2023, Vol. 35 
富营养化是全球湖泊水库生态系统普遍面临的问题[1]。国家生态环境部2018年监测统计结果显示，107个湖泊(水库)中贫营养占9.3%、中营养占61.7%、轻度富营养占23.4%、中度富营养占5.6% [2]。氮和磷的浓度过高是导致湖泊富营养化的重要原因[3-5]。为保证湖库水生态安全，抑制浮游植物的暴发，需控制水体氮磷养分。随着人类活动加剧，总氮(TN)和总磷(TP)的输入增加，Terrer[6]指出半个世纪以来，大气氮沉降的增加与工业化肥的使用导致北半球土壤与水体的TN浓度普遍增加；赵晨英等[7]研究指出黄渤海周边河流携带氮通量也逐渐升高。
湖库氮磷输入随着社会经济发展不断变化，所以在长时序尺度上探究湖库TN、TP浓度变化规律十分必要。诸多研究[8-10]总结了国内外湖泊氮磷在不同历史时期的变化特征，分析了各个时段营养物的时空差异并提出了针对流域和湖泊的治理对策。朱广伟等[11]分析太湖近70年水质的时空变化，探究用地、人口增长等外源因素与沉水植物退化、蓝藻扩张等内源因素对太湖总磷浓度的影响；Smith等[12]分析了新西兰Rotorua湖实施水质修复后2001—2015年TN、TP浓度变化，量化湖泊富营养化控制的效果。研究湖库氮磷营养盐变化趋势将为控制湖库富营养化与水华暴发提供依据，除此之外相对浓度变化趋势也能提供一定参考。在我国，Tong等[13]根据2007—2018年中国46个湖泊的数据集，观察到大多数湖泊的TN/TP呈上升的趋势；Qin等[14]的研究显示2008—2018年间，中国30个湖泊中仅有13% 的湖泊TN/TP增加，而20% 的湖泊的TN/TP下降。不同学者分析湖库氮磷浓度变化趋势的着眼点不同，湖泊自然生物化学过程和人为因素亦存在区域性差异。
于桥水库作为天津市饮用水水源地，自1983年引滦入津通水后，为天津市生产生活用水提供了重要保障。许多研究已从入库营养物负荷[15-16]、水库水质[17-18]、沉积物[19-20]等方面探究了于桥水库的营养状态与藻类生长过程。目前对于桥水库水环境的相关研究，多局限于雨季、调水期或特定年份等较短时间尺度，或是聚焦水库自身，缺乏对于桥水库流域营养物的长期变化趋势分析。本文基于1990—2018年于桥水库流域监测数据，分析TN、TP的时空变化趋势，重点分析流域尺度下点面源污染削减、调水、氮磷滞留等因素对水库TN、TP浓度及TN/TP的影响，为于桥水库调控与治理、流域水环境管理提供一定参考。
1 数据来源和方法 1.1 研究区域于桥水库(40°00′~40°04′N，117°26′~117°37′E)位于天津市蓟州区城东，作为天津供水水源地，是中转滦河水的大(1)型水库。自1983年引滦入津开始至2014年，于桥水库对天津市的年均供水量为7.60亿m3，其中引滦水5.38亿m3；2014年底南水北调中线工程通水后，天津市引水结构从单一水源调整为双水源[21]，2015—2018年于桥水库的年均供水量为4.92亿m3，其中引滦水2.77亿m3，下降49%，南水北调中线向天津市供水8.31亿m3。于桥水库正常蓄水位21.16 m，相应库容为3.85亿m3、水面面积为86.8 km2，总库容15.59亿m3，控制流域面积2060 km2。于桥水库是浅水库，平均水深为4.6 m，最大水深为12.16 m。所在区域属温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量为748.5 mm，降水主要集中在6—9月，流域蒸发量为6000万m3。淋河、沙河和黎河是于桥水库的三大支流，如图 1所示，引滦水通过黎河河道调入，与沙河合流后经果河汇入水库，库内蓄水由放水洞经暗渠输水至下游。
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图 1 于桥水库流域及水文监测站 Fig.1 Yuqiao Reservoir Basin and monitoring stations |
分别在沙河、黎河与淋河3条入库河流设置水文站。1990—2018年，黎河逐日流量数据来源于前毛庄监测站，年平均径流量为6.75亿m3，包括引水量5.20亿m3；1990—2018年，沙河逐日流量数据来源于水平口监测站，年平均径流量为1.12亿m3；淋河逐日流量数据来源于龙门口监测站，年平均径流量0.16亿m3，由于其入库水量远小于黎河和沙河，且年内常处于断流状态，故淋河水量与氮磷负荷不计入本研究。果河水量为黎河与沙河水量之和，即1990—2018年入库平均水量为7.87亿m3。
1.2.2 水质数据1990—2018年逐月水质监测数据来源于水库水质监测成果年鉴。水质取样点分别位于入库支流沙河、入库河流果河，以及水库内的库心和放水洞。沙河水质取样点位于沙河桥，入库TN、TP浓度取样点位于沙河、黎河汇流后的果河桥；黎河TN、TP浓度根据沙河桥、果河桥测点数据，通过氮磷质量平衡反算得出。所有项目监测及分析方法分别按照《环境污染监测方法》和地表水环境质量标准(GB 3838—1988、GB 3838—2002)中规定的地表水环境质量标准基本项目分析方法进行。
1.2.3 数据处理沙河、黎河缺失月份的水量数据由皮尔逊III型曲线插值确定。水库内各测点TN、TP浓度均值采用1—12月的算数平均值作为年均值，入库河流TN、TP平均浓度采用水量加权平均值。在1990—2018年月数据中，水质缺失数据小于2%，缺失数据采用线性插值。年均TN/TP为TN与TP浓度的年均值之比，为质量比。
分别使用Excel 2016与SPSS 26.0进行水量水质数据的统计和相关性分析与水质主成分分析；通过ArcGIS 10.2绘制地图，使用Origin 2018绘制图表。
1.3 分析方法 1.3.1 营养负荷计算河流营养负荷为水量与其营养盐浓度的乘积，如式(1)所示：
| $ W_i=Q_i \cdot C_i $ | (1) |
式中，Qi为年径流量(m3/a); Ci为营养盐浓度年均值(mg/L)。
沙河营养负荷为沙河自产水氮磷负荷；由于黎河为引水通道，黎河营养负荷为黎河自产水氮磷负荷与引水氮磷负荷之和，在估算引水营养负荷时，取引水氮磷浓度等于黎河氮磷浓度。
1.3.2 Vollenweider模型用Vollenweider湖泊富营养化经验模型，估算水中的营养物浓度和滞留情况。即将湖泊看作是一完全混合体，同一营养盐浓度相等。营养盐浓度由公式(2)[22]求出。
| $ C_{\text {lake }}=\frac{C_{\text {in }}}{1+a \tau_{\mathrm{w}}^{b+1}} $ | (2) |
式中，Clake代表水库的营养盐浓度(mg/L); Cin为入库的营养盐浓度，在本研究中即果河浓度(mg/L); τw为水力停留时间，τw=V/Qin(a); V为水库库容(m3); Qin为年入库水量，即果河水量(m3/a)。参数a与b由研究区域的实测数据回归分析得到[21]，即a=2.207、b=-0.641。
1.3.3 滞留量与滞留率模型将湖泊内部复杂的物理、化学和生物滞留作用假设为多个一阶作用的组合。本文将氮磷营养物转化损失和沉降等湖泊内部作用统称为滞留[21]。滞留量Wlake和滞留率R的计算与出入库的水量及营养盐浓度有关，分别如式(3)和式(4)所示：
| $ W_{\text {lake }}=W_{\text {in }}-W_{\text {out }} $ | (3) |
| $ R=1-\frac{W_{\text {in }}}{W_{\text {out }}} $ | (4) |
式中，Win表示入库营养盐负荷(t/a)，Win=Qin×Cin；Wout表示出库营养盐负荷(t/a)，Wout=Qout×Cout；Wlake为滞留量(t/a)；Qout为出库水量(m3/a)；Cout为出库浓度(mg/L)，与计算的库心浓度Clake相等。
2 结果 2.1 于桥水库流域TN、TP浓度年际变化1990—2018年，于桥水库流域5个测点的TN、TP浓度年均值变化见图 2。5个测点的氮磷浓度存在明显的空间差异，入库河流TN、TP浓度年均值高于水库。入库河流中，沙河的TN浓度最高，年均值范围在2.59~11.94 mg/L之间，1990—2015年沙河TN浓度呈显著上升趋势；黎河TN浓度年均值范围在2.65~8.39 mg/L之间，黎河TN浓度峰值出现在1990s中后期。沙河TP浓度年均值范围在0.04~0.24 mg/L之间，多年均值为0.09 mg/L，前期保持低值波动，至2016年达到最高峰；黎河TP浓度年均值范围在0.06~1.03 mg/L之间，多年均值为0.27 mg/L，峰值出现在1995年与2016年，黎河TP浓度显著高于沙河。由于黎河的氮磷负荷(黎河自产水与引水的氮磷负荷之和)贡献率高(图 3)，果河与黎河的TN、TP浓度变化趋势相近，果河TN浓度年均值范围在3.54~9.10 mg/L之间，多年均值为6.15 mg/L；TP浓度年均值范围在0.06~0.84 mg/L之间，多年均值为0.24 mg/L。入库TN、TP浓度低值期出现在2000年后，2000s入库TN浓度年均值小于6 mg/L；2000s后期至2010s前期入库TP年均值小于0.1 mg/L。
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图 2 1990—2018年于桥水库TN、TP浓度与TN/TP的变化 (a沙河；b黎河；c果河；d库心；e放水洞) Fig.2 Yearly variation of TN, TP concentrations and TN/TP in Yuqiao Reservoir from 1990 to 2018 (a: Sha River; b: Li River; c: Guo River; d: Reservoir Center; e: Outlet site) |
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图 3 1990—2018年于桥水库入库TN负荷(a)和TP负荷(b) Fig.3 Yearly variation of TN loadings (a) and TP loadings (b) of inflow rivers of Yuqiao Reservoir from 1990 to 2018 |
水库内的库心、放水洞2个测点TN、TP浓度相近，放水洞TN、TP浓度稍低于库心，且2个测点的TN、TP变化趋势几乎一致。库心的年均TN、TP浓度分别在1.14~3.74和0.025~0.131 mg/L范围内，均值分别为1.89和0.048 mg/L，TN浓度除1995—1996与2012—2014年外均低于2 mg/L，TP浓度双峰出现在1994年与2016年，TP浓度在2000s维持低值波动；放水洞的年均TN、TP浓度分别在1.12~3.80和0.026~0.128 mg/L范围内，均值分别为1.79和0.046 mg/L。
入库河流中，沙河、黎河与果河3个点的TN/TP均值分别为67.47、24.04和27.22(图 2)。水库内的库心、放水洞2个测点TN/TP均值分别为45.51和44.33。于桥水库水体TN浓度高，TN/TP远高于淡水磷限的氮磷比[4]22.6 ∶1，是磷限水库。
2.2 于桥水库TN、TP浓度月均变化由于沙河对入库营养物的贡献较小，黎河氮磷浓度又受到引滦水的影响，所以下文选取果河描述入库氮磷的情况；库心与放水洞的TN、TP浓度变化趋势相近，选取库心描述水库内氮磷的情况。1990—2018年果河与库心1—12月的TN、TP月均浓度如图 4所示。果河与库心的TN月均浓度变化范围分别为3.73~8.83和1.45~2.38 mg/L，果河TN浓度春夏低、冬季高，峰值出现在1—2月，3—4月TN浓度显著下降，5—6月降至最低(图 4a)，7月后TN浓度逐渐升高；库心TN浓度夏秋低、冬季高，峰谷值分别出现在1—2月与6—8月，库心TN浓度的变化幅度小于果河，最低值的出现通常滞后于果河。
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图 4 TN、TP浓度与滞留率、TN/TP及水量的月变化 Fig.4 Monthly variation of TN and TP concentrations and retention rates, TN/TP, and water volume |
果河与库心的TP月均浓度变化范围分别为0.117~0.516和0.034~0.064 mg/L。果河TP浓度5月显著升高，夏季达到峰值，秋季TP浓度最低。库心TP浓度夏秋高、春冬低，TP浓度峰值常出现在7—8月，秋季各月份TP浓度逐步下降(图 4b)。果河TN、TP浓度变幅高于库心，且变化趋势不完全同步。年内，果河的TN/TP长期高于库心，且二者的TN/TP趋势差异较大。果河TN/TP的2个低值为6—7月的60以及12月的40；与果河不同的是，库心的TN/TP最低值仅出现在夏季，库心夏季TN/TP均值为35。
于桥水库的滞留率受出入库水量、浓度的影响。TN的滞留率在3、8、10月出现峰值，对应时段的入库水量均大于出库；此外，8月与10月的出入库浓度比小于0.3。TP的滞留率峰值出现在3、5、8月，对应时段的入库水量均大于出库，8月的出入库水量比仅为0.68；3、5月TP出入库浓度比小于0.2。于桥水库对氮磷的滞留作用显著，当出入库水量比与浓度比为低值时使滞留率进一步升高。
3 于桥水库流域氮磷浓度变化成因分析由于1990—2018年间不同时期的TN、TP浓度存在差异，本研究根据于桥水库水环境保护措施与引水结构变化，划分3个时段：第一个时段为1990—2002年，引滦入津水源保护工程实施前；第二个时段为2003—2014年，在该时段实施了包括削减入库点源和库周环境治理等水源保护工程措施；第三个时段为2015—2018年，如前所述，由于南水北调通水后，天津市引水结构发生了变化，引滦水量减半。下文将从流域内点面源污染削减、调水、氮磷滞留等方面讨论于桥水库氮磷浓度变化原因。
3.1 流域点源污染负荷的影响于桥水库流域的点源有化肥厂、选矿厂等工业污染源和遵化市生活污水的排污口。2002年，引滦入津工程水源保护工程实施后，关闭了诸如化肥厂、糖醛厂等流域内点源，加之已停产的平安造纸厂和西铺选矿厂[23]，入库点源营养负荷得到彻底削减，果河TN、TP浓度接近上游大黑汀水库(图 5)。3个时段入库的TN、TP浓度均先下降后上升，3个时段入库的TN浓度均值分别为5.64、5.31和6.51 mg/L；TP浓度均值分别为0.22、0.17和0.38 mg/L。相较于1990—2002年，2003—2014年TN、TP入库浓度的分别降低6% 和26% (图 2)，第二时段由于TP降低幅度更大，该时段TN/TP高于上一时段；第三时段入库TP浓度的大幅提高导致该时段TN/TP下降。入库河流中，黎河沿线大部分工业污染企业关闭后，其控制流域TN、TP浓度显著下降，第二时段黎河TN负荷贡献率由上一时段的37% 降至10%，TP由31% 降至9%；但在工程实施后遵化市生活污水排入沙河并未得到有效治理，尽管沙河第二时段年均TP浓度维持在低水平，但该时段沙河TN浓度并未下降甚至有所升高，第二时段沙河TN负荷贡献率由第一时段的14% 上升至22%，所以流域自产水TN浓度下降幅度较小。
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图 5 1990—2018年果河与大黑汀水库历年TN、TP浓度变化 Fig.5 Yearly variation of TN, TP concentrations in Guohe River and Daheiting Reservoir from 1990 to 2018 |
水库内，3个时段库心的TN浓度均值分别为1.81、1.99和1.76 mg/L；TP浓度均值分别为0.05、0.04和0.08 mg/L。第二时段水库内TN浓度高于上一时段，如图 6d，而未趋同于该时段降低的入库TN浓度，表明该时段有相当的内源TN释放以及库周面源含氮物质输入。Tong等[13]通过研究得出中国东部地区大部分湖泊近十年呈现TN/TP升高的趋势，并指出城市污水处理升级是导致该变化的主要原因，并且污水处理及点源管控对提高水质的效率优于对面源的控制。于桥水库第二时段TN浓度上升而TP浓度下降引起该时段TN/TP升高，第三时段TN浓度下降、TP浓度上升导致TN/TP减小，所以TN/TP变化规律不能简要地概况为上升，存在某个时段TN/TP升高(或下降)而下一时段呈现出明显相反趋势的情况。
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图 6 调水期与非调水期的TN、TP浓度及TN/TP变化对比(a~c果河、d~f库心) Fig.6 Comparison of TN, TP concentrations and TN/TP during the transfer period and non-transfer period (a-c: Guo River, d-f: Reservoir Center) |
随着点源的逐步削减，面源占比上升。长期以来，流域自产水携带大量氮负荷输入，入库TN浓度在丰水年1994—1996、1998、2012—2013、2018年的年均值超过8 mg/L，入库TN浓度与自产水量的关系紧密。第二时段后，入库TN浓度与自产水量显著正相关(r=0.3，P < 0.01，n=192)，尤其在降雨集中的7—8月，TN与自产水量的相关系数为0.8，TN浓度会随着流域自产水的增加而上升，该时段面源氮是入库TN的重要影响因素。水源保护工程虽然对鱼池、村落等面源污染治理取得一定成效，但农业面源治理仍需进一步加强。冯爱萍等[24]研究指出海河流域TN面源污染物排放量及入河量大，且农田径流占主导地位。
1990年以来，津冀的化肥施用量快速增长，在2014年到达峰值。在农业部制定《到2020年化肥使用量零增长行动方案》后，到2018年津冀两地实现化肥总量于化肥施用强度的双减，根据《唐山市统计年鉴》数据估算，氮肥总用量与单位施用强度较于2014年分别下降26% 与16%。流域农业化肥用量减少、自产水量降低使得2015年前后入库TN浓度的降至最低值，但在2018年自产水量的急剧上升再次提高入库TN浓度。在面源氮的削减效果尚不显著的背景下，入库TN浓度主要受流域自产水量的影响。
3.3 跨流域调水的影响于桥水库水源包括流域自产水和引水两部分，其入库营养物的变化与汇入径流水质、引水水质有关。1990—2018年，引水量、引水TN负荷与引水TP负荷分别占入库总负荷的66.0%、55.8% 和68.5%。于桥水库调水根据每年的水文情况与用水需求做调整，每年调水期的具体时段与引水量并不完全相同。历年春秋两季的引水总量最大，而结冰期(1—2月)、主汛期(7—8月)几乎不调水。
引水对果河入库TN浓度的稀释作用明显，对果河TP浓度则是先降低后升高。根据果河桥测点数据，1990—2002年、2003—2014年、2015—2018年3个时段，调水期的TN浓度比非调水期降低的比率分别为39.9%、30.6% 和37.9% (图 6b)。1990—2002年，调水期TP浓度相较非调水期降低了9.0%；2003—2014年、2015—2018年调水期TP浓度对于非调水期都呈升高现象，分别提高了17.7%、55.3%。3个时段内引水降低了果河的TN浓度，水库内TN浓度与果河变化规律相似，3个时段内引水均导致水库内的TN降低，但降低幅度小于果河。虽然1990s引水TP浓度低，但引水会携带黎河沿线的大量点源，致使水库TP浓度增加(图 6e)。第一时段水库TP年均浓度的峰值出现在1994年，其中3—7月的月均浓度均大于0.1 mg/L，且上述月份是当年引水的时段，引水量占比大于60%，引水携带沿线超过300 t磷负荷入库，致使水库内TP浓度显著升高。在2003—2014年，实施水源保护工程后，去除了大量点源，入库TN、TP负荷也相对减少，入库TN浓度略高于大黑汀水库TN浓度，而入库TP浓度值与变化趋势与大黑汀相近(图 5)[25]，且TP的浓度降低比较多，非调水期TN/TP显著下降，如图 6c；而调水期TP浓度降低较小、甚至增加，由于自产水的TP浓度下降明显，引水携带的TP负荷对于TN/TP贡献变大，果河调水期的TN/TP均低于非调水期。
年内，冬季入库TN浓度高，在3—6月大量引水后，浓度明显降低(图 4a)；但随着7—8月集中降水，流域自产水量增加，恰逢当地农户施肥，面源氮的输入增加了入库TN浓度。在第一时段，引水TP浓度小于流域自产水的TP浓度，引水降低入库TP浓度；水源保护工程逐步实施后，入库TP浓度与引水浓度接近。调水期，引水TN浓度低于于桥水库流域自产水，稀释了入库TN浓度；但引水TP浓度与于自产水TP浓度相近，在2003—2018年，引水不但无法稀释自产水TP浓度反而增加入库水体TP含量。2015—2018年TP浓度的上升，和上游潘家口、大黑汀水库水质恶化有关。2015、2016年潘家口水库TP浓度达到接近0.4 mg/L，在2016年大面积清理网箱养鱼后，水质有所好转[25]，从劣Ⅴ类水质转变为Ⅳ类、Ⅲ类水质。2015年以后，于桥水库引水结构发生变化，引水量降低[21]，对沿线及入库水体的稀释作用下降。
3.4 水库氮汇和磷汇的影响年内，TP滞留率略高于TN(图 4d)，二者滞留率的变化受出入库水量的影响，其中3月与10月附近时段滞留率高是由于引水量的增加，7—8月滞留率高则是因为雨季的集中降水增加了入库水量，致使相应时段的入库水量大于出库水量。除水量外，出入库浓度变化的不同步也影响着滞留率，TP滞留率在5—6月显著高于TN，该时段TP入库浓度约为库心与出库浓度的10倍，而TN入库浓度接近库心与出库的3倍。
在调水期，引水降低入库TN浓度，如图 6；而调水期TP滞留率大于TN，但调水期的TN浓度的降幅大于TP。年内，引水对流域自产水稀释与水库的滞留共同降低营养物浓度，引水稀释对TN浓度下降的贡献为32%，水库滞留为68%；TP浓度的降低主要受水库滞留的影响。水库TN滞留的变化幅度较TP平稳，在调水期，TN的平均滞留率达到71%，TP的平均滞留率为78%。与非调水期相比，调水期水位低、入流量大，水力停留时间短。在调水期，入库径流的TN负荷增加，且入库的氮素以硝酸盐为主，使脱氮作用有充足的底物[26]；调水期的水力停留时间为0.34 a，能进行有效的氮素沉积与脱氮反应[27]。当出流量小于入流量，氮素一部分通过反应进入大气和沉积物中，另一部分则蓄存在尚未流向下游的水体中，所以调水期的TN滞留率高。经过数年库周环境治理，目前于桥水库入库TP以面源为主，所以流量增加并未对TP浓度有明显的稀释作用。Elliott等[28]的研究认为污染为面源时，TP和叶绿素随水力停留时间的增加而略微下降，此时更多的养分被带入湖中，同时更多的养分被冲出湖外。调水期TP滞留率与入库负荷相关性低(r=0.08，P < 0.01)，意味着此时内源释放、藻类生长对水体TP浓度有不可忽视的影响。
1990—2002年，TN库心浓度比入库浓度降低了72.7%，2003—2014年降低了64.5%；2个时段TP库心浓度分别比入库浓度降低了83.5% 与73.5%。水源保护工程点源等治理维持TP浓度处于低水平，第二时段的入库TP浓度降低，该时段TP滞留率有所下降，但库心TP浓度仍显著低于入库。空间上，水库内的TN/TP小于入库TN/TP，是水库的TP滞留率更大导致的。
3.5 浮游植物生物过程的影响每年春夏交际时，随着水位上涨、水温升高，库内水草大量死亡，藻类增殖。氮磷浓度对藻类增殖有重要影响，当磷浓度低于0.0155 mg/L时可视作独立的缺磷指标[5]，当湖库TN、TP浓度分别大于0.15和0.01 mg/L时，可能诱发蓝藻水华[29-30]。夏季于桥水库的TN、TP浓度范围分别为0.58~4.19和0.012~0.277 mg/L。显然，水库充足的营养盐易引起藻类的增殖。
藻类暴发受到短期不断变化的营养盐与复杂的水文气象因素的影响，选取数据集中有Chl.a指标的库心水质月数据(2003—2018年)进行分析。Chl.a与营养盐的相关性一定程度上反映了藻类增殖过程中生物与营养盐的相互作用。主成分分析如图 7所示，6—10月水库水质的主要贡献因子为Chl.a和TP。主成分1中Chl.a、TP正向负荷均大于0.8，pH、DO大于0.6，反映了水库的浮游植物的变化情况，浮游植物生长与TP浓度、pH和DO浓度呈正相关；主成分2中TN、NO3--N和NH3-N因子负荷较大，反映水体氮的污染情况，TN、NO3--N的正向负荷均大于0.85，NH3-N与PC2呈负相关，水体TN浓度与NO3--N浓度呈显著正相关(P < 0.01)。在氮磷营养盐中，Chl.a与磷相关程度更高，TP、SRP均为正相关(P < 0.01)，且TP中包括藻类生物体中的磷，叶绿素与TP的相关性强且趋势相同，既表明水体磷浓度升高可能引起藻类增殖，也表现出藻类生物量的增加提高了TP浓度，2017年6—7月Chl.a增加30% 时TP浓度相应提高48%。Chl.a与NH3-N呈正相关，与NO3--N呈负相关，水库氮源充足，可以满足藻类季节性生长所需氮，所以吸收的氮盐不受限，在生长阶段藻类首先吸收水体中的NH3-N，后续藻类消亡NH3-N浓度将随着蓝藻的降解而上升，并且在降解阶段会促进反硝化作用[31]；而此时由于入库水量增加稀释了水体氮浓度同时夏季的高温提高了水库的脱氮能力，水体TN、NO3--N浓度下降(图 4a)，与Chl.a浓度的升高呈现出不同的趋势。
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图 7 2003—2018年于桥水库库心水质主成分分析图 Fig.7 Principal component analysis diagram of Yuqiao Reservoir Center from 2003 to 2018 |
近30年于桥水库流域5个测点的氮磷浓度均表现为先下降后上升，TN浓度高是于桥水库流域的特点，TP治理成效显著，水库TP浓度的多年均值优于Ⅲ类水标准限值，但存在反弹现象。对于入库的营养物控制，入库TN负荷较大，在治理上仍需发力，加强对沙河及库周面源的TN输入的管控。湖库水体TN浓度高且TN浓度与自产水量的相关性高，则需要关注流域面源氮的输入，严格控制农业氮肥的施用，并基于流域经济水平、人口规模和自然条件，制定和实施阶段性控制湖库富营养化的目标与方案。流域农业化肥用量在新的政策指导下不断降低，不过目前化肥施用强度仍高于全国平均水平，还需调整化肥结构与施肥方式，控制减少施用面积与降低施用强度。
经过多年的入库河流沿线治理，流域内磷的削减能力有限，引水携带的入库TP负荷贡献较大，所以需要协调跨流域调水进行磷污染的源头协同控制；水库对磷的滞留率大，沉积磷存在释放的风险，水库管理者亦应着手削减内源以提高水库对总磷的自净能力。根据上述叶绿素与营养盐的相关性，历年6—10月于桥水库水体TN浓度对于藻类而言仍过于丰富，TP与藻类生长变化的关系更紧密，水库的富营养化控制要关注磷的浓度变化，保证上下游流域的污染共治。夏秋两季在控制磷浓度的基础上，还可以通过调水来满足生态需水和降低水力停留时间来防控藻华暴发。参照天津市水安全保障“十四五”规划，利用工程措施削减入库面污染源，提升前置库湿地工程的作用、续建环库截污沟与入库沟道湿地净化工程，加强水库的封闭管理建设，改善库周环境、提升水库水质。虽然水库氮磷浓度主要来自外源的输入，但浅水水库营养程度与内源释放的关系不可忽视，有待日后深入研究。
5 结论TN、TP浓度是湖泊水库生态系统重要的指标，本文从流域尺度对于桥水库TN、TP浓度进行趋势分析，得到以下结论：
1) 在流域5个测点中，沙河的TN浓度最高，黎河的TP浓度最高。1990—2002、2003—2014和2015—2018年3个时段，果河入库TN、TP浓度先下降后升高；水库内TN、TP浓度在2000s中后期维持在低值，之后再次升高。
2) 3个时段引水均降低了入库TN浓度，通过流域自产水输入的面源氮是TN浓度变化的主要原因。
3) 第一时段，引水稀释了TP入库浓度，第二时段水源保护工程降低了入库TP浓度与水库TP浓度，此时引水反而增加了入库TP浓度；夏秋两季浮游植物生长加剧引起水库内TP浓度升高，导致了第三时段水库内TP浓度的反弹。
4) 在管理上，严格控制流域內农业氮肥的施用，协调调水进行磷控，通过水力调控满足生态需水和降低水力停留时间防控藻华暴发。除外，建设和完善前置库、截污沟等净化工程，也有助于削减径流入库和库周氮磷的输入。
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