曾 康,黃廷林,馬衛(wèi)星,周子振,李 揚(yáng) （西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055）

金盆水庫汛期高濁水徑流的潛入及熱分層水體水質(zhì)響應(yīng)

曾 康,黃廷林*,馬衛(wèi)星,周子振,李 揚(yáng) （西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055）

以西安金盆水庫為研究對象,在汛期通過對河流區(qū)至庫區(qū)的水溫、濁度、DO和營養(yǎng)鹽等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,探究降雨徑流的潛入規(guī)律及熱分層水體水質(zhì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.結(jié)果表明：在外界氣溫變化條件下,水庫出現(xiàn)季節(jié)性熱分層現(xiàn)象.汛期徑流的匯入導(dǎo)致下溫躍層消亡,熱分層穩(wěn)定性減弱；汛期徑流水體攜帶大量顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽物質(zhì)和泥沙以異重流形式潛入,其流態(tài)從過渡區(qū)的底層潛流向主庫區(qū)間層流轉(zhuǎn)變,潛入初期間層流厚度達(dá)20m.降雨早期異重流的潛入導(dǎo)致中下層水體的TN、TP、TOC顯著增加,水體平均TN、TP、TOC、濁度最高分別超出平時(shí) 0.2,2,0.6,16倍,水質(zhì)呈現(xiàn)短時(shí)高污染負(fù)荷.底層潛流水體水溫較高,大量沉降于沉積物中的顆粒態(tài)污染物分解速率加快,內(nèi)源污染負(fù)荷進(jìn)一步提高,底層水體中TN、TP、TOC濃度高達(dá)1.88,0.05,4.6mg/L；汛期可通過分層取水方案和排放高濁水來保障供水安全.關(guān)鍵詞：營養(yǎng)鹽；濁度；異重流；熱分層；內(nèi)源污染

近年來,由于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,我國對大量的河流進(jìn)行攔河筑壩,河流水庫化呈現(xiàn)逐年增長趨勢［1］.2010～2012年我國開展了第一次全國水利普查,普查結(jié)果［2］表明,近幾十年我國大量地興建水庫,至2011年底,已建成水庫97246座,總庫容8104.1億m3,在建水庫756座,總庫容1219.02 億 m3.河流筑壩攔截后,水動(dòng)力強(qiáng)度降低,水庫水深大幅增加,水環(huán)境會(huì)發(fā)生類似天然湖泊的季節(jié)性熱分層現(xiàn)象［3］.影響水體熱分層結(jié)構(gòu)的因素包括內(nèi)部和外部條件的變化,其中入流水溫影響極大［4］.陸俊卿等［5］通過三維非線性RNG浮力流模型分析了入庫條件對污染物輸移的影響,張士杰等［6］建立三維水溫模型對二灘水庫水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明庫區(qū)上游入流量和入流水溫能顯著地影響水溫結(jié)構(gòu).近來我國強(qiáng)降雨極端天氣愈加頻繁,汛期強(qiáng)降雨徑流能顯著改變?nèi)霂鞐l件,特別是在入流量大小和紊動(dòng)性方面,與平時(shí)相比差異顯著,從而對水庫熱分層結(jié)構(gòu)造成一定沖擊.已有大量研究［7-9］表明汛期降雨徑流一般以密度異重流形式潛入水庫水體,異重流主要存在3種不同流態(tài)：表層流、間層流、潛流［10］.大量懸浮顆粒態(tài)物質(zhì)會(huì)隨降雨徑流匯入水庫,特別是在降雨早期階段,這種現(xiàn)象尤其突出［8］.大量懸浮顆粒態(tài)物質(zhì)的匯入一方面能造成水庫沉積物淤積,降低水庫蓄水能力［2］,另一方面會(huì)改變水體的水質(zhì)特征,增加水體的營養(yǎng)鹽負(fù)荷,提高水廠水處理成本［11］.

目前對汛期降雨徑流的研究工作主要集中于密度異重流的數(shù)值理論模擬［12］,而對現(xiàn)場異重流的潛入形態(tài)以及對應(yīng)的營養(yǎng)鹽輸移、對熱分層水體的擾動(dòng)、水質(zhì)變化規(guī)律研究較少,本研究將采用多斷面剖面持續(xù)水質(zhì)監(jiān)測的方法,探求汛期徑流對水庫水體影響機(jī)理,為水源水庫水質(zhì)污染防控和水廠分層取水調(diào)控提供理論依據(jù).

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

黑河金盆水庫（33°58′N～34°3′N；108°9′E～108°13′E）位于陜西省西安市周至縣境內(nèi),距西安市 86km,是一項(xiàng)以城市供水為主,兼有農(nóng)灌、發(fā)電、防洪等綜合利用的大型水利工程.水庫于2002年建成運(yùn)行,水庫總庫容2億m3,有效庫容1.77億m3,最大水域面積4.68km2,大壩壩頂高程為600m,最大壩高130m,正常高水位為594m,死水位高程 520m.水庫位于秦嶺山中,從其河流匯入口至主庫區(qū)全長約 13km,屬于大水深峽谷型水庫.四周地勢陡峭,植被茂盛,人類活動(dòng)少,水質(zhì)優(yōu)良,是西安市的主要供水水源地,日平均供水量為80萬m3,占西安市總供水量的70%,其設(shè)計(jì)采用多孔式引水塔取水,共設(shè)上、中、下3個(gè)取水口,其設(shè)計(jì)高程分別為571,554,514.3m.

圖1　金盆水庫采樣點(diǎn)分布Fig.4　Distribution of sampling sites in Jin-pen Reservoir

1.2采樣斷面設(shè)置與分析方法

根據(jù)金盆水庫庫區(qū)及上游的地貌和水動(dòng)力學(xué)特征,沿著“河流區(qū)-過渡區(qū)-主庫區(qū)”［10,13］中泓線上共設(shè)置11個(gè)采樣斷面（圖1）,分別為S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10斷面.其中S0斷面位于河流匯入口,其河道狹窄,坡度較大,水流較快,代表河流區(qū)；S1～S9斷面則分布在過渡區(qū),坡度減少,流速較緩；S10為壩前斷面,水面開闊,水深最深,流速最慢,代表主庫區(qū),同時(shí)也靠近引水塔.從2014年1月開始,對S9和S10進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測,頻率為每周1次,在汛期則對所有采樣斷面進(jìn)行全面監(jiān)測,其頻率最大增加到1天1次,分析水溫、濁度、DO、pH值、TN、TP、TOC等水質(zhì)指標(biāo).由于9月9～16日的降雨量最大且歷時(shí)最長,特對此次降雨過程的水質(zhì)進(jìn)行分析.

各個(gè)斷面采樣深度取表層0.2m以下、底層0.5m以上水體,以 5～10m水深間隔進(jìn)行取樣.水樣采集之后裝入高密度聚乙烯瓶中并立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分裝、加藥、密封冷藏,用于TN、TP、TOC測定.在線監(jiān)測儀器選用美國 HACH Hydro-Lab DS5型水質(zhì)分析儀,用來監(jiān)測水溫、水深、DO、濁度、電導(dǎo)率等指標(biāo)；TP、TN、TOC分別采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法［14］、連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3）、總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行測定,所有樣品的測定均在24h之內(nèi)完成.

2　結(jié)果與討論

2.1研究區(qū)域日降水量分布與水庫水文特征

水庫周邊屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候,全年大氣氣溫變幅較大,年降雨量分布極不均勻,2014年1～12月平均氣溫1.2～27.4℃（表1）.從當(dāng)?shù)厮恼径嗄杲y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,全年降雨量主要分布在7～9月,占全年總降雨量60%左右.從圖2可知,2014年豐水期強(qiáng)降雨主要發(fā)生在8月上旬和9月上旬,總降雨量達(dá)379.6mm,9月汛期歷時(shí)更長（9月 9～16日）,降雨量更大,占整個(gè)豐水期總降雨量 63%.降雨量的月分布不均導(dǎo)致金盆水庫月入流量變化差異顯著,7～9月金盆水庫入流總量為3.18億m3,占全年入流總量的60%.降雨量與水庫入流量變化趨勢基本一致,入流量變化稍微滯后.由于7月持續(xù)高溫干旱天氣,8月短期降雨并未導(dǎo)致徑流量大幅上升,水庫入流量和水位變化也相對較小.9月總降雨量達(dá) 238.1mm,最大日降雨量為54.6mm,相應(yīng)最大入庫流量為576m3/s.為保證西安全年供水量,水庫管理局對水庫出流量進(jìn)行控制,每天基本穩(wěn)定在 12.5m3/s（主要用來對城市供水）,在降雨后第7d水庫水位由高程562m上升至594m,相應(yīng)水庫蓄水量增加9.684×107m3,之后通過泄洪洞進(jìn)行泄洪,確保水庫安全蓄水,水庫水位相應(yīng)維持在正常高水位線左右.

表1　2014年黑河流域氣溫年內(nèi)變化（℃）Table 1　Variation of air temperature in Heihe watershed, 2014 （℃）

圖2　汛期日降雨量分布和水庫水文特征Fig.4　Daily rainfall distribution and hydrological characteristics of reservoir in flood season

2.2汛期入流水體水質(zhì)分析

從表 2可以看出,汛期上游（S0）入流水溫為13.5～15.3℃,與主庫區(qū)（S10）距底部10m水域水溫接近（圖 3）,從而為異重流潛入創(chuàng)造了條件.由于汛期徑流產(chǎn)流過程與大氣直接接觸且紊動(dòng)性較高,入流水體DO為10.2～10.5mg/L,處于當(dāng)?shù)貧夂驐l件下的飽和狀態(tài).汛期入流濁度變化相對較大,在降雨第1d達(dá)最大值282.6NTU,之后逐漸降低,雨后（22日）入流濁度降低至1.9NTU.其他入流水體營養(yǎng)鹽因子變化情況大體一致,在降雨后期各營養(yǎng)鹽濃度降低,總體上明顯高于晴天徑流的營養(yǎng)鹽濃度,這說明降雨徑流能攜帶大量營養(yǎng)鹽進(jìn)入水庫.同時(shí)通過前期的研究［11］表明,汛期上游入流水體中的營養(yǎng)鹽物質(zhì)主要以顆粒態(tài)形式存在,分析發(fā)現(xiàn)濁度與TN、TP、TOC濃度有較好的線性相關(guān)性,R2分別為0.839、0.91、0.742.

汛期徑流水體的污染主要與降雨作用下的土壤侵蝕與養(yǎng)分流失有關(guān),而N、P的流失程度因降雨強(qiáng)度大小和不同土地利用類型存在差異.孔燕等［15］發(fā)現(xiàn)滇池流域磷流失量磷礦開采區(qū)＞林地＞臺(tái)地,馬琨等［16］采用人工模擬降雨裝置對紅壤坡地養(yǎng)分流失特征進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明土壤養(yǎng)分流失量與雨強(qiáng)及泥沙流失量呈正相關(guān)關(guān)系.金盆水庫上游集水流域位于秦嶺,土地利用類型為林地,無礦區(qū)存在,森林覆蓋率強(qiáng),對水土保持有良好的涵養(yǎng)功能,所以N、P的流失主要由雨強(qiáng)決定, 9月份強(qiáng)降雨導(dǎo)致的徑流污染嚴(yán)重,9月9日徑流水體的TN、TP超過國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）第Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn).

表2　9月強(qiáng)降雨過程S0斷面水質(zhì)變化Table 1　Variations of water quality at S0 during high runoff period in September

2.3水庫季節(jié)性熱分層結(jié)構(gòu)及汛期徑流影響

從圖3可以看出,主庫區(qū)（S10）水溫月際變化差異顯著.其中水庫表層水體水溫變化幅度相對較大并且呈季節(jié)性變化,夏高冬低,與當(dāng)?shù)貧鉁刈兓厔莼疽恢拢ū?）,最低溫度出現(xiàn)在2月中旬,最高氣溫出現(xiàn)在7月底.底部水體變化幅度極小, 在5～11℃之間波動(dòng).3月大氣氣溫開始回升,外界與表層水體熱傳遞作用導(dǎo)致上層水溫迅速上升,底層水溫增溫較慢,水深 10～15m水域形成明顯的溫躍層,水庫從同溫混合期向分層形成期過渡.隨著外界氣溫不斷上升,上部水體垂向熱傳遞速率加快,溫躍層向下遷移.5月次躍溫層在距水庫表層15～20m水域形成,至此,“雙溫躍層”水溫分層模式基本形成,在持續(xù)高溫天氣作用下溫躍層繼續(xù)向下遷移.由于8月的降雨過程降雨量小、降雨歷時(shí)短,入流量改變并不明顯,水庫水溫變化影響較小.直到9月上旬,持續(xù)強(qiáng)降雨過程顯著地改變了入流條件,水體紊動(dòng)性迅速增強(qiáng),入流量最大高達(dá)576m3/s,入流水溫為13.5～15.3℃.這次降雨徑流主要以異重流形式潛入中下部水體,潛入水體與周圍水團(tuán)的熱交換使得表層水溫降低,底層水溫升高,上下溫差降低至 7.8℃；動(dòng)能轉(zhuǎn)化作用使得壩前發(fā)生雍水,水位急劇升高（勢能增加）.此次降雨極大程度上改變了水體的水動(dòng)力特征和熱分層穩(wěn)定結(jié)構(gòu),下溫躍層迅速消亡,上部次溫躍層溫度梯度減小.10月開始,在外界氣候變化（氣溫下降）和風(fēng)浪攪混的推動(dòng)下,水體向分層消亡期過渡,12月上下水溫基本達(dá)到均一.

圖3　主庫區(qū)S10斷面水溫垂向變化Fig.4　Vertical variations of water temperature at S10

由此可見,年內(nèi)氣溫變化是導(dǎo)致金盆水庫季節(jié)性分層—失穩(wěn)的關(guān)鍵性因素,而汛期持續(xù)降雨徑流的潛入造成水體熱分層穩(wěn)定強(qiáng)度減弱.趙林林等［17］研究發(fā)現(xiàn),影響水溫分層的因素包含：太陽輻射、氣溫、風(fēng)速、水密度和比熱、藻華堆積等,氣溫的急劇變化影響表層水溫,最終引起太湖水體出現(xiàn)垂向分層.劉明亮等［18］得到千島湖氣溫與表層水溫存在顯著的線性相關(guān),而與下層水溫沒有顯著相關(guān)性.夏品華等［19］研究發(fā)現(xiàn)秋季突然降溫導(dǎo)致的水體分層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引發(fā)了紅楓湖水庫出現(xiàn)季節(jié)性水質(zhì)惡化事件.另外有研究［4］表明,水力條件變化（入流與出流）能對水庫熱分層產(chǎn)生影響.金盆水庫上游平時(shí)來水量較少,但在汛期金盆上游來水量急劇增加,水流紊動(dòng)性極強(qiáng),加上水庫進(jìn)行泄洪,入流和出流量的急劇變化勢必在一定程度上對水體熱分層結(jié)構(gòu)造成破壞,弱化水體熱分層的穩(wěn)定性.

2.4汛期濁度變化及異重流的演變

汛期水體最直觀的變化就是濁度顯著升高.正常徑流條件下,水庫入流濁度很?。ǎ?NTU）［20］.汛期入流濁度明顯升高,9月 9日入流量為576m3/s,河流匯入口斷面（S0）入流濁度也達(dá)最大值282.6NTU,之后逐漸降低,9月12日和16日入流濁度分別為152.4,55.5NTU（表2）.由于分層期主庫區(qū)不同水層存在明顯的密度差異性,降雨徑流一般以異重流形式潛入水庫水體,而濁度變化特征能直觀表征水流流場的變化,進(jìn)而確定異重流的水動(dòng)力學(xué)時(shí)空演變規(guī)律, Chung等［7］利用懸浮物固體濃度與濁度的相關(guān)性對濁度異重流進(jìn)行模擬.從圖4a中清渾水界面變化分析可知,9月9日密度異重流從S5斷面底部開始以潛流形式行進(jìn),S5～S9斷面下層水體濁度顯著升高,最后在S9斷面與河床分離,以間層流形式潛入壩前斷面（S10）距底部15～30m水深處,在潛入水團(tuán)上下形成2個(gè)明顯的清渾水界面.由于在異重流行進(jìn)過程中大顆粒物質(zhì)的沉淀和周圍水體的對流稀釋作用,異重流的濁度沿程降低,最終潛入壩前斷面水深處的濁度峰值為140NTU.9月12日和16日（圖4b、c）異重流的水動(dòng)力學(xué)特征與9日基本吻合,但由于高濁水的持續(xù)匯入、對流摻混和水位的急劇上漲,其清渾水界面開始向上層遷移,這表明異重流的潛入深度向上部水體轉(zhuǎn)移.從S10斷面的濁度隨時(shí)間變化可知,此次降雨徑流對主庫區(qū)濁度的影響深度主要分布在表層10m以下、底部10m以上水域,影響時(shí)間較長,9月28日（圖4d）濁度下降到 30NTU,比降雨前（9月 6號(hào)為5.1NTU）增加了近5倍.

圖4　9月強(qiáng)降雨前、中、后沿程濁度變化Fig.4　Vertical variation of turbidity along the sampling sites before, during and after high runoff period in September

不同的入流條件（水溫、流速、懸移質(zhì)分布濃度等） 和受納庫區(qū)水體條件（庫區(qū)幾何特征、水溫分布、泥沙分布情況等） 的共同作用,密度流呈現(xiàn)不同的流動(dòng)形式［21］.分層水庫中出現(xiàn)間層流現(xiàn)象在其他水庫也常有發(fā)生［8,22］,目前已有實(shí)驗(yàn)室人工模擬對現(xiàn)場異重流的流態(tài)形式進(jìn)行研究.如任實(shí)等［23］采用水槽試驗(yàn)表明,溫度分層是水庫密度流能夠形成間層流運(yùn)動(dòng)的前提條件,而間層流厚度均隨著溫度分層強(qiáng)度的增大而減??；張小峰等［24］采用概化模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),溫躍層密度梯度越大,異重流分離點(diǎn)深度越小,間層流厚度也減小.從上分析可知,汛期金盆水庫在過渡區(qū)以潛流向主庫區(qū)間層流過渡,潛入初期（9月9日）間層流厚度達(dá)20m,之后間層流向上層水體遷移,由于濁度異重流的不斷潛入,主庫區(qū)中層水體濁度整體上升,難以判斷間層流厚度的變化規(guī)律.降雨徑流形成的異重流基本處于混合狀態(tài),但在異重流潛入之前,水庫水體處于穩(wěn)定垂向分層結(jié)構(gòu),進(jìn)而為異重流的潛入提供了可能.異重流的形成是由水體密度差導(dǎo)致,金盆水庫上游河道段徑流水體密度主要與溫度和濁度有關(guān),水溫的大小主要取決于氣溫,濁度大小則取決于泥沙含量,兩者對異重流的貢獻(xiàn)程度差異還有待進(jìn)一步研究.

2.5汛期營養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指標(biāo)的變化

2.5.1 DO變化 在考慮大氣自然復(fù)氧的單因素條件下,水深越大,溶解氧越低［25］.雨前水體處于穩(wěn)定分層期,9月1日（圖5a）主庫區(qū)（S10）底部出現(xiàn)12m高的厭氧層厚度（＜2mg/L）.從9日（圖5b）降雨開始,由于降雨形成的富氧徑流潛入,主庫區(qū)距底部10m處DO開始出現(xiàn)增大趨勢,并且隨著徑流的不斷潛入這種增大趨勢逐漸延伸到表層10m,最終使得表層10m以下、底部10m以上深度水體中的DO穩(wěn)定在9.3mg/L左右（圖5e）,比汛期前增加了近3.1mg/L,同時(shí)底部厭氧層高度也從12m降低至8m.造成這種變化趨勢的原因主要是富氧徑流在壩前斷面以間層流形式潛入,并與中上部周圍水體進(jìn)行摻混、傳質(zhì),底部受邊界限制形成死水區(qū),其紊動(dòng)性較弱,傳質(zhì)速度相對緩慢,影響作用相對較小.受異重流潛入方式的不同,S9斷面DO的變化有所差異,降雨徑流直接潛入該斷面底部導(dǎo)致DO迅速升高（圖5b）,S9斷面底部直接由厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚鯛顟B(tài).

張?jiān)屏值龋?6］發(fā)現(xiàn),千島湖DO與水體熱分層結(jié)構(gòu)密切相關(guān).雨后異重流潛入能導(dǎo)致熱分層減弱,在水體對流作用下,表層水體DO更容易向底層轉(zhuǎn)移,但是此次降雨并未完全打破水體分層,與徑流潛入直接復(fù)氧相比,上下水體對流傳質(zhì)復(fù)氧極慢,所以徑流導(dǎo)致的水體熱分層弱化對下層水體DO影響不明顯.汛期高DO徑流的潛入一方面能對水體進(jìn)行復(fù)氧,同時(shí)帶入的大量懸浮物有機(jī)質(zhì)能大量耗氧［11］.9月9日（圖5b）S9斷面底部DO從厭氧直接升至9mg/L,9月10日（圖5c）又降至厭氧狀態(tài),9月12日（圖5d）又開始升高,S9斷面 DO的這種動(dòng)態(tài)變化主要是由異重流潛入增氧和有機(jī)質(zhì)耗氧的綜合作用的結(jié)果.

圖5　9月強(qiáng)降雨前、中、后S9、S10斷面DO垂向變化Fig.4　Vertical variations of DO at S9, S10 before, during and after high runoff period in September

2.5.2TOC變化 在水處理過程中,水中的有機(jī)物能與各類消毒劑作用生成消毒副產(chǎn)物,對人體健康造成危害,美國環(huán)保局在《消毒劑和消毒副產(chǎn)物規(guī)定》中明確了總有機(jī)碳的相關(guān)指標(biāo)［27］.水庫周邊秦嶺山中常年植被茂盛,然而受8月高溫干旱天氣影響,山中大量植被枯死腐敗,產(chǎn)生大量腐殖質(zhì)和遺留殘骸.9月 9日在降雨濺蝕及地表徑流沖刷作用下,這些有機(jī)質(zhì)隨水流匯集,9月9日上游入流TOC含量高達(dá)6.59mg/L（表2）,之后逐漸降低,但總體上均高于主庫區(qū) TOC濃度.雨后（22日）入流TOC含量只有3.34mg/L,低于主庫區(qū).從圖 6可以看出,由于有機(jī)質(zhì)的不斷積累,總體上主庫區(qū)TOC含量呈現(xiàn)上升趨勢,到15日達(dá)最大值4.9mg/L.雨后TOC濃度開始下降,在水體的緩沖自凈能力下 TOC含量減少到 4.4mg/ L（22日）,與雨前相比增加了1.3mg/L.受徑流潛入影響,水體 TOC垂向變化差異顯著,其中主庫區(qū)中層水體 TOC變化最為明顯,表層和底層次之,這種現(xiàn)象與前面所討論的攜帶大量有機(jī)物徑流的潛入深度相對應(yīng),但在雨后由于顆粒態(tài)有機(jī)物的沉淀作用,表層水體中的TOC濃度顯著降低.

圖6　9月強(qiáng)降雨前、中、后S10斷面TOC變化Fig.4　Variations of TOC at S10 before, during and after high runoff period in September

2.5.3TN變化 從表 2可以看出,汛期上游入流TN濃度變化較小,9月9、11、16日TN濃度分別為2.99,2.73,2.42mg/L.主庫區(qū)TN濃度出現(xiàn)2個(gè)峰值（圖 7a）,9月 10日出現(xiàn)第 1個(gè)峰值1.63mg/L,這主要是早期降雨徑流滯后作用導(dǎo)致,之后由于含氮顆粒物沉降作用,TN濃度下降.9 月15日TN濃度再次升高,22日達(dá)到第2個(gè)峰值1.50mg/L,這是由于降雨徑流潛入導(dǎo)致中、底層水溫升高,微生物活性增大,沉入底部的含氮有機(jī)物的礦化分解速率加快［25］,此時(shí)底層水體 TN濃度相應(yīng)顯著增加.主庫區(qū)垂向表、中、底3層水體中的 TN濃度變化趨勢與總體水平的變化趨勢基本一致.降雨早期底層和中層水體中的 TN濃度明顯大于表層水體,這是異重流潛入的結(jié)果；降雨后期由于水體分層遭到破壞,上下水體的對流擴(kuò)散速率加快,三者基本保持同步變化.

圖7　9月強(qiáng)降雨前、中、后S10斷面TN、TP變化Fig.4　Variations of TN, TP at S10 before, during and after high runoff period in September

2.5.4TP變化 上游入流 TP濃度為 0.051～0.110mg/L（表2）,其中9月10日最高.主庫區(qū)TP濃度變化規(guī)律總體上與 TN相似,由于含磷顆粒態(tài)物質(zhì)隨異重流的不斷匯入,總體 TP濃度逐漸升高,11日達(dá)最大值0.030mg/L（圖7b）.12日開始上游入流 TP濃度下降,再加上含磷顆粒物的吸附、沉淀導(dǎo)致TP濃度顯著減少.15日開始由于徑流潛入導(dǎo)致底層水環(huán)境改變,特別是水溫明顯升高,底泥生物和化學(xué)釋磷作用增強(qiáng)［28-29］,底層水體中TP開始升高,22日底部水體中的電導(dǎo)率高達(dá) 211μS/cm,顯著高于上部水體.雨前由于溫躍層的存在,水庫水體總體處于一個(gè)熱分層穩(wěn)定狀態(tài),其底部長期厭氧條件使得主庫區(qū)底層的 TP濃度明顯大于表層和中層水體（9月1日）.9月9日開始受密度異重流影響中層水體TP濃度顯著升高,11日TP濃度高達(dá)0.052mg/L,均高于表層和底層；降雨后期隨著密度異重流與水庫水體上下對流摻混,上中下三層水體中的 TP差值減小并同步變化,其變化趨勢與總體水平保持一致.

從上分析可知,受徑流異重流潛入影響,不同降雨歷時(shí)上、中、下水層TN、TP、TOC出現(xiàn)不同響應(yīng),其中中下層變化較為顯著,呈雙峰式分布.異重流對主庫區(qū)營養(yǎng)鹽的影響主要表現(xiàn)在顆粒態(tài)污染物的帶入和水環(huán)境系統(tǒng)的變化.如晏維金等［30］通過模擬降雨徑流實(shí)驗(yàn)得出,徑流流失的沉積物主要以 0.25mm以下的團(tuán)聚體為主,徑流中80%以上的磷以顆粒態(tài)形式流失；梁秀娟等［31］研究發(fā)現(xiàn),降雨條件導(dǎo)致密云水庫下層水體總氮短期上升；劉凱等［32］認(rèn)為,水文狀況（DO、溫度、pH值、水體擾動(dòng)強(qiáng)度、表層沉積物物理、化學(xué)和生物作用等的改變）是影響沉積物磷含量、形態(tài)和組成的重要因素.金盆水庫汛期徑流異重流潛入后不僅帶入了大量顆粒態(tài)污染物和泥沙,而且使得中下層水溫升高,底層水體擾動(dòng)性加強(qiáng),加上間層流流態(tài)方式未能改變主庫區(qū)底部的厭氧狀態(tài),雨后水體中有機(jī)質(zhì)大量分解,底泥污染物釋放加快,造成底層污染物濃度再次上升.

2.6汛期高濁水的控制措施

汛期在降雨沖刷和徑流侵蝕作用下,上游入流營養(yǎng)鹽和有機(jī)物含量顯著增加,尤其在降雨早期,其情況更加突出.大量營養(yǎng)鹽隨徑流的匯入直接為藻類的生長、繁殖提供條件,加快水庫的富營養(yǎng)化過程,導(dǎo)致水庫水體進(jìn)一步惡化.為了減少汛期上游污染物的匯集,可以在水庫周邊及上游流域進(jìn)行植樹造林,提高森林覆蓋率,減少地表水土流失,涵養(yǎng)水源,減少自然污染物匯入.但金盆水庫上游集水流域多為林區(qū),森林覆蓋率已較高,而且植被的涵養(yǎng)水源功能有限,所以植樹造林并不能完全解決降雨徑流污染問題.汛期突發(fā)性高營養(yǎng)鹽和大量泥沙的匯入既嚴(yán)重影響西安飲用水供水水質(zhì)安全,極大增加水處理工藝沖擊負(fù)荷,又造成水庫泥沙淤積,加大內(nèi)源污染負(fù)荷,此時(shí)必須提出一個(gè)有效的應(yīng)對方案,其建議控制措施如下：1）分層取水；汛期可對多孔式取水塔進(jìn)行調(diào)度,取上層濁度較低的源水；2）排濁蓄清；平時(shí)控制引水流量,蓄積優(yōu)良水源,汛期通過泄洪洞對濁度異重流進(jìn)行排放,減少外源污染物匯入,以達(dá)到排濁蓄清的目的.分層取水措施雖然應(yīng)具有運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn),但分層取水不能徹底解水體污染問題,只能作為一個(gè)緩沖手段.排濁蓄清方案運(yùn)行簡易,在極大程度上能減少泥沙和營養(yǎng)鹽的匯聚,降低外源污染負(fù)荷,有效改善水質(zhì).

3　結(jié)論

3.1受當(dāng)?shù)貧鉁赜绊?西安金盆水庫表層水溫全年波動(dòng)較大,金盆水庫作為大水深峽谷型水庫,其底層水溫穩(wěn)定在5～11℃,導(dǎo)致水體出現(xiàn)季節(jié)性熱分層現(xiàn)象.

3.2汛期水庫入流條件（水溫,入流量）顯著改變,降雨徑流在一定程度上降低了垂向水溫差異,水體的紊動(dòng)性提高,上下水體對流作用增強(qiáng),下溫躍層迅速消失,次溫躍層溫度梯度減小,水庫自然混合過程加快.

3.3汛期密度異重流在過渡區(qū)下潛到水庫底部,以潛流方式前行,直至主庫區(qū),在水團(tuán)密度相同的水深處以間層流流態(tài)方式潛入,并與周圍水團(tuán)摻混.隨著高濁水的不斷潛入、摻混,主庫區(qū)不同水層的密度發(fā)生改變,異重流的潛入深度向上部水體遷移.暴雨徑流形成的異重流對主庫區(qū)的影響深度在距底部10m至距表層10m范圍,此水域中的營養(yǎng)鹽濃度和濁度顯著升高.

3.4富氧異重流的潛入改變了底層水體DO分布.因異重流的潛入方式的不同而存在差異,在潛流處（過渡區(qū)）底部水體的厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚鯛顟B(tài),在間層流處（主庫區(qū)）底部厭氧層厚度減小.

3.5汛期在雨水濺蝕和地表徑流侵蝕作用下,大量顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽和有機(jī)物以徑流為載體進(jìn)入水庫水體,水質(zhì)階段性惡化.隨著顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽物質(zhì)和泥沙的沉降,水體中各營養(yǎng)鹽和TOC濃度出現(xiàn)下降趨勢.由于暴雨徑流形成的異重流潛入導(dǎo)致底層水溫升高,微生物活性增強(qiáng),耗氧速率加快,富集到底部沉積物中的營養(yǎng)鹽物質(zhì)再次釋放,水質(zhì)進(jìn)一步惡化,增大了內(nèi)源污染釋放風(fēng)險(xiǎn).

3.6 應(yīng)對汛期高濁、富營養(yǎng)鹽徑流匯入導(dǎo)致的水質(zhì)污染情況,水庫管理局可進(jìn)行分層取水調(diào)度和通過泄洪洞對異重流進(jìn)行排放,最大限度規(guī)避暴雨徑流對水庫水質(zhì)帶來的風(fēng)險(xiǎn).

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致謝：感謝黑河金盆水庫管理局提供的部分水庫數(shù)據(jù).

Water-quality responses of the intrusion of high-turbidity runoff to the thermal stratified Jin-pen Reservoir during flood season.

ZENG Kang, HUANG Ting-lin*, MA Wei-xing, ZHOU Zi-zhen, LI Yang （School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2778～2786

To explore the intrusion pattern of rainfall runoff and the corresponding water-quality response, vertical water-quality monitoring in Jin-pen Reservoir of Xi'an City in China was implemented daily in the flood season. The results show that the seasonal thermal stratification occurs in the reservoir due to the change of air temperature. Storm runoff events in flood season damaged the structure of thermocline in the lower layer and weakened the stability of thermal stratification. Rainfall runoff, containing a large amount of particulate nutrients and sediments, entered the reservoir in the form of density current, which changed from underflow to interflow between transition zones and lacustrine zones, and the thickness of interflow was 20m during the early period of current intrusion. The concentrations of TP, TN, TOC increased significantly due to the intrusion of density currents in the middle and lower of water, with the highest concentration of TN, TP, TOC and turbidity was 0.2, 2, 0.6 and 16times higher than that in normal condition, resulting in serious water body pollution in short time. The decomposition rate of particulate pollutants settled in sediments increased due to the intrusion of higher temperature water in bottom, leading to a continuous increase of the endogenous nutrient loads in the reservoir, i.e., the concentration of TN, TP, TOC in bottom water was up to 1.88mg/L, 0.05mg/L, 4.6mg/L, respectively. Managers can take water from different layers of the reservoir and discharge high-turbidity current to ensure drinking water quality in flood season.

nutrients；turbidity；density current；thermal stratification；endogenous nutrient load

X524

A

1000-6923（2015）09-2778-09

2015-02-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478378,50830303）

*責(zé)任作者, 教授, huangtinglin@xauat.edu.cn

曾 康（1991-）,男,湖南湘潭人,西安建筑科技大學(xué)碩士研究生,主要從事水資源保護(hù)與水質(zhì)控制方面研究.