水库水体富营养化生态流场特性分析报告

影响湖泊、水库富营养化的因素尽管是多方面的，但是，实际上只有3个是最主要的，即营养物质供给、冷热不同的气候条件和水体深度。

3.1　水库水体富营养化对主要营养物质的影响

3.1.1　对水库水体氮类化合物的影响

水体中的氮有无机氮和有机氮两类。无机氮主要有氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和溶解氮；有机氮主要是构成蛋白质、酶、核酸等的氨基酸和酰胺等。这些含氮化合物在水中经一系列的反应（包括生物参与的反应）互相联系、互相转化，组成了氮的循环系统。

水体中氮的主要来源有两个方面：一是地表径流和农田排水携带大量的无机氮和有机含氮物质，前者包括降水中氨氮和硝酸盐氮以及无机氮肥，后者是生物残骸及分泌物和排泄物；二是水体中的某些生物的固氮作用。

水体中各种含氮物质之间的转化是通过氨化、硝化、反硝化、同化等作用和在特定的生物参与下完成的。

氨化作用（有机氨转化为氨氮）：水体中各种蛋白质化合物在好气性和嫌气性条件下，被腐生性的各种氨化细菌分解，首先产生氨。

硝化作用（氨氮转化为硝酸盐氮）：氨氮在水中不稳定，除被生物吸收同化外，其余在溶解氧充足条件下，被各种硝化细菌氧化为亚硝酸盐氮，最后转化为硝酸盐氮。

反硝化作用（硝酸盐氮转化为气态氮）：硝酸盐在厌氧条件下，逐步被各种反硝化细菌作用，还原硝酸盐氮为气态氨，使水体失去氮素。

同化作用：藻类对水中几种无机氮都能利用，在光合过程以及随后的同化过程中，逐步形成各种含氮有机物。

氮在水体中根据不同条件，以不同形态的氮存在，随条件的改变而改变。水库的来水和用水基本上是以年为周期进行调节的，外界条件因素也随其变化。采用1990～2004年氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮水库水质监测资料，对监测月份计算其平均值，分析其变化情况，分析成果如图1～图3所示。

图1　氨氮年内变化情况分析

图2　亚硝酸盐氮年内变化情况

图3　硝酸盐氮年内变化情况

从分析结果可看出，氨氮和亚硝酸盐氮变化趋势基本一致，含量随季节温度的生高而增大。因为氨氮在水中不稳定，首先向亚硝酸盐氮转化，它们在含量关系上有一定的联系。硝酸盐氮的转化与溶解氧的含量有关，还与水质好坏有关，其年内变化春季最低，秋季最高，其含量随温度升高而增加，并有明显的置后延时现象。

3.1.2　对水库水体磷的影响

水体中的各种含磷化合物主要通过有机磷矿化、无机磷同化和不溶性有机磷有效化途径进行循环。有机磷的矿化作用：有机物中的磷，在其生物降解过程中，生成无机磷和磷化物，许多细菌和真菌都参与这个矿化过程。无机磷的同化作用：水中的溶解性无机磷首先为上层水中的浮游植物所吸收，其中一部分用于本身生长的需要，大部分积累在植物细胞中以备磷源不足时使用。水生高等植物能从沉积物中大量吸收无机磷，经代谢转变为有机磷化合物。不溶性有机磷转化为可溶性磷：沉积物中不溶性磷不能为水中生产者所利用，当水中pH值向酸性转变时，可使沉积物中的磷成为可溶性的，如加入酸性物质或水中某些自养的细菌活动所生成的酸类，可使磷的溶解过程加快。

含磷有机物的转化：核酸，各种生物的细菌含有大量的核酸，它是核苷酸的多聚物。核酸在微生物核酸酶的作用下，被水解成核苷酸，又在核苷酸酶作用下分解成核苷和磷酸，核苷再经核苷酶水解成嘧啶（或嘌呤）和核糖。生成的嘌呤继续分解，经脱氮基生成氨；磷脂，卵磷酸是含胆碱的磷酸脂，它可被微生物卵磷脂酶水解为甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱，胆碱再分解为二氧化碳、有机酸和醇。

无机磷化合物的转化：可溶性的磷和沉积物中不溶性的磷之间是可以转化的，这种转化过程离不开微生物作用。微生物的生命活动产生酸类物质将不溶性的磷矿物逐渐溶解，转化为水溶性的磷酸盐。硝化作用过程中产生的硝酸、硫化作用产生的硫酸等都可使不溶性磷矿物分解。具有产酸能力的微生物都能在沉积物与水的界面上利用产酸过程来促进磷的溶化，形成可溶性的磷酸盐。(www.xing528.com)

磷的转化包含4个主要过程：①来源于生物的颗粒有机磷在微生物作用下，形成可溶性有机磷，并进一步矿质化形成正磷酸根离子；②水体和水体界面的磷酸根离子与无机离子（铁、钙、铝等）结合形成颗粒无机磷的螯合物，不能被植物利用；③颗粒无机磷在沉积层的厌氧环境中被释放形成正磷酸根离子；④沉积层的磷酸根离子被植物吸收。正磷酸根包括磷酸根、磷酸氢根和磷酸二氢根，三者相互之间可以转化，其转化和平衡受水体pH值的控制。

采用朱庄水库1991～2004年总磷监测资料，每年双月监测，全年监测6次。为计算年内变化规律，可按月份计算其平均值，求出总磷年内变化规律。总磷年内变化规律如图4所示。通过分析可以看出，朱庄水库水体总磷含量不大，年内变化情况为：从2月到8月逐渐增大，8月总磷含量最大，从8月到12月逐渐减小，水体总磷年内变化主要受温度因素影响，温度较高时，促使水体中磷的转换，温度较低时，转换速度减缓，导致总磷含量随季节呈周期性变化。

图4　朱庄水库总磷年内变化情况

3.2　温度分层与富营养化

水库的温度分层效应对水库水体溶解氧有明显的影响。在出现温度分层效应时，表层水由于复氧和光合作用两种过程都得到充分进行，因而，表层水的溶解氧通常都比较高或呈饱和状态；而水库底层的水，则因既不能与溶解氧饱和的表层水混合，阳光又难以达到，因此水生植物光合作用很微弱或者受到抑制，使得水体底层的氧供给非常困难。但是水生生物的呼吸作用和沉降累积在底泥上的有机物分解过程却仍然在进行，不停地消耗水中的溶解氧，直至耗尽出现缺氧状态，而缺氧状态又导致内源性磷进入水体，为藻类生长提供营养物质，进一步加速水质富营养化进程，以此恶性循环。如表2为朱庄水库不同深度溶解氧及相关项目监测分析结果。

表2　朱庄水库不同深度水质监测结果

通过对朱庄水库不同深度水质监测，高锰酸盐指数和亚硝酸盐氮含量表面大于底部，其他监测项目均是底部最大。分析其原因如下。

影响水体溶解氧的因素很多，主要有4个方面，复氧作用、光合作用、水生物呼吸作用和有机物的氧化分解作用。复氧作用和水生植物的光合作用是增加水体溶解氧的主要途径，而水生生物的呼吸以及有机物氧化分解，则需要消耗水中的溶解氧。因此这是水体溶解氧降低的主要原因。这4个方面任何一个因素发生变化，都将使溶解氧发生变化。

复氧过程是大气与水体表面接触时，氧气溶解于水体的动态过程。在1个大气压下，氧在水中的溶解度随着温度升高而降低。加大水与大气的接触面，有利于增加复氧量，因此流动的河水比静止的或封闭的水库更容易吸收氧。

光合作用是绿色植物在阳光照射下进行有机物合成、释放氧气的一种复杂的生物化学过程。例如藻类等，在白天有光照的情况下进行光合作用，合成自身所需要的各种有机物质，同时向水体释放氧气。在夜间不仅藻类的这种光合作用停止下来，其呼吸作用还会消耗溶解氧。所以，藻类向水体补充氧气是一个间断过程。

水生生物呼吸作用和有机物质的氧化分解过程具有连续不断地消耗水体溶解氧的特点。特别是水体中有机物质被微生物氧化分解为简单的有机物和无机物时，要消耗大量的溶解氧。氧充足时，有机物在好气性微生物作用下进行有氧分解。水中的有机物含量很高时，消耗的溶解氧也高，有时会使溶解氧耗尽而出现缺氧状态，当水体为缺氧状态时，有机物便在厌氧性细菌为主体的微生物作用下进行厌氧分解。富营养状态的水体出现缺氧状态时，对水质将带来以下后果：第一，刺激和加速底泥沉积物中氮、磷释放过程，增加水体中营养盐浓度；第二，缺氧状态下，有机物分解产物通常有甲烷、硫化氢以及氨气等，具有强烈的毒性和恶臭，这些物质将严重降低水体质量。

3.3　水量交换与富营养化

除营养物质供给、水温与水深是影响水体富营养化的重要因素外，水量交换也是不可忽视的重要因素。

在污染环境相似的情况下，水库有无水量交换将直接影响其富营养化的进程。水量交换对水体富营养化主要表现为两个方面：一是水量交换有利于营养物质的稀释和扩散、输移，能有效降低水体营养物质浓度；二是水量交换有利于水体掺气、复氧，能有效改善水域生态环境，不仅有利于绿色植物的新陈代谢，降低水体营养物质浓度，同时有利于各种有机物的生化降解，还有利于食植物性水生动物的生长繁殖，使水域生态系统形成良性循环。

朱庄水库流域面积为1220km2，每年水量交换变化幅度较大，通过水量调节，对改善水库水体质量起重要作用。如表3为1990～2004年朱庄水库水量交换率和水体中氮类化合物含量统计表。

表3　1990～2004年朱庄水库水量交换率和水体中氮类化合物含量统计表

通过对朱庄水库水量交换率和水体中氮类化合物含量对照分析，水库水量交换率较高的年份，氮类化合物含量也较高，而且水量交换率较高的年份，也是上游来水量较大的年份。由于上游降雨强度较大，暴雨洪水的产生使流域上的营养物质随地表水汇入水库，形成污染。从而导致该年份水库水体氮类化合物含量较高。由于朱庄水库流域特性，水量交换较大的年份，氮类化合物偏大而不是减小，主要是暴雨强度较大的原因。