肖新宗 郭芳 賈慶林 劉信勇 王超

摘要：自凈過程是影響河湖水體水質變化的重要因素，污染物降解系數是決定水體自凈能力的關鍵參數。定量分析長距離輸水過程中渠道本身的自凈作用，對于認識總干渠水質變化過程，區(qū)分其他外源因素對水質變化的影響都有著重要意義。以高錳酸鹽指數和氨氮為研究對象，采用室內實驗模擬的方法測定了南水北調中線輸水總干渠典型斷面的污染物降解系數，并將模擬的自凈衰減過程與水質實際變化過程進行對比。結果顯示：① 總干渠污染物降解系數k相對天然河流處于較低水平，陶岔斷面k_CODMn為0.055 d^-1，k_NH3-N為0.003 d^-1，鄭灣斷面k_CODMn為0.049 d^-1，k_NH3-N為0.003 d^-1，大安舍斷面k_CODMn為0.032 d^-1，k_NH3-N為0.009 d^-1；考慮到高錳酸鹽指數實際組分復雜，渠道降解系數較模擬結果可能更低。② 模擬的自凈衰減過程受溫度、流速的影響較大，不同條件下總干渠高錳酸鹽指數將從1.8 mg/L下降至0.228～1.042 mg/L，氨氮濃度將從0.034 mg/L下降至0.026～0.030 mg/L。由于存在藻源性、大氣沉降和坡面徑流等外源輸入增量，總干渠沿程實測高錳酸鹽指數介于1.8～2.4 mg/L之間（2019年），基本維持穩(wěn)定；氨氮濃度介于0.029～0.096 mg/L之間（2019年），有升高趨勢。理想條件下，自凈作用最大能夠消減高錳酸鹽指數增量的81.81%，消減氨氮增量的30.37%。研究成果可為深入認識南水北調中線總干渠輸水過程中水質沿程變化提供參考。

關 鍵 詞：污染物降解；自凈過程；高錳酸鹽指數；氨氮；降解系數；模擬實驗；南水北調中線總干渠

中圖法分類號：TV68；X52

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.007

0 引 言

南水北調中線工程是華北地區(qū)的重要水資源戰(zhàn)略配置工程，水質安全決定了工程成敗^［1］。中線工程總干渠全長1 432 km，長距離輸水過程中，渠道本身的自凈作用是影響渠道水質的重要因素。定量分析總干渠水質指標的自凈過程，對于認識總干渠水質變化過程，區(qū)分其他外源因素對水質變化的影響有重要的意義。

污染物降解系數是決定水體自凈能力的關鍵參數，國內外學者對河流污染物降解系數開展了大量研究。如陳炎等在多閘壩河流上，利用枯水期斷面多年的氨氮同步監(jiān)測資料估算出河南省境內淮河流域部分河流氨氮降解系數為0.080～0.340 d^-1［2］；王玲等通過現場追蹤實驗，測得滏陽河邯鄲段不同水期的COD_Cr降解系數為0.270～0.437 d^-1［3］；游學靜等采集閩江不同河段水樣，利用室內實驗模擬研究，得出閩江上游流域氨氮的平均降解系數為0.140～0.260 d^-1，中下游流域氨氮的平均降解系數為0.099～0.203 d^-1［4］?？傮w來看，已有的水體自凈作用研究多針對長江、黃河等大流域或是天然水體的河流，對于南水北調中線總干渠這類大型人工輸水渠道還沒有系統(tǒng)的認識。雖然很多學者提出可以利用已有研究成果，根據地形、水文、水質等條件類比確定水體污染物降解系數^［5］，但人工渠道往往具有壁面硬化、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、微生物豐富度低等區(qū)別于天然河道的特點，可能造成總干渠水體污染物降解系數與天然河道具有較大的差異，相關經驗值或者文獻參考值可能難以準確反映總干渠水質指標的消減過程^［6］。

高錳酸鹽指數和氨氮是河流水質監(jiān)測以及水體自凈研究的主要對象^［7-8］，本研究選擇這兩項基本指標，基于總干渠污染物的降解系數測定和自凈過程分析，研究水體自凈作用對高錳酸鹽指數和氨氮沿程變化的影響，為深入認識南水北調中線總干渠輸水過程中水質沿程變化提供參考。

1 研究區(qū)域概況

南水北調中線總干渠全長共計1 432 km，其中天津輸水支線長156 km?？偢汕孜挥诘そ谒畮鞏|岸的淅川縣陶岔村，全線自流至渠尾北京市頤和園團城湖，地跨河南、河北、天津、北京4個?。ㄖ陛犑校鼐€無在線調節(jié)水庫，具有自流輸水和供水的優(yōu)越條件，輸水方式以明渠為主，局部采用管涵過水^［9］。為保障水質安全，工程設計通過立體交叉、封閉圍欄、水源保護區(qū)，確立了中線工程三道防線?？偢汕鼐€還建立了日常監(jiān)測體系，包括30個固定監(jiān)測斷面，斷面位置布設見圖1，其中河南省內16個，河北省內9個，北京市內2個，天津市3個，負責監(jiān)測干渠沿線的常規(guī)水質指標。截至2023年8月，中線干線累計輸水超過584億m³，已成為京津冀豫地區(qū)的主力水源。

2 研究方法

2.1 樣品采集

樣品采樣于2019年5月開展，分別于27個固定監(jiān)測斷面（天津市干線3個斷面未采集）采集水樣500 mL，并采用便攜式水質儀（YSI，美國）測定水溫、溶解氧和pH（表1）。將總干渠劃分為前段（陶岔至鄭灣）、中段（鄭灣至大安舍）和尾段（大安舍至團城湖）3個區(qū)段，選取陶岔、鄭灣、大安舍3個斷面分別采集水樣10 L，用于開展污染物降解系數測定室內模擬實驗。上述樣品均于4 ℃低溫保存，送回實驗室后立即測定高錳酸鹽指數和氨氮。高錳酸鹽指數的測定采用 GB 11892-89《水質 高錳酸鹽指數的測定》，氨氮的測定采用GB 7479-87《水質 銨的測定 納氏試劑比色法》。

2.2 降解系數測定

2.2.1 自凈衰減過程模擬

總干渠污染物降解系數采用實驗室模擬方法測定。室內培養(yǎng)方法如下：將水樣轉移到10 L的敞口玻璃容器中靜置培養(yǎng)，先穩(wěn)定培養(yǎng)3 d后再進行降解試驗，培養(yǎng)溫度為20 ℃。原水高錳酸鹽指數和氨氮濃度均較低，直接培養(yǎng)難以分析水質指標的降解過程。因此通過添加葡萄糖和硫酸銨^［10-11］，調節(jié)高錳酸鹽指數初始值擬定為15 mg/L，氨氮初始濃度擬定為4 mg/L。每隔1 d測定水體高錳酸鹽指數和氨氮值，連續(xù)測定18 d。

2.2.2 降解系數擬合

對于水體中污染物濃度較低的降解過程，一般認為符合一級反應動力學模型^［12-13］，如式（1）所示：

C=C₀·exp（-kt）（1）

式中：C為t時刻污染指標濃度，mg/L；C₀為污染指標初始濃度，mg/L；k為降解系數，d^-1；t為污染物降解時間，d。

室內模擬實驗為每隔1 d取樣分析，由所得的濃度隨時間變化繪制散點圖，按照公式（1）對散點進行指數曲線擬合。散點圖和擬合分析均在SPSS18.0中執(zhí)行。

2.2.3 降解系數修正

實際水環(huán)境中，水流流動通過改變大氣復氧過程和溶解氧的傳輸擴散過程影響污染物的降解速率，水流紊動越劇烈，水面與空氣中的氧氣交換速率越高，水體內部溶解氧的擴散和運輸越快，污染物的降解速率越高^［14］。考慮到實驗測定條件與實際水體的差異，對實驗室測定下的降解系數進行水力及水溫的修正，修正公式如式（2）所示^［15-16］：

式中：k_T為溫度T對應的降解系數，d^-1；k_T0為溫度T₀對應的降解系數，d^-1；θ為溫度校正系數，研究探討水溫在10～30 ℃的情形，一般取值為1.045^［17］；v為渠段平均流速，m/s；h為渠段水深，m；a為河床活度系數，與河道坡度有關，由于干渠水力坡度較小，取值為0.03^［15］。

根據總干渠水溫監(jiān)測數據，各斷面水溫基本都在8～28 ℃之間，設置3個溫度梯度（10，20，30 ℃）?？偢汕\行以來輸水流量、流速有所波動，各渠段由于分水，流速、水深也會有所變化。根據監(jiān)測結果，2019年3月屬于低流速輸水期，2019年5月屬于高流速輸水期。因此以2019年3月和5月為例，將總干渠水深、流速分布設定低流速與高流速2個流速情景。按照總干渠水溫和流速的變化設定6種不同的情景組合，對室內測得的降解系數進行修正。流速和流量分布如圖2所示。

2.3 污染物沿程自凈衰減過程

陶岔、鄭灣和大安舍斷面的室內降解系數分別代表3個區(qū)段內相應斷面的室內降解系數，結合總干渠流速、水深分布，對其進行修正，結果如表2所列。

依據總干渠27個監(jiān)測斷面將總干渠視為26個渠段單元，各渠段單元的流速、降解系數取上游監(jiān)測斷面流速及降解系數。以陶岔斷面的濃度為初始濃度，下游各斷面的降解時間為上游所有渠段單元的累計過流時間，各渠段單元的過流時間由渠段單元長度除以對應流速所得。按照公式（1）模擬不同情景總干渠水體理想條件（沒有外源輸入）下的自凈衰減過程，并繪制不同條件下水質指標的自凈衰減趨勢線。

2.4 自凈作用對總干渠水質沿程變化的影響

將理想狀態(tài)的衰減趨勢與實際沿程濃度進行對比，分析自凈過程對總干渠水質沿程變化的影響。由于采樣監(jiān)測工作在5月份開展，總干渠平均溫度在20 ℃左右，故基于20 ℃高流速理想狀態(tài)下的水體自凈能力，對比總干渠有無自凈作用時各水質指標沿程變化趨勢。

將總干渠水質指標的沿程濃度變化視為渠首輸入的本底濃度沿程增量以及水體自凈三者綜合作用的結果，如式（3）所示：

C=C_本底+ΔC_增量-ΔC_自凈（3）

式中：C為水質指標實際監(jiān)測濃度，mg/L；C_本底為水質指標本底濃度，即渠首陶岔斷面的監(jiān)測指標濃度，mg/L；ΔC_增量為水質指標渠道內源性增加和外界輸入濃度，mg/L；ΔC_自凈為水質指標自凈消減濃度，即自凈衰減曲線對應的濃度與初始濃度（渠首陶岔斷面濃度）的差值，mg/L。

基于總干渠自凈衰減曲線可以得到自凈消減濃度ΔC_自凈，因此可以基于式（3）計算增量濃度ΔC_增量。通過計算自凈消減濃度占增量濃度比例ΔC_自凈/ΔC_增量，定量分析自凈作用對水質指標沿程變化的影響。

3 結果和討論

3.1 高錳酸鹽指數和氨氮降解系數

圖3為陶岔、鄭灣、大安舍3個斷面培養(yǎng)水樣的高錳酸鹽指數和氨氮濃度變化情況。經過18 d的連續(xù)監(jiān)測，高錳酸鹽指數呈現出顯著的衰減過程，其中陶岔斷面由15.04 mg/L下降到5.41 mg/L，鄭灣斷面由14.48 mg/L下降到6.08 mg/L，大安舍斷面由12.32 mg/L下降到7.09 mg/L。氨氮衰減幅度相對較小，其中陶岔斷面由4.88 mg/L下降到4.45 mg/L，鄭灣斷面由4.05 mg/L下降到3.75 mg/L，大安舍斷面由3.49 mg/L下降到3.02 mg/L。擬合結果顯示，陶岔、鄭灣、大安舍3個斷面高錳酸鹽指數降解系數k值分別為0.055 d^-1（p＜0.01）、0.049 d^-1（p＜0.01）、0.032 d^-1（p＜0.01），均為極其顯著。氨氮降解系數k值分別為0.003 d^-1（p＜0.05）、0.003 d^-1（p＞0.05）、0.009 d^-1（p＜0.05），其中鄭灣斷面擬合k值統(tǒng)計結果不顯著。相比高錳酸鹽指數，總干渠水體對氨氮的自凈作用很不明顯，這可能是因為總干渠水體較為清潔，顆粒物較少，導致驅動氨氮自凈的硝化細菌豐度不足，難以形成有效的氨氮自凈效果^［18］。

表3為27個斷面降解系數的修正結果?？梢钥闯觯偢汕诘蜏氐土魉贄l件下高錳酸鹽指數的降解系數介于0.023～0.038 d^-1，氨氮的降解系數介于0.004～0.014 d^-1，高溫高流速下高錳酸鹽指數的降解系數介于0.054～0.090 d^-1，氨氮的降解系數介于0.009～0.021 d^-1。

與其他地區(qū)相比，中線總干渠水體高錳酸鹽指數、氨氮降解系數相對較低。如郭儒等指出中國河流COD降解系數在0.009～0.470 d^-1之間，氨氮降解系數在0.105～0.350 d^-1之間^［7］；馮帥等測得太湖流域上游河網COD與氨氮的降解系數范圍分別是0.021 6～0.197 4 d^-1和0.015 2～0.312 3 d^-1［19］。總干渠污染物降解系數較低，主要原因可能是渠底和邊坡均采取硬化措施，土壤基質缺失導致難以形成完善的附著生物和底棲生境，生物相趨于離散態(tài)，不利于自凈能力的增強^［20-21］。此外，總干渠作為引用水水源地，水質已優(yōu)于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅱ類水質標準^［22］，低濃度的營養(yǎng)鹽使得水體中生物群落數量較少。

3.2 總干渠高錳酸鹽指數和氨氮沿程自凈衰減過程

不同水溫和流速條件下，總干渠水體高錳酸鹽指數和氨氮的自凈衰減過程如圖4所示。理想狀態(tài)下，總干渠高錳酸鹽指數將從陶岔斷面的1.8 mg/L衰減到團城湖斷面的0.228～1.042 mg/L，氨氮將從陶岔斷面的0.034 mg/L衰減到團城湖斷面的0.026～0.030 mg/L?？梢钥吹?，流速和水溫對總干渠水質指標的自凈衰減過程都有明顯的影響，如30 ℃條件下，高流速和低流速的高錳酸鹽指數自凈衰減曲線最大能夠相差0.308 mg/L；低流速條件下，10 ℃和30 ℃的高錳酸鹽指數自凈衰減曲線最大能夠相差 0.500 mg/L。

可見冬季時由于氣溫降低，干渠水體自凈能力會明顯變弱^［23］；對比不同流速，發(fā)現流速變化對總干渠污染物降解系數影響較小，這與干渠水流均勻，溶解氧含量較高，流速不會成為污染物降解系數的限制因素^［24］相吻合，反而相同溫度下，流速加快，過流時間變小，使得微生物的降解反應時間縮短，水體流至各斷面時污染物自凈消減值有所降低。

另外，考慮到本研究降解試驗是通過添加容易被生物降解的葡萄糖從而改變高錳酸鹽指數的濃度，而渠道有機物的實際組成可能更為復雜，通常含有一定比例的木質素等難降解的部分^［25］，因此實際的降解系數可能較模擬試驗的計算結果偏小，自凈衰減幅度較理想的衰減曲線偏小。

3.3 自凈作用對總干渠高錳酸鹽指數和氨氮沿程變化的影響

總干渠水質指標實際沿程濃度變化與自凈衰減曲線的對比結果如圖5所示。監(jiān)測結果顯示，總干渠沿程高錳酸鹽指數基本保持穩(wěn)定，平均濃度為1.93 mg/L，其中團城湖斷面濃度達到最高，為2.4 mg/L。沿程氨氮濃度波動較大，其中河南省境內（陶岔至漳河北）相對穩(wěn)定，平均濃度為0.036 mg/L，河北省境內（南營村至西黑山）出現峰值，最高達到0.096 mg/L，北京市境內（惠南莊和團城湖）有所下降，團城湖斷面濃度為0.045 mg/L。高錳酸鹽指數和氨氮的沿程監(jiān)測濃度與自凈衰減曲線都存在較大差異，表明渠道沿程產生了部分營養(yǎng)鹽和還原性物質增量。研究表明：渠道藻類易于繁殖^［26］，藻類生長代謝產生的藻源性有機物對高錳酸鹽指數有明顯的影響^［27］；另外，大氣干濕沉降、渠道坡面和橋面徑流等因素形成的外源輸入也會導致水質指標沿途波動^［28-30］，與理想狀態(tài)出現偏差。若忽略水體自凈作用，即斷面實測濃度加上由渠首陶岔至相應斷面的累計理想自凈容量，總干渠高錳酸鹽指數將呈沿程穩(wěn)定上升的趨勢，最高能夠達到3.495 mg/L。但氨氮自凈能力不顯著，因此氨氮變化幅度不大。表4給出了各斷面的自凈消減濃度、增量濃度及自凈消減占增量濃度比例的計算結果。理想條件下，水體通過自凈作用最大能夠使得高錳酸鹽指數消減0.016～0.995 mg/L，占高錳酸鹽指數增量的平均比例為81.81%；使得氨氮消減0.000 1～0.004 mg/L，占氨氮增量的平均比例為30.37%。總體來看，自凈作用對高錳酸鹽指數的濃度沿程變化影響較大，而對氨氮濃度的沿程變化影響相對較小。

4 結 論

（1）選取陶岔、鄭灣、大安舍3個斷面進行南水北調中線總干渠高錳酸鹽指數和氨氮降解系數測定，并通過對其修正，得出總干渠前段高錳酸鹽指數降解系數為0.038～0.090 d^-1，氨氮降解系數為0.004～0.009 d^-1；中段高錳酸鹽指數降解系數為0.035～0.081 d^-1，氨氮降解系數為0.005～0.009 d^-1；尾段高錳酸鹽指數降解系數為0.026～0.059 d^-1，氨氮降解系數為0.010～0.018 d^-1。

（2）在無增量的理想條件下，自凈過程將使高錳酸鹽指數明顯衰減，由初始的1.8 mg/L降低到0.228 ～1.042 mg/L，其中高溫（30 ℃）低流速條件下衰減幅度最大。氨氮自凈衰減相對較弱，由初始的0.034 mg/L降低到0.026～0.030 mg/L，其中高溫（30 ℃）低流速條件下衰減幅度最大。

（3）總干渠沿程實測高錳酸鹽指數介于1.8～2.4 mg/L之間，基本維持穩(wěn)定；氨氮濃度介于0.029～0.096 mg/L之間，有升高趨勢。理想條件下，自凈作用最大能夠消減高錳酸鹽指數增量的81.81%，消減氨氮增量的30.37%。

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（編輯：劉 媛）

Study on water self-purification process in main channel of Middle Route

of South-to-North Water Diversion Project

XIAO Xinzong¹，GUO Fang¹，JIA Qinglin^2，3，LIU Xinyong¹，WANG Chao^2，4

（1.China South to North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Beijing 100038，China；2.Yangtze River Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China；3.Baowu Water Technology Corporation Limited Shanxi Branch，Taiyuan 030021，China；4.Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources，Changjiang Water Resources Commission，Changjiang，430051，China）

Abstract：The self-purification process is an important factor influencing changes in the water quality of rivers and lakes，and the degradation coefficient of pollutants is the key parameter determining the self-purification ability of water bodies.The quantitative analysis of the self-purification function of the channel in long-distance water transport is of great significance for understanding the water quality change process and distinguishing the influence of other external factors on the water quality change.Using permanganate index （COD_Mn）and ammonia nitrogen （NH₃-N）as the research subjects，the pollution degradation coefficients of typical sections of main canal of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project were determined using indoor experimental simulation methods，and the simulated self-purification decay process was compared with the actual water quality changes.The results showed that：① The pollution degradation coefficients for the main canal were relatively low compared to natural rivers.The degradation coefficients of COD_Mnof Taocha，Zhengwan and Daanshe were 0.055 d^-1，0.049 d^-1and 0.032 d^-1respectively，while the degradation coefficients of NH₃-N were 0.003 d^-1，0.003 d^-1and 0.009 d^-1respectively.Considering that the actual components of the permanganate index were complex，the channel degradation coefficient may be lower than the simulation results.② The simulated self-purification decay process was significantly influenced by temperature and flow rate.Under different conditions，the permanganate index in the main channel decreased from 1.8 mg/L to a range of 0.228 to 1.042 mg/L，while ammonia nitrogen concentration decreased from 0.034 mg/L to a range of 0.026 to 0.030 mg/L.Due to the external inputs from algae，atmospheric deposition，and surface runoff，the permanganate index along the main channel ranged between 1.8 to 2.4 mg/L （in 2019），remaining relatively stable；while ammonia nitrogen concentrations ranged from 0.029 to 0.096 mg/L （in 2019），showing an increasing trend.Under ideal conditions，the self-purification process can reduce the average proportion of changes in permanganate index and ammonia nitrogen by 81.81% and 30.37%，respectively.The research results can provide a reference for further understanding the changes of water quality along the main canal of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.

Key words：pollutant degradation；self-purification process；permanganate index；ammonia nitrogen；degradation coefficient；simulation experiment；main canal of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project