我國(guó)大中型水庫(kù)水體自?xún)裟芰μ卣餮芯?/h1>
2021-12-14 10:34汪青遼顏小平郝紅升
水力發(fā)電 2021年9期
汪青遼，顏小平，郝紅升，黃 偉
(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 雅安 625014)
1 研究背景
據(jù)《2018年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2018年底，我國(guó)共有水庫(kù)98 400座，在全國(guó)各地均有分布[1]。這些水庫(kù)取得了重要的防洪、灌溉及供水等效益，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)[2]。然而，水庫(kù)蓄水成庫(kù)后通常會(huì)改變?cè)拥浪奶卣鳌⑺畮?kù)水體水力停留時(shí)間，導(dǎo)致水體對(duì)有機(jī)物的降解能力發(fā)生一定的改變[3]。大量的研究表明，流速變緩和水力停留時(shí)間增加減弱了水體的交換過(guò)程[4-7]，從而導(dǎo)致水庫(kù)水質(zhì)狀況發(fā)生改變。因此，研究水庫(kù)水體的自?xún)粢?guī)律對(duì)水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理具有重要意義。
以往研究表明，水庫(kù)蓄水后，水庫(kù)水體具有一定的自?xún)裟芰Γ芨纳扑畮?kù)水質(zhì)。王現(xiàn)領(lǐng)等[8]對(duì)景觀水體的自?xún)粢?guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明景觀水體的CODCr、氨氮值會(huì)逐漸降低至某一水平，后維持穩(wěn)定；王超等[9]對(duì)南水北調(diào)中線干渠水體自?xún)裟芰M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)總干渠水體自?xún)裟芰^弱且受溫度影響明顯；劉倩純等[10]對(duì)鄱陽(yáng)湖水體水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出影響鄱陽(yáng)湖水體水質(zhì)的環(huán)境因子主要為溶氧量、透光度和電導(dǎo)率；李錦秀等[11]利用一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)論是三峽庫(kù)區(qū)水體受水流流速減緩影響，自?xún)艚到馑俾式档停捎谖廴疚镌趲?kù)區(qū)滯留時(shí)間成倍延長(zhǎng)，有機(jī)污染物在庫(kù)區(qū)自?xún)艚到饪偭繉⒈冉◣?kù)前增大。然而，以往研究中針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)和不同規(guī)模的水庫(kù)自?xún)粢?guī)律的研究相對(duì)較少，對(duì)水庫(kù)自?xún)裟芰εc水庫(kù)水文特征量之間規(guī)律的深入探討也較少。為此，本文以我國(guó)不同區(qū)域及不同規(guī)模的水庫(kù)為研究對(duì)象，調(diào)研水庫(kù)水體COD、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)因子，探究水質(zhì)自?xún)粢?guī)律，并通過(guò)對(duì)比不同規(guī)模、不同地區(qū)水庫(kù)水體自?xún)裟芰Γ偨Y(jié)出大中型水庫(kù)、南北方水庫(kù)水體自?xún)裟芰Σ町?，分析造成水?kù)水體自?xún)裟芰Σ町惖脑?，以期為進(jìn)一步闡明水庫(kù)自?xún)粢?guī)律，為水庫(kù)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理提供理論依據(jù)。
2 研究方法
2.1 研究對(duì)象
本文研究對(duì)象為我國(guó)已修建的90多個(gè)大、中型水庫(kù)，涉及全國(guó)(港澳臺(tái)除外)各個(gè)省、市及自治區(qū)(我國(guó)南海地區(qū)未納入研究)，并確保每個(gè)省、市及自治區(qū)均有水庫(kù)作為研究樣本。
2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源
所有數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家或地方環(huán)境部門(mén)官方公開(kāi)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告書(shū)，主要包括KCOD、KNH3-N、KTN、KTP、出入庫(kù)水流污染物濃度、水庫(kù)水位特征值、相應(yīng)的庫(kù)容和多年平均年徑流量等。
2.3 研究步驟
本文收集我國(guó)不同區(qū)域的環(huán)評(píng)報(bào)告書(shū)，選取水庫(kù)環(huán)評(píng)報(bào)告中的水文特征值數(shù)據(jù)，采用SPSS和Origin Pro軟件分析我國(guó)不同地區(qū)及不同規(guī)模水庫(kù)水質(zhì)數(shù)據(jù)，得出不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫(kù)水質(zhì)自?xún)裟芰σ?guī)律，分析不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫(kù)水體自?xún)裟芰Σ町悾⒎治銎湓?，詳?jiàn)圖1。
圖1 技術(shù)路線示意
3 結(jié)果與討論
3.1 水庫(kù)自?xún)粢?guī)律分析
水體污染物衰減系數(shù)能反映水體單位時(shí)間內(nèi)污染物的衰減速率，對(duì)水體自?xún)艉图{污能力計(jì)算有重要作用[12]；而入庫(kù)水流的COD濃度值與出庫(kù)水流COD濃度值的差，在假設(shè)水庫(kù)水質(zhì)無(wú)人為影響前提下，可以反映水庫(kù)對(duì)COD的削減能力，本文將其定義為COD濃度變化值。對(duì)NH3-N、TN和TP也進(jìn)行相同定義。對(duì)COD、NH3-N和水庫(kù)正常水位庫(kù)容、多年平均流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2、3所示。
由圖2可知，當(dāng)水庫(kù)的正常水位庫(kù)容增加時(shí)，水庫(kù)的COD衰減系數(shù)呈減小趨勢(shì)，表明水庫(kù)正常水位庫(kù)容與COD衰減系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖2、3可知，在一次函數(shù)擬合情況下，隨著水庫(kù)多年平均流量的增加，水庫(kù)對(duì)COD、NH3-N的削減能力有一定提升，反映出兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。COD衰減系數(shù)與多年平均流量或者正常水位庫(kù)容關(guān)系不顯著，主要原因是COD衰減系數(shù)受溫度、光照、庫(kù)容和水力停留時(shí)間等因素的復(fù)合影響，所以與單一因子的相關(guān)關(guān)系不顯著。由圖3可看出，NH3-N衰減系數(shù)與多年平均流量成負(fù)相關(guān)關(guān)系；相反，多年平均流量與NH3-N濃度變化值卻呈正相關(guān)關(guān)系，其自?xún)粢?guī)律與COD一致。
圖2 COD衰減系數(shù)、濃度變化值與正常水位庫(kù)容擬合曲線
圖3 NH3-N衰減系數(shù)、濃度變化值與多年平均流量擬合曲線
為進(jìn)一步探究水質(zhì)參數(shù)與正常水位庫(kù)容函數(shù)關(guān)系，將COD與正常水位庫(kù)容進(jìn)行非線性函數(shù)擬合，R2明顯增大，說(shuō)明它們之間可能呈更復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。為使方差不隨著自變量增加而變大且使因變量與自變量數(shù)量級(jí)接近，將庫(kù)容進(jìn)行自然對(duì)數(shù)變換后再進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)性明顯增強(qiáng)，說(shuō)明兩者存在正相關(guān)關(guān)系，既隨著不同水庫(kù)正常水位庫(kù)容的增加，其對(duì)COD的削減能力有一定的增強(qiáng)，擬合的線性曲線截距表明，研究涉及的水庫(kù)除了庫(kù)尾水體COD流入外，水庫(kù)都存在一定的面源污染，所以直線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，NH3-N濃度變化值規(guī)律與COD基本一致。
圖4 COD濃度變化值與ln(庫(kù)容)擬合曲線
TN、TP也是水庫(kù)重要的水質(zhì)指標(biāo)，線性和非線性分析結(jié)果見(jiàn)圖5、6和表1、2。
圖5 TN濃度變化值和多年平均流量、正常水位庫(kù)容擬合曲線
從擬合曲線可知，TN的衰減系數(shù)隨著正常水位庫(kù)容增加總體呈下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)，而TN從入庫(kù)到出庫(kù)的濃度變化值與多年平均徑流量也有一定的相關(guān)性。TN的濃度變化值隨著不同水庫(kù)的正常水位庫(kù)容增加大致呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2較低，僅為0.18，說(shuō)明它們之間呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較??；當(dāng)把它們進(jìn)行2次函數(shù)擬合時(shí)，相關(guān)系數(shù)明顯增加，反映出它們之間可能為較復(fù)雜的非線性關(guān)系。當(dāng)把TN濃度變化值與多年平均流量進(jìn)行線性擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.51，說(shuō)明兩者具有一定的相關(guān)性；而用二次函數(shù)進(jìn)行擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)R2達(dá)到了0.62(見(jiàn)表1)，證明兩者可能存在非線性關(guān)系。
表1 TN濃度變化值與正常水位庫(kù)容、多年平均流量擬合相關(guān)系數(shù)
不同水庫(kù)的TP衰減系數(shù)與對(duì)應(yīng)水庫(kù)正常水位庫(kù)容呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6)，即隨著水庫(kù)的正常水位庫(kù)容地增大，TP單位時(shí)間降解速率減小，與TN自?xún)粢?guī)律一致。TP濃度變化值與水庫(kù)正常水位庫(kù)容正相關(guān)性較強(qiáng)，線性函數(shù)擬合和2次函數(shù)擬合R2分別達(dá)到了0.63和0.76(表2)。由圖6可知TP的濃度變化值隨著正常水位庫(kù)容的增加而增加，原因是水庫(kù)
表2 TP與正常水位庫(kù)容、多年平均流量擬合相關(guān)系數(shù)
圖6 TP衰減系數(shù)、濃度變化值和正常水位庫(kù)容擬合曲線
庫(kù)容越大，水庫(kù)對(duì)TP的稀釋和降解能力越強(qiáng)；但TP的濃度變化值與壩址處的多年平均徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，原因可能是流量越大，水庫(kù)水流停留時(shí)間越短，從而導(dǎo)致水庫(kù)TP濃度變化值反而減少，這與劉登國(guó)[13]的研究結(jié)果一致。
3.2 大中型水庫(kù)自?xún)裟芰Σ町惙治?/h3>
方差分析表明，大、中型水庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)和單位濃度變化值具有一定的差異，如表3、表4及圖7所示。大型水庫(kù)的COD衰減系數(shù)變化范圍為0.001～0.320 d-1，中型水庫(kù)COD變化范圍為0.001 8～0.270 0 d-1；大型水庫(kù)的NH3-N衰減系數(shù)變化范圍為0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水庫(kù)的變化范圍為0.001 5～0.150 0 d-1(見(jiàn)表3、圖7)。在水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)上，大型水庫(kù)的COD、NH3-N降解系數(shù)變化范圍比中型水庫(kù)大，大型水庫(kù)COD降解系數(shù)異常值多(見(jiàn)圖7)，均說(shuō)明大型水庫(kù)的情況比中型水庫(kù)情況更加復(fù)雜，影響因素更多，波動(dòng)范圍更大。大型水庫(kù)COD、NH3-N降解系數(shù)平均值與中型水庫(kù)相差不大，原因是大型水庫(kù)的衰減系數(shù)極大值和極小值都較多，從而使兩種類(lèi)型水庫(kù)平均值相差不大，但其中位數(shù)卻小于中型水庫(kù)。這說(shuō)明中型水庫(kù)的衰減系數(shù)整體上大于大型水庫(kù)，與本文COD、NH3-N等衰減系數(shù)與正常水位庫(kù)容的負(fù)相關(guān)曲線擬合結(jié)果一致，原因可能為大型水庫(kù)更加著重于滿(mǎn)足供水、灌溉等功能，從而增加了水力停留時(shí)間，使衰減系數(shù)偏小，與李錦秀[11]的研究結(jié)論一致。
表3 大、中型水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)特征值 d-1
圖7 大中型水庫(kù)COD、氨氮衰減系數(shù)箱型圖
大、中型水庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)濃度變化值也呈一定規(guī)律?？傮w上，大型水庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)削減值變化范圍大于中型水庫(kù)(見(jiàn)表4)。大型水庫(kù)的COD濃度變化值的方差為4.481，變化范圍為0.1～7.781 mg/m3；而中型水庫(kù)的方差僅為0.994，變化范圍為0.002～3.62 mg/m3。不難發(fā)現(xiàn)，大型水庫(kù)水質(zhì)凈化能力的變化范圍和不均勻性比中型水庫(kù)大，主要原因是大型水庫(kù)的庫(kù)區(qū)范圍、點(diǎn)面源污染狀況和水文條件等等影響因素明顯比中型水庫(kù)復(fù)雜。為保障供水安全和水質(zhì)目標(biāo)，需要科學(xué)管理，制定相對(duì)最優(yōu)的水庫(kù)運(yùn)行管理方式[14]。
表4 大、中型水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化值特征值 mg/L
3.3 南北方水庫(kù)自?xún)裟芰Σ町惙治?/h3>
根據(jù)水庫(kù)的地理位置，以秦嶺淮河為南、北分界線，將水庫(kù)分為南方、北方水庫(kù)，對(duì)比分析南北方水庫(kù)自?xún)裟芰Α?/p>
由于青海省的水庫(kù)水質(zhì)狀況整體較好，自?xún)裟芰εc其他地區(qū)差異明顯，有可能影響整體結(jié)果，因此不納入分析，另行分析。研究發(fā)現(xiàn)，南方水庫(kù)的COD、NH3-N、TP、TN衰減指數(shù)和污染物濃度變化值的平均值、中位數(shù)、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化范圍都比北方水庫(kù)大(見(jiàn)表5、6，圖8)，表明南方水庫(kù)水體的自?xún)裟芰ζ毡楸缺狈綇?qiáng)，對(duì)入庫(kù)污染負(fù)荷降解和削減能力比北方水庫(kù)強(qiáng)；但南方水庫(kù)自?xún)裟芰Φ淖兓秶?、方差和?biāo)準(zhǔn)偏差都比北方水庫(kù)大，表明南方不同省份和不同類(lèi)型水庫(kù)的差異大，自?xún)裟芰σ?guī)律更為復(fù)雜情況。需要說(shuō)明的是北方省份中的青海省，由于其水質(zhì)好且人為影響小，所以青海省內(nèi)的水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)和濃度變化值普遍大于其他區(qū)域的水庫(kù)。將所得數(shù)據(jù)剔除極端值后知，南方水庫(kù)的COD衰減系數(shù)范圍一般為0.001 8～0.280 0 d-1，而北方水庫(kù)變化范圍一般為0.001～0.150 d-1；南方水庫(kù)NH3-N衰減系數(shù)一般為0.001 5～0.180 0 d-1，北方為0.001 2～0.120 0 d-1；南方水庫(kù)COD和NH3-N衰減系數(shù)眾數(shù)比北方大，而TP、TN衰減系數(shù)都比較小，南方水庫(kù)TP、TN衰減系數(shù)稍大于北方水庫(kù)，南北方差異不明顯?？偟膩?lái)說(shuō)，南方水庫(kù)的自?xún)裟芰σ笥诒狈剿畮?kù)，其原因與溫度，光照，水庫(kù)功能等因素都有關(guān)，與已有的研究結(jié)論類(lèi)似[9]。
表5 南、北方水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值 d-1
表6 南、北方水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化值特征值 mg/L
圖8 南、北方水庫(kù)COD、氨氮衰減系數(shù)示意
4 結(jié) 論
由上述分析得出以下主要結(jié)論：
(1)水庫(kù)對(duì)COD、NH3-N、TP、TN的削減能力與水庫(kù)正常水位庫(kù)容和壩址處多年平均徑流量相關(guān)關(guān)系顯著，呈正相關(guān)關(guān)系；不同水庫(kù)COD等污染物衰減系數(shù)與水庫(kù)正常水位庫(kù)容和壩址處多年平均徑流量相關(guān)性不顯著，呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其原因是COD等污染物衰減系數(shù)的影響因素較多，所以與單一因子進(jìn)行擬合的相關(guān)性弱。
(2)整體上，大型水庫(kù)的COD衰減系數(shù)變化范圍為0.001～0.320 d-1，中型水庫(kù)COD變化范圍為0.001 8～0.270 0 d-1；大型水庫(kù)的NH3-N衰減系數(shù)變化范圍為0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水庫(kù)的變化范圍為0.001 5～0.150 0 d-1。大型水庫(kù)的污染物衰減指標(biāo)值的變化范圍比中型水庫(kù)大，統(tǒng)計(jì)方差也更大，大型水庫(kù)的自?xún)裟芰顩r及其影響因素明顯比中型水庫(kù)情況更加復(fù)雜多變，但其中位數(shù)卻小于中型水庫(kù)，與擬合所得結(jié)果一致。
(3)南方水庫(kù)COD、NH3-N、TP、TN入庫(kù)出庫(kù)濃度變化值的平均值、中位數(shù)、方差和波動(dòng)范圍都比北方水庫(kù)大；南方水庫(kù)的自?xún)裟芰ζ毡楸缺狈綇?qiáng)，對(duì)入庫(kù)污染物凈化能力比北方水庫(kù)高，但南方水庫(kù)自?xún)裟芰ψ兓秶头讲疃急缺狈剿畮?kù)大。這些表明南方不同區(qū)域和不同類(lèi)型水庫(kù)間的差異明顯，自?xún)裟芰σ?guī)律更加復(fù)雜。
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1 研究背景
據(jù)《2018年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2018年底，我國(guó)共有水庫(kù)98 400座，在全國(guó)各地均有分布[1]。這些水庫(kù)取得了重要的防洪、灌溉及供水等效益，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)[2]。然而，水庫(kù)蓄水成庫(kù)后通常會(huì)改變?cè)拥浪奶卣鳌⑺畮?kù)水體水力停留時(shí)間，導(dǎo)致水體對(duì)有機(jī)物的降解能力發(fā)生一定的改變[3]。大量的研究表明，流速變緩和水力停留時(shí)間增加減弱了水體的交換過(guò)程[4-7]，從而導(dǎo)致水庫(kù)水質(zhì)狀況發(fā)生改變。因此，研究水庫(kù)水體的自?xún)粢?guī)律對(duì)水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理具有重要意義。
以往研究表明，水庫(kù)蓄水后，水庫(kù)水體具有一定的自?xún)裟芰Γ芨纳扑畮?kù)水質(zhì)。王現(xiàn)領(lǐng)等[8]對(duì)景觀水體的自?xún)粢?guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明景觀水體的CODCr、氨氮值會(huì)逐漸降低至某一水平，后維持穩(wěn)定；王超等[9]對(duì)南水北調(diào)中線干渠水體自?xún)裟芰M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)總干渠水體自?xún)裟芰^弱且受溫度影響明顯；劉倩純等[10]對(duì)鄱陽(yáng)湖水體水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出影響鄱陽(yáng)湖水體水質(zhì)的環(huán)境因子主要為溶氧量、透光度和電導(dǎo)率；李錦秀等[11]利用一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)論是三峽庫(kù)區(qū)水體受水流流速減緩影響，自?xún)艚到馑俾式档停捎谖廴疚镌趲?kù)區(qū)滯留時(shí)間成倍延長(zhǎng)，有機(jī)污染物在庫(kù)區(qū)自?xún)艚到饪偭繉⒈冉◣?kù)前增大。然而，以往研究中針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)和不同規(guī)模的水庫(kù)自?xún)粢?guī)律的研究相對(duì)較少，對(duì)水庫(kù)自?xún)裟芰εc水庫(kù)水文特征量之間規(guī)律的深入探討也較少。為此，本文以我國(guó)不同區(qū)域及不同規(guī)模的水庫(kù)為研究對(duì)象，調(diào)研水庫(kù)水體COD、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)因子，探究水質(zhì)自?xún)粢?guī)律，并通過(guò)對(duì)比不同規(guī)模、不同地區(qū)水庫(kù)水體自?xún)裟芰Γ偨Y(jié)出大中型水庫(kù)、南北方水庫(kù)水體自?xún)裟芰Σ町?，分析造成水?kù)水體自?xún)裟芰Σ町惖脑?，以期為進(jìn)一步闡明水庫(kù)自?xún)粢?guī)律，為水庫(kù)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理提供理論依據(jù)。
2 研究方法
2.1 研究對(duì)象
本文研究對(duì)象為我國(guó)已修建的90多個(gè)大、中型水庫(kù)，涉及全國(guó)(港澳臺(tái)除外)各個(gè)省、市及自治區(qū)(我國(guó)南海地區(qū)未納入研究)，并確保每個(gè)省、市及自治區(qū)均有水庫(kù)作為研究樣本。
2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源
所有數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家或地方環(huán)境部門(mén)官方公開(kāi)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告書(shū)，主要包括KCOD、KNH3-N、KTN、KTP、出入庫(kù)水流污染物濃度、水庫(kù)水位特征值、相應(yīng)的庫(kù)容和多年平均年徑流量等。
2.3 研究步驟
本文收集我國(guó)不同區(qū)域的環(huán)評(píng)報(bào)告書(shū)，選取水庫(kù)環(huán)評(píng)報(bào)告中的水文特征值數(shù)據(jù)，采用SPSS和Origin Pro軟件分析我國(guó)不同地區(qū)及不同規(guī)模水庫(kù)水質(zhì)數(shù)據(jù)，得出不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫(kù)水質(zhì)自?xún)裟芰σ?guī)律，分析不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫(kù)水體自?xún)裟芰Σ町悾⒎治銎湓?，詳?jiàn)圖1。
圖1 技術(shù)路線示意
3 結(jié)果與討論
3.1 水庫(kù)自?xún)粢?guī)律分析
水體污染物衰減系數(shù)能反映水體單位時(shí)間內(nèi)污染物的衰減速率，對(duì)水體自?xún)艉图{污能力計(jì)算有重要作用[12]；而入庫(kù)水流的COD濃度值與出庫(kù)水流COD濃度值的差，在假設(shè)水庫(kù)水質(zhì)無(wú)人為影響前提下，可以反映水庫(kù)對(duì)COD的削減能力，本文將其定義為COD濃度變化值。對(duì)NH3-N、TN和TP也進(jìn)行相同定義。對(duì)COD、NH3-N和水庫(kù)正常水位庫(kù)容、多年平均流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2、3所示。
由圖2可知，當(dāng)水庫(kù)的正常水位庫(kù)容增加時(shí)，水庫(kù)的COD衰減系數(shù)呈減小趨勢(shì)，表明水庫(kù)正常水位庫(kù)容與COD衰減系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖2、3可知，在一次函數(shù)擬合情況下，隨著水庫(kù)多年平均流量的增加，水庫(kù)對(duì)COD、NH3-N的削減能力有一定提升，反映出兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。COD衰減系數(shù)與多年平均流量或者正常水位庫(kù)容關(guān)系不顯著，主要原因是COD衰減系數(shù)受溫度、光照、庫(kù)容和水力停留時(shí)間等因素的復(fù)合影響，所以與單一因子的相關(guān)關(guān)系不顯著。由圖3可看出，NH3-N衰減系數(shù)與多年平均流量成負(fù)相關(guān)關(guān)系；相反，多年平均流量與NH3-N濃度變化值卻呈正相關(guān)關(guān)系，其自?xún)粢?guī)律與COD一致。
圖2 COD衰減系數(shù)、濃度變化值與正常水位庫(kù)容擬合曲線
圖3 NH3-N衰減系數(shù)、濃度變化值與多年平均流量擬合曲線
為進(jìn)一步探究水質(zhì)參數(shù)與正常水位庫(kù)容函數(shù)關(guān)系，將COD與正常水位庫(kù)容進(jìn)行非線性函數(shù)擬合，R2明顯增大，說(shuō)明它們之間可能呈更復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。為使方差不隨著自變量增加而變大且使因變量與自變量數(shù)量級(jí)接近，將庫(kù)容進(jìn)行自然對(duì)數(shù)變換后再進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)性明顯增強(qiáng)，說(shuō)明兩者存在正相關(guān)關(guān)系，既隨著不同水庫(kù)正常水位庫(kù)容的增加，其對(duì)COD的削減能力有一定的增強(qiáng)，擬合的線性曲線截距表明，研究涉及的水庫(kù)除了庫(kù)尾水體COD流入外，水庫(kù)都存在一定的面源污染，所以直線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，NH3-N濃度變化值規(guī)律與COD基本一致。
圖4 COD濃度變化值與ln(庫(kù)容)擬合曲線
TN、TP也是水庫(kù)重要的水質(zhì)指標(biāo)，線性和非線性分析結(jié)果見(jiàn)圖5、6和表1、2。
圖5 TN濃度變化值和多年平均流量、正常水位庫(kù)容擬合曲線
從擬合曲線可知，TN的衰減系數(shù)隨著正常水位庫(kù)容增加總體呈下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)，而TN從入庫(kù)到出庫(kù)的濃度變化值與多年平均徑流量也有一定的相關(guān)性。TN的濃度變化值隨著不同水庫(kù)的正常水位庫(kù)容增加大致呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2較低，僅為0.18，說(shuō)明它們之間呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較??；當(dāng)把它們進(jìn)行2次函數(shù)擬合時(shí)，相關(guān)系數(shù)明顯增加，反映出它們之間可能為較復(fù)雜的非線性關(guān)系。當(dāng)把TN濃度變化值與多年平均流量進(jìn)行線性擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.51，說(shuō)明兩者具有一定的相關(guān)性；而用二次函數(shù)進(jìn)行擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)R2達(dá)到了0.62(見(jiàn)表1)，證明兩者可能存在非線性關(guān)系。
表1 TN濃度變化值與正常水位庫(kù)容、多年平均流量擬合相關(guān)系數(shù)
不同水庫(kù)的TP衰減系數(shù)與對(duì)應(yīng)水庫(kù)正常水位庫(kù)容呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6)，即隨著水庫(kù)的正常水位庫(kù)容地增大，TP單位時(shí)間降解速率減小，與TN自?xún)粢?guī)律一致。TP濃度變化值與水庫(kù)正常水位庫(kù)容正相關(guān)性較強(qiáng)，線性函數(shù)擬合和2次函數(shù)擬合R2分別達(dá)到了0.63和0.76(表2)。由圖6可知TP的濃度變化值隨著正常水位庫(kù)容的增加而增加，原因是水庫(kù)
表2 TP與正常水位庫(kù)容、多年平均流量擬合相關(guān)系數(shù)
圖6 TP衰減系數(shù)、濃度變化值和正常水位庫(kù)容擬合曲線
庫(kù)容越大，水庫(kù)對(duì)TP的稀釋和降解能力越強(qiáng)；但TP的濃度變化值與壩址處的多年平均徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，原因可能是流量越大，水庫(kù)水流停留時(shí)間越短，從而導(dǎo)致水庫(kù)TP濃度變化值反而減少，這與劉登國(guó)[13]的研究結(jié)果一致。
3.2 大中型水庫(kù)自?xún)裟芰Σ町惙治?/h3>
方差分析表明，大、中型水庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)和單位濃度變化值具有一定的差異，如表3、表4及圖7所示。大型水庫(kù)的COD衰減系數(shù)變化范圍為0.001～0.320 d-1，中型水庫(kù)COD變化范圍為0.001 8～0.270 0 d-1；大型水庫(kù)的NH3-N衰減系數(shù)變化范圍為0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水庫(kù)的變化范圍為0.001 5～0.150 0 d-1(見(jiàn)表3、圖7)。在水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)上，大型水庫(kù)的COD、NH3-N降解系數(shù)變化范圍比中型水庫(kù)大，大型水庫(kù)COD降解系數(shù)異常值多(見(jiàn)圖7)，均說(shuō)明大型水庫(kù)的情況比中型水庫(kù)情況更加復(fù)雜，影響因素更多，波動(dòng)范圍更大。大型水庫(kù)COD、NH3-N降解系數(shù)平均值與中型水庫(kù)相差不大，原因是大型水庫(kù)的衰減系數(shù)極大值和極小值都較多，從而使兩種類(lèi)型水庫(kù)平均值相差不大，但其中位數(shù)卻小于中型水庫(kù)。這說(shuō)明中型水庫(kù)的衰減系數(shù)整體上大于大型水庫(kù)，與本文COD、NH3-N等衰減系數(shù)與正常水位庫(kù)容的負(fù)相關(guān)曲線擬合結(jié)果一致，原因可能為大型水庫(kù)更加著重于滿(mǎn)足供水、灌溉等功能，從而增加了水力停留時(shí)間，使衰減系數(shù)偏小，與李錦秀[11]的研究結(jié)論一致。
表3 大、中型水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)特征值 d-1
圖7 大中型水庫(kù)COD、氨氮衰減系數(shù)箱型圖
大、中型水庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)濃度變化值也呈一定規(guī)律?？傮w上，大型水庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)削減值變化范圍大于中型水庫(kù)(見(jiàn)表4)。大型水庫(kù)的COD濃度變化值的方差為4.481，變化范圍為0.1～7.781 mg/m3；而中型水庫(kù)的方差僅為0.994，變化范圍為0.002～3.62 mg/m3。不難發(fā)現(xiàn)，大型水庫(kù)水質(zhì)凈化能力的變化范圍和不均勻性比中型水庫(kù)大，主要原因是大型水庫(kù)的庫(kù)區(qū)范圍、點(diǎn)面源污染狀況和水文條件等等影響因素明顯比中型水庫(kù)復(fù)雜。為保障供水安全和水質(zhì)目標(biāo)，需要科學(xué)管理，制定相對(duì)最優(yōu)的水庫(kù)運(yùn)行管理方式[14]。
表4 大、中型水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化值特征值 mg/L
3.3 南北方水庫(kù)自?xún)裟芰Σ町惙治?/h3>
根據(jù)水庫(kù)的地理位置，以秦嶺淮河為南、北分界線，將水庫(kù)分為南方、北方水庫(kù)，對(duì)比分析南北方水庫(kù)自?xún)裟芰Α?/p>
由于青海省的水庫(kù)水質(zhì)狀況整體較好，自?xún)裟芰εc其他地區(qū)差異明顯，有可能影響整體結(jié)果，因此不納入分析，另行分析。研究發(fā)現(xiàn)，南方水庫(kù)的COD、NH3-N、TP、TN衰減指數(shù)和污染物濃度變化值的平均值、中位數(shù)、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化范圍都比北方水庫(kù)大(見(jiàn)表5、6，圖8)，表明南方水庫(kù)水體的自?xún)裟芰ζ毡楸缺狈綇?qiáng)，對(duì)入庫(kù)污染負(fù)荷降解和削減能力比北方水庫(kù)強(qiáng)；但南方水庫(kù)自?xún)裟芰Φ淖兓秶?、方差和?biāo)準(zhǔn)偏差都比北方水庫(kù)大，表明南方不同省份和不同類(lèi)型水庫(kù)的差異大，自?xún)裟芰σ?guī)律更為復(fù)雜情況。需要說(shuō)明的是北方省份中的青海省，由于其水質(zhì)好且人為影響小，所以青海省內(nèi)的水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)和濃度變化值普遍大于其他區(qū)域的水庫(kù)。將所得數(shù)據(jù)剔除極端值后知，南方水庫(kù)的COD衰減系數(shù)范圍一般為0.001 8～0.280 0 d-1，而北方水庫(kù)變化范圍一般為0.001～0.150 d-1；南方水庫(kù)NH3-N衰減系數(shù)一般為0.001 5～0.180 0 d-1，北方為0.001 2～0.120 0 d-1；南方水庫(kù)COD和NH3-N衰減系數(shù)眾數(shù)比北方大，而TP、TN衰減系數(shù)都比較小，南方水庫(kù)TP、TN衰減系數(shù)稍大于北方水庫(kù)，南北方差異不明顯?？偟膩?lái)說(shuō)，南方水庫(kù)的自?xún)裟芰σ笥诒狈剿畮?kù)，其原因與溫度，光照，水庫(kù)功能等因素都有關(guān)，與已有的研究結(jié)論類(lèi)似[9]。
表5 南、北方水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值 d-1
表6 南、北方水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化值特征值 mg/L
圖8 南、北方水庫(kù)COD、氨氮衰減系數(shù)示意
4 結(jié) 論
由上述分析得出以下主要結(jié)論：
(1)水庫(kù)對(duì)COD、NH3-N、TP、TN的削減能力與水庫(kù)正常水位庫(kù)容和壩址處多年平均徑流量相關(guān)關(guān)系顯著，呈正相關(guān)關(guān)系；不同水庫(kù)COD等污染物衰減系數(shù)與水庫(kù)正常水位庫(kù)容和壩址處多年平均徑流量相關(guān)性不顯著，呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其原因是COD等污染物衰減系數(shù)的影響因素較多，所以與單一因子進(jìn)行擬合的相關(guān)性弱。
(2)整體上，大型水庫(kù)的COD衰減系數(shù)變化范圍為0.001～0.320 d-1，中型水庫(kù)COD變化范圍為0.001 8～0.270 0 d-1；大型水庫(kù)的NH3-N衰減系數(shù)變化范圍為0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水庫(kù)的變化范圍為0.001 5～0.150 0 d-1。大型水庫(kù)的污染物衰減指標(biāo)值的變化范圍比中型水庫(kù)大，統(tǒng)計(jì)方差也更大，大型水庫(kù)的自?xún)裟芰顩r及其影響因素明顯比中型水庫(kù)情況更加復(fù)雜多變，但其中位數(shù)卻小于中型水庫(kù)，與擬合所得結(jié)果一致。
(3)南方水庫(kù)COD、NH3-N、TP、TN入庫(kù)出庫(kù)濃度變化值的平均值、中位數(shù)、方差和波動(dòng)范圍都比北方水庫(kù)大；南方水庫(kù)的自?xún)裟芰ζ毡楸缺狈綇?qiáng)，對(duì)入庫(kù)污染物凈化能力比北方水庫(kù)高，但南方水庫(kù)自?xún)裟芰ψ兓秶头讲疃急缺狈剿畮?kù)大。這些表明南方不同區(qū)域和不同類(lèi)型水庫(kù)間的差異明顯，自?xún)裟芰σ?guī)律更加復(fù)雜。
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