汪青遼，顏小平，郝紅升，黃 偉

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.四川農業(yè)大學，四川 雅安 625014)

1 研究背景

據《2018年全國水利發(fā)展統計公報》顯示，截至2018年底，我國共有水庫98 400座，在全國各地均有分布[1]。這些水庫取得了重要的防洪、灌溉及供水等效益，對我國經濟社會的發(fā)展做出重要的貢獻[2]。然而，水庫蓄水成庫后通常會改變原河道水文特征、水庫水體水力停留時間，導致水體對有機物的降解能力發(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間增加減弱了水體的交換過程[4-7]，從而導致水庫水質狀況發(fā)生改變。因此，研究水庫水體的自凈規(guī)律對水庫規(guī)劃設計與管理具有重要意義。

以往研究表明，水庫蓄水后，水庫水體具有一定的自凈能力，能改善水庫水質。王現領等[8]對景觀水體的自凈規(guī)律進行了試驗研究，試驗結果表明景觀水體的CODCr、氨氮值會逐漸降低至某一水平，后維持穩(wěn)定；王超等[9]對南水北調中線干渠水體自凈能力進行了研究，發(fā)現總干渠水體自凈能力較弱且受溫度影響明顯；劉倩純等[10]對鄱陽湖水體水質變化規(guī)律進行了詳細的研究，得出影響鄱陽湖水體水質的環(huán)境因子主要為溶氧量、透光度和電導率；李錦秀等[11]利用一維水流水質數學模型對三峽庫區(qū)水質變化規(guī)律進行了預測，結論是三峽庫區(qū)水體受水流流速減緩影響，自凈降解速率降低，但由于污染物在庫區(qū)滯留時間成倍延長，有機污染物在庫區(qū)自凈降解總量將比建庫前增大。然而，以往研究中針對我國不同地區(qū)和不同規(guī)模的水庫自凈規(guī)律的研究相對較少，對水庫自凈能力與水庫水文特征量之間規(guī)律的深入探討也較少。為此，本文以我國不同區(qū)域及不同規(guī)模的水庫為研究對象，調研水庫水體COD、NH3-N、TN、TP等水質因子，探究水質自凈規(guī)律，并通過對比不同規(guī)模、不同地區(qū)水庫水體自凈能力，總結出大中型水庫、南北方水庫水體自凈能力差異，分析造成水庫水體自凈能力差異的原因，以期為進一步闡明水庫自凈規(guī)律，為水庫設計、運行與管理提供理論依據。

2 研究方法

2.1 研究對象

本文研究對象為我國已修建的90多個大、中型水庫，涉及全國(港澳臺除外)各個省、市及自治區(qū)(我國南海地區(qū)未納入研究)，并確保每個省、市及自治區(qū)均有水庫作為研究樣本。

2.2 數據來源

所有數據來源于國家或地方環(huán)境部門官方公開的環(huán)境影響評價報告書，主要包括KCOD、KNH3-N、KTN、KTP、出入庫水流污染物濃度、水庫水位特征值、相應的庫容和多年平均年徑流量等。

2.3 研究步驟

本文收集我國不同區(qū)域的環(huán)評報告書，選取水庫環(huán)評報告中的水文特征值數據，采用SPSS和Origin Pro軟件分析我國不同地區(qū)及不同規(guī)模水庫水質數據，得出不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫水質自凈能力規(guī)律，分析不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫水體自凈能力差異，并分析其原因，詳見圖1。

圖1 技術路線示意

3 結果與討論

3.1 水庫自凈規(guī)律分析

水體污染物衰減系數能反映水體單位時間內污染物的衰減速率，對水體自凈和納污能力計算有重要作用[12]；而入庫水流的COD濃度值與出庫水流COD濃度值的差，在假設水庫水質無人為影響前提下，可以反映水庫對COD的削減能力，本文將其定義為COD濃度變化值。對NH3-N、TN和TP也進行相同定義。對COD、NH3-N和水庫正常水位庫容、多年平均流量等數據進行線性回歸處理和統計分析，結果如圖2、3所示。

由圖2可知，當水庫的正常水位庫容增加時，水庫的COD衰減系數呈減小趨勢，表明水庫正常水位庫容與COD衰減系數呈負相關關系。由圖2、3可知，在一次函數擬合情況下，隨著水庫多年平均流量的增加，水庫對COD、NH3-N的削減能力有一定提升，反映出兩者呈正相關的關系。COD衰減系數與多年平均流量或者正常水位庫容關系不顯著，主要原因是COD衰減系數受溫度、光照、庫容和水力停留時間等因素的復合影響，所以與單一因子的相關關系不顯著。由圖3可看出，NH3-N衰減系數與多年平均流量成負相關關系；相反，多年平均流量與NH3-N濃度變化值卻呈正相關關系，其自凈規(guī)律與COD一致。

圖2 COD衰減系數、濃度變化值與正常水位庫容擬合曲線

圖3 NH3-N衰減系數、濃度變化值與多年平均流量擬合曲線

為進一步探究水質參數與正常水位庫容函數關系，將COD與正常水位庫容進行非線性函數擬合，R2明顯增大，說明它們之間可能呈更復雜的函數關系。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量級接近，將庫容進行自然對數變換后再進行線性回歸分析，結果見圖4。由圖4可以發(fā)現，相關性明顯增強，說明兩者存在正相關關系，既隨著不同水庫正常水位庫容的增加，其對COD的削減能力有一定的增強，擬合的線性曲線截距表明，研究涉及的水庫除了庫尾水體COD流入外，水庫都存在一定的面源污染，所以直線不經過原點，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(庫容)擬合曲線

TN、TP也是水庫重要的水質指標，線性和非線性分析結果見圖5、6和表1、2。

圖5 TN濃度變化值和多年平均流量、正常水位庫容擬合曲線

從擬合曲線可知，TN的衰減系數隨著正常水位庫容增加總體呈下降趨勢(見圖5)，而TN從入庫到出庫的濃度變化值與多年平均徑流量也有一定的相關性。TN的濃度變化值隨著不同水庫的正常水位庫容增加大致呈現下降趨勢(見圖5)，線性擬合相關系數R2較低，僅為0.18，說明它們之間呈一定的負相關關系，但相關性較小；當把它們進行2次函數擬合時，相關系數明顯增加，反映出它們之間可能為較復雜的非線性關系。當把TN濃度變化值與多年平均流量進行線性擬合時發(fā)現，兩者呈較明顯的負相關關系，相關系數達到0.51，說明兩者具有一定的相關性；而用二次函數進行擬合時發(fā)現R2達到了0.62(見表1)，證明兩者可能存在非線性關系。

表1 TN濃度變化值與正常水位庫容、多年平均流量擬合相關系數

不同水庫的TP衰減系數與對應水庫正常水位庫容呈負相關關系(圖6)，即隨著水庫的正常水位庫容地增大，TP單位時間降解速率減小，與TN自凈規(guī)律一致。TP濃度變化值與水庫正常水位庫容正相關性較強，線性函數擬合和2次函數擬合R2分別達到了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容的增加而增加，原因是水庫

表2 TP與正常水位庫容、多年平均流量擬合相關系數

圖6 TP衰減系數、濃度變化值和正常水位庫容擬合曲線

庫容越大，水庫對TP的稀釋和降解能力越強；但TP的濃度變化值與壩址處的多年平均徑流量呈負相關關系，原因可能是流量越大，水庫水流停留時間越短，從而導致水庫TP濃度變化值反而減少，這與劉登國[13]的研究結果一致。

3.2 大中型水庫自凈能力差異分析

方差分析表明，大、中型水庫的水質指標衰減系數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。大型水庫的COD衰減系數變化范圍為0.001～0.320 d-1，中型水庫COD變化范圍為0.001 8～0.270 0 d-1；大型水庫的NH3-N衰減系數變化范圍為0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水庫的變化范圍為0.001 5～0.150 0 d-1(見表3、圖7)。在水質指標衰減系數上，大型水庫的COD、NH3-N降解系數變化范圍比中型水庫大，大型水庫COD降解系數異常值多(見圖7)，均說明大型水庫的情況比中型水庫情況更加復雜，影響因素更多，波動范圍更大。大型水庫COD、NH3-N降解系數平均值與中型水庫相差不大，原因是大型水庫的衰減系數極大值和極小值都較多，從而使兩種類型水庫平均值相差不大，但其中位數卻小于中型水庫。這說明中型水庫的衰減系數整體上大于大型水庫，與本文COD、NH3-N等衰減系數與正常水位庫容的負相關曲線擬合結果一致，原因可能為大型水庫更加著重于滿足供水、灌溉等功能，從而增加了水力停留時間，使衰減系數偏小，與李錦秀[11]的研究結論一致。

表3 大、中型水庫水質指標衰減系數特征值 d-1

圖7 大中型水庫COD、氨氮衰減系數箱型圖

大、中型水庫的水質指標濃度變化值也呈一定規(guī)律?？傮w上，大型水庫的水質指標削減值變化范圍大于中型水庫(見表4)。大型水庫的COD濃度變化值的方差為4.481，變化范圍為0.1～7.781 mg/m3；而中型水庫的方差僅為0.994，變化范圍為0.002～3.62 mg/m3。不難發(fā)現，大型水庫水質凈化能力的變化范圍和不均勻性比中型水庫大，主要原因是大型水庫的庫區(qū)范圍、點面源污染狀況和水文條件等等影響因素明顯比中型水庫復雜。為保障供水安全和水質目標，需要科學管理，制定相對最優(yōu)的水庫運行管理方式[14]。

表4 大、中型水庫水質指標濃度變化值特征值 mg/L

3.3 南北方水庫自凈能力差異分析

根據水庫的地理位置，以秦嶺淮河為南、北分界線，將水庫分為南方、北方水庫，對比分析南北方水庫自凈能力。

由于青海省的水庫水質狀況整體較好，自凈能力與其他地區(qū)差異明顯，有可能影響整體結果，因此不納入分析，另行分析。研究發(fā)現，南方水庫的COD、NH3-N、TP、TN衰減指數和污染物濃度變化值的平均值、中位數、方差、標準偏差和變化范圍都比北方水庫大(見表5、6，圖8)，表明南方水庫水體的自凈能力普遍比北方強，對入庫污染負荷降解和削減能力比北方水庫強；但南方水庫自凈能力的變化范圍、方差和標準偏差都比北方水庫大，表明南方不同省份和不同類型水庫的差異大，自凈能力規(guī)律更為復雜情況。需要說明的是北方省份中的青海省，由于其水質好且人為影響小，所以青海省內的水庫水質指標衰減系數和濃度變化值普遍大于其他區(qū)域的水庫。將所得數據剔除極端值后知，南方水庫的COD衰減系數范圍一般為0.001 8～0.280 0 d-1，而北方水庫變化范圍一般為0.001～0.150 d-1；南方水庫NH3-N衰減系數一般為0.001 5～0.180 0 d-1，北方為0.001 2～0.120 0 d-1；南方水庫COD和NH3-N衰減系數眾數比北方大，而TP、TN衰減系數都比較小，南方水庫TP、TN衰減系數稍大于北方水庫，南北方差異不明顯?？偟膩碚f，南方水庫的自凈能力要大于北方水庫，其原因與溫度，光照，水庫功能等因素都有關，與已有的研究結論類似[9]。

表5 南、北方水庫水質指標衰減系數統計特征值 d-1

表6 南、北方水庫水質指標濃度變化值特征值 mg/L

圖8 南、北方水庫COD、氨氮衰減系數示意

4 結 論

由上述分析得出以下主要結論：

(1)水庫對COD、NH3-N、TP、TN的削減能力與水庫正常水位庫容和壩址處多年平均徑流量相關關系顯著，呈正相關關系；不同水庫COD等污染物衰減系數與水庫正常水位庫容和壩址處多年平均徑流量相關性不顯著，呈較弱的負相關關系。其原因是COD等污染物衰減系數的影響因素較多，所以與單一因子進行擬合的相關性弱。

(2)整體上，大型水庫的COD衰減系數變化范圍為0.001～0.320 d-1，中型水庫COD變化范圍為0.001 8～0.270 0 d-1；大型水庫的NH3-N衰減系數變化范圍為0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水庫的變化范圍為0.001 5～0.150 0 d-1。大型水庫的污染物衰減指標值的變化范圍比中型水庫大，統計方差也更大，大型水庫的自凈能力狀況及其影響因素明顯比中型水庫情況更加復雜多變，但其中位數卻小于中型水庫，與擬合所得結果一致。

(3)南方水庫COD、NH3-N、TP、TN入庫出庫濃度變化值的平均值、中位數、方差和波動范圍都比北方水庫大；南方水庫的自凈能力普遍比北方強，對入庫污染物凈化能力比北方水庫高，但南方水庫自凈能力變化范圍和方差都比北方水庫大。這些表明南方不同區(qū)域和不同類型水庫間的差異明顯，自凈能力規(guī)律更加復雜。