引水結(jié)構(gòu)變化對(duì)天津于橋水庫(kù)磷滯留的影響分析與生態(tài)水量估算*

張 晨,宋迪迪,廉鐵輝

(1：天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)(2：天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處,天津 301900)

引調(diào)水工程是解決水資源時(shí)空分布不均、緩解資源性缺水問(wèn)題、優(yōu)化水資源配置的重要舉措[1]. 在跨流域引水系統(tǒng)中，調(diào)蓄湖庫(kù)一定程度上能夠緩解水資源供需矛盾，但其供水水質(zhì)也會(huì)受到引調(diào)水、當(dāng)?shù)氐乇硭炔煌瑏?lái)水的影響[2]. 總磷(TP)是調(diào)蓄湖庫(kù)水質(zhì)優(yōu)劣的顯著性指示指標(biāo)[3-4]，與湖庫(kù)水生態(tài)之間有著密切聯(lián)系，弄清哪些因素影響湖庫(kù)磷滯留量是保障供水水質(zhì)安全的前提. 前人研究成果分析了外部營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷、單位面積磷負(fù)荷率、單位面積水力負(fù)荷、平均湖深、水力停留時(shí)間、沖刷率等一系列因素對(duì)磷滯留的影響[5-7]. Vollenweider模型[8-10]是眾多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題得到的典型成果，該模型基于湖泊總磷負(fù)荷質(zhì)量平衡原理，提供了一種基于湖庫(kù)形態(tài)測(cè)量和水力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)湖泊水體磷滯留的工具. 模型指出外部TP負(fù)荷、水力停留時(shí)間、沖刷率是磷滯留的重要影響因子[3]. 后續(xù)研究證實(shí)了該觀點(diǎn)，外部營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷決定了湖泊的總體水質(zhì)，但沉積物對(duì)磷的內(nèi)部循環(huán)起著核心作用[11-12]. 水力停留時(shí)間通過(guò)流動(dòng)的快慢影響營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)物的供應(yīng)和流失，沖刷率為水力停留時(shí)間的倒數(shù)[13]，它們影響湖庫(kù)中TP濃度[3,14]. 一般認(rèn)為，湖泊的水力停留時(shí)間越長(zhǎng)、沖刷率越小，將有更多的磷滯留，湖水TP濃度越低[15-16]. 反之，在一些調(diào)蓄水庫(kù)中，水力停留時(shí)間較短(沖刷率較大)，磷往往未參與內(nèi)部循環(huán)便被帶出. 但是，Wu等[17]對(duì)太湖、巢湖和鄱陽(yáng)湖研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)TP濃度隨著水力停留時(shí)間的增加(沖刷率的減少)而升高，這是因?yàn)槌练e物中的磷還原釋放到水中導(dǎo)致TP濃度升高.

“引灤入津”工程是我國(guó)早期建成的大型跨流域調(diào)水工程，解決了天津城市生活及工業(yè)用水需求. 南水北調(diào)通水前，于橋水庫(kù)是天津市唯一飲用水水源地，也是“引灤入津”工程的重要調(diào)蓄水庫(kù)，年均受納灤河水系引水5.4億m3(2001-2014年). 2014年底，南水北調(diào)中線一期工程通水后，天津市的水源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要飲用水源從灤河水變?yōu)殚L(zhǎng)江水(引江水不調(diào)入于橋水庫(kù)). 引水結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致外調(diào)灤河水的需求發(fā)生改變，進(jìn)而影響于橋水庫(kù)受納引水量. 對(duì)于橋水庫(kù)而言，引水量的變化影響外部營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的改變，水庫(kù)運(yùn)行方式和出入庫(kù)流量的變化也影響水庫(kù)TP濃度. 已有研究表明，于橋水庫(kù)處于中貧營(yíng)養(yǎng)水平、沉水植物為主的清水狀態(tài)，但沉水植物物種單一，清水穩(wěn)態(tài)易發(fā)生轉(zhuǎn)變(破壞)[18-19]. 同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，水庫(kù)TP濃度自2013年之后有升高趨勢(shì)，若一旦超過(guò)清水轉(zhuǎn)換閾值將突變?yōu)樵逍蜐崴疇顟B(tài)[20]，修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化將十分困難. 最新成果表明，城市的用水需求、引水量、土地利用和氣候變化均將深刻影響于橋水庫(kù)的水質(zhì)狀況[21]. 綜上，在關(guān)注于橋水庫(kù)TP濃度時(shí)，弄清引水結(jié)構(gòu)變化引起的入庫(kù)水量、外部TP負(fù)荷、水力停留時(shí)間改變對(duì)磷滯留的影響機(jī)制是重要科學(xué)問(wèn)題.

本研究基于于橋水庫(kù)2001-2018年實(shí)測(cè)資料，利用Vollenweider模型計(jì)算TP濃度動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析入庫(kù)水量、外部TP負(fù)荷、水力停留時(shí)間三個(gè)因素對(duì)南水北調(diào)通水前后水庫(kù)磷滯留量的影響，并進(jìn)一步估算雙水源新情勢(shì)下的生態(tài)水量，為保持于橋水庫(kù)中貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)提供科學(xué)的運(yùn)行管理建議.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

于橋水庫(kù)(40°00′～40°04′N，117°26′～ 117°37′E)位于天津市薊州區(qū)城東4 km處，自1983年“引灤入津”輸水工程通水后，是天津市人民生活飲用及工農(nóng)業(yè)用水的主要水源地，也是“引灤入津”輸水工程的重要調(diào)蓄水庫(kù)[22]. 控制流域面積2060 km2，占整個(gè)州河流域面積的96%，圖1所示. 最大回水長(zhǎng)東西約30 km，南北寬8 km，最大淹沒(méi)面積250 km2，正常蓄水位21.16 m時(shí)淹沒(méi)面積86.8 km2[23]，汛限水位19.87 m，死水位15 m. 淺水庫(kù)，平均水深4.6 m，總庫(kù)容15.59億m3. 水庫(kù)控制流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)性半濕潤(rùn)氣候，境內(nèi)雨量充沛，多年平均降水量為748.5 mm，主要集中在6-9月，水庫(kù)多年平均徑流量5.06億m3[24-25]. 于橋水庫(kù)是一座典型的山谷與平原過(guò)渡的水庫(kù)[26]，庫(kù)區(qū)南岸地勢(shì)陡峭受原河道深泓控制水深大，北岸地勢(shì)則相對(duì)平坦水深淺[27]. 由沙河、淋河、黎河三大支流匯合而成，其中黎河為引灤輸水通道，與沙河匯流果河后隨果河匯入于橋水庫(kù).

圖1 于橋水庫(kù)流域及水文監(jiān)測(cè)站Fig.1 Yuqiao Reservoir basin and monitoring stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 水量 黎河逐日總水量來(lái)源于前毛莊監(jiān)測(cè)站，為黎河自產(chǎn)水量與引水量之和，2001-2018年平均徑流量為5.65億m3，引水量為4.79億m3. 沙河逐日流量來(lái)源于水平口監(jiān)測(cè)站，為自產(chǎn)水量，平均徑流量為0.95億m3；淋河逐日水量來(lái)源于龍門口(2012-2018年為淋河橋站)監(jiān)測(cè)站，平均徑流量0.16億m3，由于入庫(kù)水量遠(yuǎn)小于黎河和沙河，且年內(nèi)常處于斷流狀態(tài)，故本研究中忽略淋河. 果河水量即入庫(kù)水量WIN，為黎河與沙河水量之和，多年平均徑流量為6.60億m3.

1.2.2 TP負(fù)荷 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度逐月數(shù)據(jù)源自水庫(kù)管理部門. 沙河水質(zhì)取樣點(diǎn)位于沙河橋，2001-2018年TP濃度平均值89.5 μg/L；入庫(kù)TP濃度TPIN取樣點(diǎn)位于沙河、黎河匯流后的果河橋，平均濃度201 μg/L；黎河TP濃度根據(jù)磷質(zhì)量平衡反算得出；庫(kù)區(qū)TP濃度TPL由TPIN計(jì)算得到，詳見(jiàn)下文公式(3)，年均值36.8 μg/L. 沙河、入庫(kù)、黎河、出庫(kù)各點(diǎn)TP負(fù)荷由水量與濃度計(jì)算得到.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 沙河、黎河2013-2018非汛期部分月份缺失的水量數(shù)據(jù)由皮爾遜III型曲線插值確定，再根據(jù)水量平衡，結(jié)合已有的引水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)不合理插值結(jié)果進(jìn)行修正，修正后月數(shù)據(jù)累加后得到的年水量與水資源公報(bào)中年水量相對(duì)誤差為4%.

1.3 Vollenweider模型

Vollenweider模型用于預(yù)測(cè)已知營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷輸入和水力停留時(shí)間的湖泊營(yíng)養(yǎng)濃度，已被廣泛用于估算湖泊和水庫(kù)中的TP濃度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[7]：

(1)

式中，TPL代表水庫(kù)TP濃度(庫(kù)心測(cè)點(diǎn))，μg/L；L表示總磷的單位面積負(fù)荷率，單位mg/(m2·s)，由入庫(kù)總磷負(fù)荷TPLIN除以庫(kù)區(qū)面積A得到，t/a；其中，TPLIN等于入庫(kù)流量Q與入庫(kù)總磷濃度TPIN的乘積；H為平均水深，單位m；Sr為沖刷率，a-1，等于入庫(kù)流量Q比庫(kù)容V；σ為沉降率，代表湖泊磷流失的一階速率系數(shù)，a-1. 以入庫(kù)總磷濃度表示，式(1)化為：

TPL=TPIN/(1+στ)

(2)

式中，τ為水力停留時(shí)間，等于V/Q，a; 根據(jù)Brett和Benjamin[3]研究成果，本文假設(shè)σ=aτb，其中a代表湖內(nèi)磷衰減的無(wú)量綱參數(shù)，b代表通過(guò)水文沖刷輸出磷的無(wú)量綱參數(shù)，兩個(gè)參數(shù)由式(3)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸求得(見(jiàn)下文).

TPL=TPIN/(1+aτb+1)

(3)

1.4 庫(kù)區(qū)總磷滯留量

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體受生物、物理及化學(xué)過(guò)程的影響而截留或通過(guò)形態(tài)轉(zhuǎn)化損失，從而影響物質(zhì)向下游的輸送通量，這些過(guò)程廣義上被稱為“滯留作用”[28-29]. 沉積物中磷的滯留量常由以下質(zhì)量平衡的差值計(jì)算得出：磷滯留量=磷總負(fù)荷-磷損失量-磷轉(zhuǎn)換量[30]. 由于磷損失和磷轉(zhuǎn)換均發(fā)生在水庫(kù)內(nèi)部，大部分成為內(nèi)部負(fù)荷，結(jié)合Vollenweider模型，故本文將磷損失量及轉(zhuǎn)換量一同視作滯留量，并用RP表示，定義為：

RP=TPLIN-TPLOUT

(4)

式中，TPLOUT表示出庫(kù)TP負(fù)荷(t/a). 在湖庫(kù)混合良好，處于穩(wěn)定狀態(tài)的假設(shè)條件下，出庫(kù)TP濃度TPOUT等于TPL[10]，TPLOUT計(jì)算為出庫(kù)流量與式(3)算得的庫(kù)心TP濃度TPL的乘積. 滯留率為RP與TPLIN的比值(%).

2 結(jié)果分析

2.1 南水北調(diào)通水前后WIN和TP負(fù)荷變化規(guī)律

2.1.1 入庫(kù)水量WIN變化 從WIN年際變化來(lái)看，由圖2(a)可知，2001-2014年，南水北調(diào)通水前，WIN年均值6.88億m3，其中流域自產(chǎn)水量1.51億m3，引水量5.37億m3. 2001-2005年WIN相對(duì)較少，2006-2013年略有增加，但波動(dòng)幅度較小，直至2014年引水量大幅提高，WIN達(dá)到峰值11.08億m3. 2014年南水北調(diào)通水后，WIN年均值為5.16億m3，其中自產(chǎn)水量2.39億m3，引水量2.77億m3，且2016年WIN為歷年最低，僅有3.04億m3. 對(duì)比南水北調(diào)通水前后，年均WIN減少了1.72億m3，其中，引水量減少2.6億m3是導(dǎo)致WIN大幅減少的主要原因. 由此表明，引水結(jié)構(gòu)變化致使于橋水庫(kù)調(diào)水需求發(fā)生改變，入庫(kù)水量劇減.

圖2 2001-2018年于橋水庫(kù)入庫(kù)水量Fig.2 Inflow volume flow into Yuqiao Reservoir during 2001-2018

WIN來(lái)源比例方面，如圖2b所示，2001-2014年，南水北調(diào)通水前，沙河、黎河自產(chǎn)水分別占總水量的11%和10%，引水比重較大，約為79%. 南水北調(diào)通水后，沙河、黎河自產(chǎn)水分別占總水量的29%和15%，而引水比重顯著下降為56%. 南水北調(diào)通水前后，沙河、黎河自產(chǎn)水比重分別提高18%和5%，引水比重顯著下降23%. 水量來(lái)源方面發(fā)生變化，沙河自產(chǎn)水對(duì)水庫(kù)來(lái)水的貢獻(xiàn)增加.

進(jìn)一步分析引水期和非引水期WIN變化，如圖2(c)所示，引水期WIN年均值為5.53億m3，引水量4.79億m3，沙河水量0.44億m3，黎河水量0.30億m3. 其中，2004年水量略少. 非引水期，WIN年均值僅為0.97億m3，不足引水期1/5，沙河水量0.48億m3，黎河水量0.49億m3，二者持平. 值得注意的是，2012年沙河水量遠(yuǎn)超黎河，為歷年最大，達(dá)到1.89億m3. 對(duì)比引水期與非引水期，沙河水量始終在0.45億m3左右. 非引水期黎河來(lái)水平均占比51%，沙河49%；引水期和非引水期黎河自產(chǎn)水和沙河比重基本持平(圖2d). 入庫(kù)自產(chǎn)水量方面，引水期與非引水期沙河自產(chǎn)水量無(wú)顯著變化，而黎河非引水期自產(chǎn)水量增加了63%.

2.1.2 入庫(kù)總磷負(fù)荷TPLIN變化 由圖3(a)可知，南水北調(diào)通水前，TPLIN年際變化相對(duì)平緩，整體水平較低，年均值為111.42 t/a. 2004年出現(xiàn)第一個(gè)小高峰達(dá)到154.70 t/a，2008年降到歷年最低42.65 t/a后便逐年上升，并于2014年達(dá)到最高峰249.61 t/a. 南水北調(diào)通水后，波動(dòng)較為劇烈，年均值上升至163.26 t/a，較通水前增加了51.84 t/a. 其中2016年達(dá)到歷年最高254.85 t/a，2017年又驟降為55.91 t/a. 引水TP負(fù)荷與TPLIN類似，于2008、2014年分別達(dá)到南水北調(diào)通水前最小值和最大值，2016年達(dá)到通水后峰值，2017年又大幅降低. 由此可見(jiàn)，引水TP負(fù)荷是影響TPLIN的主要因素. 為探討引水TP負(fù)荷對(duì)TPLIN的影響程度，對(duì)引水期和非引水期TP負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，如圖3(b)所示. 引水期年際變化較非引水期劇烈，年均TPLIN為102.45 t/a，占入庫(kù)TP負(fù)荷的83%. 進(jìn)一步分析自產(chǎn)水TP負(fù)荷，引水期自產(chǎn)水TP負(fù)荷年均僅為11.54 t/a，占引水期TPLIN的5%，非引水期為20.44 t/a. 從全年角度來(lái)看，TPLIN的74%來(lái)源于引水，36%來(lái)源于自產(chǎn)水. 可見(jiàn)，本流域內(nèi)的自產(chǎn)水?dāng)y帶的TP負(fù)荷相對(duì)較少，外流域引水?dāng)y帶的TP負(fù)荷是TPLIN的主要來(lái)源.

圖3 2001-2018年于橋水庫(kù)入庫(kù)總磷負(fù)荷Fig.3 Total phosphorus loadings flow into Yuqiao Reservoir (TPLIN) during 2001-2018

于橋水庫(kù)引水期一般分為汛前和汛后兩個(gè)時(shí)段，大部分年份于4-6和9-12月引水，共持續(xù)5～6個(gè)月. 結(jié)合引水情況分析，2004、2016年均為枯水年，但引水期較短(不足4個(gè)月)，短時(shí)間高水量導(dǎo)致河床底質(zhì)擾動(dòng)增強(qiáng)[31]，加劇了枯水年河流中的TP濃度，故導(dǎo)致TP負(fù)荷較大. 2017年僅8月份引水，上游潘家口水庫(kù)、大黑汀水庫(kù)采取了清除網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)等措施，TP濃度大幅減少，有效降低了TP負(fù)荷. 除上述原因造成通水后年均TP負(fù)荷仍然較大外，綜合圖2(a)和圖3(a)，筆者發(fā)現(xiàn)入庫(kù)水量的減少并未使TP負(fù)荷減少，入庫(kù)水量和TP負(fù)荷的關(guān)系是怎樣的？

圖4 入庫(kù)水量與入庫(kù)總磷負(fù)荷關(guān)系Fig.4 Relationship between inflow and total phosphorus loadings

為進(jìn)一步研究入庫(kù)水量與TPLIN的關(guān)系，對(duì)二者進(jìn)行回歸分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)TPLIN隨WIN呈先降低后升高的趨勢(shì). 當(dāng)WIN較小時(shí)，如小于6億m3，入庫(kù)水量對(duì)TP的稀釋作用較為顯著，隨著水量增加入庫(kù)TP負(fù)荷減少，即外流域引水稀釋本流域TP負(fù)荷的作用較攜帶TP更為突出；當(dāng)WIN大于6億m3，引水?dāng)y帶TP負(fù)荷造成兩者顯著正相關(guān). 同時(shí)，圖4回答了前述問(wèn)題，南水北調(diào)通水后年均入庫(kù)水量為5.16億m3，TP負(fù)荷隨水量減少而增加. 雖然該種關(guān)系受水庫(kù)水環(huán)境管理措施和年尺度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響，在個(gè)別年份具有一定的不確定性，但整體趨勢(shì)如上所述.

2.2 水庫(kù)磷滯留過(guò)程的機(jī)制分析

2.2.1沉降系數(shù)a、b確定 Larsen和Mercier[32]發(fā)現(xiàn)將磷沉降模擬為水力停留時(shí)間τ的函數(shù)σ=aτb時(shí)預(yù)測(cè)TPL與實(shí)測(cè)TPL擬合度最高. 隨后學(xué)者們發(fā)現(xiàn)總磷損失率與湖泊水力停留時(shí)間的倒數(shù)呈正比[33-34]，Brett和Benjamin[3]研究得到a、b取值決定于具體的湖泊. 為得到適用于于橋水庫(kù)的a、b值，圖5(a)繪制了先將Brett和Benjamin研究結(jié)果a=1.12±0.08年-0.47，b=-0.53±0.03代入公式(3)計(jì)算得到的TPL與實(shí)測(cè)TPL的對(duì)比圖，可以看出預(yù)測(cè)TPL與實(shí)測(cè)TPL呈顯著線性相關(guān)，然而，78%的預(yù)測(cè)值偏向高估. 這是因?yàn)楫?dāng)通過(guò)τ計(jì)算營(yíng)養(yǎng)物濃度數(shù)據(jù)時(shí)，長(zhǎng)的水力停留時(shí)間(> 0.4年)會(huì)使湖泊的預(yù)測(cè)TP濃度傾向于高于實(shí)測(cè)值，而當(dāng)水力停留時(shí)間<0.04年時(shí)預(yù)測(cè)值低于實(shí)測(cè)值[35]. 于橋水庫(kù)的τ歷年均值為2.33年，因而預(yù)測(cè)值較大. 基于σ=aτb的假設(shè)，利用實(shí)測(cè)值非線性回歸得到a、b取值：a=2.203,b=-0.641，如圖5(b)所示. 低估的預(yù)測(cè)值降至44%；R2值為0.73,表明該假設(shè)合理；均方根誤差(RMSE)從0.06降低至0.03，表明預(yù)測(cè)值更接近實(shí)測(cè)值,參數(shù)選取合理. 進(jìn)一步利用該模型計(jì)算庫(kù)區(qū)TP負(fù)荷滯留量RP,并與實(shí)測(cè)推算值對(duì)比，R2=0.94(圖5c)，說(shuō)明模型精度較好.

圖5 預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)總磷濃度與實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)總磷濃度、預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)總磷滯留量與實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)總磷滯留量對(duì)比圖Fig.5 Comparison of predicted total phosphorus concentration and observed total phosphorus concentration，and predicted total phosphorus retention and observed total phosphorus retention

圖6 2001-2018年于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)總磷滯留量Fig.6 Total phosphorus retention in Yuqiao Reservoir during 2001-2018

2.2.2 庫(kù)區(qū)總磷滯留量RP變化 根據(jù)圖6，RP總體波動(dòng)范圍較大. 南水北調(diào)通水前，RP波動(dòng)范圍為30.94～153.59 t/a，年均值76.38 t/a，分別于2008、2014年處于最小值和最大值. 南水北調(diào)通水后，年際變化劇烈，2016年達(dá)到歷年最大值215.86 t/a后2017年又驟降為44.66 t/a，年均值上升至120.47 t/a，RP增加了44.09 t/a. 分析引水期和非引水期RP，發(fā)現(xiàn)引水期RP隨時(shí)間變化情況與年均RP保持高度一致，且基本重合. 圖7中，引水期TPLIN與RP的線性正相關(guān)(R2=0.91)說(shuō)明引水期高水平TP負(fù)荷流入導(dǎo)致更多的磷滯留，即引水期決定了庫(kù)區(qū)全年TP負(fù)荷滯留水平. 非引水期RP除2001、2012、2016年外始終維持在較低水平(接近于0)，此3年汛期(7、8月份)入庫(kù)水量均較多，入庫(kù)TP負(fù)荷較大(圖2b)，故RP相對(duì)較高. 另外，非引水期RP多年出現(xiàn)負(fù)值，這是因?yàn)樵诜且赥PLIN顯著減少的情況下，出庫(kù)水量受供水需求依然維持在較高水平，當(dāng)出庫(kù)負(fù)荷略大于入庫(kù)負(fù)荷，便出現(xiàn)RP為負(fù)值的情況.

圖7 入庫(kù)總磷負(fù)荷和庫(kù)區(qū)總磷滯留量關(guān)系Fig.7 Relationship of total phosphorus loadings and total phosphorus retention

圖8 水力停留時(shí)間與庫(kù)區(qū)總磷滯留量的關(guān)系Fig.8 Relationship between hydraulic retention time and total phosphorus retention in the reservoir

2.2.3 水力停留時(shí)間τ對(duì)磷滯留的影響機(jī)制分析τ與RP之間的相關(guān)關(guān)系如圖8所示. 通常，水力停留時(shí)間增加有利于水體自凈能力[36]. 從圖8可以看出，τ< 0.23年時(shí)，RP與τ之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果與Smith和Kalff[37]指出的隨水力停留時(shí)間增加，水庫(kù)對(duì)磷的滯留能力增強(qiáng)的結(jié)論一致. 但是，隨著τ增加，正相關(guān)性下降，當(dāng)考慮全部τ時(shí)，RP與τ呈負(fù)相關(guān). 這是因?yàn)槿霂?kù)水量WIN也可能影響磷滯留.τ<0.35年時(shí)，WIN較大，此時(shí)大量WIN攜帶豐富的TP進(jìn)入水庫(kù). 當(dāng)入庫(kù)TP濃度較高時(shí)，水庫(kù)底泥主要表現(xiàn)為“磷匯”[36]. 因而較小的τ促進(jìn)沉積物磷的富集，導(dǎo)致磷被大量滯留在庫(kù)中. 有研究表明[5,38]，具有較小τ的湖泊含有更多容易與礦物結(jié)合的顆粒磷，而這種顆粒磷更容易沉淀. 所以，當(dāng)τ< 0.35年時(shí)，RP較大且與τ表現(xiàn)為正相關(guān). 而τ> 0.35年時(shí)，WIN較小，入庫(kù)TP負(fù)荷也隨之較少，例如于橋水庫(kù)入庫(kù)負(fù)荷均值由臨界τ(0.35年)前23.74 t/月降低為6.62 t/月. 同時(shí)，TP濃度自果河橋至壩前沿程遞減，并且在水庫(kù)進(jìn)口段存在較大的濃度梯度[23]. 進(jìn)一步分析TPLOUT發(fā)現(xiàn)，出庫(kù)負(fù)荷始終處于較低水平，臨界τ前、后均值分別為2.71和2.56 t/月，變化不大. 由此可知，TPLIN驟減決定了RP迅速減少.

2.3 生態(tài)水量估算與水庫(kù)管理建議

夏軍等[39]提出生態(tài)需水是指維系一定環(huán)境功能狀況或目標(biāo)(現(xiàn)狀、恢復(fù)或發(fā)展)下客觀需求的水資源量. 水利部海河水利委員會(huì)編制的《海河流域水資源保護(hù)規(guī)劃》提出生態(tài)水量原則上采用Tennant法[40]計(jì)算. Tennant法主要基于水文資料和年平均徑流量百分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算生態(tài)水量，根據(jù)Tennant法推薦表得知多年平均徑流量的60%～100%為最佳生態(tài)水量，平均徑流量的200%為極限值. 本文將果河徑流量視為于橋水庫(kù)入庫(kù)水量WIN，2001-2018年WIN均值為6.60億m3，則于橋水庫(kù)入庫(kù)生態(tài)水量最佳范圍為3.96億～6.60億m3，最大不超過(guò)13.20億m3.

由圖6、圖7可知，RP受到TPLIN和τ的綜合影響，且RP在引水期隨τ升高有明顯增大的趨勢(shì)，在引水量較少時(shí)隨TPLIN降低而減小. 由此可見(jiàn)，引水期RP主要影響因素為τ，非引水期或引水量較少時(shí)主要受TPLIN的影響. 同時(shí)，出庫(kù)TP負(fù)荷TPLOUT主要受出庫(kù)水量的影響. 因此，針對(duì)不同的入庫(kù)生態(tài)水量，可以通過(guò)調(diào)節(jié)出庫(kù)水量達(dá)到控制磷滯留量RP的目的，從而實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)TP負(fù)荷(內(nèi)源)的管理控制，即在雙水源新情勢(shì)下防治于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì).

綜合以上分析，筆者期望在已知生態(tài)入庫(kù)水量情況下，估算出雙水源新情勢(shì)下的生態(tài)出庫(kù)水量，以保持于橋水庫(kù)處于中貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài). 根據(jù)圖5可知，南水北調(diào)通水前庫(kù)區(qū)TP負(fù)荷滯留率(RP/TPLIN)年均值為69%，通水后上升至77%. 庫(kù)區(qū)總磷濃度表明，2001-2014年TPL年均值為41.4 μg/L，處于較低水平，2015-2018年TPL年均值則升高了一倍. 江雪等[26]研究表明，于橋水庫(kù)上游徑流入庫(kù)口處從1980s起磷的沉積量迅速增加. 2015年庫(kù)區(qū)部分區(qū)域有富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，沉積物吸附磷增多，近年來(lái)庫(kù)底淤泥對(duì)污染物的沉積能力已經(jīng)趨于飽和[41-42]. 滯留于沉積物中的磷越多，上覆水TP濃度越低，水質(zhì)越好；但當(dāng)磷滯留量過(guò)多，在厭氧條件下沉積物又會(huì)變成“磷源”，還原釋放TP到上覆水中. 為保證沉積物仍為“磷匯”，本文假設(shè)磷滯留保持在通水前的水平，即取滯留率為通水前歷年平均值計(jì)算生態(tài)水量. 表1給出不同入庫(kù)水量WIN時(shí)，生態(tài)水量WOUT的估算值. 例如當(dāng)WIN= 6億m3時(shí)，在建立的WIN與TPLIN、τ關(guān)系式基礎(chǔ)上，可得到TPLIN、τ；根據(jù)公式(3)由τ得到TPL=54.5 μg/L；取滯留率為69%，則可求出目標(biāo)RP=60.12 t/a；再根據(jù)TPLIN、TPL與公式(4)求得WOUT= 5億m3，即于橋水庫(kù)出庫(kù)生態(tài)水量不小于5億m3. 同時(shí)分析表1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WIN< 5億m3時(shí)，TPL較高，不利于于橋水庫(kù)維持中貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài). 因而，結(jié)合前文Tennant法計(jì)算得到的生態(tài)水量范圍，建議生態(tài)入庫(kù)水量大于5億m3，此時(shí)生態(tài)出庫(kù)水量約為入庫(kù)水量的80%.

此外，2017年于橋水庫(kù)前置庫(kù)建成并試運(yùn)行，對(duì)降低入庫(kù)TP負(fù)荷進(jìn)一步起到了積極作用. 該前置庫(kù)位于水庫(kù)上游果河，總占地面積22 km2，工程設(shè)施包括壩高4 m橡膠壩1座、渠道、閘涵橋等工程，種植挺水植物(蘆葦和香蒲)和沉水植物(菹草、狐尾藻和微齒眼子菜). 通過(guò)前置庫(kù)單元內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行水體凈化，庫(kù)水面積18 km2，設(shè)計(jì)年凈化規(guī)模5.82億m3，年削減總磷58 t(約占入庫(kù)負(fù)荷的48%)，從而減少營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷進(jìn)入于橋水庫(kù). 依據(jù)前置庫(kù)的設(shè)計(jì)總磷消減率，當(dāng)WIN為5億～9億m3范圍時(shí)，TPL最大值為41.8 μg/L(WIN=9億m3)，前置庫(kù)有效降低了水庫(kù)TP濃度. 因此，本文建議的生態(tài)水量配合前置庫(kù)運(yùn)行將有效保持于橋水庫(kù)處于Ⅲ類水狀態(tài).

表1 年入庫(kù)水量WIN下生態(tài)水量估算*

*TPLIN通過(guò)圖3的擬合線計(jì)算得出；τ的計(jì)算公式為：τ=-0.44 lnWIN+1.2481 (R2=0.67)；TPL根據(jù)公式(3)計(jì)算得出；RP=TPLIN×69%;TPLOUT根據(jù)公式(4)計(jì)算得出.

3 結(jié)論

本文采用Vollenweider模型分析了入庫(kù)水量WIN、入庫(kù)總磷負(fù)荷TPLIN和磷滯留量RP南水北調(diào)通水前后變化規(guī)律. 研究表明，引水結(jié)構(gòu)變化后，于橋水庫(kù)入庫(kù)水量減少，但并未使TP入庫(kù)負(fù)荷減少，進(jìn)而磷滯留量增加. 庫(kù)區(qū)TP滯留量增加也將增加水庫(kù)內(nèi)源負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn). 因而，筆者建議通過(guò)調(diào)節(jié)出入庫(kù)生態(tài)水量以維持磷滯留在南水北調(diào)通水前水平，防治于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì). 建議入庫(kù)生態(tài)水量大于5億m3，出庫(kù)生態(tài)水量約為入庫(kù)水量的80%，配合新建前置庫(kù)工程運(yùn)行將有效保障水庫(kù)水源功能.

此外，本文在揭示入庫(kù)水量和TP負(fù)荷、水力停留時(shí)間和TP滯留量機(jī)制關(guān)系方面做出貢獻(xiàn). 通過(guò)WIN與TPLIN相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，TPLIN隨WIN呈先降低后升高的趨勢(shì)，WIN較小時(shí)，對(duì)TP的稀釋作用導(dǎo)致TPLIN降低；WIN較大時(shí)，引水?dāng)y帶TP負(fù)荷作用造成兩者顯著正相關(guān). 探討水力停留時(shí)間τ對(duì)RP影響機(jī)制發(fā)現(xiàn)，引水期τ(τ<0.35年)和RP之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨著τ增加，正相關(guān)性下降，引水期τ越長(zhǎng)越有利于TP滯留；但同時(shí)考慮引水期和非引水期τ時(shí)，τ與RP呈負(fù)相關(guān)，非引水期或引水量較少時(shí)RP主要受TPLIN的影響，此時(shí)TPLIN隨著WIN降低而降低，導(dǎo)致RP較低. 研究成果為于橋水庫(kù)運(yùn)行管理提供了科學(xué)依據(jù).