抽水蓄能电站水库水体富营养化特征及其评价

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抽水蓄能电站水库蓄水运行以后,构成其上、下水库的自然湖库水位抬升,自然流态的水体流速减缓,但频繁的水体交换打破了水库内水体的稳定状态,水生态环境与常规湖库有明显差异。为了构建适用于抽水蓄能电站水库的水体富营养化评价方法,本文通过对不同抽水蓄能电站水库进行水生态与环境监测,研究了各抽水蓄能电站水库理化因子及浮游植物时空分布规律,总结了抽水蓄能电站水库与常规湖库的差异,并分析了常规水体富营养化评价方法评价抽水蓄能电站水库的缺陷,最终建立了适用于抽水蓄能电站水库的富营养化评价方法。通过研究,主要取得了如下结论:  (1)不同抽水蓄能电站水库水环境因子时空变化规律  抽水蓄能电站水库物理指标垂向无明显分层,水体垂向掺混均匀;水温主要受气温及水体掺混影响,溶解氧在水体不断上下输移的过程中浓度较大,复氧能力较强。各抽水蓄能电站水库氮磷含量较高,总氮平均浓度为1.86mg/L,总磷平均浓度为0.03mg/L,其他各营养物质同样充足,水体内具有供浮游植物生长的丰富的物质条件。各抽水蓄能电站水库Chl.a平均在6.91μg/L,部分抽水蓄能电站水库Chl.a浓度已达到10.84~19.77μg/L,对应的浮游植物生物量最高已达到728×104cell/L。以浮游植物生物量作为表征富营养化指标的前提下,目前抽水蓄能电站水库水体趋于富营养化状态,部分水库已经出现富营养化现象。  (2)抽水蓄能电站水库特征及其与常规河湖的差异  抽水蓄能电站水库与常规湖库差异分为形态差异与水动力差异。从形态上看抽水蓄能电站水库是常规形态的水库或湖泊的自由组合体,即上、下水库均为常规水库,或上、下均为湖泊,亦或者上(下)水库是湖泊,下(上)水库是常规水库。水文水资源主要受抽、蓄水的影响,但同时也受组成其上、下水库的常规湖库形式影响。从水动力上看抽水蓄能电站水库相比常规库容较小,水深较大,日水体交换大,水位变幅可以达到十几米以上,水体更新快。而常规湖库库容、水深大小不一,日水位变幅小,水体更新慢。同时抽水蓄能电站水库水体混合均匀,抽蓄水时水体流速可达0.6~0.8m/s,常规河道型水库流速仅为在0.2m/s左右,湖泊平均流速更是仅在0.03m/s~0.1m/s之间。  (3)常规水体富营养化评价方法在抽水蓄能电站水库的适用性  不同常规湖库富营养化评价法除本身存在各种缺陷,在抽水蓄能电站水库的应用中主要存在两个缺陷;  ①常规富营养评价法的评价指数越高的抽水蓄能电站水库其浮游植物生物量却越小,其中桐柏抽水蓄能电站水库富营养指数平均为51.34大于泰安的46.83;而泰安抽水蓄能电站水体实际藻类平均生物量是桐柏抽水蓄能电站的4.5倍,评价结果与实际富营养状态不完全相符。  ②不同形式的抽水蓄能电站水体类型不同,富营养化敏感性亦不同,应采用不同评价标准进行评价;自然入流流量对抽水蓄能电站水库水体影响微乎其微,其水体更新主要依靠抽、泄的作用。常规富营养划分方法无法较好的将抽水蓄能电站水库进行敏感分区,需要建立适用于抽水蓄能电站水库的分区方法。抽水蓄能电站水库营养充足,营养物质已不再是限制抽水蓄能电站水库富营养状态的最重要因子。水体交换量直接影响了抽水蓄能电站水库的水质状态,频繁水体交换直接限制了浮游植物的生长,抑制了水体富营养状态。常规富营养评价方法未考虑这一主要影响因素。  (4)抽水蓄能电站水库的水体富营养化评价方法构建及评价  采用水体交换率(上、下水库水体交换量换算的交换系数)为主要指标,结合水库水体滞留率(滞留时间)与缓流率来建立抽水蓄能电站水库敏感分区体系。选取叶绿素a为基准指标,结合总磷、总氮、透明度和化学需氧量(COD)作为富营养化评价指标,采用层次分析法计算各指标权重,最终将各指标加权求和计算出抽水蓄能电站水库水体富营养化指数。将此富营养化评价方法称之为:抽水蓄能电站水库营养状态综合评价法(Total Index of Nutrition State of Pumped Storage Power Station,简称TPI)。  采用抽水蓄能电站水库营养状态综合评价法对抽水蓄能电站水库进行富营养评价,评价结果表明:天荒坪与仙游抽水蓄能电站水库富营养状态最低,其中仙游为贫营养,评价指数在17~23之间。天荒坪为中营养状态,评价指数在33~40之间。桐柏水库富营养评价指数在33~55之间,处于中营养至轻富营养状态;泰安下水库各断面评价指数均超过50,均已到达轻富营养状态,且部分断面正在向中富营养状态发展。  抽水蓄能电站富营养综合评价法(TPI)在抽水蓄能电站与常规湖库中具均有良好的适用性,较好的解决常规富营养评价方法的两个缺陷。  ①建立以水体交换率为主要指标,结合缓流率与水体滞留时间对抽水蓄能电站水库进行富营养敏感分区,较好的将不同营养状态的水体进行了划分。  ②TPI评价法将水体交换量与营养物质均作为富营养状态的影响指标,既考虑了传统评价因素又结合了抽水蓄能电站水库特有的水动力条件,更好反映了抽水蓄能电站不同类型水体的富营养化状态。其评价结果与实际状态相符。
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