王麗婷，柴增凱，肖偉華，劉玉才，王建華，尚靜石

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038;2.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟水文局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400)

與河流相比，水深比較大的水庫、湖泊，由于流速小、深層紊動摻混能力差和風(fēng)力的表層混合作用，其溫度、泥沙以及水體中溶質(zhì)濃度沿水深方向和水平流動方向都有顯著的變化。在綜合評價湖泊水庫水環(huán)境質(zhì)量以及夏季水溫分層方面，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者［1-5］做了許多探索。潘家口水庫作為天津、唐山等城市的主要水源地，建成以來就受到科研和管理人員［6-8］的格外關(guān)注。潘家口水庫的來水量特點是，時間上分配很不均勻，一年之內(nèi)的來水主要集中在7—9月，秋季進入枯水期。秋季是保證潘家口水庫水質(zhì)安全和供水安全的關(guān)鍵階段，研究秋季潘家口水庫水環(huán)境質(zhì)量狀況對保障潘家口水庫供水安全具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)獲取

目前在年際、年內(nèi)以及不同水期對水質(zhì)和富營養(yǎng)化狀況進行評價的研究較多，但缺少對枯水期河道型水庫水質(zhì)在垂向和流動向分布規(guī)律的研究。由于冬季水庫水面結(jié)冰，不適合水質(zhì)監(jiān)測，因此安排2010年秋季10月29—31日在潘家口水庫采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，詳細分析潘家口水庫水質(zhì)在秋末的特殊分布規(guī)律，評價潘家口水庫的水質(zhì)和富營養(yǎng)化狀況，以期為枯水期潘家口水庫的供水安全保障提供參考。

潘家口水庫位于河北省承德、唐山兩市的灤河干流上，總庫容為29.3億m3，多年平均徑流量24.5億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫，其功能以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電和灌溉。多年來，潘家口水庫水質(zhì)一直符合國家GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。潘家口水庫水深最大可達80 m，向北綿延60多千米，為典型的河道型深水水庫。筆者選取2010年10月29—31日的潘家口水庫的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合考慮潘家口水庫的形態(tài)，采樣斷面的地形，數(shù)據(jù)的可獲得性、代表性，以及發(fā)生水華的可能區(qū)域，沿水流方向依次選擇壩前、潘家口、燕子峪以及郭家莊南4個斷面作為水質(zhì)監(jiān)測斷面。潘家口水庫水溫及水樣數(shù)據(jù)采集斷面分布見圖1，其中屁股甸子、賈家庵和壩前1 km僅采集了溫度數(shù)據(jù)。水樣檢測方法及主要儀器見表1。

圖1 潘家口水庫水質(zhì)數(shù)據(jù)采集斷面分布示意圖

表1 水樣檢測方法及主要儀器

除pH值、DO、Chl-a、透明度等參數(shù)是在現(xiàn)場測定的外，其他指標(biāo)均在實驗室檢測，其中用于現(xiàn)場監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)的便攜式測定儀經(jīng)過技術(shù)人員率定后使用，實驗室監(jiān)測方法與SL 219—98《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)一致。各水樣檢測結(jié)果見表2。根據(jù)水溫的分布規(guī)律，各斷面在垂向采樣點的位置見表2。

表2 2010年10月潘家口水庫各斷面水樣檢測結(jié)果

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法［9］是水環(huán)境質(zhì)量綜合評價的方法之一，它通過確定實測樣本序列與各級標(biāo)準(zhǔn)序列間的隸屬度來確定水質(zhì)級別。該方法給參加評價的各項因子配以適當(dāng)?shù)臋?quán)重，確定隸屬函數(shù)，進行模糊矩陣復(fù)合運算，求得綜合隸屬度，最后根據(jù)綜合隸屬度來劃分水質(zhì)類別。其基本步驟如下。

第一步:建立因子集和評價集。

在水質(zhì)評價中，因子集是由參與評價的n個污染因子的實測質(zhì)量濃度組成的模糊子集，評價集是由與因子集相對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)組成的集合。GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［10］依據(jù)地表水水域功能和保護目標(biāo)，按功能高低將地表水水質(zhì)劃分為5類。因此，可確定因子集C為{c1，c2，…，cn}，評價集 S 為{s1，s2，s3，s4，s5}

第二步:確定權(quán)重。

權(quán)重是衡量評價因子對水質(zhì)污染影響程度的相對大小的量。權(quán)重越大，說明評價因子對水質(zhì)的影響程度越大。權(quán)重按下式計算:

式中:ci為第i項評價因子質(zhì)量濃度的實測值，Si為該評價因子5類標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度的平均值。計算出各評價因子的權(quán)重后，得到權(quán)重矩陣W=(W1，W2，…，Wn)。

第三步:建立單因素評價矩陣。

單因素評價矩陣是由各個評價因子的隸屬度組成的矩陣。本文采用降半梯形分布來刻畫隸屬度，其中DO是增益型指標(biāo)，TN、TP、CODMn是遞減型指標(biāo)。隸屬度按如下公式計算。

a.對Ⅰ類水，即j=1，其隸屬函數(shù)為

b.對Ⅱ～Ⅳ類水，即j=2～4，其隸屬函數(shù)為

c.對Ⅴ類水，即j=5，其隸屬函數(shù)為

式中，sj和sj+1分別為評價因子第j類和j+1類水的質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)值。

在確定了隸屬函數(shù)之后，可以得到隸屬函數(shù)矩陣:

第四步:確定模糊綜合評價矩陣。根據(jù)R=W·U進行矩陣復(fù)合運算，得到綜合隸屬度矩陣。根據(jù)最大隸屬度原則，對綜合隸屬度進行比較判別，再根據(jù)隸屬度最大的級別判定水質(zhì)類別。

第五步:確定隸屬等級。由于最大隸屬度原則存在有效性問題，可能評價結(jié)果不太合理，故提出利用加權(quán)平均的原則［11］對評價因子按照其等級進行排序。隸屬度B'計算公式為

式中:bj為隸屬第j等級的隸屬度;k為待定系數(shù)(k=1或2)，起到控制較大的bj的作用，本文取k=2;m為分成的等級數(shù)，本文m=5。

根據(jù)B'計算結(jié)果，即得到各評價因子的相對位置，從而可以分析水質(zhì)類型。

2.2 綜合營養(yǎng)指數(shù)法

我國在SL395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》［12］中，依據(jù) TP、TN、Chl-a、CODMn和透明度5個參數(shù)評價湖泊、水庫的富營養(yǎng)狀態(tài)。具體步驟為:①根據(jù)各個參數(shù)值查表3，采用線性插值法得到各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)IiE;②按式(7)計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)IE;③按IE值再查表3，即可確定水體的營養(yǎng)狀態(tài)。IE的計算公式為)

式中:IiE為某參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);N為評價參數(shù)的個數(shù)。

表3 湖泊、水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)與分級

3 結(jié)果分析

3.1 水溫分布規(guī)律

一般而言，秋末水體表層接受的輻射熱大量減少，同時由于水體的比熱容較大，使得秋末水體溫度高于氣溫，水體到周圍環(huán)境中的熱通量增大，河道深型水庫水溫在垂向呈現(xiàn)獨特的規(guī)律。潘家口水庫的壩前、壩前1 km、潘家口等斷面的水溫隨水深變化的曲線見圖2。選取燕子峪斷面不同時刻水溫隨水深變化的數(shù)據(jù)來表征水溫隨時間的變化趨勢，見圖3。

圖2 不同斷面水溫隨水深變化曲線

圖3 燕子峪斷面不同時刻水溫隨水深變化曲線

由圖2可知:①由于郭家莊南斷面水深較淺，再加上瀑河匯入帶來的水體擾動，使得該斷面水溫分層現(xiàn)象不明顯;②對賈家庵和屁股甸子斷面而言，雖然水深較淺，但是由于水流穩(wěn)定性較好，水溫在垂向存在分層現(xiàn)象，其溫躍層中心水深在11 m左右;③對于水深大于30 m的斷面，如燕子峪、潘家口和壩前等，其表層水溫分層不明顯，溫躍層中心水深在30 m左右，溫躍層以上的水溫平衡層厚度較大.

從圖3可知，雖然一天當(dāng)中的正午時刻水體表層溫度出現(xiàn)略微的上升，但是整體來說水庫水溫還是在逐日下降的。

3.2 水庫水質(zhì)評價

本文選用 DO、TP、TN、NH3-N 和 CODMn作為評價因子，利用模糊綜合評價方法，依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)(表2)，利用式(2)～(4)對潘家口水庫進行水質(zhì)等級綜合評價，得到各個評價因子的綜合評價結(jié)果，見表4。同時對2011年4月及8月的水質(zhì)狀況進行分析，綜合評價潘家口水庫秋季與其他時段水質(zhì)的差異，評價結(jié)果見表5。

表4 2010年10月潘家口水庫水質(zhì)綜合評價結(jié)果

本次實驗采用的是2010年秋末的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對潘家口水庫的壩前、潘家口、燕子峪以及郭家莊南4個監(jiān)測斷面進行模糊綜合評價。由表4可知，4個不同的監(jiān)測斷面模擬的水質(zhì)類型均為Ⅴ類。而由表5可知，秋末壩前、潘家口等4個斷面不同水層的B'(k=2)的值，評價結(jié)果為:壩前、潘家口、燕子峪3個斷面的水質(zhì)均為Ⅴ類，稍偏向Ⅳ類，而郭家莊南的水質(zhì)屬于Ⅳ類，稍偏向Ⅴ類，此方法得出的結(jié)果與最大隸屬度原則方法得出的結(jié)果稍不相同，但更符合實際情況。兩種方法的結(jié)論都證明潘家口水庫的水質(zhì)污染相當(dāng)嚴(yán)重。此外，從計算結(jié)果可以反映出一些基本規(guī)律:①潘家口水庫各監(jiān)測斷面水質(zhì)污染程度按從重到輕的順序為:郭家莊南、燕子峪、潘家口、壩前，說明水庫上游的水質(zhì)要好于下游;②TN是影響潘家口水庫水質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)，其質(zhì)量濃度是Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(潘家口水庫水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)為地表水Ⅲ類)的3.31～7.16倍;③由于潘家口水庫水深較大，污染物質(zhì)量濃度在垂直方向也存在分層現(xiàn)象，水庫表層水質(zhì)要好于深層。④對比不同季節(jié)的水質(zhì)狀況可以看出，秋季潘家口水庫的水質(zhì)最差，其次為春季，水質(zhì)狀況最好的季節(jié)為夏季，因此秋季是維持潘家口水庫水質(zhì)狀況的關(guān)鍵時期。

表5 潘家口水庫各斷面水質(zhì)評價結(jié)果

3.3 水庫營養(yǎng)化程度評價

根據(jù)2.2 所述方法，用 TP、TN、Chl-a、CODMn和透明度5個參數(shù)，對壩前、潘家口、燕子峪和郭家莊南斷面進行水庫的營養(yǎng)化程度評價，結(jié)果圖4和圖5。

圖4 各斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

圖5 潘家口水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果

由圖4可知，潘家口水庫水體處于中營養(yǎng)狀態(tài)，其中郭家莊南富營養(yǎng)程度最高，潘家口、壩前次之，燕子峪最小。但從總體賦分值來看，營養(yǎng)狀況已經(jīng)偏向輕度富營養(yǎng)化。由圖5可知，TN和TP是制約水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。水庫水體氮磷比值介于19～80之間，而且水體ρ(TP)都大于美國水庫的總磷質(zhì)量濃度上限0.025 mg/L［13］。氮磷比過高會導(dǎo)致藻類大量生長，氮和磷會被大量消耗，而磷營養(yǎng)鹽將會被首先消耗到低值，甚至低于閾值，因此磷是水庫的限制性營養(yǎng)鹽?？梢姡瑥臓I養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來看，只有盡快采取相應(yīng)措施控制水體TN和TP的質(zhì)量濃度才能延緩潘家口水庫的富營養(yǎng)化趨勢。

3.4 DO異常的可能原因

數(shù)據(jù)采集過程中發(fā)現(xiàn)潘家口斷面處水面漂浮有大量死魚，便攜式溶解氧測試儀數(shù)據(jù)也顯示水體DO非常低，最低處僅僅0.25 mg/L，因此，在燕子峪至壩前段又加測小河口、北山以及走馬哨3個監(jiān)測斷面的ρ(DO)數(shù)據(jù)。DO隨水深變化曲線見圖6。

圖6 不同監(jiān)測斷面DO隨水深變化的曲線

根據(jù)水體DO與其影響因素之間的相關(guān)轉(zhuǎn)換關(guān)系(圖7)，綜合分析水庫該時段DO質(zhì)量濃度異常的可能因素，結(jié)論如下:①水體富營養(yǎng)化，藍綠藻大量繁殖，其呼吸作用消耗大量的氧氣，導(dǎo)致DO質(zhì)量濃度過低;藻類大量死亡腐敗并被微生物分解，消耗了大量的氧氣，更加造成局部區(qū)域的DO質(zhì)量濃度偏低。②該區(qū)域是魚箱養(yǎng)殖最密集的地區(qū)，魚飼料分解要消耗大量的氧氣。③秋末氣溫下降，葉綠素活性受限，水體中植物產(chǎn)氧量減少，也是影響水體DO質(zhì)量濃度的重要原因。④壩前水庫斷面面積變大，水流條件差，紊動摻混能力有限，影響大氣復(fù)氧，故壩前斷面的DO質(zhì)量濃度低于其他斷面。

圖7 影響DO因素相關(guān)關(guān)系示意圖

4 結(jié)論

基于2010年10月29—31日潘家口水庫的實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，應(yīng)用模糊綜合評價法和綜合營養(yǎng)指數(shù)法對潘家口水庫進行水質(zhì)評價和營養(yǎng)化程度評價，結(jié)果表明:①除郭家莊南斷面不存在水溫垂向分層外，其他幾個斷面都存在水溫分層現(xiàn)象;水庫水溫整體上隨時間的推移而逐漸降低;②從DO等5個指標(biāo)的模糊綜合評價結(jié)果來看，潘家口水庫總體水質(zhì)為Ⅴ類，水體處于中營養(yǎng)狀態(tài);TN是制約水質(zhì)類別和富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素，因此潘家口水庫污染防治措施要從控制入庫污染物總量著手，嚴(yán)格控制污水排放，及時采取有效措施改善水庫的水質(zhì)狀況;③潘家口水庫水質(zhì)在水深方向和水流流動方向都存在明顯的差異，上游水質(zhì)要明顯優(yōu)于下游水質(zhì)，表層水質(zhì)要優(yōu)于底層水質(zhì);④對比春季和夏季水質(zhì)狀況，潘家口水庫的秋季水質(zhì)明顯要差許多，夏季水質(zhì)狀況則最好;⑤燕子峪至壩前段DO過低，大量魚類死亡，可能是水體富營養(yǎng)化和網(wǎng)箱養(yǎng)殖過于集中造成大量碳化合物分解耗氧以及產(chǎn)氧量下降等一系列因素所致。

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