姚 毅

(新疆哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000)

0 引言

河道地表水質(zhì)受多因素影響，其水質(zhì)特征不僅僅與地表徑流有關(guān)[1-2]，還受河道工程運(yùn)營流量、流速影響，研究河道內(nèi)水質(zhì)演化特征，對河流凈污、蓄水調(diào)度等均具有重要意義。葉焰中等[4]、楊芬等[5]、孫許[6]利用水動力學(xué)模型理論，建立SWMM等水質(zhì)模型，研究河流水質(zhì)時空演化特征，評價水質(zhì)富營養(yǎng)化影響變化，為河道水質(zhì)改善提供重要基礎(chǔ)依據(jù)。也有一些學(xué)者利用模型試驗理論，在室內(nèi)建立河道水流模型，研究不同工況下水質(zhì)變化特征，為研究河道長期水質(zhì)演化提供參照[7]。當(dāng)然，根據(jù)河道工程不同流量工況等運(yùn)營特征，可在特征斷面上進(jìn)行監(jiān)測，分析水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，判斷水力運(yùn)營特征對水質(zhì)狀態(tài)影響變化[8-10]，從而評價水力特征的影響效應(yīng)。本文根據(jù)哈密引水河道地表水質(zhì)在不同流量、不同流速下監(jiān)測變化，分析水質(zhì)演化與流量、流速等水力特征聯(lián)系性，進(jìn)而為引水工程取水調(diào)度與凈污等提供參考。

1 工程水質(zhì)監(jiān)測分析

1.1 工程概況

哈密地區(qū)位于新疆東部，境內(nèi)水資源匱乏，其區(qū)域內(nèi)水系如圖1所示，供水來源主要來自于冰川融化及地表水利工程水資源調(diào)度，在哈密東部地區(qū)建設(shè)有地表引水工程，主要面向下游工、農(nóng)業(yè)用水，年可提供水量超過300萬 m3，該水量很大程度上取決于上游河道泄流量，設(shè)計引水渠最大流量為0.65 m3/s，沿線引水渠長度為6.5 km，渠道全斷面均采用防滲襯砌結(jié)構(gòu)形式，有效降低滲透坡降，提升渠坡整體滲流與靜力穩(wěn)定性，且坡面采用植物護(hù)坡，降低水土流失，減少渠道內(nèi)水質(zhì)受周圍徑流影響。哈密東部輸水河道建設(shè)有多個圍堰與泄水閘等水工設(shè)施，控制河道流量與渠道輸水穩(wěn)定性，最大泄水閘位于河道下游靠近渠首6.5 km處，設(shè)計最大泄流量為265 m3/s，此泄水閘重要作用體現(xiàn)在控制下游河道與上游蓄水庫間的水力緩沖以及輸水調(diào)度。該引水工程作為哈密東部河道重要地表取水設(shè)施，其采用組合提水泵作為動力源，最大限度控制水資源與用水量需求，特別是為規(guī)劃年水資源配置中起著重要調(diào)節(jié)及峰、谷水資源調(diào)度作用。

圖1 研究區(qū)水系圖

根據(jù)對該河道引水工程分析得知，取水河道年徑流量為655萬 m3，區(qū)域內(nèi)水質(zhì)受上游冰川融化、中游人口活動及工業(yè)發(fā)展影響、下游受水力沖擊作用影響，而其水質(zhì)狀態(tài)特征對下游取水工程水資源調(diào)度的安全性具有重要意義。分析河道徑流及引水工程運(yùn)營特征可知，設(shè)計最大日可供水量超過2.5萬 m3，而上游蓄水庫最大蓄水量為1 500萬 m3，取水工程下游建設(shè)的農(nóng)業(yè)輸水灌渠全長有80km，可經(jīng)上游水質(zhì)處理，滿足超過50萬畝農(nóng)田灌溉，而水處理廠的輸水管道均采用雙層式DN60PPCP輸水通道，如圖2所示。中轉(zhuǎn)調(diào)壓塔配置有水質(zhì)過濾網(wǎng)及攔污柵，有效降低進(jìn)入下游輸水通道的雜質(zhì)含量，監(jiān)測表明調(diào)壓塔上游泥沙含量最大為5.5 kg/ m3，經(jīng)水質(zhì)初步處理，可降低含沙量60%～75%，但不可忽視依靠水工設(shè)施的過濾，水質(zhì)中有害化學(xué)礦物質(zhì)的削弱作用并不顯著。根據(jù)長期對河道內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測表明，向引水工程輸送水源水質(zhì)中COD含量平均值為22 g/L，TP濃度平均值為0.25 mg/L，但由于上游蓄水庫泄流量受冰川融化影響，來水流量的差異性也導(dǎo)致了河道內(nèi)氨氮含量差異性，波幅較大，其中監(jiān)測所獲得氨氮含量最大為1.35 mg/L。為探討該地表引水河道內(nèi)水質(zhì)演化差異性，筆者針對性對該河道水質(zhì)進(jìn)行長期監(jiān)測分析，研究不同流量、流速特征工況下河道水質(zhì)特征影響。

1.2 監(jiān)測試驗

為分析不同水力特征下河道內(nèi)水質(zhì)演化特征，本文采用水質(zhì)檢測設(shè)備對上游河道內(nèi)典型斷面進(jìn)行監(jiān)測分析，且利用泄水閘不同開度下流量、流速工況分別研究水力特征參數(shù)影響下河道水質(zhì)狀態(tài)。所使用的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備如圖3所示，分別為水質(zhì)分析儀、電波流速儀。

從泄流閘實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)下，引水工程調(diào)度水資源時常面臨的流量工況分布為30～120 m3/s，故本文設(shè)定流量工況分別為30 m3/s、60 m3/s、90 m3/s、120 m3/s；而流速控制與上游冰川融化程度有關(guān)，根據(jù)調(diào)查得知其融化會引起河道內(nèi)流速加快30%～60%，故流速工況分布在0.5～2 m/s，其流速工況分別設(shè)定為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s，本文以不同水力特征工況下的水質(zhì)特征開展演化分析，為引水工程下游水質(zhì)處理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

圖2 引水渠輸水管道

圖3 水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備

2 不同流量下水質(zhì)檢測特征

2.1 pH值變化

根據(jù)對不同流量工況下河道內(nèi)各斷面上的pH值監(jiān)測，本文以引水工程渠首與河道相接觸斷面處水質(zhì)作為時空分析對象，圖4為四個不同流量工況下渠首水質(zhì)pH值變化特征。

從圖4中可知，在時序效應(yīng)上，pH值最大位于每年2月份，不同流量工況中均以該月份為各年中PH值最大，在流量30 m3/s工況中該月份pH值可達(dá)9.6，而在同一流量工況中4月、6月份的pH值較前者分別降低了16.9%、13.4%；在每年10月至12月，同一流量工況中該時間序列上水質(zhì)PH值處于較穩(wěn)定，而處于pH值較大波動位于4-6月，在流量30 m3/s工況中該時間序列段pH值最大波幅超過20%，即渠首處水質(zhì)酸堿度與季節(jié)效應(yīng)密切相關(guān)。季節(jié)效應(yīng)本質(zhì)上乃是降雨量的變化，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大，如春夏之交時，其水質(zhì)中pH值受引水渠兩邊滲流活動及補(bǔ)水量影響[11,12]，對pH值的波動影響較大，而在較干旱月份，pH值處于較穩(wěn)定，本文中所獲得的數(shù)據(jù)表明該河段水流在6-8月酸堿中和效應(yīng)較佳。

從流量參數(shù)影響河段內(nèi)水質(zhì)特征可知，流量60 m3/s、120 m3/s下各月中PH最大值較流量30 m3/s下分別減少了5.2%、18%，從pH峰值變化可知，流量每增大30 m3/s，其pH峰值較之減少6.4%，表明上游泄流量愈大，則下游渠首處水質(zhì)被凈化稀釋程度愈高，水質(zhì)可逐步由堿性至酸性演變。整體上看，在低流量30 m3/s工況中，全年各月份pH平均值為8.51，而流量增大至60 m3/s、90 m3/s后，全年pH平均值較之降低了6.3%、15.7%，隨流量增大30 m3/s，其PH平均值可減小8.5%，此也印證了流量對水質(zhì)酸堿度的中和效果。從流量影響各月份水質(zhì)PH值差異性可知，流量增大，pH值降低效果最顯著位于5月和8月，而在pH值平穩(wěn)時間序列段中，流量對pH值的影響效應(yīng)較弱，筆者認(rèn)為，當(dāng)流量效應(yīng)耦合降雨徑流效應(yīng)后，流量增大，水質(zhì)酸堿度中和效果更強(qiáng)。

圖4 渠首水質(zhì)pH值受流量影響變化特征

2.2 水質(zhì)化學(xué)物特征參數(shù)

根據(jù)對典型流量工況中渠首處各月份的化學(xué)污染物含量監(jiān)測，獲得流量特征工況下水質(zhì)污染物含量變化特征，如圖5所示。從圖中可知，上游泄流量增大，但并不影響化學(xué)污染物在渠首處時效變化，全年中化學(xué)污染物含量以2月最為顯著，流量30 m3/s工況中該月COD含量可達(dá)69.8 mg/L，而相比之下在4月、6月中COD含量平均降低了15.6%、20.6%，該流量工況中COD含量分布為46.39～69.82 mg/L，各月間COD含量平均變幅為7.6%。與此同時氨氮含量相比之下，其變化趨勢與COD變化特征有所相同，但差異性體現(xiàn)在氨氮含量在10-12月序列段內(nèi)無穩(wěn)定狀態(tài)，波動性較顯著，流量60 m3/s工況中該序列段內(nèi)各月間氨氮含量平均波幅可達(dá)17.4%。分析表明，渠首水質(zhì)中COD含量與氨氮含量在相同時間序列上具有峰值，但氨氮含量無顯著平靜時間序列段，此與氨氮含量不僅與水質(zhì)變化有關(guān)，與渠首處周圍空氣環(huán)境亦有聯(lián)系。

圖5 水質(zhì)污染物含量受流量影響變化特征

當(dāng)流量增大后，全年中COD含量、氨氮含量變化態(tài)勢基本一致，但差異性體現(xiàn)在各月份中量值，在流量30 m3/s工況中COD含量平靜期平均為64.3 mg/L，而流量60 m3/s、120 m3/s工況中其平靜期的COD含量平均值較前者分別降低了13.6%、46.4%，流量增大后，有助于裹挾更多污染物沖向下游及稀釋沉降。氨氮含量受流量參數(shù)影響與COD含量具有相似性，流量30 m3/s工況中氨氮含量分布為1.47～2.27 mg/L，而流量60 m3/s、120 m3/s工況中各月氨氮含量較前者具有差幅10.3%～26.1%、56.1%～78.6%，特別以8月差距最顯著。綜合水質(zhì)特征與流量工況關(guān)系，筆者認(rèn)為，引水工程取水應(yīng)重點(diǎn)放在泄流量較大的7-8月中，水質(zhì)特征狀態(tài)處于較理想。

3 不同流速下水質(zhì)檢測特征

3.1 pH值變化

同理，本文給出典型流速工況下全年各月渠首斷面處水質(zhì)pH值變化，相比流量特征工況對pH值影響效應(yīng)，不同流速工況中，渠首水質(zhì)pH值在各月的變化具有差異性，流速0.5 m/s工況下其峰、谷pH值分別位于2月、8月，達(dá)10.74、7.4，而流速為1.5 m/s工況中pH峰、谷值分別位于3月、8月，且量值也分別降低了10.4%、6.7%，表明流速增大，水質(zhì)酸堿中和效果顯著，且流速增大，可影響季節(jié)效應(yīng)對pH值影響。本文監(jiān)測獲得流速0.5 m/s工況中全年pH值分布為7.4～10.74，平均值為9.19，而流速每增大0.5 m/s，全年各月pH值平均可降低8.6%，流速對水質(zhì)pH值影響主要在其變化趨勢上，而對量值的改變效應(yīng)弱于流量特征參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，流速愈大，本質(zhì)上是水流沖擊效應(yīng)增強(qiáng)，其對水質(zhì)中酸堿礦物的改變影響較小，但會影響季節(jié)降雨疊加下的徑流效應(yīng)，因而控制河道內(nèi)泄流流速乃是控制引水渠首水質(zhì)時序效應(yīng)的關(guān)鍵[13]。詳見圖6。

圖6 渠首水質(zhì)pH值受流速影響變化特征

圖7 水質(zhì)污染物含量受流速影響變化特征

3.2 化學(xué)污染物變化

根據(jù)對不同流速工況下的化學(xué)污染物變化分析，獲得渠首水質(zhì)COD含量、氨氮含量與流速特征參數(shù)關(guān)系，如圖7所示。從圖中可知，不同流速工況中化學(xué)污染物含量變化具有顯著差異性，在流速0.5 m/s工況中，其COD含量峰、谷值分別位于2月、7月，而流速增大后，COD含量峰、谷值均出現(xiàn)較大差異性改變，表明流速變化，化學(xué)污染物峰值分布時序效應(yīng)受之影響，在流速0.5 m/s工況中，監(jiān)測獲得COD含量在各月平均值為47.19 mg/L，而流速每增大0.5 m/s，COD含量平均值降低12.3%，此與化學(xué)污染物在高流速下分布逐漸擴(kuò)散化及稀釋化，故而含量降低。當(dāng)流速改變后，氨氮含量在各月中分布均有較大差異，如流速0.5 m/s工況中氨氮含量在10-12月中較為平穩(wěn)，而流速在

1.5 m/s工況下該時間序列中具有較大波幅，雖量值上不及前者，但氨氮含量隨時間變化特征顯著增強(qiáng)；另一方面，氨氮含量各月平均值隨流速亦具有平均降幅19.7%。綜合認(rèn)為，當(dāng)流速變大后，水質(zhì)中化學(xué)污染物含量在時間分布上具有較大改變，此時季節(jié)降雨、活躍徑流等對水質(zhì)污染物的影響效應(yīng)均會受改變，即流速特征乃是改變水質(zhì)污染物的時序效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)語

本文主要獲得以下四點(diǎn)結(jié)論：

(1)不同流量工況中pH值變化特征一致，同一流量中pH值最大位于2月，而10-12月pH值較穩(wěn)定，其pH值時序效應(yīng)受季節(jié)降雨影響；隨流量增大30 m3/s，渠首pH平均值可減小8.5%。

(2)渠首水質(zhì)COD含量與氨氮含量峰值位于同一相同時間序列上，但氨氮含量穩(wěn)定序列段受環(huán)境影響較大；流量增大，化學(xué)污染物含量減小，特別是以8月最為顯著，流量60 m3/s、120 m3/s工況中各月氨氮含量較流量30 m3/s下具有差幅10.3%～26.1%、56.1%～78.6%。

(3)不同流速下pH值變化態(tài)勢及量值均有差異，流速增大，水質(zhì)酸堿中和效果顯著，每增大0.5 m/s，全年各月pH值平均可降低8.6%。

(4)流速增大，化學(xué)污染物含量分布時序效應(yīng)均受影響，化學(xué)污染物含量峰、谷值所處時間節(jié)點(diǎn)均發(fā)生變化，且流速每增大0.5 m/s，COD含量及氨氮含量平均值降低12.3%、19.7%。