張 晨,宋迪迪,廉鐵輝
(1:天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300350)(2:天津市引灤工程于橋水庫管理處,天津 301900)
引調(diào)水工程是解決水資源時空分布不均、緩解資源性缺水問題、優(yōu)化水資源配置的重要舉措[1]. 在跨流域引水系統(tǒng)中,調(diào)蓄湖庫一定程度上能夠緩解水資源供需矛盾,但其供水水質(zhì)也會受到引調(diào)水、當?shù)氐乇硭炔煌瑏硭挠绊慬2]. 總磷(TP)是調(diào)蓄湖庫水質(zhì)優(yōu)劣的顯著性指示指標[3-4],與湖庫水生態(tài)之間有著密切聯(lián)系,弄清哪些因素影響湖庫磷滯留量是保障供水水質(zhì)安全的前提. 前人研究成果分析了外部營養(yǎng)負荷、單位面積磷負荷率、單位面積水力負荷、平均湖深、水力停留時間、沖刷率等一系列因素對磷滯留的影響[5-7]. Vollenweider模型[8-10]是眾多學者針對這一問題得到的典型成果,該模型基于湖泊總磷負荷質(zhì)量平衡原理,提供了一種基于湖庫形態(tài)測量和水力數(shù)據(jù)預測湖泊水體磷滯留的工具. 模型指出外部TP負荷、水力停留時間、沖刷率是磷滯留的重要影響因子[3]. 后續(xù)研究證實了該觀點,外部營養(yǎng)負荷決定了湖泊的總體水質(zhì),但沉積物對磷的內(nèi)部循環(huán)起著核心作用[11-12]. 水力停留時間通過流動的快慢影響營養(yǎng)物和有機物的供應和流失,沖刷率為水力停留時間的倒數(shù)[13],它們影響湖庫中TP濃度[3,14]. 一般認為,湖泊的水力停留時間越長、沖刷率越小,將有更多的磷滯留,湖水TP濃度越低[15-16]. 反之,在一些調(diào)蓄水庫中,水力停留時間較短(沖刷率較大),磷往往未參與內(nèi)部循環(huán)便被帶出. 但是,Wu等[17]對太湖、巢湖和鄱陽湖研究發(fā)現(xiàn),預測TP濃度隨著水力停留時間的增加(沖刷率的減少)而升高,這是因為沉積物中的磷還原釋放到水中導致TP濃度升高.
“引灤入津”工程是我國早期建成的大型跨流域調(diào)水工程,解決了天津城市生活及工業(yè)用水需求. 南水北調(diào)通水前,于橋水庫是天津市唯一飲用水水源地,也是“引灤入津”工程的重要調(diào)蓄水庫,年均受納灤河水系引水5.4億m3(2001-2014年). 2014年底,南水北調(diào)中線一期工程通水后,天津市的水源結構發(fā)生變化,主要飲用水源從灤河水變?yōu)殚L江水(引江水不調(diào)入于橋水庫). 引水結構的變化導致外調(diào)灤河水的需求發(fā)生改變,進而影響于橋水庫受納引水量. 對于橋水庫而言,引水量的變化影響外部營養(yǎng)負荷的改變,水庫運行方式和出入庫流量的變化也影響水庫TP濃度. 已有研究表明,于橋水庫處于中貧營養(yǎng)水平、沉水植物為主的清水狀態(tài),但沉水植物物種單一,清水穩(wěn)態(tài)易發(fā)生轉(zhuǎn)變(破壞)[18-19]. 同時,根據(jù)監(jiān)測結果,水庫TP濃度自2013年之后有升高趨勢,若一旦超過清水轉(zhuǎn)換閾值將突變?yōu)樵逍蜐崴疇顟B(tài)[20],修復富營養(yǎng)化將十分困難. 最新成果表明,城市的用水需求、引水量、土地利用和氣候變化均將深刻影響于橋水庫的水質(zhì)狀況[21]. 綜上,在關注于橋水庫TP濃度時,弄清引水結構變化引起的入庫水量、外部TP負荷、水力停留時間改變對磷滯留的影響機制是重要科學問題.
本研究基于于橋水庫2001-2018年實測資料,利用Vollenweider模型計算TP濃度動態(tài)過程,分析入庫水量、外部TP負荷、水力停留時間三個因素對南水北調(diào)通水前后水庫磷滯留量的影響,并進一步估算雙水源新情勢下的生態(tài)水量,為保持于橋水庫中貧營養(yǎng)狀態(tài)提供科學的運行管理建議.
于橋水庫(40°00′~40°04′N,117°26′~ 117°37′E)位于天津市薊州區(qū)城東4 km處,自1983年“引灤入津”輸水工程通水后,是天津市人民生活飲用及工農(nóng)業(yè)用水的主要水源地,也是“引灤入津”輸水工程的重要調(diào)蓄水庫[22]. 控制流域面積2060 km2,占整個州河流域面積的96%,圖1所示. 最大回水長東西約30 km,南北寬8 km,最大淹沒面積250 km2,正常蓄水位21.16 m時淹沒面積86.8 km2[23],汛限水位19.87 m,死水位15 m. 淺水庫,平均水深4.6 m,總庫容15.59億m3. 水庫控制流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L性半濕潤氣候,境內(nèi)雨量充沛,多年平均降水量為748.5 mm,主要集中在6-9月,水庫多年平均徑流量5.06億m3[24-25]. 于橋水庫是一座典型的山谷與平原過渡的水庫[26],庫區(qū)南岸地勢陡峭受原河道深泓控制水深大,北岸地勢則相對平坦水深淺[27]. 由沙河、淋河、黎河三大支流匯合而成,其中黎河為引灤輸水通道,與沙河匯流果河后隨果河匯入于橋水庫.
圖1 于橋水庫流域及水文監(jiān)測站Fig.1 Yuqiao Reservoir basin and monitoring stations
1.2.1 水量 黎河逐日總水量來源于前毛莊監(jiān)測站,為黎河自產(chǎn)水量與引水量之和,2001-2018年平均徑流量為5.65億m3,引水量為4.79億m3. 沙河逐日流量來源于水平口監(jiān)測站,為自產(chǎn)水量,平均徑流量為0.95億m3;淋河逐日水量來源于龍門口(2012-2018年為淋河橋站)監(jiān)測站,平均徑流量0.16億m3,由于入庫水量遠小于黎河和沙河,且年內(nèi)常處于斷流狀態(tài),故本研究中忽略淋河. 果河水量即入庫水量WIN,為黎河與沙河水量之和,多年平均徑流量為6.60億m3.
1.2.2 TP負荷 各監(jiān)測點TP濃度逐月數(shù)據(jù)源自水庫管理部門. 沙河水質(zhì)取樣點位于沙河橋,2001-2018年TP濃度平均值89.5 μg/L;入庫TP濃度TPIN取樣點位于沙河、黎河匯流后的果河橋,平均濃度201 μg/L;黎河TP濃度根據(jù)磷質(zhì)量平衡反算得出;庫區(qū)TP濃度TPL由TPIN計算得到,詳見下文公式(3),年均值36.8 μg/L. 沙河、入庫、黎河、出庫各點TP負荷由水量與濃度計算得到.
1.2.3 數(shù)據(jù)處理 沙河、黎河2013-2018非汛期部分月份缺失的水量數(shù)據(jù)由皮爾遜III型曲線插值確定,再根據(jù)水量平衡,結合已有的引水數(shù)據(jù)對不合理插值結果進行修正,修正后月數(shù)據(jù)累加后得到的年水量與水資源公報中年水量相對誤差為4%.
Vollenweider模型用于預測已知營養(yǎng)負荷輸入和水力停留時間的湖泊營養(yǎng)濃度,已被廣泛用于估算湖泊和水庫中的TP濃度,數(shù)學表達式為[7]:
(1)
式中,TPL代表水庫TP濃度(庫心測點),μg/L;L表示總磷的單位面積負荷率,單位mg/(m2·s),由入庫總磷負荷TPLIN除以庫區(qū)面積A得到,t/a;其中,TPLIN等于入庫流量Q與入庫總磷濃度TPIN的乘積;H為平均水深,單位m;Sr為沖刷率,a-1,等于入庫流量Q比庫容V;σ為沉降率,代表湖泊磷流失的一階速率系數(shù),a-1. 以入庫總磷濃度表示,式(1)化為:
TPL=TPIN/(1+στ)
(2)
式中,τ為水力停留時間,等于V/Q,a; 根據(jù)Brett和Benjamin[3]研究成果,本文假設σ=aτb,其中a代表湖內(nèi)磷衰減的無量綱參數(shù),b代表通過水文沖刷輸出磷的無量綱參數(shù),兩個參數(shù)由式(3)和實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計回歸求得(見下文).
TPL=TPIN/(1+aτb+1)
(3)
營養(yǎng)物質(zhì)進入水體受生物、物理及化學過程的影響而截留或通過形態(tài)轉(zhuǎn)化損失,從而影響物質(zhì)向下游的輸送通量,這些過程廣義上被稱為“滯留作用”[28-29]. 沉積物中磷的滯留量常由以下質(zhì)量平衡的差值計算得出:磷滯留量=磷總負荷-磷損失量-磷轉(zhuǎn)換量[30]. 由于磷損失和磷轉(zhuǎn)換均發(fā)生在水庫內(nèi)部,大部分成為內(nèi)部負荷,結合Vollenweider模型,故本文將磷損失量及轉(zhuǎn)換量一同視作滯留量,并用RP表示,定義為:
RP=TPLIN-TPLOUT
(4)
式中,TPLOUT表示出庫TP負荷(t/a). 在湖庫混合良好,處于穩(wěn)定狀態(tài)的假設條件下,出庫TP濃度TPOUT等于TPL[10],TPLOUT計算為出庫流量與式(3)算得的庫心TP濃度TPL的乘積. 滯留率為RP與TPLIN的比值(%).
2.1.1 入庫水量WIN變化 從WIN年際變化來看,由圖2(a)可知,2001-2014年,南水北調(diào)通水前,WIN年均值6.88億m3,其中流域自產(chǎn)水量1.51億m3,引水量5.37億m3. 2001-2005年WIN相對較少,2006-2013年略有增加,但波動幅度較小,直至2014年引水量大幅提高,WIN達到峰值11.08億m3. 2014年南水北調(diào)通水后,WIN年均值為5.16億m3,其中自產(chǎn)水量2.39億m3,引水量2.77億m3,且2016年WIN為歷年最低,僅有3.04億m3. 對比南水北調(diào)通水前后,年均WIN減少了1.72億m3,其中,引水量減少2.6億m3是導致WIN大幅減少的主要原因. 由此表明,引水結構變化致使于橋水庫調(diào)水需求發(fā)生改變,入庫水量劇減.
圖2 2001-2018年于橋水庫入庫水量Fig.2 Inflow volume flow into Yuqiao Reservoir during 2001-2018
WIN來源比例方面,如圖2b所示,2001-2014年,南水北調(diào)通水前,沙河、黎河自產(chǎn)水分別占總水量的11%和10%,引水比重較大,約為79%. 南水北調(diào)通水后,沙河、黎河自產(chǎn)水分別占總水量的29%和15%,而引水比重顯著下降為56%. 南水北調(diào)通水前后,沙河、黎河自產(chǎn)水比重分別提高18%和5%,引水比重顯著下降23%. 水量來源方面發(fā)生變化,沙河自產(chǎn)水對水庫來水的貢獻增加.
進一步分析引水期和非引水期WIN變化,如圖2(c)所示,引水期WIN年均值為5.53億m3,引水量4.79億m3,沙河水量0.44億m3,黎河水量0.30億m3. 其中,2004年水量略少. 非引水期,WIN年均值僅為0.97億m3,不足引水期1/5,沙河水量0.48億m3,黎河水量0.49億m3,二者持平. 值得注意的是,2012年沙河水量遠超黎河,為歷年最大,達到1.89億m3. 對比引水期與非引水期,沙河水量始終在0.45億m3左右. 非引水期黎河來水平均占比51%,沙河49%;引水期和非引水期黎河自產(chǎn)水和沙河比重基本持平(圖2d). 入庫自產(chǎn)水量方面,引水期與非引水期沙河自產(chǎn)水量無顯著變化,而黎河非引水期自產(chǎn)水量增加了63%.
2.1.2 入庫總磷負荷TPLIN變化 由圖3(a)可知,南水北調(diào)通水前,TPLIN年際變化相對平緩,整體水平較低,年均值為111.42 t/a. 2004年出現(xiàn)第一個小高峰達到154.70 t/a,2008年降到歷年最低42.65 t/a后便逐年上升,并于2014年達到最高峰249.61 t/a. 南水北調(diào)通水后,波動較為劇烈,年均值上升至163.26 t/a,較通水前增加了51.84 t/a. 其中2016年達到歷年最高254.85 t/a,2017年又驟降為55.91 t/a. 引水TP負荷與TPLIN類似,于2008、2014年分別達到南水北調(diào)通水前最小值和最大值,2016年達到通水后峰值,2017年又大幅降低. 由此可見,引水TP負荷是影響TPLIN的主要因素. 為探討引水TP負荷對TPLIN的影響程度,對引水期和非引水期TP負荷進行對比,如圖3(b)所示. 引水期年際變化較非引水期劇烈,年均TPLIN為102.45 t/a,占入庫TP負荷的83%. 進一步分析自產(chǎn)水TP負荷,引水期自產(chǎn)水TP負荷年均僅為11.54 t/a,占引水期TPLIN的5%,非引水期為20.44 t/a. 從全年角度來看,TPLIN的74%來源于引水,36%來源于自產(chǎn)水. 可見,本流域內(nèi)的自產(chǎn)水攜帶的TP負荷相對較少,外流域引水攜帶的TP負荷是TPLIN的主要來源.
圖3 2001-2018年于橋水庫入庫總磷負荷Fig.3 Total phosphorus loadings flow into Yuqiao Reservoir (TPLIN) during 2001-2018
于橋水庫引水期一般分為汛前和汛后兩個時段,大部分年份于4-6和9-12月引水,共持續(xù)5~6個月. 結合引水情況分析,2004、2016年均為枯水年,但引水期較短(不足4個月),短時間高水量導致河床底質(zhì)擾動增強[31],加劇了枯水年河流中的TP濃度,故導致TP負荷較大. 2017年僅8月份引水,上游潘家口水庫、大黑汀水庫采取了清除網(wǎng)箱養(yǎng)魚等措施,TP濃度大幅減少,有效降低了TP負荷. 除上述原因造成通水后年均TP負荷仍然較大外,綜合圖2(a)和圖3(a),筆者發(fā)現(xiàn)入庫水量的減少并未使TP負荷減少,入庫水量和TP負荷的關系是怎樣的?
圖4 入庫水量與入庫總磷負荷關系Fig.4 Relationship between inflow and total phosphorus loadings
為進一步研究入庫水量與TPLIN的關系,對二者進行回歸分析,如圖4所示,發(fā)現(xiàn)TPLIN隨WIN呈先降低后升高的趨勢. 當WIN較小時,如小于6億m3,入庫水量對TP的稀釋作用較為顯著,隨著水量增加入庫TP負荷減少,即外流域引水稀釋本流域TP負荷的作用較攜帶TP更為突出;當WIN大于6億m3,引水攜帶TP負荷造成兩者顯著正相關. 同時,圖4回答了前述問題,南水北調(diào)通水后年均入庫水量為5.16億m3,TP負荷隨水量減少而增加. 雖然該種關系受水庫水環(huán)境管理措施和年尺度統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響,在個別年份具有一定的不確定性,但整體趨勢如上所述.
2.2.1沉降系數(shù)a、b確定 Larsen和Mercier[32]發(fā)現(xiàn)將磷沉降模擬為水力停留時間τ的函數(shù)σ=aτb時預測TPL與實測TPL擬合度最高. 隨后學者們發(fā)現(xiàn)總磷損失率與湖泊水力停留時間的倒數(shù)呈正比[33-34],Brett和Benjamin[3]研究得到a、b取值決定于具體的湖泊. 為得到適用于于橋水庫的a、b值,圖5(a)繪制了先將Brett和Benjamin研究結果a=1.12±0.08年-0.47,b=-0.53±0.03代入公式(3)計算得到的TPL與實測TPL的對比圖,可以看出預測TPL與實測TPL呈顯著線性相關,然而,78%的預測值偏向高估. 這是因為當通過τ計算營養(yǎng)物濃度數(shù)據(jù)時,長的水力停留時間(> 0.4年)會使湖泊的預測TP濃度傾向于高于實測值,而當水力停留時間<0.04年時預測值低于實測值[35]. 于橋水庫的τ歷年均值為2.33年,因而預測值較大. 基于σ=aτb的假設,利用實測值非線性回歸得到a、b取值:a=2.203,b=-0.641,如圖5(b)所示. 低估的預測值降至44%;R2值為0.73,表明該假設合理;均方根誤差(RMSE)從0.06降低至0.03,表明預測值更接近實測值,參數(shù)選取合理. 進一步利用該模型計算庫區(qū)TP負荷滯留量RP,并與實測推算值對比,R2=0.94(圖5c),說明模型精度較好.
圖5 預測庫區(qū)總磷濃度與實測庫區(qū)總磷濃度、預測庫區(qū)總磷滯留量與實測庫區(qū)總磷滯留量對比圖Fig.5 Comparison of predicted total phosphorus concentration and observed total phosphorus concentration,and predicted total phosphorus retention and observed total phosphorus retention
圖6 2001-2018年于橋水庫庫區(qū)總磷滯留量Fig.6 Total phosphorus retention in Yuqiao Reservoir during 2001-2018
2.2.2 庫區(qū)總磷滯留量RP變化 根據(jù)圖6,RP總體波動范圍較大. 南水北調(diào)通水前,RP波動范圍為30.94~153.59 t/a,年均值76.38 t/a,分別于2008、2014年處于最小值和最大值. 南水北調(diào)通水后,年際變化劇烈,2016年達到歷年最大值215.86 t/a后2017年又驟降為44.66 t/a,年均值上升至120.47 t/a,RP增加了44.09 t/a. 分析引水期和非引水期RP,發(fā)現(xiàn)引水期RP隨時間變化情況與年均RP保持高度一致,且基本重合. 圖7中,引水期TPLIN與RP的線性正相關(R2=0.91)說明引水期高水平TP負荷流入導致更多的磷滯留,即引水期決定了庫區(qū)全年TP負荷滯留水平. 非引水期RP除2001、2012、2016年外始終維持在較低水平(接近于0),此3年汛期(7、8月份)入庫水量均較多,入庫TP負荷較大(圖2b),故RP相對較高. 另外,非引水期RP多年出現(xiàn)負值,這是因為在非引水期TPLIN顯著減少的情況下,出庫水量受供水需求依然維持在較高水平,當出庫負荷略大于入庫負荷,便出現(xiàn)RP為負值的情況.
圖7 入庫總磷負荷和庫區(qū)總磷滯留量關系Fig.7 Relationship of total phosphorus loadings and total phosphorus retention
圖8 水力停留時間與庫區(qū)總磷滯留量的關系Fig.8 Relationship between hydraulic retention time and total phosphorus retention in the reservoir
2.2.3 水力停留時間τ對磷滯留的影響機制分析τ與RP之間的相關關系如圖8所示. 通常,水力停留時間增加有利于水體自凈能力[36]. 從圖8可以看出,τ< 0.23年時,RP與τ之間存在顯著的正相關關系,該結果與Smith和Kalff[37]指出的隨水力停留時間增加,水庫對磷的滯留能力增強的結論一致. 但是,隨著τ增加,正相關性下降,當考慮全部τ時,RP與τ呈負相關. 這是因為入庫水量WIN也可能影響磷滯留.τ<0.35年時,WIN較大,此時大量WIN攜帶豐富的TP進入水庫. 當入庫TP濃度較高時,水庫底泥主要表現(xiàn)為“磷匯”[36]. 因而較小的τ促進沉積物磷的富集,導致磷被大量滯留在庫中. 有研究表明[5,38],具有較小τ的湖泊含有更多容易與礦物結合的顆粒磷,而這種顆粒磷更容易沉淀. 所以,當τ< 0.35年時,RP較大且與τ表現(xiàn)為正相關. 而τ> 0.35年時,WIN較小,入庫TP負荷也隨之較少,例如于橋水庫入庫負荷均值由臨界τ(0.35年)前23.74 t/月降低為6.62 t/月. 同時,TP濃度自果河橋至壩前沿程遞減,并且在水庫進口段存在較大的濃度梯度[23]. 進一步分析TPLOUT發(fā)現(xiàn),出庫負荷始終處于較低水平,臨界τ前、后均值分別為2.71和2.56 t/月,變化不大. 由此可知,TPLIN驟減決定了RP迅速減少.
夏軍等[39]提出生態(tài)需水是指維系一定環(huán)境功能狀況或目標(現(xiàn)狀、恢復或發(fā)展)下客觀需求的水資源量. 水利部海河水利委員會編制的《海河流域水資源保護規(guī)劃》提出生態(tài)水量原則上采用Tennant法[40]計算. Tennant法主要基于水文資料和年平均徑流量百分數(shù)來計算生態(tài)水量,根據(jù)Tennant法推薦表得知多年平均徑流量的60%~100%為最佳生態(tài)水量,平均徑流量的200%為極限值. 本文將果河徑流量視為于橋水庫入庫水量WIN,2001-2018年WIN均值為6.60億m3,則于橋水庫入庫生態(tài)水量最佳范圍為3.96億~6.60億m3,最大不超過13.20億m3.
由圖6、圖7可知,RP受到TPLIN和τ的綜合影響,且RP在引水期隨τ升高有明顯增大的趨勢,在引水量較少時隨TPLIN降低而減小. 由此可見,引水期RP主要影響因素為τ,非引水期或引水量較少時主要受TPLIN的影響. 同時,出庫TP負荷TPLOUT主要受出庫水量的影響. 因此,針對不同的入庫生態(tài)水量,可以通過調(diào)節(jié)出庫水量達到控制磷滯留量RP的目的,從而實現(xiàn)庫內(nèi)TP負荷(內(nèi)源)的管理控制,即在雙水源新情勢下防治于橋水庫富營養(yǎng)化趨勢.
綜合以上分析,筆者期望在已知生態(tài)入庫水量情況下,估算出雙水源新情勢下的生態(tài)出庫水量,以保持于橋水庫處于中貧營養(yǎng)狀態(tài). 根據(jù)圖5可知,南水北調(diào)通水前庫區(qū)TP負荷滯留率(RP/TPLIN)年均值為69%,通水后上升至77%. 庫區(qū)總磷濃度表明,2001-2014年TPL年均值為41.4 μg/L,處于較低水平,2015-2018年TPL年均值則升高了一倍. 江雪等[26]研究表明,于橋水庫上游徑流入庫口處從1980s起磷的沉積量迅速增加. 2015年庫區(qū)部分區(qū)域有富營養(yǎng)化趨勢,沉積物吸附磷增多,近年來庫底淤泥對污染物的沉積能力已經(jīng)趨于飽和[41-42]. 滯留于沉積物中的磷越多,上覆水TP濃度越低,水質(zhì)越好;但當磷滯留量過多,在厭氧條件下沉積物又會變成“磷源”,還原釋放TP到上覆水中. 為保證沉積物仍為“磷匯”,本文假設磷滯留保持在通水前的水平,即取滯留率為通水前歷年平均值計算生態(tài)水量. 表1給出不同入庫水量WIN時,生態(tài)水量WOUT的估算值. 例如當WIN= 6億m3時,在建立的WIN與TPLIN、τ關系式基礎上,可得到TPLIN、τ;根據(jù)公式(3)由τ得到TPL=54.5 μg/L;取滯留率為69%,則可求出目標RP=60.12 t/a;再根據(jù)TPLIN、TPL與公式(4)求得WOUT= 5億m3,即于橋水庫出庫生態(tài)水量不小于5億m3. 同時分析表1發(fā)現(xiàn),當WIN< 5億m3時,TPL較高,不利于于橋水庫維持中貧營養(yǎng)狀態(tài). 因而,結合前文Tennant法計算得到的生態(tài)水量范圍,建議生態(tài)入庫水量大于5億m3,此時生態(tài)出庫水量約為入庫水量的80%.
此外,2017年于橋水庫前置庫建成并試運行,對降低入庫TP負荷進一步起到了積極作用. 該前置庫位于水庫上游果河,總占地面積22 km2,工程設施包括壩高4 m橡膠壩1座、渠道、閘涵橋等工程,種植挺水植物(蘆葦和香蒲)和沉水植物(菹草、狐尾藻和微齒眼子菜). 通過前置庫單元內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)進行水體凈化,庫水面積18 km2,設計年凈化規(guī)模5.82億m3,年削減總磷58 t(約占入庫負荷的48%),從而減少營養(yǎng)負荷進入于橋水庫. 依據(jù)前置庫的設計總磷消減率,當WIN為5億~9億m3范圍時,TPL最大值為41.8 μg/L(WIN=9億m3),前置庫有效降低了水庫TP濃度. 因此,本文建議的生態(tài)水量配合前置庫運行將有效保持于橋水庫處于Ⅲ類水狀態(tài).
表1 年入庫水量WIN下生態(tài)水量估算*
*TPLIN通過圖3的擬合線計算得出;τ的計算公式為:τ=-0.44 lnWIN+1.2481 (R2=0.67);TPL根據(jù)公式(3)計算得出;RP=TPLIN×69%;TPLOUT根據(jù)公式(4)計算得出.
本文采用Vollenweider模型分析了入庫水量WIN、入庫總磷負荷TPLIN和磷滯留量RP南水北調(diào)通水前后變化規(guī)律. 研究表明,引水結構變化后,于橋水庫入庫水量減少,但并未使TP入庫負荷減少,進而磷滯留量增加. 庫區(qū)TP滯留量增加也將增加水庫內(nèi)源負荷污染風險. 因而,筆者建議通過調(diào)節(jié)出入庫生態(tài)水量以維持磷滯留在南水北調(diào)通水前水平,防治于橋水庫富營養(yǎng)化趨勢. 建議入庫生態(tài)水量大于5億m3,出庫生態(tài)水量約為入庫水量的80%,配合新建前置庫工程運行將有效保障水庫水源功能.
此外,本文在揭示入庫水量和TP負荷、水力停留時間和TP滯留量機制關系方面做出貢獻. 通過WIN與TPLIN相關關系發(fā)現(xiàn),TPLIN隨WIN呈先降低后升高的趨勢,WIN較小時,對TP的稀釋作用導致TPLIN降低;WIN較大時,引水攜帶TP負荷作用造成兩者顯著正相關. 探討水力停留時間τ對RP影響機制發(fā)現(xiàn),引水期τ(τ<0.35年)和RP之間存在顯著的正相關關系,隨著τ增加,正相關性下降,引水期τ越長越有利于TP滯留;但同時考慮引水期和非引水期τ時,τ與RP呈負相關,非引水期或引水量較少時RP主要受TPLIN的影響,此時TPLIN隨著WIN降低而降低,導致RP較低. 研究成果為于橋水庫運行管理提供了科學依據(jù).