楊楚斌

(廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000)

水庫的水源一方面要質(zhì)量達標，另一方面也要滿足水量可靠性的要求，也就是說，在滿足區(qū)域內(nèi)當前的生產(chǎn)和生活用水外，還要考慮長遠發(fā)展的需要，因此，水源可靠性的研究與對水源質(zhì)量的評價和分析同等重要。廣東省某水庫具備閩粵省界水體的特點，多年來一直受上游養(yǎng)殖水以及區(qū)域內(nèi)生活和生產(chǎn)面源污染的影響，水質(zhì)狀況不盡如人意，治理的任務(wù)十分艱巨。本文通過對水庫水體質(zhì)量、富營養(yǎng)化以及浮游植物進行評價，并對水庫水源的可靠性進行研究，以期為區(qū)域內(nèi)水資源保護對策的制定、水資源管理和環(huán)境綜合決策提供科學依據(jù)。

1 水庫水源水質(zhì)評價方法

1.1 水質(zhì)分析參數(shù)及評價方法

本研究進行水質(zhì)分析的依據(jù)是地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)的相關(guān)標準，參考的參數(shù)共計29個：水溫、總磷、透明度、硝酸鹽氮、陰離子表面活性劑溶解、高錳酸鹽指數(shù)、氧、pH值、氟化物、陰離子表面活性劑、五日生化需氧量，鐵、錳、六價鉻、葉綠素a、硫化物、銅、砷、汞、氰化物、電導率、氯化物、揮發(fā)酚、總氮、氨氮、硫酸鹽、鉛、鎘、硒、鋅、等。評價手段采取“單因子評價法”，并對比國家相關(guān)標準的檢測值，對水質(zhì)類別進行評價。同時，根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)標準進行富營養(yǎng)指標評價[1]。

1.2 季節(jié)性肯達爾檢驗方法

實踐證明，在非正態(tài)分布、少數(shù)異常值以及不完整值的資料分析適用于肯達爾檢驗方法，而往往在時間序列里經(jīng)常相遇這樣的情況，因此，本研究在某水庫水質(zhì)監(jiān)測的前提下，根據(jù)基于核心水質(zhì)參數(shù)的2007-2014年實測資料，針對某水庫的水質(zhì)變化借助季節(jié)性肯達爾進行分析。主要利用PWQTrend2010趨勢分析軟件進行評價分析，具體的檢測方式遵循濃度的季節(jié)性Kendall，該技術(shù)軟件的特點是可以給出水質(zhì)趨勢的地理分布模式和定量描述。利用該軟件分析水質(zhì)變化，根據(jù)其結(jié)果劃分為上升、下降和無趨勢的三個類型，以及高度顯著上升、顯著上升、無趨勢、顯著下降以及高度顯著下降5個級別。

2 水庫水源水質(zhì)評價過程

2.1 水環(huán)境質(zhì)量狀況

根據(jù)某水文分局2007-2014 年針對某水庫斷面檢測結(jié)果的年平均值，評價該水庫的水質(zhì)類別，設(shè)定Ⅲ類的水質(zhì)目標，超過該級別都定為不達標水質(zhì)。某水庫年均水質(zhì)類別為IV-劣V類，總磷和總氮為關(guān)鍵的污染指標，其他的污染指標歸類于Ⅰ-Ⅲ類。按照分析結(jié)果顯示，總磷濃度范圍從2007-2014 年為0.02～0.15 mg/L，從2007年開始，呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，其濃度上，2014年的濃度高出2007年濃度的七倍多；總氮一直保持在1.5～2.5 mg/L的濃度間， 2010年后開始明顯上升，但不及總磷濃度升高的幅度[2]。

2.2 富營養(yǎng)評價與浮游植物群落動態(tài)

2.2.1 富營養(yǎng)化評價

通常情況下，按照《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)相關(guān)規(guī)定進行富營養(yǎng)化評價，營養(yǎng)狀態(tài)的評價可選擇高錳酸鹽指數(shù)、透明度、總磷、 葉綠素a進行，評價的指標是汛期以及非汛期的全年值。評價結(jié)果表明，針對EI值的比較，汛期明顯大于非汛期；比較全年EI值，2007-2010年為逐年升高的趨勢，2010年升到最高，而且水庫水體在2010年后保持輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。通過將總磷、總氮含量的變化趨勢與評價結(jié)果進行比較，表明某水庫總氮、總磷含量變化與富營養(yǎng)變化基本相同，并且，總氮、總磷是富營養(yǎng)化加劇的主要因素，可以表現(xiàn)出某水庫總氮和總磷的高含量是富營養(yǎng)化程度加劇以及水質(zhì)不佳的主要因素。

2.2.2 浮游植物監(jiān)測結(jié)果分析

2013年分別對四個月藻類進行檢測，檢測到的7門浮游植物包括：第一為藍藻門6屬，常見屬有色球藻、微囊藻、偽魚腥藻、平裂藻；第二為17屬的綠藻門，主要為十字藻、新月藻、腎形藻、膠網(wǎng)藻、鼓藻、角星鼓藻、柵藻、集星藻、膠網(wǎng)藻；第三為硅藻門8屬，主要有舟形藻、小環(huán)藻、針桿藻；其他門常見屬為：錐囊藻、金藻門魚磷藻；甲藻門多甲藻；隱藻門藍隱藻；裸藻門囊裸藻。2013年8月有更多種類的浮游植物被檢出，優(yōu)勢種群主要以藍藻和綠藻為主。浮游植物的豐度季節(jié)變化很明顯，在本年度的4個月份檢測中，浮游植物豐度大小順序為：8月最大、5月其次，之后依次是2月和11月。70%以上的藍藻豐度發(fā)生在8月。其中八月占藍藻豐度的70%以上。豐度動態(tài)與組成百分比見圖1。

圖1 浮游植物豐度動態(tài)與組成百分比

2.3 肯達爾趨勢分析

在選取某水庫的水質(zhì)資料時，為了充分了解水質(zhì)在不同季節(jié)的變化規(guī)律，在趨勢分析上可劃分為汛期、非汛期和全年期。根據(jù)某水庫的水質(zhì)特點，充分考慮某水庫人為以及自然環(huán)境因素的影響，在重金屬參數(shù)趨勢檢驗時選擇如下指標：總磷、銅、氨氮、總氮、BOD、揮發(fā)酚、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、溶解氧、氯化物等。檢驗過程表現(xiàn)在如下幾個方面：(1)總磷、總氮、總氮、總磷、BOD、氨氮和高錳酸鉀指數(shù)，可以反映水質(zhì)的變化規(guī)律，這種變化源于水體中的有機污染；(2)重金屬和揮發(fā)酚，可以反映出水體中工業(yè)廢水的毒害趨勢；(3)天然水化學成分的變化可以借助氯化物和硫酸鹽進行反映，而且農(nóng)田排水鹽對河流水質(zhì)的污染情況也可以據(jù)此檢驗出來。

本研究利用季節(jié)性肯達爾法對2007-2013年某水庫水質(zhì)實測資料進行檢驗，同時對比評價GB3838-2002地表Ⅲ類標準，某水庫水質(zhì)的變化趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)作為水體中有機污染源的總磷和總氮表現(xiàn)顯著的上升，突破了相關(guān)的標準；盡管BOD同時上升，但沒有超標；溶解氧沒有超過Ⅲ類水的標準，表現(xiàn)含量下降；氨氮、高錳酸鹽沒有發(fā)生明顯的升降，指標符合標準。(2)可以體現(xiàn)有毒污染物的重金屬和揮發(fā)酚都沒有升降現(xiàn)象，指標符合標準。(3)硫酸鹽和氯化物作為天然水化學指標的體現(xiàn)，含量沒有上升，符合規(guī)范標準[3]。

2.4 Kendall趨勢與水質(zhì)關(guān)系研究

本研究通過Kendall趨勢判斷某水庫的水質(zhì)變化情況，較好的一致性表現(xiàn)在兩者的符合。從分析判斷的結(jié)果來看，明顯上升的有氯化物、硫酸鹽、總磷、五日生化需氧量、總氮等；而溶解氧卻下降明顯；另外的重金屬、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等沒有升降的現(xiàn)象。綜合分析兩者的關(guān)系，當前某水庫的主要污染源就是磷、氮等含量的超標，另外還有氯化物和硫酸鹽的高濃度，以及附帶的某些污染，例如溶解氧下降和五日生化需氧量升高等。

2.5 污染原因分析

某水庫的污染源主要是上游15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的30萬農(nóng)業(yè)人口，在日常生活、養(yǎng)殖以及種植中，被化肥、農(nóng)藥糞便等直接污染的毒害水，以及沒有處理過的生活污水排放到河道，再經(jīng)河道匯入某水庫。另外，經(jīng)過全面的調(diào)查研究顯示，本文研究的水庫有一半的流域面積在鄰省境內(nèi)，各種養(yǎng)殖污水注入流域后匯入某水庫的庫區(qū)。調(diào)查表明，區(qū)域內(nèi)的某縣2010年出欄生豬62萬頭，其中某水庫流域范圍內(nèi)出欄的生豬大約28萬頭，出欄家禽118萬只。雖然很多養(yǎng)殖場也采取了一些例行的污水處理手段，但處理技術(shù)簡單，處理效果不佳，其廢水通過排水渠匯入某河，最后進入某水庫。

3 水庫水源可靠性研究

3.1 可靠度分析法概述

某水庫是靠降雨和上游來水補充水源，水量的消耗途徑包括排洪、滲漏、供水等，計算某水庫供水可靠度的依據(jù)就是這些參數(shù)。供水可靠度通過規(guī)劃的月供水量和實際的月供水量做差，可靠度的標識是差額為正值；如果差額為負值則標識為不可靠，具體計算方式如式(1)：從式(1)獲悉，某水庫供水的可靠度關(guān)鍵看WSi和WDi，所以，必須對其進行詳細分析。

Z=g(X)=WSi-WDi

(1)

式中：Z代表規(guī)劃和實際供水量的差額，單位為m3/d；WSi代表規(guī)劃的月供水量，單位m3/d；WDi代表實際月供水量，單位m3/d。

3.2 水庫供水能力計算

3.2.1 水庫來水量分析

本工程經(jīng)過調(diào)查和統(tǒng)計某水庫最近10 a逐月實測的入庫流量、出庫流量等數(shù)據(jù)信息，對水庫多年的年平均來水量進行估算，結(jié)果為880.4×104m3。

3.2.2 水庫實際供水量估算

調(diào)查顯示，當前某水庫主要的耗水項目是下游河道生態(tài)供水，根據(jù)最小供水量計算就可以，一般取值為2 765 m3/d。本研究利用“tennant”算法，其標準如表1所示。最終設(shè)計在4-9月的汛期時，河道生態(tài)需水量占比平均流量的30%左右；在10-3月份的枯水期，占據(jù)平均流量的40%左右。通過計算，某水庫下游整體生態(tài)需水量大約為 101×103m3；某水庫可為本鎮(zhèn)及附近區(qū)域年平均供水519×103m3。其中，最大供水量為689×103m3/a；最小供水量為419×103m3/a，可以滿足的供水能力為1.16× 103～1.88×103m3/d。

表1 下游河道生態(tài)環(huán)境需水量標準

在12個月的時間內(nèi)，某水庫的供水可靠度大約為 P=75%，冬季用水水相對緊張。解決這個問題的最佳措施是完善“水費收取” 制度，強化廣大民眾的節(jié)約用水意識，確保實現(xiàn)最高的水資源利用率[4]。

3.3 水庫供水可靠度計算

根據(jù)所在區(qū)域的近10 a的發(fā)展規(guī)劃，每日的平均需水量為 5.63×103m3/d，其中需要某水庫水源工程供水1.73×103m3/d。但綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在冬季里某水庫的供水量也很低，所以在12-2月份的三個月時間里表現(xiàn)為不可靠概率，統(tǒng)計圖見圖2。

圖2 某水庫每月估算供水量折線圖

3.4 水庫供水水源系統(tǒng)風險分析與模擬

水庫水資源供用水系統(tǒng)風險性能指標的定義很多，按照水庫供水模式和具體狀況，從可持續(xù)地保持供水水源的角度分析，風險Pf可以作為供水工程承擔的供水外來負荷L超過工程自身的承載力R的概率[5]。即：

Pf=P(L>R)

(2)

針對某水庫的地表水系統(tǒng)，L代表聯(lián)合調(diào)控模型中地表水飲用量，R代表的天然來水水量是通過工程調(diào)節(jié)后的數(shù)量，因為天然來水與工程的運行模式之間的不確定性，因此，在地表水資源供水系統(tǒng)隱藏著一定的風險；本文研究的某水庫地下水體系，實際的地下水開采量設(shè)定為L，而允許的地下水開采量設(shè)定為R。

3.5 徑流量的帶權(quán)馬爾柯夫鏈預(yù)測模型

3.5.1 模型構(gòu)建

馬爾科夫鏈泛指時間和狀態(tài)離散的馬爾柯夫過程，數(shù)字公式如下表達：概念空間定義為Ω、F、P，以此為基礎(chǔ)的隨機序列{Xwn∈T},其中T={0,1,2,…},狀態(tài)空間={a1,a2…},a1∈R。如果針對任意的正整數(shù)n,r和0≤t1

P(Xmin=aj|Xt1=ai1，Xt2=ai2，…，Xtm=aim，Xm=ai)=P(Xmin=aj|Xm=ai)

(3)

在檢測實踐中，通常會應(yīng)用齊次馬爾柯夫鏈,即對任意n,k∈N+,產(chǎn)生下式：

Pij(n，k)=Pij(k) i，j=0，1，2…

(4)

式中：X(n)代表的概率向量，n時刻徑流狀態(tài)；x(0)代表的概率向量為初始時刻徑流狀態(tài)；P(n)代表的概率矩陣為n步轉(zhuǎn)移的徑流狀態(tài)；m為狀態(tài)數(shù)；Nij為由狀態(tài)i經(jīng)n步轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的原始樣本(徑流系列)數(shù);Ni代表的徑流系列數(shù)為i原始樣本的狀態(tài)。

3.5.2 計算實例

本研究模擬的廣東省某水庫的地下水數(shù)值，為了設(shè)定的20萬 m3/d的地下水開采量得以滿足，某河流的徑流量最少要保持1156萬 m3/月，通過對某河流徑流量特征進行調(diào)查分析，在枯水季節(jié)里，一些不去確定的風險因素存在于某河的徑流量中，以某水文站2007-2010年的實際資料為例，針對未來十年的徑流量狀態(tài)，可利用馬爾柯夫鏈模型預(yù)測未，以全面分析某水庫水源體系。首先是預(yù)測前五年基礎(chǔ)上的徑流，然后將預(yù)測結(jié)果加入到相對應(yīng)的順序中，在根據(jù)徑流量特征預(yù)測下一年的流量，可以將凈流量劃分為五個區(qū)間，(即馬爾柯夫鏈存在五個狀態(tài))，具體結(jié)果如表2所示。由表2看出,1月徑流量狀態(tài)位于區(qū)間(17.21,33.13)，完全能夠符合取水要求。

表2 徑流量分級表

4 結(jié)語

通過對廣東某水庫2007-2014年水質(zhì)理化指標和藻類監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合評價，進行總磷濃度升高趨勢的判斷，得出結(jié)論，多半是因為流域控污沒有取得應(yīng)有的效果，另外的可能性是相對滯后的污染物輸送過程造成。持續(xù)升高的總磷濃度，省界以下的水體生態(tài)安全風險會相應(yīng)增加，估計今后的幾年里某水庫藍藻水華產(chǎn)生的頻率極易增加。所以，加大流域控污的力度，依舊是某水庫生態(tài)保護的核心工作。同時，本文按照天然徑流的序列的不確定性和相依性，有效預(yù)測未來徑流量豐枯狀態(tài)，可以合理劃分原始的徑流，包括豐水年、平水年、枯水年、偏水年、偏枯年五種狀態(tài)。針對可能發(fā)生變動的徑流狀態(tài)區(qū)間，對水源可靠性進行評價。為該區(qū)域的水庫水源管理的平穩(wěn)運行提供了經(jīng)驗。