汪青遼，顏小平，郝紅升，黃 偉

(1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中國水利水電科學(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年全國水利發(fā)展統(tǒng)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(jīng)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(dǎo)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(dǎo)致水庫水質(zhì)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(shè)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(zhì)。王現(xiàn)領(lǐng)等[8]對景觀水體的自凈規(guī)律進行了試驗研究，試驗結(jié)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(diào)中線干渠水體自凈能力進行了研究，發(fā)現(xiàn)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(zhì)變化規(guī)律進行了詳細的研究，得出影響鄱陽湖水體水質(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)模型對三峽庫區(qū)水質(zhì)變化規(guī)律進行了預(yù)測，結(jié)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(diào)研水庫水體COD、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)因子，探究水質(zhì)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(jié)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(shè)計、運行與管理提供理論依據(jù)。

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(shù)據(jù)來源

所有數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)，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(zhì)數(shù)據(jù)，得出不同地區(qū)和不同規(guī)模水庫水質(zhì)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(shù)路線示意

3 結(jié)果與討論

3.1 水庫自凈規(guī)律分析

水體污染物衰減系數(shù)能反映水體單位時間內(nèi)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(shè)水庫水質(zhì)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(shù)據(jù)進行線性回歸處理和統(tǒng)計分析，結(jié)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(shù)呈減小趨勢，表明水庫正常水位庫容與COD衰減系數(shù)呈負相關(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(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容關(guān)系不顯著，主要原因是COD衰減系數(shù)受溫度、光照、庫容和水力停留時間等因素的復(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，其自凈規(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

為進一步探究水質(zhì)參數(shù)與正常水位庫容函數(shù)關(guān)系，將COD與正常水位庫容進行非線性函數(shù)擬合，R2明顯增大，說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)量級接近，將庫容進行自然對數(shù)變換后再進行線性回歸分析，結(jié)果見圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)性明顯增強，說明兩者存在正相關(guān)關(guān)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(jīng)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(zhì)指標，線性和非線性分析結(jié)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(shù)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(guān)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(xiàn)下降趨勢(見圖5)，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2較低，僅為0.18，說明它們之間呈一定的負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較小；當把它們進行2次函數(shù)擬合時，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。當把TN濃度變化值與多年平均流量進行線性擬合時發(fā)現(xiàn)，兩者呈較明顯的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.51，說明兩者具有一定的相關(guān)性；而用二次函數(shù)進行擬合時發(fā)現(xiàn)R2達到了0.62(見表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容、多年平均流量擬合相關(guān)系數(shù)

不同水庫的TP衰減系數(shù)與對應(yīng)水庫正常水位庫容呈負相關(guān)關(guān)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(guān)性較強，線性函數(shù)擬合和2次函數(shù)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(guān)系數(shù)

圖6 TP衰減系數(shù)、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(guān)關(guān)系，原因可能是流量越大，水庫水流停留時間越短，從而導(dǎo)致水庫TP濃度變化值反而減少，這與劉登國[13]的研究結(jié)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(zhì)指標衰減系數(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。大型水庫的COD衰減系數(shù)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(shù)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(zhì)指標衰減系數(shù)上，大型水庫的COD、NH3-N降解系數(shù)變化范圍比中型水庫大，大型水庫COD降解系數(shù)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(fù)雜，影響因素更多，波動范圍更大。大型水庫COD、NH3-N降解系數(shù)平均值與中型水庫相差不大，原因是大型水庫的衰減系數(shù)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(shù)卻小于中型水庫。這說明中型水庫的衰減系數(shù)整體上大于大型水庫，與本文COD、NH3-N等衰減系數(shù)與正常水位庫容的負相關(guān)曲線擬合結(jié)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(shù)偏小，與李錦秀[11]的研究結(jié)論一致。

表3 大、中型水庫水質(zhì)指標衰減系數(shù)特征值 d-1

圖7 大中型水庫COD、氨氮衰減系數(shù)箱型圖

大、中型水庫的水質(zhì)指標濃度變化值也呈一定規(guī)律。總體上，大型水庫的水質(zhì)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(xiàn)，大型水庫水質(zhì)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(fù)雜。為保障供水安全和水質(zhì)目標，需要科學(xué)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(zhì)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(jù)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(zhì)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(jié)果，因此不納入分析，另行分析。研究發(fā)現(xiàn)，南方水庫的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(fù)雜情況。需要說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)的水庫水質(zhì)指標衰減系數(shù)和濃度變化值普遍大于其他區(qū)域的水庫。將所得數(shù)據(jù)剔除極端值后知，南方水庫的COD衰減系數(shù)范圍一般為0.001 8～0.280 0 d-1，而北方水庫變化范圍一般為0.001～0.150 d-1；南方水庫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TP、TN衰減系數(shù)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(guān)，與已有的研究結(jié)論類似[9]。

表5 南、北方水庫水質(zhì)指標衰減系數(shù)統(tǒng)計特征值 d-1

表6 南、北方水庫水質(zhì)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(shù)示意

4 結(jié) 論

由上述分析得出以下主要結(jié)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(guān)關(guān)系顯著，呈正相關(guān)關(guān)系；不同水庫COD等污染物衰減系數(shù)與水庫正常水位庫容和壩址處多年平均徑流量相關(guān)性不顯著，呈較弱的負相關(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，所以與單一因子進行擬合的相關(guān)性弱。

(2)整體上，大型水庫的COD衰減系數(shù)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(shù)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(tǒng)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(fù)雜多變，但其中位數(shù)卻小于中型水庫，與擬合所得結(jié)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(shù)、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(fù)雜。