上游河流是水库磷最大的输入途径.水库因人工筑坝，会永久或临时性储存、延缓含磷物质在流域内运输的过程，使得下游出库总磷的输出显著减少，成为河流的磷“汇”.该效应被称为水库的“滞留”效应(申校等，2014).磷作为水体富营养化主要限制性因子之一，通常认为当其含量超过0.02 mg · L^-1时，水体会有富营养化的危险.研究表明，一般情况下，上游河流入库磷负荷的30%~80%会滞留于库区(Billen et al., 1991)，并受到水文气象条件和库区环境的影响，对库区水环境安全具有重要影响.因此估算分析总磷在水流驱动下的输入、输出量和水库滞留情况，并据此采取有效的管理调控措施，是保障水库水环境安全的重要手段.

除上游河流输入之外，水库特征(规模、形态等)也会影响入库磷负荷的滞留(Hart et al., 2002).大型水库因较大的集水面积，进入水库的河流流速较缓，使含磷物质更容易发生沉积，滞留于库中(徐清等，2003).水力停留时间较长或水力负荷较低的情况下，水库对总磷的滞留效率也较高.然而不同水库所受的影响情况并不相同.因此对特定水库，需通过深入分析来识别影响库区滞留效应主要的因素.

密云水库是北京最大的饮用水源地，其供水安全直接影响北京经济发展和人们生活安全.总体来看，密云水库水质呈良好状态.但仍存在一些风险，例如近年来入库径流量大幅减小(李子君和李秀彬，2008)，上游水土流失、畜禽养殖、农业化肥等磷污染源依然存在，对水库水质安全造成威胁.据估计，密云水库总磷入库负荷年际变动为11~103.6 t · a^-1，且与年径流量呈正相关(王庆锁等，2009).且当总磷的入库负荷增加时，总磷的沉积速率也会增加，从而更容易滞留于库区(徐清等，2003).然而，目前关于密云水库磷负荷的研究仍多集中在对输入、输出负荷的估算上，缺少对影响库区总磷滞留因素的深入分析.因此开展上游河流输入对库区总磷滞留的估算与分析工作，识别影响水库磷负荷的因素，有利于促进水源地的保护和水质目标管理体系的完善.

本文通过对2002-2011年间密云水库库区和河流出入库的总磷质量负荷进行估算，以实现以下目标：①估算分析10年间库区内和水库输入、输出TP负荷变化情况；②分别分析上游磷输入对库区磷滞留量、滞留率和内源释放的影响，结合密云水库库区特征和水力指标，识别库区磷滞留效应主要的影响因素并进行深入探讨；③基于以上分析，探索有效的水库总磷管理调控启示.

密云水库位于北京市东北部(如图 1)，北纬40°19′～41°38′和东经115°25′～117°35′之间，是北京市最大的饮用水源水库，占地表供水量的60%以上.兼有防洪减灾、城市供水、生态涵养和来水调蓄四大功能.其水库集水面积为157.88 km²，最大库容达到43.73亿m³，平均水深为30 m，最大时达到43.5 m.其所处区域属于温带大陆季风型半干旱半湿润气候，年均降水量为660 mm，降水年际间差异大且季节性明显.

水库主要入库河流为潮河和白河，主要的出库口为水源九厂和白河大坝.流域地貌以山地、丘陵为主.流域工业点源影响较小，主要为农业用地，约占上游总面积的89.7%(王晓燕等，2003).其中农业用地以林地和园地为主.由于受降水量和人工闸坝的影响，水库出、入库流量年内分配并不均匀.

图 1(Fig.1)

图 1 密云水库库区图 Fig.1 the diagram of the Miyun Reservoir

本文计算所利用的水文数据包括：2002-2011年潮、白河入库流量，水源九厂、白河主坝的出库流量，水库水位月测值和蓄水量月均值等.水质数据包括：各出入库径流的TP浓度实测月均值，库区内各监测站点(站点位置如图 2所示)的TP浓度实测月均值等.所有数据来源于密云水库管理局监测站，且采样和测试均符合国家水文水质监测标准.

图 2(Fig.2)

图 2 密云水库库区水质监测站点 Fig.2 water quality monitoring stations in Miyun Reservoir

出入库总TP质量负荷通过出、入库水量和浓度直接相乘计算所得.水库磷滞留量可通过以下公式计算：

库区内TP负荷可根据各监测点浓度的月均值，通过计算其平均值估算水库水体中的总磷平均浓度，并与水库蓄水量相乘，即为库区内TP负荷量M_lake.从而可计算磷的年净沉积系数S_y(Havens and James， 2005)，计算公式如下：

水库表面的水力负荷率HLR(Hydraulic Loading Rate，单位m · mon^-1)等于入库水量除以水库集水面积，表示单位面积水库可容纳的入库水量.水力滞留时间HRT(Hydraulic Retention Time，单位mon)则为水库蓄水量和入库水量的比值，表示入库水量在库区内的停留时间.水力负荷率和水力滞留时间之间存在负相关关系.本文通过探索水力负荷率和水力滞留时间与库区内总磷滞留率的关系，以分析影响库区TP滞留效应的主要因素.所有统计分析采用R软件中ggplot2包完成.

由图 3可知，总体来看，2002-2011年期间，白、潮两河入库河流中的TP浓度和负荷都相对较低，且其值随时间都有逐年降低的趋势，并在2007年之后波动趋于平缓，基本稳定在0.05 mg · L^-1和1 t · mon^-1之下.

10年间两河TP浓度最高值都出现在2004年7月，分别达到0.472 mg · L^-1和0.289 mg · L^-1.而2002年则出现入库TP浓度整体偏低现象.根据水文年型判断2004年为相对丰水年，2002年为相对枯水年.在丰水年，进入汛期之后，TP浓度有所增大，汛期结束后开始降低.在枯水年，虽然汛期TP浓度有微弱增加趋势，但总体维持在较低水平.从年内变化情况来看，白河和潮河年内的TP浓度最高值多出现在汛期(1-3月份和6-8月份之间)，且大致呈现“M”型波动.由此可知，上游入库径流是TP输入的主要驱动力.而两河的入库负荷在汛期间显著达到峰值，最高值分别出现在2004年8月(15.59 t · mon^-1)和2005年8月(8.47 t · mon^-1).

两河进行对比，可以看出潮河TP入库浓度要略微高于白河，且年内变化趋势也较白河波动剧烈.这表明径流对潮河影响明显，而白河只有在汛期流量明显增加时TP浓度才会出现波动峰值，再次表明上游白河流域潜在的非点源污染源少于潮河流域">李文赞等，2013).然而因白河入库流量大于潮河，在2002-2011年间，其入库的负荷总量达到92.93 t，占总输入量的66.6%，远大于潮河入库的TP负荷量.

通过数据统计分析，2002-2011年间，上游河流入库的TP平均浓度(c_average=0.0358 mg · L^-1，c_max=0.055 mg · L^-1，n=240)要高于出库平均浓度(c_average=0.0151 mg · L^-1，c_max=0.472 mg · L^-1，n=240).与浓度相对应，尽管出、入库TP负荷随时间有较显著的波动，其总体变化情况仍与流量变化趋势呈现显著的正相关关系，且入库TP负荷量一年内也有两次循环并达到峰值，峰值同样出现在汛期，呈现为“M”型波动(图 4a，b).出、入库情况进行对比可发现，相对入库而言，出库TP负荷情况的规律性较差.这主要是因为入库流量主要受水文环境的影响，而出库流量则受人工干扰较严重.

图 3(Fig.3)

图 3 2002-2011年白、潮河入库TP浓度(a)和质量负荷(b)变化趋势 Fig.3 The time series of TP concentration(a) and mass load(b)in Bai and Chao River during 2002-2011

图 4(Fig.4)

图 4 白河(a)和白河主坝(b)出、入库流量和TP负荷变化趋势 Fig.4 The The time series of inflow，outflow and TP load of Bai River(a) and Baihe Dam(b)

2002-2011年间，密云水库库区内TP浓度基本稳定在0.01~0.02 mg · L^-1，水质情况良好.TP负荷波动范围为10.26~21.7 t · a^-1，平均值为16.807 t · a^-1.由图 5可以看出，库区内TP负荷10年来趋于稳定，到2011年有微弱升高的趋势，达到21.24 t · a^-1.上游入库和下游出库的TP年负荷量分别在3.10~50.89 t · a^-1和3.2~8.38 t · a^-1之间.其中最大值分别出现在2004和2002年，平均值为13.951 t · a^-1和5.381 t · a^-1.总体来看，出库TP负荷基本保持稳定.而上游入库的TP负荷量则呈现减少趋势，且2006年之后基本维持在10 t · a^-1以下的较低水平.然而潮、白两河的入库流量并没有明显减少的趋势(图 4a).分析其原因可能是：2006年以来，北京市和河北在潮白河流域实施“稻改旱”工程(崔嘉文等，2014)，有效减少了上游河流入库的TP浓度，从而减少TP负荷的输入.

库区滞留量也随时间呈现逐年降低趋势，与入库负荷一致.可见入库TP负荷是影响水库TP滞留效应的主要因素.滞留量在2002-2011年间的变化范围为-5.27~46.87 t · a^-1，其中最大值和最小值分别出现在2004年和2002年.平均年滞留量达到8.5701 t · a^-1，约占输入年均值的61.4%，滞留率较高，滞留效应显著.另外，2002年和2007年滞留量出现负值.即在入库TP负荷显著减少的情况下，出库负荷量依然维持在较高水平，致使出库TP负荷高于入库.密云水库库区面积较大，库底较深，入库TP多在入库口沉积，对出库TP浓度几乎没有影响.因此水库滞留量主要由上游入库TP负荷决定.2002年为枯水年，上游来水量偏低，入库TP负荷也较低，致使出库TP负荷高于入库.而2007年相对较少的来水量和“稻改旱”工程的实施，显著减少了TP负荷的输入，因而也出现滞留量为负值的情况.

图 5(Fig.5)

图 5 2002-2011年TP年负荷变化趋势图 Fig.5 TP load during 2002-2011

HRT、HLR、M_in和Rp_m之间的相关关系如图 6所示.通常认为，水库水力滞留时间(HRT)和水力负荷(HLR)也会影响库区TP滞留效应.通常，水库水力滞留时间增加有利于水体自净功能的发挥.从图中可知，HRT和HLR之间存在显著的负相关关系.而随入库河流的水力滞留时间增加或水力负荷降低，入库负荷M_in呈现降低的趋势，同时滞留率Rp_m也随之降低.这与Kalff所指出的随滞留时间增加，水库对非保守性元素磷的滞留能力增强的结论并不一致(Kalff，2002).因受入库流量影响，M_in和HRT呈负相关，与HLR呈正相关关系.因此在流量降低、HRT升高(HLR降低)的情 况下，出现Rp_m降低的趋势.由此可知，密云水库库 区TP滞留率几乎不受HRT和HLR的影响，这主要跟库型特征有关.作为亚洲最大的人工湖体，密云水库的面积和深度都要超出一般水库，呈现高水位低流量的水库特征.这使得入库TP无法在库区内有效迁移，因此多沉积于入库口，不能在下游出库口排出.因此，即使水力滞留时间增加或水力负荷降低，也几乎不会对出库水量和水质造成影响.随着入库TP负荷减少，同样出现滞留率降低的趋势.例如Stenback等(2014)所研究的Saylorvile水库相比密云水库面积更小(24.1 km²)，深度更浅(3.77 m)，研究得出该水库出现TP滞留率与HLR出现负的回归关系，也与密云水库情况相反.因此，对于密云水库这样的大型水库，库型特征和入库负荷M_in是影响库区TP滞留效应的主要因素，HRT和HLR的影响作用很小.

另外，Rp_m和入库负荷M_in之间具有显著的相关关系(R²=0.52，n=120)(图 3、图 4).在已知密云水库入库负荷M_in的前提下，直接估算出其滞留于库区内的TP负荷量.这也说明，库区TP滞留率主要决定于TP入库负荷.结合图和回归关系可知，库区内TP月滞留率波动较大.在入库负荷M_in较低(小于0.445 t · mon^-1)的情况下，月滞留率多出现负值，最低时甚至达到将近-8(2010年5月)，即出库负荷远远大于入库负荷的情况.但随入库负荷增加而滞留率出现迅速上升的趋势，且最高时达到0.96(2009年6月).库区TP滞留效应主要发生在M_in较大之时，即汛期有较大TP负荷输入的情况下.虽然月滞留率出现多次较低值情况，但10年间密云水库月均滞留率依然达到61.4%.

图 6(Fig.6)

图 6 HRT、HLR、Min和Rpm之间的相关性矩阵图 Fig.6 the correlation matrix of HRT，HLR，Min and Rpm

分析入库河流与库区内TP浓度的年均值差值变化情况，可发现其呈现降低的趋势(图 7).2004年，水库TP浓度要比入库河流TP浓度低0.06 mg · L^-1，但近年来，两者的差值低至0.0029 mg · L^-1，甚至在2010年出现库区TP浓度高于入库河流的现象.与其相对应，净沉积系数S_y也在2010年和2011年出现负值.这说明近年来，除河流入库输入之外，存在其他污染源对水库总磷负荷有显著贡献，包括底泥释放，大气沉降等.因大气沉降所占TP输入比例很低，许多研究中并未考虑其贡献，因而主要是底泥释放作用的影响.由此判断，当河流入库浓度较高时，水库底泥主要表现为“磷汇”.而随磷的入库浓度减少到一定程度，底泥甚至可能表现为“磷源”.密云水库库区内TP浓度含量较低，水质较好.该类水体在外源磷输入减少时，相对比较容易发生底泥磷释放过程，即出现S_y为负值情况(Rochford，1951).但库区内TP负荷10年内基本保持稳定，因此可认为内源磷释放并未对其水质状况造成明显影响.由此可见，河流总磷的输入负荷也会影响库区底泥磷的释放.

图 7(Fig.7)

图 7 入库和库区TP浓度差值以及底泥沉积率Sy的变化趋势 Fig.7 Historical declines in the difference between inflow and lake water total P concentration(TPin-TPlake)as well as in the net sedimentation coefficient(Sy)

TP出、入库负荷受到流量和污染源变化的综合影响，且浓度和质量负荷都在汛期有明显增大的趋势.即使在枯水年，入库TP浓度也并没有因汛期径流的稀释作用出现降低情况.由此可见，上游流域的非点源污染源是入库TP的主要来源，而入库径流是其主要驱动力.由实施“稻改旱”工程产生的效果可知，采取相关的非点源污染源控制措施，是减少密云水库TP入库负荷的有效途径.从2007年实施该工程以来，TP入库质量负荷开始呈现显著降低的趋势，但在2008年又出现小幅回升.可见除考虑污染源控制之外，影响入库径流的水文气象条件也应是重要的考虑因素.通过水文气象预测分析，采用多种污染源防治措施，可有效降低密云水库TP超标的风险.

另外，因密云水库集水面积较大，出库TP浓度比较稳定，较少受到入库的干扰.因此出库TP的质量负荷主要受出库流量影响.故可通过采用调节出库流量的措施，达到TP负荷输出的目的，从而实现对库区内总磷负荷的管理控制.

密云水库状态良好，相对于富营养化水体(仅2%)有较高的TP滞留效率(冉祥滨等，2009).库区对上游TP输入负荷的滞留率达到60%以上，且与上游TP输入负荷具有显著的相关关系.利用流域的入库TP负荷数据，可直接对水库TP滞留率和滞留量进行估算预测，这有利于库区TP的调控管理.然而该回归模型应用的前提是出库流量基本保持稳定.如果未来出库流量出现显著的变化趋势，则需对其相关性重新进行分析评估.

除入库TP负荷之外，水库特征也是影响库区滞留效应的主要因素.因密云水库呈现较大集水面积和深度，使库区内水动力学条件表现为高水位和低流量状态，导致入库TP负荷不易输运至出库口而排出.因此HRT和HLR并不能有效表征库区内TP的运移情况，以往其他低水位、高流量型水库的相关研究结果并不能直接应用到密云水库上.

除外源河流对库区TP负荷的贡献之外，底泥释放的作用也不容小觑.虽然1994年水库已禁止在库区内开展网箱养鱼，并在2003年全面禁止.但仍有含磷诱饵残留于底泥中，形成高磷区(胡传林等，2012).因此，在TP输入浓度和负荷量减少的情况下，可能容易发生底泥磷释放过程，使库区内TP浓度基本维持稳定.只有在底泥TP释放达到稳态后，才有可能实现减少上游TP输入的同时，有效降低库区内TP负荷.

1)2002-2011年间，白河和潮河TP入库浓度和负荷都呈现降低趋势，并在2006年之后维持在较低水平.入库浓度和质量都与入库流量呈现正相关关系，且其最大值和峰值都出现在汛期.其中潮河浓度要高于白河，但TP负荷贡献率却低于白河.故径流量是入库TP质量负荷的重要影响因素.

2)10年间，出库与库区内的TP负荷维持稳定，TP滞留量与上游TP负荷输入呈现降低趋势，且平均滞留率达到60%以上.在相对枯水年和“稻改旱”工程实施以来，库区内TP滞留量都出现显著降低的情况，而上游入库负荷的减少是其主要原因.因此加强对TP输入源的控制依然是降低库区滞留量有效措施.然而因为有内源补给，并不能在较短时间内看到库区内TP浓度的显著降低.

3)其他不同特征水库的研究结论并不能直接应用于密云水库.因水库大的集水面积和高水位、低流量特征，水力负荷和水力停留时间并不能有效表征密云水库滞留效应.上游TP负荷的输入仍是最主要的影响因素，并与水库滞留率Rp_m存在显著的相关性.