呂曉龍,黃廷林,李 楠,徐金蘭,鄧立凡,毛雪靜

暴雨徑流潛流過程及其對(duì)分層水庫水質(zhì)的影響

呂曉龍,黃廷林*,李 楠,徐金蘭,鄧立凡,毛雪靜

(西安建筑科技大學(xué),陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710055)

為探究汛期暴雨徑流潛入演變過程及其對(duì)分層水庫水質(zhì)的影響,以西安金盆水庫為研究對(duì)象,對(duì)2015年6月和2017年10月2次暴雨徑流過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水溫、溶解氧、濁度、總氮、總磷和CODMn等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè). 結(jié)果表明:徑流量在300~400m3/s時(shí), 潛流經(jīng)歷全斷面徑流-底部潛流-中部潛流3個(gè)階段,最終潛入主庫區(qū)中部水體.暴雨徑流的匯入使水庫熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到一定破壞,中下部水體溶解氧得到補(bǔ)充.暴雨徑流攜帶的大量泥沙及氮、磷營養(yǎng)鹽等污染物質(zhì)會(huì)對(duì)水庫水質(zhì)造成較大沖擊,2015年6月暴雨徑流使水庫中層水體總氮、總磷、CODMn和濁度從1.60, 0.021, 3.70mg/L和5NTU增大為2.37, 0.100, 5.80mg/L和93NTU,水質(zhì)污染特征為短時(shí)高污染負(fù)荷.

暴雨徑流；密度潛流；營養(yǎng)鹽；非點(diǎn)源污染

強(qiáng)降雨對(duì)土壤的沖刷是形成大流量、高污染負(fù)荷入庫徑流的主要因素[1].強(qiáng)降雨的沖刷使大量泥沙顆粒隨地表徑流進(jìn)入水體,受含沙量和溫度共同作用,暴雨入庫徑流形成密度潛流(異重流)[2],按潛入位置劃分,密度潛流可分為表層流、中部潛流和底部潛流[3].目前,國內(nèi)外對(duì)于密度潛流形成條件、潛入位置等的研究多通過水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行[4-5].汛期暴雨徑流以密度潛流方式進(jìn)入湖泊、水庫,會(huì)對(duì)其溫度及溶解氧分層結(jié)構(gòu)造成影響[6].強(qiáng)降雨的沖刷會(huì)造成流域內(nèi)水土大量流失,大量泥沙顆粒的匯入會(huì)使水庫水體濁度迅速增大[7],而大量氮、磷營養(yǎng)鹽等污染物質(zhì)的匯入又會(huì)直接污染水庫水質(zhì)[8].暴雨徑流形成的密度潛流是向深水輸送沉積物的重要方式,既會(huì)造成水庫淤積,影響水庫使用壽命,還會(huì)增大水庫內(nèi)源污染負(fù)荷[9].

目前對(duì)于暴雨徑流的研究工作大多建立在實(shí)驗(yàn)室模擬和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,對(duì)于實(shí)際水體徑流匯入的原位監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究較少.本研究以西安金盆水庫為研究對(duì)象,采用多斷面監(jiān)測(cè)的方法,研究暴雨徑流潛流過程,確定密度潛流在主庫區(qū)的潛入位置,探究密度潛流對(duì)主庫區(qū)水體分層結(jié)構(gòu)及水質(zhì)的影響,旨在為水庫實(shí)際運(yùn)行管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 西安金盆水庫地理位置及設(shè)施概況

西安金盆水庫(33°58′N~34°3′N;108°9′E~ 108°13′E)位于西安市周至縣,是一項(xiàng)以城市供水為主的大型水利工程,年供水量達(dá)3.00億m3,占西安市用水總量的70%左右.金盆水庫是典型的峽谷型水庫,上寬下窄,最大水域面積4.68km2,總庫容2.00億m3,有效庫容1.77億m3,設(shè)計(jì)死水位520m、設(shè)計(jì)洪水位594m、汛限水位591m,引水塔設(shè)上、中、下3個(gè)取水口,設(shè)計(jì)高程分別為571,554,514.3m,泄洪洞進(jìn)口底板高程545m.

1.2 采樣斷面設(shè)置與分析方法

1.2.1 采樣斷面設(shè)置 如圖1所示,結(jié)合金盆水庫上游地區(qū)地形及水動(dòng)力學(xué)特征,從上游至主庫區(qū)沿河道中泓線設(shè)置S0至S10共11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面.S0斷面位于水庫退水線處,S1~S8斷面為變動(dòng)回水區(qū),S9斷面為主庫區(qū)入庫點(diǎn),S10斷面位于主庫區(qū)引水塔前正對(duì)取水口位置.

圖1 金盆水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

1.2.2 水質(zhì)分析方法 對(duì)主庫區(qū)庫心(S10)進(jìn)行每周1次的持續(xù)性水質(zhì)監(jiān)測(cè).暴雨徑流時(shí)期,對(duì)沿程各監(jiān)測(cè)斷面以2~3d/次的頻率進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè).使用美國HACH Hydro-Lab DS5型水質(zhì)分析儀對(duì)水溫、水深、溶解氧、濁度等指標(biāo)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè).從表層(水面下0.5m)到底部(沉積物以上0.5m)每間隔10m水深取1.5L水樣,裝入高密度聚乙烯瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室4℃冰箱中保存,并在取樣后24h內(nèi)完成總氮、總磷、CODMn、含沙量等指標(biāo)的測(cè)定,各水質(zhì)指標(biāo)均按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[10],分別采用過硫酸鉀消解－紫外分光光度法、過硫酸鉀消解－鉬銻鈧分光光度法、酸性法及烘干法.

1.2.3 攜沙水體密度計(jì)算 暴雨徑流時(shí)期,潛流水體密度受水溫和含沙量的雙重影響,計(jì)算公式如下:

式中:為攜沙水體密度,kg/m3;ρ為清水在溫度為時(shí)的密度,kg/m3;ρ為泥沙密度,以2650kg/m3計(jì);為水體含沙量,kg/m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 西安金盆水庫水文條件概況

金盆水庫受半濕潤季風(fēng)氣候的影響,四季分明,年降雨量分布不均.如圖2所示,2015年6月和2017年10月降雨量分別為179,188mm,占年總降雨量的20%和22%.2015年強(qiáng)降雨事件發(fā)生在6月25日~28日,降雨量達(dá)94mm,6月29日和30日日均入庫流量分別為270,330m3/s,水庫水位從580.7m迅速上升到591.3m.2017年強(qiáng)降雨事件發(fā)生在10月8日~11日,降雨量為119mm,10月11日和12日水庫日均入庫流量為351,404m3/s,由于水庫泄洪,水位保持在594.0m左右.

圖2 2015年和2017年汛期金盆水庫日均出庫/入庫流量、降雨量及水位變化

2.2 暴雨條件下高密度潛流匯入

暴雨徑流水溫低,含沙量大,水體密度受溫度和含沙量的共同作用.2015年6月29日,金盆水庫徑流量330m3/s,來水濁度430NTU、水溫14.0℃左右、水體密度999.394kg/m3.由圖3(a)~(c)可知,S0至S2斷面,水深為6~20m,水深較淺,上下水體完全混合,為全斷面徑流.S3斷面處水深增大至30m,在高程580m左右出現(xiàn)明顯的泥沙異重流清渾水界面,界面處垂向濁度、水溫及水體密度突變(濁度33~165NTU、水溫15.0~17.7℃、水體密度998.585~ 999.264kg/m3),高濁、高密度水體潛入河道底部,形成底部潛流.S3~S5斷面垂向濁度、水溫及水體密度分布特征基本一致,表明密度潛流以底部潛流方式移動(dòng)至S5斷面,且隨水深增加,潛流層上邊界逐漸下移至高程570m處.隨著水深進(jìn)一步增大及沿程顆粒沉降,S6斷面處潛流水體密度小于底部水體密度,密度潛流與河道分離進(jìn)入中部等密度水層,從底部潛流轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁繚摿?濁度垂向分布變?yōu)橄仍龃蠛鬁p小,高程525m左右出現(xiàn)新的濁度、水溫及水體密度突變區(qū)(濁度減小、水溫降低、水體密度增大),潛入位置為高程525~565m處.S7~ S10斷面垂向濁度、水溫及水體密度分布特征與S6斷面相同,表明密度潛流以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū),潛入主庫區(qū)位置為高程535~565m,潛流層厚度30m.

圖3 2015-06-29與2017-10-12暴雨徑流過程中沿程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)濁度、水溫及水體密度垂向分布

2017年10月12日,徑流量達(dá)404m3/s,受客觀因素影響,未能到達(dá)S0和S1監(jiān)測(cè)斷面,沿程水質(zhì)監(jiān)測(cè)從S2斷面開始.由圖3(d)~(f)可知,S2斷面處在高程580m處出現(xiàn)明顯清渾水界面(界面處濁度17~ 114NTU、水溫10.9~15.0℃、水體密度998.928~ 999.775kg/m3),高密度潛流水體沿河道底部流動(dòng),形成底部潛流.S2~S7斷面濁度、水溫、水體密度垂向分布特征基本一致,表明密度潛流以底部潛流方式移動(dòng)至S7斷面,S7斷面處潛流水體濁度、水溫及水體密度范圍分別為70~164NTU、11.4~13.4℃、999.471~999.665kg/m3.S7到S9斷面,水深增加25m, S9斷面底部水體水溫8.0℃,水體密度達(dá)999.859kg/ m3,大于S7斷面潛流水體密度,密度潛流轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁繚摿?在高程525,575m處出現(xiàn)2個(gè)清渾水界面.S10斷面各指標(biāo)垂向分布特征與S9斷面相同,表明密度潛流以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū),潛入位置為高程525~575m,潛流層厚度50m.

水體異重流潛流過程主要受水體密度差驅(qū)動(dòng),對(duì)于淡水水庫,潛流水體密度受水溫和含沙量共同影響[11].受降雨影響,2015年6月29日入流水體溫度從17.8℃降低至14.0℃,水體溫度密度增量為0.612kg/m3,含沙量增量為0.263kg/m3;2017年10月12日入流水體溫度從16.7℃降低至10.0℃,水體溫度密度增量為0.873kg/m3,含沙量增量為0.126kg/m3,兩次暴雨徑流過程入流水體含沙量較小,潛流水體密度受水溫影響較大.2015年6月29日與2017年10月12日暴雨徑流在上游沿河道底部向前移動(dòng),形成底部潛流,隨著沿程水深增大及泥沙顆粒不斷沉降,潛流水體與河道分離潛入中部密度相同水層,最終以中部潛流方式潛入主庫區(qū)中部水體.研究表明,徑流量越大、潛流水體密度越大,密度潛流由底部潛流轉(zhuǎn)為中部潛流的位置距主庫區(qū)越近(2015年6月29日為S6斷面,2017年10月12日為S9斷面),潛入主庫區(qū)的位置越深(2015年6月29日潛流層下邊界高程535m,2017年10月12日潛流層下邊界高程525m),潛流層厚度也越大(2015年6月29日30m,2017年10月12日50m).

2.3 暴雨徑流對(duì)水庫水體分層結(jié)構(gòu)影響

2.3.1 暴雨徑流對(duì)水庫水溫分層結(jié)構(gòu)影響 2015年6月金盆水庫主庫區(qū)處于穩(wěn)定分層期,6月25日暴雨徑流入庫前,上下水體溫差達(dá)11.1℃(7.2~ 18.3℃).6月29日暴雨徑流上游來水溫度在14.0℃左右,以中部潛流方式潛入主庫區(qū)高程535~565m處,由于潛入水體與周圍水體不斷的熱量交換,潛流層(高程535~565m)水體溫差從8.5℃減小到5.8℃.由于中部潛流的局限性,水庫底部、表層水體溫差僅從11.1℃減小到9.6℃,對(duì)水體熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小.徑流過后,隨著氣溫的升高,水體熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性再次加強(qiáng)(圖4a).

2017年10月9日暴雨徑流入庫前,主庫區(qū)上下水體溫差為9.0℃(7.9℃~16.9℃).10月12日暴雨徑流上游來水溫度在10.0~12.0℃,以中部潛流方式潛入主庫區(qū)高程525~575m處.暴雨徑流入庫后,高程515~540m處水體溫度升高,540~580m處水體溫度減小,潛流層水體上下溫差由7.4℃減小到3.7℃,溫躍層遭到破壞,在表層水體和底部水體形成兩個(gè)溫度梯度較小的新溫躍層.徑流后期,隨著氣溫持續(xù)降低,表層水體溫度隨之降低,上下層水體溫差逐漸減小,直至完全混合(圖4b).

水庫水溫分層結(jié)構(gòu)受氣象要素、水庫內(nèi)部動(dòng)力學(xué)條件及入庫/出庫流量等因素的影響[12].李鐘順等[13]研究發(fā)現(xiàn),汛期大徑流的匯入會(huì)對(duì)水庫水溫分層結(jié)構(gòu)造成一定影響.2015年6月29日和2017年10月12日暴雨徑流均以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū).2015年6月29日徑流量330m3/s,上游來水溫度14.0℃左右,使主庫區(qū)潛流層30m厚度水層上下水體溫差減小2.7℃;2017年10月12日徑流量404m3/s,上游來水溫度在10.0~12.0℃,使主庫區(qū)潛流層50m厚度水層上下水體溫差減小3.7℃.表明大徑流入庫會(huì)對(duì)水庫水溫分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成一定削弱,且徑流量越大,上游來水溫度越低,暴雨徑流對(duì)水庫水溫分層結(jié)構(gòu)的影響也越大.與陶美等[14]在研究洪水對(duì)洪家渡水庫、東風(fēng)水庫和烏江渡水庫水溫分層結(jié)構(gòu)的影響時(shí)得到的結(jié)論相同.中部潛流對(duì)水庫熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響有限,若含沙量足夠大,密度潛流能以底部潛流方式進(jìn)入水庫底部,使底部水體溫度迅速升高,對(duì)水庫熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞[15].

2.3.2 暴雨徑流對(duì)水庫溶解氧分層結(jié)構(gòu)的影響 金盆水庫底部安裝有揚(yáng)水曝氣系統(tǒng),叢海兵等[16]研究發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)可將壓縮空氣以小氣泡形式通過曝氣室釋放,直接向底部水體進(jìn)行充氧,還可將壓縮空氣以氣彈的形式向水體釋放,氣彈上浮過程會(huì)使中上部水體溶解氧得到補(bǔ)充,具有較強(qiáng)的水體充氧作用,另外,氣彈上浮會(huì)促進(jìn)上下層水體的混合,具有破壞水體分層的作用.2015年6月?lián)P水曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行使水庫水體溶解氧含量處于較高水平,6月25日底部水體溶解氧含量高達(dá)11.1mg/L,暴雨徑流入庫時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉.2015年6月29日上游來水溶解氧含量為10.5mg/L,潛入主庫區(qū)高程535~565m處,徑流入庫后,潛流層水體(高程535~565m)溶解氧含量從6月25日的8.4~10.4mg/L變?yōu)?.0~9.7mg/L.徑流入庫后,水庫水位上升13.5m,表層富氧水體被潛流水體頂托上移導(dǎo)致高程550~565m水層溶解氧含量有所降低,從9.4~10.4mg/L降低至9.4~9.7mg/L,而高程535~550m水層溶解氧含量得到一定補(bǔ)充,從8.4~ 9.4mg/L升高至9.0~9.4mg/L.徑流過后,潛流層水體溶解氧含量逐漸減小(圖5a).

由圖5(b)可知,徑流入庫前,受溫度分層的影響,溶解氧傳質(zhì)受阻,水庫中下部尤其是底部水體溶解氧含量較低(4.5mg/L左右).2017年10月12日暴雨徑流時(shí)期,上游來水溶解氧含量高達(dá)11.0~12.0mg/L,密度潛流潛入位置為高程525~575m.徑流入庫后,中部潛流層水體(高程525~575m)溶解氧含量從6.0~9.0mg/L增加到10.0~10.8mg/L,底部水體溶解氧含量從4.5mg/L增加到6.8mg/L.暴雨徑流過后,由于水體及底部沉積物的不斷耗氧,中下部水體溶解氧迅速被消耗,到11月17日,底部水體溶解氧含量僅為2.6mg/L.

溶解氧是保持湖庫水環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡的重要環(huán)境因子,湖庫溶解氧分布特征主要受物理、化學(xué)和生物等因素的影響[17].夏季水溫分層會(huì)導(dǎo)致水庫中下部水體溶解氧含量降低,形成與水溫相似的分層結(jié)構(gòu).暴雨徑流時(shí)期,上游來水溶解氧含量較高,甚至可達(dá)當(dāng)?shù)貧夂驐l件下的飽和狀態(tài),洪峰入庫后,大量富氧水的匯入會(huì)對(duì)主庫區(qū)溶解氧進(jìn)行補(bǔ)充,緩解因?yàn)樗w分層而造成的中下部水體缺氧情況[18]. 2017年10月12日徑流量大,上游來水溶解氧含量高,對(duì)主庫區(qū)水體溶解氧垂向分布影響也更大.另一方面,暴雨徑流攜帶大量外源有機(jī)物,2015年6月29日和2017年10月12日徑流入庫后主庫區(qū)CODMn含量分別從3.59,3.71mg/L增大至5.02, 4.21mg/L (圖7(c),(f)).水體有機(jī)污染負(fù)荷的增加會(huì)顯著增加水體耗氧速率[19]以及庫底沉積物耗氧速率[20],導(dǎo)致徑流后期水庫水體尤其是底部水體溶解氧含量迅速下降.

2.4 暴雨徑流對(duì)水庫水質(zhì)影響

2.4.1 來流水質(zhì)分析 暴雨徑流時(shí)期,強(qiáng)降雨的擊濺及地表徑流對(duì)土壤的水力沖刷使大量泥沙顆粒和氮磷營養(yǎng)鹽等污染物質(zhì)進(jìn)入徑流水體,影響入流水質(zhì)[21-22].一般來說,暴雨徑流攜帶的污染物負(fù)荷受降雨強(qiáng)度影響較大,降雨強(qiáng)度越大,暴雨徑流攜帶污染物負(fù)荷越高[23].

2015年6月29日上游來水總氮、總磷及CODMn含量為3.12,0.150,7.52mg/L,2017年10月12日上游來水總氮、總磷及CODMn含量為2.00,0.127, 6.17mg/L.暴雨徑流時(shí)期,入流水體總氮和CODMn含量均超過國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838- 2002)[24]規(guī)定的Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),總磷則超過Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).而徑流入庫前主庫區(qū)總氮、總磷及CODMn含量在1.64,0.022,3.71mg/L以下,遠(yuǎn)低于暴雨徑流污染負(fù)荷,表現(xiàn)出暴雨徑流的高污染負(fù)荷特征.邊博[25]研究發(fā)現(xiàn),與持續(xù)降雨時(shí)期相比,長期未降雨條件下強(qiáng)降雨對(duì)土壤的初期沖刷效應(yīng)會(huì)使土壤中更多污染物質(zhì)隨徑流進(jìn)入地表水體.2017年9月~10月降雨較為頻繁,10月8日~11日強(qiáng)降雨前30d,降雨總量147mm,日降雨量在10mm以上的天數(shù)有5d,而2015年6月25日~28日強(qiáng)降雨前30d降雨總量僅為40mm且日降雨量在10mm以上的天數(shù)為零,雨水對(duì)土壤的初期沖刷作用使2015年6月29日暴雨徑流攜帶的污染負(fù)荷較2017年10月12日更大.

2.4.2 暴雨徑流對(duì)主庫區(qū)濁度的影響 一般徑流條件下,金盆水庫上游來水濁度較低(5NTU以下),暴雨徑流時(shí)期,強(qiáng)降雨對(duì)土壤的水力沖刷使大量泥沙顆粒進(jìn)入水體,導(dǎo)致徑流水體濁度較高.2015年6月29日和2017年10月12日上游來水濁度達(dá)430NTU和190NTU.暴雨徑流以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū)后,中部水體濁度迅速增大,高濁水影響范圍分別為高程535~565m和高程525~575m,濁度峰值達(dá)93, 86NTU(圖6).暴雨徑流結(jié)束后,由于上游來水濁度變小及水中懸浮顆粒不斷沉降,水體濁度逐漸減小,分別于2015年7月20日和2017年11月17日水體濁度降到20NTU以下,高濁水持續(xù)時(shí)間分別為21, 36d.表明徑流量越大,則高濁水影響范圍越大,持續(xù)時(shí)間也越長.

2.4.3 主庫區(qū)水質(zhì)影響分析 2015年暴雨徑流以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū)中部水體,潛流層(高程535~565m)水體總氮、總磷、CODMn含量分別從1.6,0.021,3.70mg/L增至2.37,0.100,5.80mg/L,垂向分布均表現(xiàn)為中部最高、底部次之、表層最低,總氮含量峰值出現(xiàn)在6月29日,而總磷、CODMn含量峰值出現(xiàn)在7月2日,表現(xiàn)出一定的滯后性.徑流過后,由于顆粒態(tài)污染物的不斷沉降及上游來水水質(zhì)變好,潛流層水體總氮、總磷、CODMn含量逐漸減小,且垂向分布趨于一致.總氮含量在7月10日達(dá)到最小值之后又逐漸增大,可能是由于暴雨徑流攜帶的含氮有機(jī)物耗氧分解所致(圖7a~c).

圖7 2015-06-29與2017-10-12暴雨徑流前后主庫區(qū)總氮、總磷及CODMn含量變化

表-潛流層以上水體;中-潛流層水體;底-潛流層以下水體

2017年暴雨徑流同樣潛入水庫中部水體,10月12日洪峰入庫后,潛流層(高程525~575m)總氮、總磷、CODMn含量分別從1.46,0.017,3.73mg/L增至1.85,0.023,4.45mg/L,垂向分布均為中部最高、底部次之、表層最低.徑流過后,潛流層水體總氮、總磷、CODMn含量逐漸降低,10月26日,潛流層水體總氮、總磷、CODMn含量分別為1.60,0.014,3.75mg/L,基本回到徑流入庫前水平(圖7d~f).

降雨徑流是水土流失的主要推動(dòng)力[26].王曉燕等[27]在密云水庫流域的研究表明,降雨沖刷會(huì)使土壤中直徑在0.001mm以下的土壤顆粒大量流失,吸附于土壤顆粒上的氮、磷營養(yǎng)鹽等污染物質(zhì)隨之進(jìn)入地表水體.金盆水庫汛期暴雨徑流多以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū),使中部水體總氮、總磷、CODMn含量迅速增大,影響供水水質(zhì).大量顆粒態(tài)污染物質(zhì)在水庫底部不斷沉降聚集,會(huì)導(dǎo)致水庫底部水體變差,內(nèi)源污染負(fù)荷增大.2015年暴雨徑流對(duì)金盆水庫水質(zhì)造成的沖擊比2017年大.一方面是由于雨水的初期沖刷效應(yīng)使得2015年暴雨徑流具有更大的污染負(fù)荷.另一方面,2017年10月11日到10月13日,金盆水庫入庫水量8470萬m3,泄洪水量7560萬m3,暴雨徑流潛入位置為高程525~575m處,而泄洪洞進(jìn)口底板高程為545m處,大量高污染負(fù)荷水體直接通過泄洪洞排出,并未進(jìn)入主庫區(qū),大大削減了暴雨徑流對(duì)主庫區(qū)水質(zhì)的沖擊.

3 結(jié)論

3.1 暴雨徑流時(shí)期,密度潛流潛入方式不斷變化,徑流量在300~400m3/s時(shí),從上游到主庫區(qū)需歷經(jīng)全斷面徑流-底部潛流-中部潛流3個(gè)階段,最終以中部潛流方式進(jìn)入主庫區(qū).徑流量越大,入流水體密度越大,密度潛流由底部潛流轉(zhuǎn)為中部潛流的位置距主庫區(qū)越近,潛入主庫區(qū)的位置也越深.

3.2 暴雨徑流潛入使水庫中部潛流層水體溫差減小,水庫熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到一定影響,徑流量越大,潛入位置越深,對(duì)水庫熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響就越大.暴雨徑流溶解氧含量較高,大量富氧水的匯入會(huì)使水庫中下部水體溶解氧得到有效補(bǔ)充,改善中下部水體缺氧環(huán)境.徑流量越大,上游來水溶解氧含量越高,對(duì)主庫區(qū)溶解氧分層結(jié)構(gòu)影響越大.

3.3 暴雨徑流時(shí)期,大量高濁水的匯入使中部潛流層水體濁度迅速增大,徑流過后,隨著懸浮顆粒的不斷沉降,水體濁度又逐漸降低.徑流量越大,高濁水影響范圍越大,持續(xù)時(shí)間也越長.

3.4 暴雨徑流攜帶大量氮磷營養(yǎng)鹽、有機(jī)物等污染物質(zhì),使主庫區(qū)水體尤其是潛流層水體水質(zhì)迅速惡化,徑流過后,隨著顆粒態(tài)污染物的不斷沉降及上游來水水質(zhì)變好,水庫水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn),洪峰過后20d左右,氮磷營養(yǎng)鹽、CODMn含量基本恢復(fù)到徑流前水平,表現(xiàn)出暴雨徑流的短時(shí)、高污染負(fù)荷特征.降雨間隔時(shí)間較長時(shí),雨水對(duì)土壤的初期沖刷作用會(huì)使暴雨徑流攜帶污染物負(fù)荷較高,而汛期泄洪可有效削減暴雨徑流時(shí)期外源污染物的匯入.

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致謝：感謝西安水務(wù)(集團(tuán))黑河金盆水庫管理公司提供的部分?jǐn)?shù)據(jù).

Impact of stormwater inflow on water quality of stratified source reservoir.

Lü Xiao-long, HUANG Ting-lin*, LI Nan, XU Jin-lan, DENG Li-fan, MAO Xue-jing

(Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, Ministry of Education, Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2019,39(7)：3064~3072

To explore the intrusion processes of the density current and its influences on water quality in rainfall events, water temperature, dissolved oxygen, turbidity and related contaminants were monitored in June 2015 and October 2017. 11 monitoring sections were set along the upstream to main basin in Jinpen Reservoir (JPR). The underflow plunged into reservoir undergoes three stages when the inflow was 300~400m3/s: whole-section intrusion with greater water velocity, bottom intrusion with high density and mid-intrusion due to sedimentation of slit. The underflow caused the loss of thermal stability of water column, while the dissolved oxygen in the middle and lower water column were supplemented. Quantities of slit with underflow containing organic matters,nutrients and inorganic substances were transformed into reservoir and the concentration of total nitrogen, total phosphorus, turbidity and other index were resultantly increased in water column. For example,in June 2015, TN, TP, CODMnand turbidity were increased from 1.60, 0.021, 3.70mg/L and 5NTU to 2.37, 0.100, 5.80mg/L and 93NTU, respectively.

storm runoff；density underflow；nutrient salt；non-point source pollution

X524

A

1000-6923(2019)07-3064-09

呂曉龍(1993-),男,河南洛陽人,西安建筑科技大學(xué)碩士研究生,主要從事水源水庫水質(zhì)微污染控制研究.

2018-11-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0400706);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478378)

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