北方旱区平原水库调水工程水环境特征研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023我国水资源分布不均，调水工程是部分地区重要的调控水资源的方式。随着调水工程的运行，水环境安全成为学者们关注的热点，目前针对北水南调工程水环境特征的研究较少。笔者通过研究我国西北寒旱地区北水南调引水工程渠道水质变化趋势，阐明尾部水库水质垂向分布特征及内源污染控制因素，以期为调水工程可持续健康运行提供依据。研究区源头水库径流补给以季节性融雪水为主，夏季降雨补给为辅，并有少量冰川融水，冬季主要依靠地下水补给。输水渠道周边以戈壁滩和半固定沙漠为主，调水渠道边坡有网格固沙设施，渠道周边设置封闭的伴渠路，水体受工农业污染及人为活动影响较小。尾部水库位于天山北缘冲洪积平原区，是四面筑坝而成的典型注入式平原水库。入库水流浮游植物生物量大，每年向水库中投放大量鱼苗，受牧食影响，夏季生物量较春季的低。1样品采集和监测监测区域分为调水渠道和尾部水库两部分，水质监测指标包括水温、溶解氧、pH值、叶绿素a、氧化还原电位、电导率、无机盐、氮素等。2022年7月开展水库上游渠道水质监测，上游渠道从源头水库向南横穿盆地、沙漠及戈壁带至尾部水库，线路全长约400 km。上游渠道以明渠输水为主，兼有管道输水。根据输水工程特点共设9个采样点，分别为源头水库、两个隧洞出口和、倒虹吸工程进出口和、沙漠带、分水闸进出口和、尾部水库。尾部水库于711月开展分层水质监测，包括了夏、秋、冬三季，并于7月开展垂向水质监测。选取水深较深的坝前区和库东区共2个监测点，水深为1213 m。便携式测量仪采集数据速率设置为1次/s，每下潜约0.5 m停留2 s，从水体表层沿水深方向缓慢向下至底层，连续监测。2调水渠道水质变化特征从源头水库至尾部水库，水温和pH值逐渐升高（见表1），水温由源头 14.2 升高至尾部水库的 25.2，pH 值由源头7.53升高至尾部水库的8.87，采样点水温和pH值均较高，水体颜色由源头的清澈湛蓝逐渐变为黄绿。北方旱区平原水库调水工程水环境特征研究阿布都沙拉木 托尔逊1，刘晓茹2（1.新疆额河投资集团，新疆 乌鲁木齐 830000；2中国水利水电科学研究院，北京 100038）摘要：为探明我国西北边陲某北水南调工程的水质特征，对调水渠道和尾部水库的水质进行了监测。结果表明：水体叶绿素a含量与水温、pH值、溶解氧正相关，水生态环境的变化使部分水质指标出现先升后降的变化趋势，至尾部水库水质恶化；尾部水库鱼类及汇水区淹没植物造成污染物积累，水质垂向变化特征显著，夏季热分层促使内源污染加剧，水质恶化，秋冬季热分层消退；水库蒸发量大引起无机盐含量升高，硬度增大；调水渠道水质良好，尾部水库水循环较差，夏季易出现水环境安全问题。关键词：水环境；水质监测；北水南调；水库；热分层中图分类号：TV68；X824文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.035收稿日期：2022-12-10作者简介：阿布都沙拉木 托尔逊（1976），男，新疆伊宁人，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理及监测工作通信作者：刘晓茹（1963），女，北京人，正高级工程师，主要从事水环境监测、水污染防治及标准制订等方面的研究工作E-mail：表1主要监测指标变化采样点pH值7.538.138.208.598.538.738.738.758.87水温/14.217.617.119.219.022.222.622.725.2溶解氧/（mg L-1）8.979.639.439.2510.439.368.868.938.46叶绿素a/（g L-1）0.803.051.784.764.016.585.855.402.40氨氮/（mg L-1）0.2560.2040.0550.1600.1550.0880.1570.0400.072硝氮/（mg L-1）0.730.710.710.700.610.740.730.721.12电导率/（S cm-1）99.0107.0104.0116.0115.0124.0126.3125.8217.0硬度/（mg L-1）48.044.947.047.046.955.847.746.880.7叶绿素a与溶解氧变化趋势基本一致，采样点溶解氧和叶绿素 a 含量逐渐升高，两者分别在采样点、达到最高值，然后逐渐降低。上游渠道前段沿途水体流速为0.761.83m/s，采样点流速最快，为1.83 m/s，采样点流速开始下降，溶解氧含量受流速影响逐渐下降。调水渠道电导率逐渐升高，采样点电导率从99.0 S/cm升至125.8 S/cm，硬度与无机盐含量较平稳，整体水平较低；至尾部水库电导率、无机盐含量及硬度显著升高，电导率升至217.0 S/cm。源头氨氮含量较高，采样点氨氮含量为0.256 mg/L，然后逐渐降低；采样点氨氮含量较为平稳；采样点、氨氮含量显著降低。硝氮含量在上游含量较平稳，采样点含量为0.610.74 mg/L，至尾部水库上升至1.12 mg/L，由此可见氨氮与硝氮在尾部水库的含量变化相反。3尾部水库水质变化特征（1）水体热分层效应。夏季7月，表、底层水温和溶解氧变化较大，底层低于表层，底层溶解氧为1 mg/L，达到厌氧环境。8月底层水温低于表层，表底层溶解氧含量一致，但仍低于地表水类水标准；秋冬季（1011月），表、底层水温和溶解氧含量趋于一致，且均满足地表水类水标准。水库热分层对底层污染物均有影响。7月底层铁和锰含量显著高于表层，其他时段差异不显著。78月氨氮底层含量高于表层，尤其坝前区表底层差值较大，坝前区表、底层含量分别为0.029、0.145 mg/L，库东区表、底层含量分别为 0.036、0.090 mg/L；1011月表底层含量趋于一致。（2）水质垂向变化趋势。7月水体出现热分层，底层呈厌氧环境，pH值、叶绿素a、氧化还原电位和电导率均受此影响。pH值随水深增大而降低，坝前区和库东区表、底层差值分别为1.27和1.34，坝前区在深度610 m范围内pH值显著下降，差值为1.1。叶绿素a随水深垂向变化趋势采用荧光法测定，以相对荧光单位RFU表示。叶绿素a在浅层2 m左右达到最大值，坝前 68人 民 黄 河2023年S1区和库东区分别为1.88、2.89 RFU，随即随深度增大呈减小趋势，库东区在9.6 m处增大，为1.33 RFU，底部坝前区和库东区最低，分别为0.18、0.57 RFU。氧化还原电位随水深变化见图1。坝前区和库东区在中上层随水深增大而逐渐升高，分别由144、130 mV上升至179、172 mV，在底部（水深 1112 m 以下），氧化还原电位迅速降低，分别降至52、146 mV，坝前区底部降幅较大。电导率随水深垂向变化见图2，坝前区底层电导率（224 S/cm）高于表层（219 S/cm），尤其从深度8 m至底层12.5 m，电导率显著增大。库东区在深度9.8 m出现低值，为187 S/cm，随后迅速增至208 S/cm。4结果与讨论水库存在大量鱼类、植物、藻类、细菌等，水生动物排泄物及动植物残体沉积加剧了有机质的积累；水库水动力不足，水循环较慢，水体复氧能力弱，夏季底泥中有机污染物分解，消耗氧气，造成底层溶解氧含量下降，水质恶化，形成内源污染。（1）电导率变化分析。水体中电导率与温度及离子浓度均正相关。根据北水南调工程特点，整体延程纬度逐渐降低，水温呈升高趋势，调水渠道电导率随温度呈增大趋势，同时受沿途风沙及雨雪沉降等面源污染影响。尾部水库（采样点）电导率大幅度升高。库区水体更新周期长，年平均降水量为251.6mm，蒸发量最高1 760.5 mm，水库蒸发量大导致无机盐富集，水体硬度增大，这是电导率增大的主要原因，这也是平原水库的特性之一。水库沉积物受鱼类及上游水流扰动，无机盐离子释放到上覆水体，也可导致水体中阴阳离子含量升高1。尾部水库受厌氧环境影响，底层氧化还原电位急剧下降，呈还原态，形成活性反应带，铁锰等被还原为溶解度较大的低价态离子，导致底层水体铁锰等离子含量升高，水体电导率增大。说明随着水深增加，溶解氧与电导率负相关。（2）光合作用影响分析。随着水体流动时间的延长，光照时间延长，光合作用逐渐增强，吸收二氧化碳释放氧气；加之水温升高，二氧化碳在水中的溶解度降低，导致水体酸性下降，因此调水渠道pH值受光合作用及水温影响逐渐升高。调水渠道前段（采样点）溶解氧含量随叶绿素a含量增大而逐渐升高。溶解氧含量同时受水体流速影响，流速快，大气复氧能力强，溶解氧含量增大。调水渠道后段（采样点）水温在20 以上，水生生物较活跃，新陈代谢强，呼吸作用加快，消耗水体中溶解氧速率加快，呼吸作用大于光合作用，溶解氧含量下降。另外随着水温的升高，植食性浮游动物和鱼类生长速率加快，对浮游藻类的牧食速率提高，尤其尾部水库，每年投放大量鱼苗，最终可能导致藻类数量减少，因此尾部水库叶绿素a含量下降显著，溶解氧含量降低。尾部水库水体表层叶绿素a含量较高，光合作用导致表层溶解氧和pH值较高。底层浮游植物含量下降，叶绿素a含量下降，且受水体透明度影响，光合作用较弱，溶解氧和pH值降低，pH值和溶解氧是叶绿素a的被动因子2。尾部水库热分层效应导致底层厌氧细菌活跃，有机物分解消耗氧气产生二氧化碳，酸性不断增强，因此溶解氧和pH值含量随着水深增加逐渐降低。（3）硝化作用影响分析。尾部水库较上游渠道氨氮含量下降、硝氮含量增加，在温度及溶解氧含量适宜的条件下，硝化作用占主导地位，部分氨氮转化为硝酸盐氮。夏季尾部水库底层水体氨氮含量显著高于表层，说明水库热分层效应导致底层缺氧，不仅硝化作用受到抑制，造成氨氮累积，而且沉积物中易降解的有机氮被降解、氨化，生成氨氮进入上覆水体，导致底层氨氮含量升高。受此影响，尾部水库氨氮含量较分水闸升高。5结论与建议调水渠道及尾部水库的水质变化特征表明，水体叶绿素a含量与水温、pH值、溶解氧正相关，水温上升促进浮游植物生长，叶绿素a含量增加，光合作用增强促使pH值和溶解氧逐渐升高。水温和流速对保持良好的水生态环境及水体自净作用有较大影响。调水渠道周边配有固沙措施及封闭区域，水质状况良好，满足地表水类水标准。尾部水库水循环较慢，夏季水温分层，底层缺氧，水环境内源污染引起铁锰和氨氮等部分水质指标变差，秋季水体热分层消退，因此对夏季水库热分层期间的水质恶化应高度重视。该调水工程已运行10多a，水库内源污染逐渐积累，应加强调水渠道配套环境保护措施维护，改善尾部水库水动力条件及水生态环境，加强水体循环，使其可持续良性运行。参考文献：1 文新宇，张虎才，常凤琴，等.泸沽湖水体垂直断面季节性分层 J.地球科学进展，2016，31（8）：858-869.2 阮晓红，石晓丹，赵振华，等.苏州平原河网区浅水湖泊叶绿素a与环境因子的相关关系 J.湖泊科学，2008，20（5）：556-562.【责任编辑吕艳梅】图1坝前区和库东区氧化还原电位垂向变化图2坝前区和库东区电导率垂向变化参考文献：1 刘增辉，倪福生，徐立群，等.水库清淤技术研究综述 J.人民黄河，2020，42（2）：5-10.2 崔鹏飞.枕头坝一级水电站气动式清淤试验研究 J.人民长江，2019，50（S2）：220-222.3 吴修广，季大闰，史英标，等.港池和航道疏浚过程中悬浮泥沙扩散输移的数值模拟 J.水运工程，2006（8）：87-91.4 郑青，韩海波，周保学，等.化学需氧量（COD）快速测定新方法研究进展 J.科学通报，2009，54（21）：3241-3250.5 翟敏婷，辛卓航，韩建旭，等.河流水质模拟及污染源归因分析 J.中国环境科学，2019，39（8）：3457-3464.6HAYES D F，CROCKETT T R，WARD T J，et al.SedimentResuspensionDuringCutterheadDredgingOperationsJ.Journal of Waterway Port Coastal&Ocean En