5 mg/L。2016年箱體最短，全年溶解氧變化幅度最小，穩(wěn)定性最好；2018年箱體最長(zhǎng)，全年溶解氧變化幅度最大，穩(wěn)定性最差。2015-2018年溶解氧含量呈逐年上升趨勢(shì)，2018年之后有輕微的下降趨勢(shì)[6]。

高錳酸鹽指數(shù)有效的數(shù)據(jù)范圍為6.2～14.0 mg/L，每年的中位數(shù)在2.4～3.4 mg/L。2020年箱體最短，全年高錳酸鹽指數(shù)變化幅度最小，穩(wěn)定性最好；2016年箱體最長(zhǎng)，全年高錳酸鹽指數(shù)變化幅度最大，穩(wěn)定性最差。2015-2016年高錳酸鹽指數(shù)含量呈逐年上升趨勢(shì)，2016年之后呈下降趨勢(shì)。

氨氮有效的數(shù)據(jù)范圍為0.025～0.22 mg/L，每年的中位數(shù)在0.1～0.2 mg/L。2019年箱體最短，全年氨氮變化幅度最小，穩(wěn)定性最好；2016、2018年箱體最長(zhǎng)，全年氨氮變化幅度最大，穩(wěn)定性最差。2015-2018年氨氮含量呈逐年上升趨勢(shì)，2018年之后有輕微的下降趨勢(shì)。

總氮有效的數(shù)據(jù)范圍為0.4～2.5 mg/L，每年的中位數(shù)在0.5～1.5 mg/L。2019年箱體最短，全年總氮變化幅度最小，穩(wěn)定性最好；2018年箱體最長(zhǎng)，全年總氮變化幅度最大，穩(wěn)定性最差。2015-2020年總氮含量呈逐年上升趨勢(shì)。

高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷在南水入庫(kù)后均呈先升高再下降的趨勢(shì)。高錳酸鹽指數(shù)在2.7～3.1 mg/L之間波動(dòng)，2015-2016年上升明顯，2016-2019年相對(duì)比較平穩(wěn)，2019-2020年逐漸下降。氨氮在0.1～0.2 mg/L之間波動(dòng)，上升趨勢(shì)持續(xù)到2018年，之后呈下降趨勢(shì)?？偟?.6～1.6 mg/L之間波動(dòng)，上升趨勢(shì)持續(xù)到2019年，之后呈下降趨勢(shì)。分析可能原因：密云水庫(kù)調(diào)蓄工程是利用原有京密引水渠，又新建9級(jí)加壓泵站和22 km輸水管道，輸水線路總長(zhǎng)約103 km，輸水里程很長(zhǎng)，且長(zhǎng)期積水，又有工程建設(shè)，從而南水入庫(kù)初期氮含量上升，之后南水不斷匯入密云水庫(kù)，同時(shí)上游河流來(lái)水量增多，庫(kù)區(qū)水位從2015年的133 m上升至2019年的149 m，庫(kù)區(qū)水面面積由74.09 km2增加到146.07 km2，出現(xiàn)了大面積的新淹沒(méi)區(qū)，其中包括農(nóng)田、林地，含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致了庫(kù)區(qū)氮元素含量的持續(xù)上升，2019年之后庫(kù)水位保持在146 m以上，消落帶2 m左右，庫(kù)區(qū)蓄水量較大，且變化幅度較小，水體自凈能力較強(qiáng)，淹沒(méi)區(qū)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽向水體的轉(zhuǎn)移減少，導(dǎo)致了庫(kù)區(qū)氮元素含量的下降[9]。

總體來(lái)說(shuō)，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(除總氮外)年均值均符合地表水II類標(biāo)準(zhǔn)，總氮均>III類。見(jiàn)圖3[10]。

2.2.2 空間變化

分析2015-2020年各監(jiān)測(cè)斷面重要水質(zhì)指標(biāo)的空間變化趨勢(shì)，可以看出：

各監(jiān)測(cè)斷面pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷均為汛期最高，非汛期最低；金溝汛期氨氮偏高，非汛期偏低；各監(jiān)測(cè)斷面總氮非汛期最高，汛期最低。

pH、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷含量變化趨勢(shì)相近，表現(xiàn)為庫(kù)東、金溝淺水區(qū)域較高，其余深水區(qū)域較高；溶解氧變化趨勢(shì)相反，淺水區(qū)域偏低，深水區(qū)域偏高；總氮含量庫(kù)西、套里最高，白河主壩次之，其余斷面最低且含量接近。見(jiàn)圖4。

2.3 南水入庫(kù)后密云水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)

2015-2020年密云水庫(kù)各監(jiān)測(cè)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)值在 36～43之間，均為中營(yíng)養(yǎng)水平，富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)呈逐年改善趨勢(shì)。其中2015-2019年庫(kù)東、金溝兩斷面評(píng)分高于其他斷面，表明庫(kù)東、金溝淺水區(qū)域發(fā)生水華的概率大于深水區(qū)域，2020年庫(kù)區(qū)各斷面評(píng)分值趨于一致。

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：葉綠素 a 、透明度、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)。庫(kù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)分中總氮貢獻(xiàn)率最高，其次是高錳酸鹽指數(shù)，總磷貢獻(xiàn)率偏低，表明總磷是密云水庫(kù)水華發(fā)生的限制性營(yíng)養(yǎng)因子。

圖4 2015-2020年庫(kù)區(qū)斷面各指標(biāo)空間變化趨勢(shì)

圖5 南水入庫(kù)后密云水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)

2.4 南水入庫(kù)對(duì)密云水庫(kù)浮游藻類的影響

密云水庫(kù)共記錄浮游植物7門(mén)，168種，其中綠藻門(mén)物種最為豐富，共72種，硅藻門(mén)46，藍(lán)藻門(mén)21種，金藻門(mén)、甲藻門(mén)、隱藻門(mén)、祼藻門(mén)等種類較少；浮游植物種數(shù)秋季(9-11月)最高、夏季(6-8月)次之，春季(3-5月)、冬季(12-次年2月)最低。其藻細(xì)胞密度季節(jié)變化顯著，春季、夏初硅藻細(xì)胞密度高，綠藻次之；夏季、秋季綠藻、藍(lán)藻細(xì)胞密度逐漸升高；2015-2018年冬季硅藻、綠藻細(xì)胞密度高，從2019年開(kāi)始冬季因偽魚(yú)腥藻的爆發(fā)使得藍(lán)藻細(xì)胞密度偏高，硅藻、綠藻次之(見(jiàn)圖6)。

南水入庫(kù)后，密云水庫(kù)浮游植物種類數(shù)量有所減少，優(yōu)勢(shì)藻種構(gòu)成季節(jié)變化顯著。南水入庫(kù)前優(yōu)勢(shì)種春季優(yōu)勢(shì)為硅藻-金藻，夏季藍(lán)藻，秋季藍(lán)藻-綠藻，冬季硅藻；南水入庫(kù)之后，優(yōu)勢(shì)種春季硅藻，夏、秋季藍(lán)藻-綠藻，冬季藍(lán)藻-硅藻，其中冬季藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)種主要是南水入庫(kù)后喜涼的偽魚(yú)腥藻數(shù)量較多，在白河主壩區(qū)域更顯著，潮河主壩次之(見(jiàn)圖6)。

圖6 密云水庫(kù)2015-2019年藻類浮游植物密度

2.5 南入庫(kù)對(duì)密云水庫(kù)大型水生植物的影響

南水入庫(kù)之前，一年中的4-6月以菹草為優(yōu)勢(shì)種，輔以輪葉黑藻、小茨藻，7-9月以狐尾藻為優(yōu)勢(shì)種，馬來(lái)眼子菜和金魚(yú)草為輔，10-12月，結(jié)冰之前，以篦齒眼子菜為優(yōu)勢(shì)種，輔以狐尾藻。

2015年9月，南水北調(diào)來(lái)水匯入密云水庫(kù)，同時(shí)，上游河流來(lái)水量增多，庫(kù)區(qū)水位從134 m上升至2019年的149 m，出現(xiàn)了大面積的新淹沒(méi)區(qū)。庫(kù)區(qū)岸邊帶的沉水植物、挺水植物以及陸生草本植物全部被淹沒(méi)致死。2020年8月和10月，分中心對(duì)潮河入庫(kù)口(辛莊橋)、白河入庫(kù)口(大關(guān)橋)、庫(kù)北岸邊帶(石匣村、燕落村、董各莊村)進(jìn)行了水生植物調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)潮河入庫(kù)口和白河入庫(kù)口存在大量的水生植物，庫(kù)北岸邊帶有狐尾藻、大茨藻零星分布。預(yù)計(jì)庫(kù)岸帶水生植物的大面積恢復(fù)還需要多年時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)南水入庫(kù)調(diào)水初期，密云水庫(kù)各水質(zhì)指標(biāo)(除pH外)均有所升高；pH呈先下降再升高的趨勢(shì)，最低達(dá)8.2，到2020年恢復(fù)到南水入庫(kù)前水平。

(2)各監(jiān)測(cè)斷面pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷均為汛期最高，非汛期最低；金溝汛期氨氮偏高，非汛期偏低；各監(jiān)測(cè)斷面總氮非汛期最高，汛期最低。pH、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷含量變化趨勢(shì)相近，表現(xiàn)為庫(kù)東、金溝淺水區(qū)域較高，其余深水區(qū)域較高；溶解氧變化趨勢(shì)相反，淺水區(qū)域偏低，深水區(qū)域偏高；總氮含量庫(kù)西、套里最高，白河主壩次之，其余斷面最低且含量接近。

(3) 2015-2020年密云水庫(kù)各監(jiān)測(cè)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)值在 36～33之間，均為中營(yíng)養(yǎng)水平，富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)呈逐年改善趨勢(shì)。庫(kù)東、金溝淺水區(qū)域發(fā)生水華的概率大于深水區(qū)域。

(4)浮游植物種數(shù)秋季(9-11月)最高、夏季(6-8月)次之，春季(3-5月)、冬季(12-次年2月)最低，其藻細(xì)胞密度季節(jié)變化顯著。南水入庫(kù)后，密云水庫(kù)浮游植物種類數(shù)量有所減少，優(yōu)勢(shì)藻種構(gòu)成季節(jié)變化顯著。

(5)南水入庫(kù)后，庫(kù)區(qū)岸邊帶的沉水植物、挺水植物以及陸生草本植物全部被淹沒(méi)致死，目前發(fā)現(xiàn)潮河入庫(kù)口和白河入庫(kù)口存在大量的水生植物，庫(kù)北岸邊帶有狐尾藻、大茨藻零星分布。預(yù)計(jì)庫(kù)岸帶水生植物的大面積恢復(fù)還需要多年時(shí)間。