水庫排沙期間下泄水流水質(zhì)與含沙量的相關(guān)關(guān)系

陳興茹,白音包力皋

(中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所,北京 100038)

對多泥沙水庫進行人為定期排沙,能夠延長水庫壽命、平衡河道內(nèi)的水沙關(guān)系。水庫排沙大致可分為水力排沙和機械排沙2種。其中,水力排沙是經(jīng)濟、高效的排沙方法,又可分為水庫排空排沙、異重流排沙和渾水排沙等。但是,水庫水力排沙會使下游河道的水流、泥沙、水質(zhì)等指標(biāo)發(fā)生較大變化,在一定程度上影響原有生態(tài)環(huán)境,如沖刷河床、破壞原有土著物種及其棲息地、改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成等。從國外相關(guān)研究看,水庫排沙對河流生態(tài)的影響主要集中在魚類生存方面,水體內(nèi)泥沙含量高且持續(xù)時間長,會堵塞魚鰓,并降低其自我清除腮內(nèi)泥沙的能力,水環(huán)境的變化可能會降低水體內(nèi)魚類可攝取的氧氣量,重金屬含量過高還會使其中毒[1-9],這些原因都會造成魚類窒息昏迷或死亡。目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段,已有學(xué)者認識到此問題研究的必要性[10]。

從目前的研究看,評價排沙引起水環(huán)境變化的指標(biāo)主要集中在含沙量、顆粒級配變化以及DO,CODCr,TN,TP,NH+4,重金屬等指標(biāo)。水庫排沙引起水環(huán)境改變的因素較多,且彼此之間相互作用,因此,水庫排沙引起水環(huán)境變化的機理尚無法確定。鑒于水庫排沙引起水環(huán)境變化研究的復(fù)雜性,本文以中日典型多沙水庫(日本宇奈月水庫和中國小浪底水庫)為研究對象,結(jié)合相關(guān)資料和原型觀測數(shù)據(jù),初步分析這2座水庫排沙期間含沙量與部分水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性,驗證水庫高含沙水流下泄是下游河流水環(huán)境變化的主導(dǎo)因子,為我國制定兼顧工程經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的水庫調(diào)水調(diào)沙方案提供參考。

1 日本宇奈月水庫排沙期下泄水流水質(zhì)與含沙量的相關(guān)關(guān)系

1.1 黑部川排沙概況

黑部川位于日本北陸地區(qū),是國家一級河流,如圖1所示,其最大特點是河流較陡而水沙災(zāi)害較多,具有“泛濫河流”之稱。目前,在黑部川流域已經(jīng)修建了黑部水庫、出平水庫、宇奈月水庫等幾座水庫。其中,黑部水庫大壩壩高186m,是日本最高的大壩。下游出平水庫是日本第一座設(shè)置排沙孔的水庫,從1986年開始實施排空排沙。2001年,在出平水庫下游又修建了宇奈月水庫,并于同年開始出平水庫和宇奈月水庫聯(lián)合排沙。

圖1 日本黑部川流域

為了評價出平水庫和宇奈月水庫聯(lián)合排沙對下游河流及海洋生態(tài)環(huán)境的不利影響,自2002年起,在排沙前、排沙中、排沙后都進行環(huán)境調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容除了含沙量(SS)外,還有水溫、pH、水質(zhì)項目(BOD,CODCr,DO等)、水生動植物項目(魚類、底棲生物、附著藻類等)以及底泥物理化學(xué)特性。調(diào)查位置不僅包括水庫下游河流,也包括河口以及海岸。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于日本官方網(wǎng)站公布的黑部川流域宇奈月水庫排沙期間監(jiān)測的各項指標(biāo)調(diào)查數(shù)據(jù),詳見文獻[11]。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)的選取

根據(jù)國外已有研究成果,初步認為對以魚類為指示生物的水生態(tài)系統(tǒng)影響的主要因子為DO,SS,CODCr

以及各類營養(yǎng)鹽、重金屬等。限于目前的研究水平及數(shù)據(jù)的可獲取性,僅關(guān)注宇奈月水庫排沙期間下泄水流CODCr,BOD,TN,TP等水質(zhì)指標(biāo),分析它們與含沙量變化之間的相關(guān)關(guān)系。

1.4 排沙期間水庫下泄水流水質(zhì)與含沙量的相關(guān)關(guān)系

當(dāng)含沙量較低時水質(zhì)指標(biāo)變幅較小,只有當(dāng)含沙量較高時水質(zhì)指標(biāo)的變動才會劇烈。對2002—2009年宇奈月水庫排沙過程中實時監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)與含沙量的相關(guān)關(guān)系進行分析,如圖2所示,結(jié)果表明各年排沙前后宇奈月水庫下泄水流主要水質(zhì)指標(biāo)與含沙量有明顯的相關(guān)性,各擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.929,0.623,0.833,0.726。隨著含沙量的增加,水質(zhì)指標(biāo)的變化曲線都呈現(xiàn)了拐點,即當(dāng)含沙量小于2000mg/L時,隨著含沙量的增加,水質(zhì)指標(biāo)增加不明顯;但當(dāng)含沙量大于2000mg/L時,水質(zhì)指標(biāo)增加較明顯,且監(jiān)測值分布散亂,這表明含沙量達到一定濃度時會急劇加重水質(zhì)的惡化。

圖2 2002—2009年宇奈月水庫排沙期間水質(zhì)與含沙量的相關(guān)關(guān)系

當(dāng)含沙量達到2000mg/L時,水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值急劇增大且分布散亂,其原因是:日本水庫排沙多在行洪期進行,大量面源污染物入庫;多庫聯(lián)合調(diào)度的水庫排沙方式使宇奈月水庫下泄水流所含污染物成分來源較復(fù)雜,既有面源污染攜帶也有上游水庫淤積污染物受擾動釋放進入水體,多庫聯(lián)合排沙時污染物在復(fù)雜的水沙條件作用下發(fā)生了復(fù)雜的生化反應(yīng)。

2 中國小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期間下泄水流水質(zhì)與含沙量的相關(guān)關(guān)系

2.1 黃河調(diào)水調(diào)沙概況

小浪底水庫位于黃河中游最后一段峽谷出口,壩高154m,壩址控制面積為69.42萬km2,占黃河流域面積的 92.3%,水庫總庫容為 126.5億m3,長期有效庫容為51億m3,是一座具有防洪、防凌、減淤、供水和發(fā)電等綜合效益的特大型控制性工程。小浪底水庫建成后,為了抑制下游河道淤積升高和擴大下游河道的行洪能力,自2002年黃河每年都利用汛期棄水或者汛期洪水進行至少1次調(diào)水調(diào)沙,對重塑河床形態(tài)、減輕水庫淤積、補充下游濕地及河口生態(tài)需水等起到了積極作用。下游河道主槽最小過流能力由2002年汛前的1 800m3/s提高到 2010年的4000m3/s,有效地改善了下游河道的泥沙淤積狀況,提高了河道行洪能力。此外,2010年實施調(diào)水調(diào)沙后,刁口河流路斷流34年后全線過流,濕地生態(tài)系統(tǒng)淡水資源得到有效補給。因此,小浪底水庫建設(shè)運行以來,在保障黃河中下游人民生命財產(chǎn)安全、促進經(jīng)濟社會發(fā)展和防止黃河下游斷流方面起到了重要作用。

調(diào)水調(diào)沙采取多庫聯(lián)合調(diào)度的運行方式,主要涉及水庫包括位于黃河中游的萬家寨水庫、三門峽水庫和位于下游的小浪底水庫和西霞院水庫。小浪底水庫基本采取了異重流排沙方式,位于其上游的萬家寨水庫和三門峽水庫為小浪底水庫異重流排沙提供了水源和泥沙條件。2004—2010年黃河調(diào)水調(diào)沙調(diào)度運行方式如下:2004年三門峽、萬家寨水庫聯(lián)合調(diào)度;2006年三門峽、小浪底水庫聯(lián)合調(diào)度;2009年萬家寨、三門峽、小浪底、西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度;2005年、2007年 、2008年 、2010年萬家寨、三門峽、小浪底水庫聯(lián)合調(diào)度。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

a.水樣采集。水樣采集時間為 2009年6月18日至7月5日和2010年6月28日至7月5日。采集地點為黃河小浪底水庫壩下約3km處。采集頻率:放清水期間1次/d,排沙期間每2h采樣1次。

b.監(jiān)測分析方法。水質(zhì)指標(biāo)采用美國HACH公司的水質(zhì)測定儀測得。根據(jù)小浪底水庫水質(zhì)特征和黃河流域污染特征,選擇CODCr,pH,DO,TN,TP,水溫,Cu,Pb,Zn,Cd,Cr等指標(biāo)作為監(jiān)測因子。樣品的采集、分析方法均滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 排沙期間水庫下泄水流水質(zhì)與含沙量的相關(guān)關(guān)系

圖3 2009—2010年小浪底水庫下泄水流水質(zhì)與含沙量的關(guān)系

2009—2010年小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期間含沙量及部分水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,TN,TP,CODCr的質(zhì)量濃度在排沙期間增加幅度較大;重金屬在排沙前幾乎檢測不出,雖在排沙期間有所突增,但量值很小,不是水質(zhì)惡化的主導(dǎo)因子。

隨著含沙量的增加,水質(zhì)指標(biāo)的變化過程都呈現(xiàn)了拐點,即當(dāng)含沙量約小于10mg/L時,水質(zhì)指標(biāo)隨含沙量的增加而增加;當(dāng)含沙量大于10mg/L時,水質(zhì)指標(biāo)隨含沙量的增加而降低。

以2009年為例計算小浪底水庫排沙期間含沙量與ρ(TN),ρ(TP),ρ(CODCr)的相關(guān)系數(shù) ,結(jié)果分別為0.908,0.965和0.820。由此可見,含沙量與TN,TP,CODCr這3項指標(biāo)之間相關(guān)性良好,水庫排沙過程中含沙量的變化會引起水質(zhì)指標(biāo)的變化。

3 結(jié) 語

通過分析國內(nèi)外典型多泥沙水庫調(diào)水調(diào)沙期間含沙量與部分水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn):①調(diào)水調(diào)沙期間水庫下泄水流水質(zhì)CODCr,BOD,TN,TP質(zhì)量濃度均增加明顯;②調(diào)水調(diào)沙期間水庫下泄水流部分水質(zhì)指標(biāo)CODCr,TN,TP均與下泄水流含沙量相關(guān)性良好;③國內(nèi)外水庫排沙期間水質(zhì)指標(biāo)隨含沙量的變化過程不同,但都出現(xiàn)了拐點。日本宇奈月水庫排沙含沙量大于2000mg/L時水質(zhì)惡化明顯,我國黃河小浪底水庫排沙含沙量大于10mg/L時水質(zhì)惡化明顯。

未來仍需要加強由調(diào)水調(diào)沙引起的水環(huán)境變化的長期監(jiān)測,并開展敏感物種、關(guān)鍵物種生活習(xí)性和適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境急速改變能力的研究,以及多庫聯(lián)合調(diào)度引起庫底污染物遷移轉(zhuǎn)化、面源污染物隨洪水入庫等的觀測、試驗和計算研究,掌握調(diào)水調(diào)沙引起水生態(tài)環(huán)境變化的機理,為減少水庫調(diào)水調(diào)沙對生態(tài)環(huán)境的負面影響提供技術(shù)支持。

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