關(guān)鍵詞：水源水庫(kù)；徑流演變；水質(zhì)；顆粒粒徑

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）12-0059-15

水庫(kù)在社會(huì)發(fā)展以及人民幸福生活起到重要的作用，具有防洪、供水以及水力發(fā)電等多項(xiàng)功能［1-2］，水庫(kù)的建成改變了原有水體的水力條件，庫(kù)區(qū)大壩將會(huì)截留流域內(nèi)的氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽以及其他污染物質(zhì)，增加了水體富營(yíng)養(yǎng)化以及污染物內(nèi)源釋放的可能［3-4］，進(jìn)一步造成水質(zhì)惡化。降雨徑流會(huì)推動(dòng)流域內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移［5-6］，攜帶大量污染物的徑流會(huì)蓄積于水庫(kù)中，從而造成水庫(kù)在降雨期間水質(zhì)急劇惡化，威脅到城市供水的安全性以及水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境。

目前研究者對(duì)氣候變化以及人為活動(dòng)對(duì)徑流的影響［7-8］，對(duì)徑流后造成水庫(kù)水質(zhì)惡化［9-12］等方面研究較多，對(duì)徑流的沿程推移以及水質(zhì)演變研究較少。在汛期雨水沖刷山體，大量泥沙顆粒物隨著雨水匯流進(jìn)入河流湖泊，泥沙顆粒通常攜帶大量污染物，對(duì)河流湖泊帶來(lái)沖擊影響，造成水源水庫(kù)水質(zhì)急劇惡化。徑流期進(jìn)行野外全程監(jiān)測(cè)徑流變化情況，有助于及時(shí)掌握徑流情況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)度管理，有助于提高供水安全。

徑流雨水中的氮磷大部分以顆粒態(tài)存在［13-14］，徑流雨水中TP、TN與SS之間的相關(guān)系數(shù)在0. 85以上［15］，徑流雨水中氮磷顆粒物是城市水環(huán)境的重要影響因素［16］。陳吉平等［17］分析了黑河1945年后的75 a的徑流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)徑流變化的主要因素是氣候變化，師衛(wèi)釗等［18］研究了嘉陵江上游徑流演變影響因素，發(fā)現(xiàn)人為活動(dòng)是影響徑流減少主導(dǎo)因素，氣候是次要因素。

由于徑流入庫(kù)水體與水庫(kù)原水體密度不同，入流水體在進(jìn)入水庫(kù)后，會(huì)形成一個(gè)明顯高濁度水層，該水層即為潛流層。本研究以西安金盆水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)2022年10月、2023年4月以及2023年6月的3次徑流進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，探究3場(chǎng)徑流的演變情況以及顆粒物攜帶污染物含量與粒徑大小的關(guān)系，為汛期水庫(kù)調(diào)度提供相應(yīng)的方案，提高供水安全。

1研究對(duì)象與方法

1. 1黑河金盆水庫(kù)概況

金盆水庫(kù)位于陜西省周至縣內(nèi)，供水量占西安市供水總量的75%。金盆水庫(kù)樞紐工程位于黑河峪口以上約1. 5 km處，距西安市86 km，是一項(xiàng)以城市供水為主，兼有農(nóng)灌、發(fā)電、防洪等綜合利用的大（2）型水利工程。樞紐由攔河壩、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、壩后電站及古河道防滲工程等建筑物組成。水庫(kù)按百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)（Q=3600 m³/s）設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水（Q=6 400 m³/s）校核。正常高水位594.0m，汛限水位593.0m，設(shè)計(jì)、校核洪水位分別為594.34、597.18m。泄洪洞位于左岸，洞身為圓拱直墻城門(mén)洞形，斷面10m×13m，進(jìn)口高程545m，最大泄洪量2539 m³/s，最大流速41 m/s，采用挑流消能。溢洪洞位于右岸，圓拱直墻城門(mén)洞形，斷面10.0m×11.5m，進(jìn)口高程578 m，最大泄洪量2200m³/s，最大流速41 m/s，采用挑流消能。引水洞位于右岸，一洞多用，為城市、農(nóng)業(yè)及發(fā)電供水，設(shè)計(jì)引水流量30.3m³/s，引水口高程514.3m，圓形斷面，直徑為3.5m，發(fā)電支洞以后（弧門(mén)閘室后）為無(wú)壓洞，圓拱直墻城門(mén)洞形，斷面6.0m×6.8m，進(jìn)口放水塔頂高程600m，塔身高為91.7m，沿塔高分設(shè)上、中、下3個(gè)取水孔分層取水，高程分別為571.0、554.0、514.3m。洞身為直徑3.5m的壓力圓洞。

1.2采樣點(diǎn)布置與水樣采集

從上游退水位到主庫(kù)區(qū)在河道中泓線處選取取樣點(diǎn)及監(jiān)測(cè)斷面共10個(gè)：其中選取S1入流斷面為上游河道入流口，S10監(jiān)測(cè)斷面為庫(kù)區(qū)，S2—S9過(guò)水?dāng)嗝鏋檫^(guò)渡斷面，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本相距1km，系統(tǒng)分析徑流期沿程變化特點(diǎn)，及潛流推移過(guò)程。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

在主庫(kù)區(qū)S10附近，連續(xù)進(jìn)行水樣的采集，每周一次，在徑流期間視徑流情況增加采樣頻率；對(duì)上游沿程S1—S9號(hào)點(diǎn)進(jìn)行取樣和在線監(jiān)測(cè)，采樣頻率為每月2次，徑流期間根據(jù)徑流頻率、潛流層變化及水質(zhì)情況增加采樣頻率；采樣采用2.5L有機(jī)玻璃采水器對(duì)取樣點(diǎn)進(jìn)行取水，其中對(duì)水深較淺的S1—S5號(hào)點(diǎn)分別取表層（水面下0.5m左右）、中層（取樣深度約水深一半）、底層（據(jù)庫(kù)底0.5m左右）3個(gè)不同深度進(jìn)行取樣和在線檢測(cè)；對(duì)S6—S8號(hào)點(diǎn)，自表層向下間隔20 m取水，底層仍為距庫(kù)底0.5m進(jìn)行取樣和在線檢測(cè)；對(duì)于S9—S10號(hào)點(diǎn)，自表層（水面下0.5m左右）向下每隔10 m進(jìn)行水樣采集與在線監(jiān)測(cè)。所取水樣均裝入聚乙烯瓶及時(shí)送回現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室處理，48 h內(nèi)完成總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）、氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO₃-N）、高錳酸鹽指數(shù)和DOC（Dissolved OrganicCarbon）的測(cè)定。在徑流期間，對(duì)S1—S10所有采樣點(diǎn)的潛流層采樣，采用2.5 L有機(jī)玻璃采水器，取潛流層水樣于25 L 聚乙烯朔料桶內(nèi)用于粒徑分析。

在采集水樣同時(shí)，對(duì)各點(diǎn)位水溫（T）和溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）等水質(zhì)理化指標(biāo)掩參數(shù)選用HACH Hydrolab DS5型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀（美國(guó)哈希公司）垂向間隔為1 ～ 5 m進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)。

1. 3水質(zhì)分析方法

各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分析主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析2部分?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)儀器選用HACH Hydrolab DS5型水質(zhì)分析儀（美國(guó)，哈希），用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水深（H）、水溫（T）、濁度（NTU）、葉綠素a（Chl-a）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（σ）和氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，ORP）等水體理化指標(biāo)；水樣采集后，儲(chǔ)存于4 ℃的冰箱中保存。

對(duì)于水樣中的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)，如氮（N）、磷（P）以及有機(jī)污染物等的測(cè)定，依據(jù)國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)方法執(zhí)行，并且所有測(cè)試工作確保在48h內(nèi)完成。TN 和DTN（Dissolved Total Nitrogen）采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP和DTP（Dissolved Total Phosphorus）采用鉬酸銨分光光度法，NH3-N采用納氏試劑分光光度法，NO₃-N采用紫外分光光度法，總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）將水樣經(jīng)0. 45 μm WhatmanGF/F濾膜過(guò)濾后，溶解性有機(jī)碳采用有機(jī)碳分析儀（日本，島津）進(jìn)行測(cè)定，含沙量SS則將500mL水樣采用過(guò)濾—烘干—稱(chēng)量方法測(cè)定。粒徑采用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)于潛流層水樣分別采用30、20、10、5、3μm 等孔徑的濾膜進(jìn)行連續(xù)分級(jí)過(guò)濾，測(cè)定過(guò)膜前和過(guò)膜后的水中的總磷、總鐵、總錳等指標(biāo)。

2結(jié)果與分析

2.1徑流演變情況

2.1.1金盆水庫(kù)降雨情況

水庫(kù)實(shí)時(shí)庫(kù)容和主庫(kù)區(qū)水位的高度直接受到出入庫(kù)流量變化的影響，見(jiàn)圖2。同時(shí)，水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度也會(huì)因上游來(lái)水量的變化和城市用水需求的變動(dòng)而受到影響。3次降雨過(guò)程中，10、4、6月累計(jì)降雨強(qiáng)度分別為94.00、56.05、72.65mm，且10月的降雨強(qiáng)度高，造成水庫(kù)庫(kù)容迅速提升，4月的單日雨強(qiáng)最大，但由于是2023年初期降雨，土壤含水率較低，因此導(dǎo)致此次降雨產(chǎn)生的徑流規(guī)模有限。

2.1.2徑流演變情況（2022年10月3日）

2022年10月3—5日黑河流域平均面降雨量累計(jì)94mm，入庫(kù)洪峰流量1138m3/s，最大雨強(qiáng)在10月4日達(dá)到36mm/d，同期泄洪3706萬(wàn)m3，出入庫(kù)水量基本持平，水庫(kù)水位穩(wěn)定在592m附近。金盆水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

由圖3可見(jiàn)，2022-10-03徑流來(lái)水的溫度和濁度分別約為14℃、1178NTU，2號(hào)點(diǎn)底部含沙量最大為2.0g/L。10月3日S1全層水體濁度、水溫、DO分別處于729～934NTU、14℃、10.82～14.02mg/L范圍內(nèi)，全層水體相關(guān)理化指標(biāo)基本一致，表明暴雨徑流潛流在S1處于全斷面完全混合徑流。隨著S2—S4水深增加，斷面各水層濁度基本沿水深增加而升高，暴雨徑流來(lái)水與原水層水體摻混，高濁水從底部潛流推進(jìn)。相較于表層水體相關(guān)理化指標(biāo)濃度基本穩(wěn)定，上游沿程監(jiān)測(cè)點(diǎn)底層水體濁度、DO濃度出現(xiàn)明顯提升，S5表層水體濁度為4.1NTU，溶解氧含量為7.61mg/L，而底層水體濁度達(dá)到1178NTU，溶解氧含量提高至9.88mg/L，此次徑流在S5開(kāi)始以底部潛流的形式向壩前推進(jìn)，沿程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底層DO含量得到大幅提高。

金盆水庫(kù)是一座峽谷型水庫(kù)，其特點(diǎn)是河道的調(diào)蓄能力相對(duì)較弱［19］。因此，在徑流推移過(guò)程中，洪峰決定其潛流特征。徑流洪峰流量大、含沙量高和密度大［20］，其潛流位置通常位于較深的水層，在洪峰成形前后，入庫(kù)流量、含沙量以及入流密度相對(duì)較小，導(dǎo)致潛流位置隨著這些參數(shù)的降低而上升。洪峰攜帶的顆粒物是外源污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的主要途徑［21］。當(dāng)高濁洪峰出現(xiàn)時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)潛流層的污染負(fù)荷急劇增加，這一現(xiàn)象表現(xiàn)為攜沙洪峰攜帶高濃度的污染物，沿著河床向壩前推移。

此次徑流的含沙量較高，導(dǎo)致此次徑流的來(lái)水密度大于水庫(kù)原水，在整個(gè)徑流沿河道推移的過(guò)程是一個(gè)完全底層潛流的過(guò)程，從底部一直向前推進(jìn)，此次從洪峰到達(dá)時(shí)就開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)10月3日的監(jiān)測(cè)洪峰到達(dá)5號(hào)點(diǎn)，以5號(hào)點(diǎn)的濁度最高，底部最大濁度達(dá)到1178NTU，此次徑流過(guò)程5號(hào)點(diǎn)0～10m水深范圍內(nèi)的濁度為4.1～10.9NTU，說(shuō)明徑流經(jīng)過(guò)5號(hào)點(diǎn)時(shí)就以底部潛流的形式向前推進(jìn)。底部潛流一直向前影響到入庫(kù)口的9號(hào)點(diǎn)，9號(hào)點(diǎn)的底部濁度最大達(dá)到389NTU，且以507～520m濁度升高尤為明顯，均在130NTU以上。

在這場(chǎng)徑流事件中，水流攜帶著顯著高于常規(guī)水平的溶解氧，其濃度超過(guò)10mg/L。當(dāng)富含溶解氧的暴雨徑流潛入水下時(shí)，它與潛流層及其鄰近的水層迅速混合。這一過(guò)程促進(jìn)了暴雨徑流水與庫(kù)區(qū)原有水體之間的物質(zhì)和熱量交換。因此，高濃度的溶解氧迅速被傳輸?shù)綆?kù)區(qū)原有水體中，有效地替換了之前存在于底部的厭氧區(qū)域，顯著提高了底層水域的溶解氧含量。在沿程直到9號(hào)點(diǎn)，各層水體均達(dá)到5mg/L以上，在10月3日主庫(kù)區(qū)水層基本未受到潛流影響，溶解氧濃度分布與9月29日基本一致，底部仍處于厭氧狀態(tài)。前面根據(jù)濁度分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5號(hào)點(diǎn)之后徑流是以底部潛流的形式向前推進(jìn)，在5號(hào)點(diǎn)之后，中上層水體中的溶解氧含量基本與9月21日（圖4）一致，從側(cè)面可以進(jìn)一步驗(yàn)證此次徑流為底部潛流。

2.1.3徑流演變情況（2023年4月4日）

2023年4月2—4日黑河流域平均面降雨量累計(jì)56.05mm，最大降雨強(qiáng)度在4月2日達(dá)到42mm/d，入庫(kù)洪峰流量為174.7m3/s。黑河金盆水庫(kù)在該次降雨產(chǎn)生的徑流未采取泄洪，對(duì)上游所有來(lái)水均滯蓄在水庫(kù)中，水庫(kù)水位從3月28日的560.10m升至4月4日的567.78m，隨著持續(xù)蓄水，黑河金盆水庫(kù)在4月6日水位上升至573.01m。金盆水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行情況見(jiàn)表2。2023-04-04的徑流來(lái)水水溫約7.65℃，來(lái)水濁度約130NTU，水體含沙量小于0.1mg/L，由于來(lái)水濁度和水體含沙量較低，暴雨徑流來(lái)水密度主要取決于來(lái)水水溫，形成等溫度層潛流。

圖5所示，4月4日2號(hào)點(diǎn)全層水體濁度、水溫、溶解氧含量分別為121.3～131.4NTU、7.65～7.66℃、11.99～14.42mg/L范圍內(nèi)，全層水溫基本一致，表層和底層水體濁度差為10NTU，表明暴雨徑流潛流在S2處于全斷面混合徑流。從圖5沿程濁度變化可以看出2—4號(hào)點(diǎn)表底水層濁度差僅為10NTU左右，表明水體以完全混合的形式向前推進(jìn)，到5號(hào)點(diǎn)表底水層濁度差達(dá)到95.7NTU，表明暴雨徑流來(lái)水從深水層通過(guò)，潛流在S5開(kāi)始下潛，S4—S5處于全斷面混合徑流向底部潛流過(guò)渡階段。

隨著河道延伸，水深逐漸增加，至S6點(diǎn)達(dá)到43m。在前期水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，S6點(diǎn)以下至550m高程的水層溫度維持在7.39～7.80℃，其水體密度與徑流來(lái)水的密度大致相等。因此，暴雨徑流潛流主要在高程558m以下的水層中向大壩方向推進(jìn)。后續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深繼續(xù)增加，延緩上下水體熱量傳遞，在到達(dá)8號(hào)點(diǎn)時(shí)，520m高程以下的水溫降至7.58℃，低于徑流來(lái)水，原水庫(kù)水體密度相對(duì)徑流來(lái)水較大，徑流潛流在S8難以繼續(xù)下潛，最終在高程527～560m水層繼續(xù)向壩前行進(jìn)，暴雨徑流潛流在S8形成中部潛流，繼續(xù)推移到S9就在水庫(kù)的稀釋作用下與水庫(kù)原水完全混合，未能進(jìn)入到主庫(kù)區(qū)。

在徑流前3月21日的沿程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看出，在3月21日，沿程各點(diǎn)水溫基本在6.89～12.00℃，高程550m左右以下的水層水溫低于8℃，此次徑流來(lái)水溫度基本與520m高程左右的水溫一致，到8號(hào)點(diǎn)隨著水深的增加，底部水溫有所下降，從而導(dǎo)致在8號(hào)點(diǎn)開(kāi)始從中部向9號(hào)點(diǎn)推進(jìn)。

在4月4日，水庫(kù)剛開(kāi)始進(jìn)入分層期，在3月21日的沿程監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)溶解氧均在3mg/L以上，而且3月是水庫(kù)水位最低時(shí)期，上游來(lái)水能在2—4號(hào)點(diǎn)完全與原水體混合使得高濃度溶解氧含量的水迅速占據(jù)全斷面，而在5號(hào)點(diǎn)之后隨著水深增加，底部溶解氧在徑流前開(kāi)始向厭氧方向發(fā)展，此次的高濃度溶解氧快速補(bǔ)充了由于分層底部?jī)?nèi)源消耗的溶解氧，由于徑流潛入到9號(hào)點(diǎn)中部時(shí)濁度已經(jīng)降至20NTU左右，說(shuō)明潛入到9號(hào)點(diǎn)的徑流量少，對(duì)9號(hào)點(diǎn)底部溶解氧補(bǔ)充有限。

2.1.4徑流演變情況（2023年6月3日）

2023年6月1—5日黑河流域平均面降雨量累計(jì)80.41mm，6月3日降雨強(qiáng)度最大達(dá)到34.31mm/d，6月3日平均入庫(kù)流量達(dá)到198.84m3/s，6月4日日平均入庫(kù)流量342.5m3/s。金盆水庫(kù)在6月3—5日進(jìn)行泄洪。金盆水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行情況見(jiàn)表3。

2023-06-03的徑流來(lái)水水溫約12.06℃，來(lái)水濁度約153.6～215.0NTU，水體含沙量小于0.2mg/L，6月5日來(lái)水的水溫為11.77℃，來(lái)水濁度37.9～46.1NTU，水體含沙量小于0.05mg/L。

圖6所示，6月3日S1、S2全層水體濁度、水溫、DO等相關(guān)理化指標(biāo)濃度梯度較低，表明暴雨徑流潛流在S1、S2處于全斷面混合徑流，還未表現(xiàn)出異重流運(yùn)動(dòng)特征。

6月3日的徑流過(guò)程中，隨著S3和S4位置的水深逐漸增加，暴雨徑流來(lái)水與表層水體開(kāi)始逐漸分離。此時(shí)，高濁度的水體開(kāi)始下潛，但表層和底層水體的濃度差異并不顯著。相較于表層水體相關(guān)理化指標(biāo)濃度升高有限，上游沿程監(jiān)測(cè)點(diǎn)底層水體濁度較表層稍高，此時(shí)表明S3、S4是底層潛流的過(guò)渡段，S5表層水體濁度最高僅為7.8NTU，而底層水體濁度分別升高至52.2NTU，由于S3—S7水深相對(duì)較淺，此時(shí)河床底部高程還處于潛流層范圍內(nèi)，暴雨徑流潛流在S3—S7以底部潛流向壩前行進(jìn)，進(jìn)入7號(hào)點(diǎn)以后，在5月18日的沿程監(jiān)測(cè)中可以看出，底部水溫降至10℃左右，此時(shí)徑流來(lái)水的密度小于原有底層水體的密度，故徑流潛入到7號(hào)點(diǎn)后開(kāi)始以中部潛流的形式向壩前推進(jìn)，到達(dá)8號(hào)點(diǎn)，潛流層為高程540～570m的范圍內(nèi)。潛流層推進(jìn)到入庫(kù)口9號(hào)點(diǎn)時(shí)，由于此次來(lái)水量較少，加之與之前的低濁水（5月18日沿程各層水體濁度基本在5NTU以下）混合稀釋作用，入庫(kù)口的濁度稀釋到15NTU以下，此時(shí)主庫(kù)區(qū)未受到此次徑流的影響。

隨后在6月5日的檢測(cè)中（圖7），來(lái)水的水溫為11.77℃，來(lái)水濁度為37.9～46.1NTU，水體含沙量小于0.05mg/L。6月5日S1、S2全層水體濁度、水溫等相關(guān)理化指標(biāo)濃度梯度較低，表明暴雨徑流潛流在S1、S2處于全斷面徑流，尚未表現(xiàn)出異重流運(yùn)動(dòng)特征。

3—7號(hào)點(diǎn)表層10以上的水層濁度均小于20NTU，而底部水層的濁度基本在50NTU以上，由于S3—S7水深相對(duì)較淺，此時(shí)河床底部高程還處于潛流層范圍內(nèi)，暴雨徑流潛流在S3—S7以底部潛流向壩前行進(jìn)，而進(jìn)入8號(hào)點(diǎn)開(kāi)始，底部水溫開(kāi)始低于此次徑流來(lái)水水溫，加之此次的含沙量不高，從而導(dǎo)致此次徑流來(lái)水密度小于原水底層水體密度，7號(hào)點(diǎn)后開(kāi)始以中部潛流的形式向壩前推進(jìn)，到達(dá)8號(hào)點(diǎn)，潛流層為高程510～560m的范圍內(nèi)，較6月3日潛流層有所下降。潛流層推進(jìn)到入庫(kù)口9號(hào)點(diǎn)時(shí)，潛流層上升5m，潛流層高程為515～560m，由于在6月4日，水庫(kù)進(jìn)行了泄洪處理，加之連續(xù)降雨導(dǎo)致徑流來(lái)水量大幅增加，此次監(jiān)測(cè)到徑流影響到主庫(kù)區(qū)，從高程530m處開(kāi)始潛入主庫(kù)區(qū)，加之之前揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)的混合作用，使得對(duì)主庫(kù)區(qū)影響范圍較廣，530～580m高程范圍的濁度達(dá)到20～40NTU。

2.2徑流沿程水質(zhì)變化特征

2.2.1總磷變化

氮和磷是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的營(yíng)養(yǎng)鹽，它們作為判斷水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的主要指標(biāo)，并被視為藻類(lèi)生長(zhǎng)和繁殖的關(guān)鍵影響因素［22-23］。由圖8可以看出，整個(gè)徑流過(guò)程中，總磷基本呈現(xiàn)沿程遞減的趨勢(shì)，且隨著徑流不斷向前推進(jìn)，徑流來(lái)水與黑河金盆水庫(kù)原水不斷混合稀釋?zhuān)瑵摿鲗拥目偭缀吭诓粩嘟档停?0月3日的徑流為底部潛流的形式進(jìn)入水庫(kù)，1—3號(hào)點(diǎn)由于水深較淺，表層水體中磷含量受來(lái)水的影響較大，導(dǎo)致表層水體中的磷含量較高，到4號(hào)點(diǎn)后，徑流對(duì)表層水體的影響較小，表層水體中磷含量在4—10號(hào)點(diǎn)基本變化不大。在4月4日以及6月3日的沿程監(jiān)測(cè)中可以看出，徑流來(lái)水對(duì)水深較淺的前2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響較大，在這2次的徑流中，來(lái)水量較少，攜帶的顆粒物較少，對(duì)后面各層水體的影響較小，4號(hào)點(diǎn)之后的水體中磷含量變化浮動(dòng)較?。ㄆ渲?月4日磷含量在0.01～0.06mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，6月3日磷含量在0.04～0.08mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)）。對(duì)于這2次的沿程監(jiān)測(cè)，4月4日監(jiān)測(cè)時(shí)徑流入庫(kù)流量為174.7m³/s，6月3日的監(jiān)測(cè)時(shí)入庫(kù)流量198.84m³/s，2次基本相同的入庫(kù)流量，且基本都是在較淺的水域先以底部潛流后以中部潛流的形式向壩前推進(jìn)。6月3日的磷含量在入庫(kù)口的完全混合斷面明顯高于4月4日的完全混合斷面，但在后面徑流推進(jìn)過(guò)程中，6月3日的徑流磷含量在3號(hào)點(diǎn)就快速削減，且在后續(xù)水體中磷含量波動(dòng)幅度較小，相比之下，4月4日的削減沒(méi)有6月3日快速，且后續(xù)水體中的磷含量波動(dòng)浮動(dòng)大，體現(xiàn)在潛流層總磷含量較高，表層水體波動(dòng)較小，推測(cè)基本相同的入庫(kù)流量下，庫(kù)容對(duì)外來(lái)污染負(fù)荷產(chǎn)生正相關(guān)關(guān)系，6月3日的水位達(dá)到594m，而4月4日水位僅有567m，大庫(kù)容的情況下，可以快速稀釋徑流帶來(lái)的高污染水，使得水體中磷含量上升較慢，可以大幅減少?gòu)搅鲗?duì)主庫(kù)去供水的影響。對(duì)比3次徑流，10月3日、4月4日、6月3日入庫(kù)流量分別為534.85、174.70、198.84m3/s，10月3日的入庫(kù)流量是后2次的3.0、2.6倍，而入庫(kù)的磷含量是后者的5倍，說(shuō)明入庫(kù)的磷含量與入庫(kù)流量呈正相關(guān)關(guān)系，入庫(kù)流量越大攜帶的磷含量越高。

2.2.2總氮變化

暴雨徑流攜帶大量氮，使主庫(kù)區(qū)水體尤其是潛流層水體水質(zhì)迅速惡化，由圖9可以看出：10月3日徑流來(lái)水的氮含量在3.2mg/L左右，4月4日徑流來(lái)水的氮含量在4mg/L左右，總氮在總體上在隨徑流來(lái)水的推進(jìn)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，10月3日的徑流推移到7號(hào)點(diǎn)后水體中的總氮削減到2mg/L左右，7號(hào)點(diǎn)之后的氮削減量較少，一方面徑流推移到7號(hào)點(diǎn)之后水深加大，對(duì)徑流來(lái)水有一定的稀釋作用，另一方面通過(guò)含沙量數(shù)據(jù)可以看出，徑流來(lái)水的顆粒物經(jīng)過(guò)沿程的沉降稀釋等作用，7號(hào)點(diǎn)的含沙量快速降低，進(jìn)一步削減了此時(shí)來(lái)水中的氮含量；在4月4日的徑流來(lái)水流量遠(yuǎn)小于10月3日徑流來(lái)水量的情況下，混合斷面的總氮含量甚至超過(guò)徑流來(lái)水氮含量，推測(cè)為在4月4日，混合斷面水深太淺，此次由于水庫(kù)在3月水位處于全年最低值，2號(hào)點(diǎn)水深僅僅只有30cm左右，在船能極限到達(dá)2號(hào)點(diǎn)附近的時(shí)候，混合斷面水深僅為0.46m，此次徑流來(lái)水將河底的沉積物沖刷起來(lái)導(dǎo)致2號(hào)點(diǎn)混合斷面的氮含量急劇升高，而到3號(hào)點(diǎn)后，水深為3.37m，加上來(lái)水濁度含沙量均低于10月3日的徑流來(lái)水，3號(hào)點(diǎn)總氮含量降至2.7mg/L，在受徑流影響較弱的8—10號(hào)點(diǎn)，總氮含量基本與徑流前一致；6月3日的徑流來(lái)水總氮含量低于前期5月29日監(jiān)測(cè)的總氮含量，導(dǎo)致此次徑流中總氮含量沿程基本無(wú)變化。

2.2.3硝氮變化

圖10所示，2022年10月3日、2023年4月4日、2023年6月3日3次徑流來(lái)水中硝氮含量分別為1.8、2.5、1.5mg/L左右，在3次徑流中混合斷面中的硝氮含量以4月4日為最高，4月4日作為2023年第一場(chǎng)較為大的入庫(kù)徑流，將山體上的污染物質(zhì)沖刷進(jìn)入水庫(kù)造成硝氮含量高于其他2場(chǎng)徑流的硝氮，4月4日的徑流過(guò)程中，2—4號(hào)點(diǎn)處于完全混合狀態(tài)，其硝氮含量基本趨于一致，隨后徑流開(kāi)始以潛流的形式向前推進(jìn)，表層的硝氮含量基本不受影響，潛流層硝氮上升明顯，且隨著潛流層的推進(jìn)，在水庫(kù)的稀釋作用下，硝氮含量沿程遞減，硝氮含量在4月4日明顯隨著潛流層的變化而隨之改變，對(duì)比4月4日總氮含量變化，可以看出此次徑流的氮污染物主要以硝氮的形式存在于其中；10月3日的硝氮濃度整體隨潛流層向前推移，由于此次徑流來(lái)水硝氮濃度為1.8mg/L，在徑流前的一次沿程分析中，硝氮濃度在1.5mg/L左右，因此來(lái)水硝氮濃度較水庫(kù)原水并不算高，對(duì)水聲較淺的1—4號(hào)點(diǎn)硝氮濃度提升較高，進(jìn)入5號(hào)點(diǎn)后，隨著潛流層顆粒物的沉降以及水庫(kù)原水的稀釋?zhuān)?號(hào)點(diǎn)之后的硝氮濃度基本沿程保持一致，浮動(dòng)變化不大，對(duì)比10月3日總氮含量變化，可以看出此次徑流的氮污染物主要以顆粒態(tài)氮的形式存在于其中，該種形式的氮可以隨顆粒的沉降而快速去除；6月3日的硝氮含量基本維持在1.5mg/L左右波動(dòng)，這是由于在6月3日的徑流中，上游來(lái)水的硝氮含量并不高（1.5mg/L），這與徑流前的5月23日沿程監(jiān)測(cè)的沿程各斷面水體中5號(hào)點(diǎn)及其之后硝氮含量基本一樣，5月23日的沿程監(jiān)測(cè)中，1號(hào)點(diǎn)硝氮較低為1.1mg/L左右，但1—3號(hào)點(diǎn)基本為完全混合斷面，帶來(lái)的硝氮迅速提高原有的水體，從而使6月3日的徑流中硝氮含量沿程基本不變。

2.2.4氨變化

圖11所示，10月3日這次徑流中水中氨含量平均值在沿程上呈現(xiàn)一個(gè)遞減的趨勢(shì)，這由徑流在推移的過(guò)程中受到水庫(kù)稀釋導(dǎo)致，而在4號(hào)點(diǎn)氨氮濃度急劇升高，從圖3可以看出，4號(hào)點(diǎn)左右的濁度最大，徑流攜帶的污染物導(dǎo)致該點(diǎn)的氨濃度異常升高。在4月4日以及6月3日的2場(chǎng)徑流中，氨濃度在國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類(lèi)水體（0.5mg/L）的要求范圍內(nèi)，因此這兩場(chǎng)徑流入庫(kù)不會(huì)導(dǎo)致黑河金盆水庫(kù)氨含量超標(biāo)的問(wèn)題（該水庫(kù)氨濃度執(zhí)行國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類(lèi)水體的要求），在4月4日6號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)氨濃度異常升高的現(xiàn)象，這由于在6號(hào)點(diǎn)外來(lái)人員釣魚(yú)活動(dòng)多在此點(diǎn)，留下了大量的釣魚(yú)垃圾，加上4月4日為2023年初次徑流，在2022年11月到2023年4月初5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)基本無(wú)降雨產(chǎn)流，在此次降雨沖刷下釣魚(yú)垃圾中的氨大量進(jìn)入水體，造成6號(hào)點(diǎn)氨濃度異常升高的現(xiàn)象。在6月3日這場(chǎng)徑流中，來(lái)水氨濃度在0.2mg/L，徑流前的5月23日沿程監(jiān)測(cè)的沿程各斷面水體中水中氨濃度在0.11mg/L左右，與來(lái)水氨濃度差異不大，氨濃度在3號(hào)點(diǎn)之后沿程變化不明顯。從6月3日的濁度分析可以看出，此場(chǎng)徑流在1—2號(hào)點(diǎn)完全混合，濁度在100NTU以上，而到3號(hào)點(diǎn)之后，3號(hào)點(diǎn)的濁度減到50NTU，在隨后的潛流過(guò)程中，從3號(hào)點(diǎn)的濁度為50NTU緩慢削減到8號(hào)點(diǎn)的20NTU，從而造成此次徑流氨濃度在3號(hào)點(diǎn)之后沿程變化浮動(dòng)不大的現(xiàn)象。對(duì)比3場(chǎng)徑流可以發(fā)現(xiàn)，徑流入庫(kù)流量越大，攜帶的氨污染物濃度越高，在入庫(kù)流量基本相同的情況下，初次徑流攜帶的氨污染物濃度越高，庫(kù)容越大的情況下對(duì)污染物的削減越快，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的影響也較小。

2.2.5高錳酸鹽指數(shù)變化

圖12所示，對(duì)比3場(chǎng)徑流可以發(fā)現(xiàn)，徑流入庫(kù)流量越大，攜帶的有機(jī)污染物濃度越高。10月3日以及4月4日這兩場(chǎng)徑流中，高錳酸鹽指數(shù)基本隨著徑流的推進(jìn)而呈現(xiàn)沿程遞減的趨勢(shì)，且以潛流層的高錳酸鹽指數(shù)較高，這與徑流來(lái)水?dāng)y帶的高濃度有機(jī)污染物有關(guān)；6月3日的高錳酸鹽指數(shù)在完全混合斷面（1、2號(hào)點(diǎn)）高錳酸鹽指數(shù)較高，而在3號(hào)點(diǎn)之后的高錳酸鹽指數(shù)沿程變化趨勢(shì)不大，這與2.2.4節(jié)氨濃度變化趨勢(shì)基本相同，其原因不再贅述。3號(hào)點(diǎn)濁度為50NTU左右，2號(hào)點(diǎn)濁度為110NTU，3號(hào)點(diǎn)是2號(hào)點(diǎn)的一半，高錳酸鹽指數(shù)下降43%，由2.1節(jié)濁度變化圖可以看出，6月3日4號(hào)點(diǎn)之后沿程的濁度變化較小，而這之后的高錳酸鹽指數(shù)呈小幅下降，趨勢(shì)一致；10月3日以及4月4日的濁度大致沿程遞減，高錳酸鹽指數(shù)在沿程也呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，這說(shuō)明高錳酸鹽指數(shù)與濁度的相關(guān)性較大。

2.3顆粒粒徑與污染物關(guān)系

2.3.13次徑流潛流層顆粒粒徑分布百分比

水中無(wú)機(jī)顆粒物含量較高，表面積很大，既能吸附許多有機(jī)離子，還能吸附許多水中的有機(jī)物，因此水中無(wú)機(jī)顆粒物將影響水中各種物質(zhì)的存在形態(tài)、遷移和轉(zhuǎn)化［24］。隨著顆粒粒徑的減小，單位體積的表面積增加，表面電荷增強(qiáng)，以及金屬吸附能力提高，這些細(xì)小顆粒所攜帶的污染物含量相應(yīng)增加［25］。3場(chǎng)徑流潛流層顆粒粒徑分布百分比見(jiàn)表4—6。由表可知，在不同徑流強(qiáng)度下，徑流入庫(kù)所攜帶的顆粒物的粒徑也各不相同，在2022年10月3日的徑流中，入庫(kù)流量達(dá)到1000m³/s以上，所攜帶的顆粒物中10μm以上顆粒物占比較大，能達(dá)到70%，而在2023年6月3日的徑流中，入庫(kù)流量在300m3/s左右，此時(shí)超過(guò)30μm的顆粒物明顯低于2022年10月3日的徑流。因此徑流量越大，由于沖刷作用攜帶進(jìn)入庫(kù)區(qū)的大粒徑顆粒物占比越大。

2.3.2顆粒粒徑與污染物含量關(guān)系

對(duì)3次徑流顆粒物上攜帶的鐵錳磷進(jìn)行分析（圖13—15）：2022年10月3日的徑流量明顯高于2023年6月3日的徑流量，導(dǎo)致10月3日水庫(kù)入庫(kù)水中攜帶的顆粒物明顯高于6月3日，從而使10月3日的入庫(kù)水流中的污染物含量也明顯高于6月3日；其次，在3次徑流中由于都攜帶大量顆粒物，且攜帶的顆粒物均以大顆粒為主，也導(dǎo)致入庫(kù)水中大顆粒為主要的污染物來(lái)源；粒徑攜帶的污染物含量與粒徑所占百分比成一定相關(guān)性，該粒徑范圍在水中占比越大，其攜帶的污染物含量也越高；分析單位百分比顆粒物攜帶的污染物含量可知，小于5μm和小于3μm顆粒上攜帶的污染物含量最高，小顆粒擁有更大的比表面積，可以吸附攜帶更多的污染物。

分析顆粒粒徑與污染物含量關(guān)系圖可以看出，入庫(kù)口代表徑流攜帶的顆粒情況，懸浮顆粒（顆粒粒徑大于10μm）占總粒徑的70%以上，其中10月3日懸浮顆粒所攜帶的鐵錳磷含量超過(guò)總量的78%，4月4日懸浮顆粒鐵錳含量超過(guò)總量的70%，10月3日懸浮顆粒所攜帶的鐵錳含量超過(guò)總量的62%、磷含量超過(guò)總量的57%，說(shuō)明徑流攜帶的顆粒中10μm以上為主要污染物來(lái)源。

對(duì)徑流后的水質(zhì)進(jìn)行分析，大顆粒沉降速度快，在徑流后濁度下降較快，小顆粒沉降速度慢，濁度下降到30NTU左右后水體中的濁度削減較慢，且單位質(zhì)量小顆粒攜帶污染物含量大，導(dǎo)致水庫(kù)污染物含量依舊較高，可通過(guò)揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)加速水庫(kù)水體流動(dòng)，從而提高沉降速度，改善水質(zhì)。

在汛期來(lái)水污染物以大顆粒帶來(lái)的污染物含量最大，高濁水一般以潛流的形式進(jìn)入水庫(kù)，對(duì)于高濁度水，可以通過(guò)泄洪排除一部分潛流層的水，減小來(lái)水對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的影響，使用高水位的取水口，從而提高供水質(zhì)量。

3結(jié)論與建議

a）徑流沿程推移過(guò)程以及進(jìn)入庫(kù)區(qū)位置主要由徑流量大小影響。徑流在上游會(huì)歷經(jīng)全斷面混合徑流到底部潛流的演變過(guò)程，小徑流主要受來(lái)水水溫影響，在入庫(kù)前即完成溫度的混合，徑流沿等溫度層向前推進(jìn)；大徑流由于泥沙含量大，徑流來(lái)水密度大于水庫(kù)原水，徑流會(huì)完全以底部潛流方式向前推移。

b）對(duì)比3次徑流，10月3日、4月4日、6月3日入庫(kù)流量分別為534.85、174.70、198.84m3/s，10月3日的入庫(kù)流量是后2次的3.0、2.6倍，而入庫(kù)的TP含量是后者的5倍，CODMn是后2次的1.8、1.7倍，說(shuō)明入庫(kù)TP、CODMn與入庫(kù)流量呈明顯正相關(guān)關(guān)系；4月4日與6月3日入庫(kù)流量基本相同，但4月4日為初期徑流，其TN、NO₃-N分別為6月3日的2.2、1.7倍，高于10月3日TN、NO₃-N濃度，說(shuō)明TN、NO₃-N受初期徑流影響較大。

c）徑流攜帶的顆粒物中大顆粒沉降速度快，在徑流后濁度下降較快，小顆粒沉降速度慢，濁度下降到30NTU左右后水體中的濁度削減較慢，且單位質(zhì)量小顆粒攜帶污染物含量大，導(dǎo)致水庫(kù)污染物含量依舊較高，可通過(guò)揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)加速水庫(kù)水體流動(dòng)從而提高沉降速度以及提高生物降解速，從而改善水質(zhì)。

d）在汛期水庫(kù)水質(zhì)急劇惡化的情況下，針對(duì)徑流來(lái)水可以采取上取水口進(jìn)行取水，徑流進(jìn)入庫(kù)區(qū)，及時(shí)采用泄洪洞快速排出徑流攜帶的高濁水，達(dá)到排濁蓄清，保證上層水體水質(zhì)較小受到影響。在后續(xù)研究中繼續(xù)深入分析顆粒粒徑與其他污染物如氮、COD之間的聯(lián)系，以及徑流后主庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化情況。