引洮工程水源地水質(zhì)變化分析

缐 萍

(甘肅省臨洮水文站，甘肅 臨洮 730500)

1 研究背景

1.1 工程簡介

引洮工程地處卓尼縣藏巴哇鄉(xiāng)境內(nèi)，是目前甘肅省最大的跨流域調(diào)水工程，解決了甘肅中部干旱地區(qū)的用水問題，同時也改善了周邊的苦、咸水質(zhì)。引洮工程水源地是洮河上的九甸峽水庫，正常蓄水位2202m，其庫容為9.43億m3，2022年向周圍5市13個縣區(qū)供水量達(dá)1.73億m3，受益人口約600多萬。因?yàn)楣┙o地區(qū)廣，掌握其水源地水質(zhì)實(shí)際狀況對所處地區(qū)的健康平衡發(fā)展具有促進(jìn)作用。目前關(guān)于引洮工程質(zhì)量建設(shè)方面以及工程受水區(qū)水質(zhì)問題的研究較多，如張成儉[1]等結(jié)合TBM掘進(jìn)機(jī)施工特點(diǎn)為后期隧洞施工提供前期地質(zhì)指導(dǎo)與預(yù)報，楊梅霞[2]等通過對工程通水后安定區(qū)水質(zhì)指標(biāo)前后變化的研究，發(fā)現(xiàn)通水后安定區(qū)農(nóng)村飲用水水質(zhì)的合格率得到了提高，但以水源地水質(zhì)的研究鮮見報道。因此，本文以九甸峽水庫為研究對象，對它的指標(biāo)濃度、水質(zhì)類別情況等進(jìn)行長序列的研究，以期從中尋找問題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，對保障兩岸人民的飲水安全，引洮工程水資源的優(yōu)化調(diào)度起到借鑒作用。九甸峽水質(zhì)站分布如圖1所示。

圖1 九甸峽水質(zhì)站分布圖

1.2 水質(zhì)判別依據(jù)與數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)判別以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002為準(zhǔn)，地表徑流和水質(zhì)指標(biāo)信息來源于甘肅省臨洮水文站。

1.3 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法介紹

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是由H.B.Mann和M.G.Kendall提出來的，被廣泛的運(yùn)用到了各種領(lǐng)域，其中也包括水質(zhì)變化趨勢的分析當(dāng)中。這一方法屬于非參數(shù)方法，它不受少數(shù)異常值的干擾，也不需要樣本遵從一定的分布，因此，在分析某一斷面n年逐月的長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)上比較適用，Mann-Kendall檢驗(yàn)過程可簡要概括為以下步驟：

(1)

式中，x11～xnp—每月的水質(zhì)濃度數(shù)據(jù)；xnp—第n年p月的濃度值。

(2)

式中，Si—不同年份第i月歷年水質(zhì)序列相比較的差值之和。

(3)

式中，ni—第i月水質(zhì)參數(shù)中未漏測值的個數(shù)。

(4)

(5)

趨勢檢驗(yàn)顯著水平α的表達(dá)式為：

(6)

顯著性水平α的界限可定為0.01和0.1，當(dāng)0.01<α≦0.1時，可認(rèn)為趨勢檢驗(yàn)是顯著的；當(dāng)α≦0.01時，則認(rèn)為具有高度顯著性水平；當(dāng)α>0.1時，則認(rèn)為不存在趨勢。τ作為統(tǒng)計量，可以用來判斷趨勢的走向，若τ>0，則趨勢呈上升情況；若τ<0，則呈下降情況；當(dāng)τ=0時，被認(rèn)為沒有趨勢[3-5]。

1.4 流量調(diào)節(jié)法

污染物輸送率通量為濃度與同步流量的乘積，通過它的變化趨勢，可以對污染物總量的增減進(jìn)行分析判斷。由于九甸峽水庫的流量不易測得，其上游岷縣斷面的流量易獲取，可根據(jù)歷年的岷縣流量資料，對庫區(qū)上游污染物輸送率進(jìn)行趨勢分析，從而推求得到九甸峽水庫污染物總量的變化情況，但這種推求不能顯示是否是由流量變化引起了污染物濃度的變化。據(jù)報道引起河流水質(zhì)變化的因素諸多，譬如：流域內(nèi)植被、土壤、降雨、徑流及人類活動等，但主要原因還是河道污水的排放和徑流的變化[6]。因此，對流量調(diào)節(jié)后的水質(zhì)指標(biāo)濃度進(jìn)一步開展季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)就顯得十分必要，通過檢驗(yàn)可以分析是污染源因素還是流量因素引起的水質(zhì)變化，進(jìn)而確定下來污染類型是點(diǎn)源還是面源污染。在流量調(diào)節(jié)濃度變化趨勢分析中，一般采用以下7種流量校正方程：①ρ=a+bQ；②ρ=a+bInQ；③ρ=a+b/Q；④Inρ=a+bInQ；⑤ρ=a+bQ+cQ2；⑥ρ=a+b/(1+cQ)；⑦Inρ=a+bInQ+c(InQ)2。公式中ρ為指標(biāo)物質(zhì)的濃度；Q為采樣斷面的河水流量；a、b、c為回歸常數(shù)，分析時應(yīng)用。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)濃度等級評價

一般影響水質(zhì)的主要指標(biāo)有氨氮、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等，對九甸峽庫區(qū)而言，其重金屬項目常年處于未檢出狀態(tài)，高錳酸鹽指數(shù)濃度歷年約為1.5mg/L，小于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)限值2mg/L，對水質(zhì)類別的變化沒有影響，影響較大的為氨氮，2012—2021年氨氮年平均濃度的變化如圖2所示。

圖2 2012—2021年九甸峽氨氮年平均濃度變化

從2012年初始的0.348mg/L降至2021年的0.199mg/L，下降了約43%，庫區(qū)的水質(zhì)呈現(xiàn)出越來越好的狀態(tài)(氨氮Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)限值為0.15mg/L)。在這些年間，選擇介于豐水年和枯水年之間的2019年研究其指標(biāo)濃度隨季節(jié)變化規(guī)律，如圖3所示。由圖3可以看到溶解氧的含量大小為冬季>春季>秋季>夏季、氨氮的變化為秋季>夏季>春季>冬季、高錳酸鹽指數(shù)的變化為冬季>夏季>秋季>春季。根據(jù)歷年資料數(shù)據(jù)，流量的大小為夏季>秋季>春季>冬季，其中流量的大小關(guān)系與溶解氧的剛好相反，上游補(bǔ)給水量大時，水庫中溶解氧含量反而變低，溶解氧濃度值夏季最低，冬季最大，這是由于冬季氣溫低、氣壓大導(dǎo)致水中溶解氧氣的含量增大，而到夏季時隨著氣溫升高，氧氣在水中溶解的能力變低，而水中生物的活動加劇，生物耗氧量隨之增大，地表徑流的大量補(bǔ)給也可能帶來了一些需氧污染物，致使水中耗氧量增加，使得溶解氧的濃度在一年之中夏季達(dá)到了最低。高錳酸鹽指數(shù)濃度的大小反映了水體中有機(jī)和無機(jī)可氧化物質(zhì)污染的程度，按季節(jié)來看其值沒有發(fā)生大起大落的變化，都小于Ⅰ類限值，對水質(zhì)類別沒有影響。氨氮值夏秋2個季節(jié)的濃度要高于冬春季節(jié)，因?yàn)樗畮焓且粋€極其復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，影響因素眾多，結(jié)合上游流量和水庫蓄水、泄洪方面考慮，氨氮夏秋季節(jié)濃度增高原因之一可能是這2個季節(jié)為汛期，大氣降水比較多，大量未被農(nóng)作物利用的氮化合物、垃圾滲出液等被農(nóng)田排水和地表徑流帶入河流，以及水庫泄洪導(dǎo)致庫內(nèi)水體摻混使得底泥含氮污染物向上覆水體中釋放共同作用所致。

圖3 2019年九甸峽不同指標(biāo)濃度季節(jié)變化

2.2 水質(zhì)類別占比率

九甸峽水庫從2012年開始監(jiān)測，2012年監(jiān)測頻次為一季度1次，共4次，2013—2016年期間，監(jiān)測頻次為2個月一次，每年6次；2017—2021年，監(jiān)測頻次為每月1次，每年12次，每次均在每月上旬進(jìn)行采樣送往實(shí)驗(yàn)室檢測，同時進(jìn)行加標(biāo)回收、全程序空白等質(zhì)量控制，以保證檢測的準(zhǔn)確性。通過GB 3838—2002評價標(biāo)準(zhǔn)對2012到2021年采集數(shù)據(jù)進(jìn)行評價匯總，見表1(總氮不參評)。

表1 2012—2021年九甸峽水庫水質(zhì)類別占比

由表1可知，水質(zhì)類別經(jīng)常保持在Ⅰ、Ⅱ類，在這10a間，Ⅰ類水質(zhì)占比為12×100%/88=13.6%，Ⅱ類水質(zhì)占比為75×100%/88=85.2%，Ⅲ類水質(zhì)占比為1×100%/88=1.14%，其中Ⅱ類水質(zhì)占比最大，Ⅰ類水質(zhì)占比次之，Ⅲ類水質(zhì)事件為偶發(fā)事件，占比率最低，通過對比說明九甸峽水庫水質(zhì)類別基本常年穩(wěn)定在Ⅱ類。在總氮參評條件下，水質(zhì)則降到了Ⅲ、Ⅳ類，說明總氮參不參評對水質(zhì)的影響是比較大的。

2.3 研究斷面指標(biāo)濃度趨勢分析

由于河道水庫的指標(biāo)濃度受汛期、非汛期等其它因素的綜合影響，單方面研究其年均濃度變化顯得不夠全面，因此，可選擇不同年份同一月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行Kendall趨勢分析，以避免流量周期性變化帶來的一些影響。2012—2021年九甸峽與岷縣斷面的趨勢分析結(jié)果見表2。

表2 2012—2021年研究斷面指標(biāo)濃度趨勢分析

研究表明九甸峽的指標(biāo)項目氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷沒有顯著性變化，溶解氧變化趨勢為顯著上升，說明庫區(qū)水質(zhì)是逐年改善的，上游岷縣斷面，經(jīng)分析其高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、總磷濃度無明顯變化趨勢，氨氮變化趨勢為顯著下降，氨氮是水體中的主要耗氧污染物，值越大，水質(zhì)越差；值越小，水質(zhì)越好，濃度變化趨于降低趨勢，說明其水質(zhì)呈現(xiàn)逐漸優(yōu)化的狀態(tài)，與下游水質(zhì)變化方向一致。

2.4 指標(biāo)濃度輸送率、流量調(diào)節(jié)濃度趨勢變化分析

指標(biāo)濃度輸送率可反映物質(zhì)總量的變化情況，研究2012—2021年岷縣斷面指標(biāo)濃度輸送率變化情況，結(jié)果見表3。

表3 岷縣斷面污染物輸送率變化趨勢分析

由表3可知氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、總磷的顯著性水平a>0.1，濃度輸送率在研究時段沒有明顯的升降趨勢。

因此在研究指標(biāo)濃度時可以引入流量，計算出流量與濃度相關(guān)性最好的公式，就可以體現(xiàn)出流量對濃度的影響情況，進(jìn)而分析相關(guān)物質(zhì)的主要污染源。由于庫區(qū)流量的不易測得性，因此，轉(zhuǎn)而對庫區(qū)上游岷縣斷面流量調(diào)節(jié)濃度進(jìn)行趨勢分析，從而確定進(jìn)入庫區(qū)化學(xué)物質(zhì)的來源。經(jīng)分析計算，可得各指標(biāo)項目的流量校正公式、相關(guān)系數(shù)、指標(biāo)濃度趨勢分析結(jié)果，見表4—5。

表4 岷縣站流量調(diào)節(jié)方程回歸常數(shù)及相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果

指標(biāo)濃度輸送率可以體現(xiàn)物質(zhì)總量的變化，但不容易反映流量對濃度的影響大小。為了進(jìn)一步研究流量與濃度的關(guān)系，對流量校正后的濃度進(jìn)行趨勢分析，表5顯示在研究年份間，高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、總磷的流量調(diào)節(jié)濃度為無明顯升降趨勢，氨氮項目的變化趨勢則為高度顯著降低趨勢，這一結(jié)果與氨氮的指標(biāo)輸送率趨勢的變化結(jié)果不一致，說明流量和污染源對濃度的變化起了影響作用，結(jié)合流量與質(zhì)量濃度的變化分析，考慮氨氮的污染源主要為非點(diǎn)源污染。

表5 流量調(diào)節(jié)后的評價指標(biāo)濃度趨勢分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)通過對引洮工程水源地九甸峽水庫近十年來的研究，發(fā)現(xiàn)水中化學(xué)物質(zhì)的濃度與季節(jié)變化有一定的關(guān)系，水源地在研究時段內(nèi)水質(zhì)逐年優(yōu)化、變好，由于河道水庫水質(zhì)影響因素眾多，通過上游斷面流量調(diào)節(jié)濃度變化分析顯示流量和污染源對進(jìn)入水庫指標(biāo)濃度均有影響作用，其污染源主要考慮以非點(diǎn)源污染為主。水源地水質(zhì)變化的指標(biāo)主要為氨氮和總氮，總氮值過大，有潛在引起富營養(yǎng)化的風(fēng)險，建議對九甸峽所處洮河流域上游進(jìn)行總氮控制，從而降低氮排放，以達(dá)到人水共同和諧發(fā)展。

(2)本文在水源地富營養(yǎng)化方面未進(jìn)行進(jìn)一步探討，存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行論證，綜合、全面解析水源地水質(zhì)整體狀況。