變化環境下洋河水庫水質及蓄水變量相關性分析

(河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

隨著秦皇島市經濟社會的發展，水資源供需矛盾日益凸顯，《秦皇島市水利發展“十三五”規劃》中明確指出，2020年要以“一路雙線、東西互濟、三庫聯調、四區雙水”的供水基本框架，構建多水源互補、豐枯調劑的供水安全網絡。洋河水庫是供水網絡中主要地表水源地之一，設計總庫容為3.86億m3。近些年水質監測結果表明，水庫富營養化問題時有發生，部分時間水質無法達到飲用水標準。

該問題已經引起諸多專家學者關注，早在2013年，孫耀恒等[1]就開展了AGP實驗，探尋了水庫富營養化成因；馮建社等[2]2014年針對污染現狀進行了評價并提出了防治對策。此后李鳳彬等[3]把重點放在了上游污染源調查分析上；陳平、李大鳴等[4-5]運用數值模擬方法研究了上游面源污染負荷的空間分布特征。上述研究成果為水質治理提供了重要參考。秦皇島市近幾年加大上游環保監管力度，組織編制了《洋河水源地安全保障達標建設實施方案》，2015年開始，縣、市兩級政府先后籌資興建了雨花臺、雙望、富貴莊等多個污水處理廠并逐步開始運營。本文選取2014—2018年逐月水質評價數據，首次結合水溫指標從水庫蓄水變量相關性角度嘗試分析了變化環境下洋河水庫水質營養化情況。

1 研究區概況

1.1 水庫自然地理狀況

洋河水庫位于撫寧區大灣子村北，水庫控制流域面積為755km2，為洋河總流域面積的68%，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧防洪、發電、旅游等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。水庫75%保證率可供水量為0.61億m3，95%保證率可供水量為0.33億m3。洋河水庫為東北—西南走向不規則的狹長矩形區域，東西長約42.7km，南北寬約37.7km，地勢東北高西南低，境內較大支流主要有東洋河、西洋河、迷霧河和麻姑營河。

1.2 改善水質所采取的工程措施

盧龍縣內建設養殖小區49個(含附屬設施)，實現畜禽集中養殖，污染物收集治理。實施甘薯淀粉粉漿水收集工程，建設粉漿水收集池187個。擬實施洋河水庫一級保護區隔離防護工程。

西洋河上游流域建設污水處理廠6座，總處理規模11.55萬m3/d，主要收集處理生活和生產污水以及河段污水，具體見表1。

表1 洋河上游污水處理廠建設情況

2 數據收集分析及評價方法

本文主要收集了2014—2018年逐月降水、氣溫系列整編資料，逐月洋河水庫壩前水位及蓄水變量系列整編資料，逐月水質監測成果資料。

依據《地表水資源質量評價技術規程》(SL 395—2007)湖庫營養狀態評價標準及分級方法，主要采用總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a(Chl-a)、高錳酸鹽指數(CODMn)、透明度(SD)指標，根據計算營養狀態指數(EI)值確定水質營養化程度。20

圖1 2014—2018年逐月水庫富營養化情況

3 相關性分析研究

將2014—2018年每月蓄水變量數值及水溫數據分別繪制折線圖，并把相應月份的總磷、總氮值疊加，同葉綠素a指標也分別繪制折線圖，見圖2。

圖2 2014—2018年逐月水庫富營養化情況

通過圖1、圖2，可以較為明顯地看出：

a.蓄水變量變化趨勢和總磷、總氮及葉綠素a指標的變化趨勢基本一致，主要表現在汛期6—8月及9月蓄水變量增加出現峰值時，總磷、總氮及葉綠素a指標均會隨之增加，出現尖峰；當汛前4月、5月及6月蓄水變量減少出現波谷時，響應指標也逐漸減少，表現出波谷。

b.水溫每年變化較為穩定，7—9月溫度達到最高出現峰值，而葉綠素a指標也隨之出現峰值。冬季溫度較低情況下出現輕度富營養化的情況，主要是營養鹽含量底值較高，即受上一年度累計量影響。如2015年12月出現輕度富營養化后，在無明顯降雨因素情況下，營養鹽量持續保持較高水平，至2016年1—4月，仍出現輕富營養化情況。同樣，2016年11月營養鹽含量較高也影響了2017年1—2月的水質。

c.縱向分析，2014—2018年輕度及中度富營養化發生月份呈現下降趨勢，并且2018年總氮、總磷及葉綠素a指標值均呈現出下降趨勢。

通過上述分析，蓄水變量增加，即水庫來水時，相應總磷、總氮等因子隨之變大，匯入水庫后導致水庫水質變差，這與之前學者研究成果吻合，說明汛期來水攜帶了大量污染因子。為進一步量化這種關聯關系，選用灰色關聯分析法(灰色關聯分析法基于的是因素之間發展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關聯度”，是衡量因素間關聯程度的一種方法)，將2014—2018年每年蓄水變量數據、葉綠素a和總磷、總氮的疊加數據分別進行關聯分析。蓄水變量關聯度最好年份為2015年，達到0.64；最差年份為2016年，為0.36；5年平均值為0.48。葉綠素a關聯度最好的年份是2017年，達到0.63；最差是2018年，為0.36；5年平均值為0.47。具體見表2、表3。

表2 2014—2018年蓄水變量和TP+TD關聯度分析結果

表3 2014—2018年葉綠素a和TP+TD關聯度分析結果

4 結論與建議

4.1 結論

本文分析了2014—2018年洋河水庫水質監測結果，通過近5年水庫富營養化情況及總磷、總氮指標分析，輕度及中度富營養化發生月份呈現下降趨勢，并且2018年總氮、總磷及葉綠素a指標值也呈現出下降趨勢，初步說明了近幾年洋河水庫上游規劃建設的諸多工程措施以及市、縣兩級政府加大環保力度已初見成效。

通過分析，蓄水變量變化趨勢和總磷、總氮及葉綠素a指標的變化趨勢基本一致，主要表現在蓄水變量增加出現峰值與減少出現波谷時，總磷、總氮及葉綠素a指標響應指標也逐漸減少，表現出波谷。由灰色關聯分析法得知，蓄水變量數據和總磷、總氮的疊加數據5年平均關聯度為0.48，而葉綠素5年平均關聯度為0.47，為中等程度相關。在上游污染源治理工作基礎上，通過需水變量和水質之間的相關性分析，進而通過對水庫蓄水量改變達到預防水質惡化和調節水質的目的，具有較重要的實際應用價值和意義。

4.2 建議

限于水質監測資料僅有月數據，在相關性分析過程中月度內的變化不能夠被反映出來，且影響水質變化的因素較多，近幾年降水量年際變幅較大，建議進一步開展相關研究和增加水質變化期間的數據監測頻率，為后續研究提供基礎參考。