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水 利 学 报
JOURNAT  OF   HYDRAULIC  ENGINEERING
1998年 第7期

目录

密云水库富营养化分析与预测

陈永灿　张宝旭　李玉梁
(清华大学水利水电工程系)

摘　要　密云水库是北京市重要饮水水源，本文对密云水库目前富营养化状况进行了分析.根据密云水库自身的特点，建立了密云水库总磷完全混合系统水质模型.根据1985年至1995年实测资料确定了总磷的表观沉降速度S.在各种不同污染负荷条件下，由建立的水质模型对密云水库2005年水质富营养状况进行了预测.
关键词　密云水库，完全混合系统模型，富营养化.

　　密云水库位于北京的东北方向，是一个山谷型和半封闭型的水库，全库最大蓄水量43.75亿m3，相应水面面积188km2，最大水深43.5m.密云水库是北京市的主要饮水水源，密云水库水质的好坏直接关系到北京市人民生活和健康.
　　富营养化是由于营养物质在水体中积蓄过多，造成水体从生产力低的贫营养状态逐步向生产力高的富营养状态过度的一种现象.富营养化严重的水库既会恶化水源感官性状，增加饮用水处理成本，又会引起水体短时间缺氧，造成鱼类窒息死亡.湖泊型水库水质富营养化，实质上是受到有机污染的结果，它将影响水库资源的合理利用，故水库的富营养化问题已成为国内外广泛关注的环境问题.针对不同的湖泊或水库，文献［1］、［2］、［3］等多位学者进行过研究，并取得相应的成果.
　　密云水库是多年调节水库，每年水体有进有出，但大部分水体交换缓慢，处于相对停滞.因此，营养状况的监测并利用有效的方法进行评价与预测，是十分必要的.根据密云水库管理处对水库水质的观测，表1为自有总磷观测资料以来库区6个站浓度的历年平均值和多年平均值.从表1可以看出，用多年平均浓度对密云水库营养状况进行分析，密云水库处于中营养状况.

表1　密云水库库区TP平均浓度
年 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 多年平均
TP/(mg/l) 0.019 0.018 0.016 0.029 0.005 0.015 0.015 0.022 0.096 0.026
　　本文将利用完全混合模型［4］对密云水库的总磷浓度进行预则，进而对密云水库的富营养化状况进行分析.完全混合系统模型假定水库是一个完全混合的反应器，库内各种污染物浓度一致.这种模型虽然结构简单，但实用性强，实践证明效果良好.密云水库作为多年调节水库，水库污染物质排入该水域后，在库流和风浪的作用下，容易均匀混合，从实测资料分析，水库中各处的水质浓度差别不大，可以用完全混合系统模型来进行计算.

1　密云水库总磷完全混合模型
1.1　密云水库总磷预测模型　图1所示，(忽略了地下水的输入物质和降水的输入物质的情况下)密云水库中总磷的进出关系，其平衡方程为：
　　　　　　　　12.gif (3001 bytes)　　　　　　　　　(1)


式中：V是水库中水的体积；Cin是进流中总磷的浓度；Cout是各出流中总磷的浓度；对完全混合系统Cout=C；A是水库的水面面积；S是总磷的表现沉降速度；Qin、Qout分别是进、出流的流量.
13-1.gif (3420 bytes)
　　　图1　密云水库总磷进出关系

　　令13-2.gif (1534 bytes)为磷的负荷函数(对于密云水库，进库污染物主要为从白河大关桥及潮河辛庄桥进入的污染物)，θ=13-3.gif (1549 bytes)为磷的停留时间.
　　则式(1)变为
　　　　　　　　　　　　dC/dt=I-C/θ,　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　令t=0时，C=C0，得：
　　　　　　　　　　13-4.gif (2193 bytes)　　　　　　　　　　　　　(3)
　　这样，一旦确定总磷的负荷函数I、停留时间θ及初始浓度C0，由式(3)即可算出总磷浓度随时间的变化.
1.2　总磷表观沉降速度S　为了预测总磷的浓度，首先要确定密云水库总磷的表观沉降系数S，相对于年平均浓度来说，可把水库中物质质量守恒按稳态情况处理，即认为13-5.gif (1643 bytes)。改写式(1)可得：
　　　　　　　　　　13-6.gif (2969 bytes)　　　　　　　　　　(4)

2　总磷TP浓度的预测与富营养化分析
2.1　总磷表现沉降速度S的计算　根据1987年以来密云水库管理处的观测结果，由各进、出库站逐月的流量及浓度可计算出TP的输入量和输出量，再由年平均蓄水面积及库区TP的平均浓度，根据式(4)可算出S值.表1为历年的库区平均浓度、水库表面积、总磷的进、出库负荷，负荷函数、停留时间和表现沉降速度.

表1　密云水库总磷表现沉降速度计算表
年 库区平均

浓度/(mg/l)

 水库表面积
/(106m2)		 白河入库
总磷/(kg)		 潮河入库
总磷/(kg)		 潮白河入库
总磷/(kg)		 出库总磷
/(kg)		 磷负荷函数
/(mg/m3*a)		 停留时间
θ/(a)		 磷沉降速度
S/(m/a)
1987 0.019 104.0

34088

6917

41005

　　0

28.10

0.578

20.75
1988 0.018 119.0 14408 29838 44246 7465 24.57 0.733 17.17
1989 0.016 121.3 4381 3901 8284 10916 4.40 5.296 -1.36
1990 0.029 121.1 16484 13970 30454 8942 16.35 1.392 6.13
1991 0.005 139.5 4347 5829 10176 3028 4.23 1.290 10.25
1992 0.015 146.7 13021 480311 493332 25095 188.29 0.082 212.79
1993 0.015 144.1 14977 6164 21141 0 8.28 1.274 9.79
1994 0.022 147.5 44146 58151 102298 9209 38.60 0.542 28.69
1995 0.096 155.3 16187 11676 27863 88275 9.38 10.236 -4.05
9年平均 0.026 133.2 18004 68529 86533 16992 35.80 0.628 22.60
　　由表1可知总磷的表现沉降速度的变化范围在-4.05至212.79m/a之间.正值意味着总磷通过各种因素向水库底部沉积，负值意味着总磷从水库底部向水体释放.释放可能是因为入库洪水较大冲刷库底引起，也可能是因为水库蓄水量增加，新增淹没土地中含磷物质较多，受水浸泡后释放出来.入库磷负荷观测的精度如何对S值有很大的影响.特别是在汛期，入库洪水中污染物质的浓度变化很大，若无污染物质浓度随时间变化的观测资料，很难准确确定污染负荷量的大小.由于密云水库只有一月一次的水质观测资料，其值具有较大的随机性，特别是在洪水期间.因此表1所求得的S值，各年变化较大，本文采用经多年平均后从统计意义上反映密云水库的总体情况的沉降速度值S=22.6m/a，来预测TP浓度的变化.
2.2　不同总磷负荷下富营养化状况预测　设今后库容、出水量、总磷的表现沉降速度及停留时间等都等于1987年以来密云水库的多年平均值，即A=133.2×106km2，Qout=5.66×108m3/a，S=22.6m/a，θ=0.628a.
　　本文在设定的几种典型负荷下对密云水库的营养状况进行预测.共考虑以下几种情况：
　　(1)总磷负荷函数维持1987年以来的多年平均水平，即I=35.8(mg/m3.a)；
　　此种工况即保证密云水库2005年前每年的负荷情况都维持1987年以来的多年平均水平.
　　(2)总磷负荷函数比多年平均值增加30%，即I=46.5(mg/m3.a)；
　　为了保证密云水库2005年营养水平仍为中营养，即CE=Iθ=0.029mg/l＜0.030mg/l，可得I=46.5(mg/m3.a).此种工况即保证密云水库2005年前每年的负荷情况都维持1987年以来多年平均的130%水平.
　　(3)总磷负荷函数比多年平均值增加40%，即I=50.1(mg/m3.a)；
　　当CE=Iθ=0.031mg/l＞0.030mg/l，密云水库2005年营养水平将为中富营养，可得I=50.1(mg/m3.a).此种工况即保证密云水库2005年前每年的负荷情况都维持1987年以来多年平均的140%水平.
　　(4)总磷负荷函数比多年平均值增加345%.即I=161.1(mg/m3.a);
　　当CE=Iθ=0.101mg/l＞0.1mg/l时，密云水库2005年营养水平将为富营养，可得I=161.1(mg/m3.a).此种工况即保证密云水库2005年前每年的负荷情况都维持1987年以来多年平均的445%水平.
　　(5)总磷负荷函数在2000年以前在多年平均值的基础上每年递增10%；
　　此种工况即保证密云水库2000年前每年的负荷情况都比前一年的负荷增加10%.2000年～2005年负荷函数保持2000年的负荷函数.
　　(6)总磷负荷函数在2000年以前在多年平均值的基础上每年递增35%；
　　此种工况即保证密云水库2000年前每年的负荷情况都比前一年的负荷增加35%.2000年～2005年负荷函数保持2000年的负荷函数.

14-1.gif (8481 bytes)
图2　不同负荷下库区TP浓度随时间变化情况预测

　　根据上述不同的负荷函数，以多年平均浓度值为初始值，由式3可算出以上各种负荷下密云水库库区TP浓度随时间的变化.图2为计算得出TP浓度随时间的变化.表2为计算得出的一些典型值.由图可以看出，若密云水库TP负荷维持前9年的平均值，到2005年库区TP浓度为0.022mg/l，水库保持中营养状况；若以后各年密云水库TP负荷比前9年的平均值增加30%，到2005年库区TP浓度为0.029mg/l，水库仍可保持中营养状况；若密云水库TP负荷以后各年比前9年的平均值增加40%，到2005年库区TP浓度为0.031mg/l，水库将变为中富营养状况；若密云水库TP负荷以后各年比前9年的平均值增加345%，库区总磷浓度增长很快，到2005年库区TP浓度为0.100mg/l，水库将变为富营养状况.对另一种加载情况进行分析：密云水库TP负荷以后各年在多年平均值的基础上，每年递增10%至2000年，2000年～2005年负荷函数保持2000年的负荷函数，则到2005年库区TP浓度为0.036mg/l，水库将变为中富营养状况；若密云水库TP负荷以后各年在多年平均值的基础上，每年递增35%至2000年，2000年～2005年负荷函数保持2000年的负荷函数，则至2005年库区TP浓度为0.101mg/l，水库将进入富营养状况.

表2　不同负荷下库区TP浓度的典型值及至2005年的水质状况
工况

负荷条件

 负荷函数
(mg/m3.a)		 平衡浓度 2005年时的
浓度(mg/l)		 2005年时
营养状况
1 维持多年平均值

35.8

0.022

0.022

 中营养
2 比多年平均值增加30% 46.5 0.029 0.029 中营养
3 比多年平均值增加40% 50.1 0.031 0.031 中富营养
4 比多年平均值增加345% 159.3 0.100 0.100 富营养
5 在多年平均值基础上，每年递增10%至2000年 57.66 0.036 0.036 中富营养
6 在多年平均值基础上，每年递增35%至2000年 160.5 0.100 0.100 富营养
3　结　语
　　通过对密云水库目前富营养化状况进行分析，可以看出目前水质已达中度营养状态.根据密云水库的特点，利用1985年至1995年实测资料确定了总磷的表观沉降速度S.在各种不同污染负荷条件下，由建立的水质模型对密云水库2005年水质富营养状况进行的预测表明，密云水库是北京市重要饮水水源，必须控制库区污染负荷的增长，以保持库区良好的水质.

参考文献

1　Chapra S C.Total phosphorus model of the great lakes.J.Env.Div.,ASCE,April.1977.
2　沈晋，沈冰，李怀恩，李长兴，周孝德著.环境水文学.合肥：安徽科学技术出版社，1992.
3　马斯特斯.G.M著.环境科学技术导论.程俊仁译.北京：科学出版社，1982.
4　李玉梁.水环境中污染物扩散输移原理与水质模型.北京：中国环境科学出版社，1989.