引黃生態補水對官廳水庫水質時空分布影響及污染源解析

楊艷紅 王 欣 白 璇

(北京市官廳水庫管理處，河北 張家口 075441)

水庫水質一直都是飲用水安全關注的重點問題，研究其時空變化特征、周期規律及影響因素，對了解水資源特性、開發利用水資源具有重要意義[1]。官廳水庫是永定河流域防洪安全和生態調度的控制性樞紐，是北京的重要戰略水源地，也是實現永定河全流域生態治理目標最重要的生態節點[2-3]。

官廳水庫位于河北省懷來縣和北京市延慶區境內媯水河與永定河交匯處，總庫容41.60億m3，永定河流域控制面積4.34萬km2，主要入庫支流包括洋河、桑干河、媯水河，上游來水變化對其水質水量有著重要影響。20世紀五六十年代，官廳水庫水質良好，是京西工業區主要的供水水源和京西居民飲用水重要的來源[4]，之后水庫上游地區工農業快速發展，農業灌溉退水、畜禽養殖排污及沿河工業與城鎮居民生活污水的排放致使水質惡化，到80年代末期，庫區水質已達不到生活飲用水水源地標準，于1997年被迫退出北京市飲用水供應系統。為改善流域水生態環境，2001年國務院批復了《21世紀初期(2001—2005年)首都水資源可持續利用規劃》，相繼開展了“官廳水庫流域水質改善總體技術方案研究”“官廳水庫流域水質改善關鍵技術研究”和“中德合作官廳水庫流域水生態環境綜合治理示范工程”。此外，從2003年開始，洋河水庫、桑干河冊田水庫向官廳水庫集中輸水，以緩解首都水資源短缺的形勢，官廳水庫于2007年恢復成為北京市備用水源地。《北京城市總體規劃(2016—2035年)》明確提出，有序實施官廳水庫、永定河流域生態修復，到2035年恢復官廳水庫飲用水源功能。根據《永定河綜合治理與生態修復方案》，官廳水庫建設了八號橋水質凈化濕地和媯水河入庫口水質凈化濕地，結合官廳水庫水源保護工程，控制周邊地區污染物輸入，減少農業面源污染，促進庫區生態修復；并利用萬家寨引黃北干線向永定河應急補水，改善流域水生態狀況[5]。2019年官廳水庫實測入庫水量為3.42億m3，其中，媯水河東大橋水文站入庫水量0.34億m3，永定河八號橋水文站入庫水量3.08億m3，其中黃河水占八號橋水文站入庫水量的51%，占總實測入庫水量的46%。2020年官廳水庫實測入庫水量為2.65億m3，其中，媯水河東大橋水文站入庫水量0.33億m3，永定河八號橋水文站入庫水量2.32億m3，其中黃河水占八號橋水文站入庫水量的22%，占總實測入庫水量的20%。

1 數據與方法

1.1 研究范圍

官廳水庫水質監測斷面見圖1。延慶橋為媯水河入庫代表站，八號橋為桑干河與洋河匯入永定河后的入庫控制站，河口為永定河河口代表站，永1008東和永1000為永定河庫區監測斷面，媯1018+1、媯大橋為媯水河庫區監測斷面，壩后為出庫控制站。桑干河和洋河來水均從八號橋斷面沿程經河口進入官廳水庫。水質監測數據來自北京市官廳水庫管理處。

1.2 研究方法

1.2.1 水質評價

本文研究期內各水質指標所處級別根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)判斷確定，延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋和壩后斷面具有河道特征，總磷的評價按照河流標準進行，其余斷面均按照湖、庫標準進行評價。評價依據《地表水環境質量評價辦法》(試行)進行，水質類別評價根據每年12次監測數據的算術平均值與水質標準限制對比進行，總氮不參評。

圖1 官廳水庫監測斷面

1.2.2 污染物通量計算方法

官廳水庫常規水質監測頻率為每月1次，官廳水庫八號橋斷面污染物年通量計算公式為

式中：N為污染物年通量,t；Ci為每月監測點位的平均污染物濃度,mg/L；Qi為每月監測點位的入庫水量,億m3。

1.2.3 數據分析

官廳水庫水質時空聚類采用組間連接法、平方歐氏距離計算各斷面水質的相似性，距離數值表示各斷面水質的相似度，數值越大，各斷面水質差異越大[8]。系統聚類分析、庫區水質沿程變化及八號橋斷面污染物年通量計算等通過IBM SPSS 19和OriginPro 9實現。

2 結果與分析

2.1 官廳水庫水質時空聚類分析

2.1.1 水質空間聚類

官廳水庫空間聚類采用2015—2020年各斷面各水質指標6年的均值進行分析，聚類結果見圖2。由圖2可知在距離值為25處分為兩組，空間聚類組Ⅰ：延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋；空間聚類組Ⅱ：媯1018+1、媯大橋、河口、永1008東、永1000、壩后。表明官廳水庫入庫水質與庫區水質、壩后水質具有空間差異性。

圖2 官廳水庫水質空間聚類

2.1.2 不同空間聚類基礎上的年際聚類

圖3 官廳水庫水質空間聚類基礎上的年際聚類

聚類分析是一種探索性研究方法，根據聚類結果解釋各個斷面6年來的水質相似性，具體分為3組或者5組，均根據聚類圖可見大類確定。在結合上述空間聚類分組的基礎上分別對聚類組Ⅰ、聚類組Ⅱ進行年際聚類，采用2015—2020年各斷面、各水質指標年均值進行分析，聚類結果見圖3。空間聚類組Ⅰ(延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋)在距離值20處分為三組：2015—2016年延慶橋和西湖橡膠壩兩個斷面水質為一組；2017—2020年延慶橋和西湖橡膠壩兩個斷面水質為一組；2015—2020年八號橋斷面水質為一組。其中延慶橋和西湖橡膠壩兩個斷面水質聚類呈現年際變化，與延慶區水污染治理有關；八號橋入庫斷面水質變化以兩年為時間節點，2019—2020年聚為一組，與引黃生態補水相關性很大。空間聚類組Ⅱ(媯1018+1、媯大橋、河口、永1008東、永1000、壩后)在距離值為5處分為四組：2015年河口斷面水質單獨一組；2016—2017年河口斷面水質為一組；2015—2020年壩后水質為一組；其他年份各斷面水質為一組。除2015—2017年河口斷面外，庫區各斷面水質未表現出明顯的時空差異，可能是相對入庫水量來說庫區蓄水量較大，見表1，且上游來水水質和庫區水質無顯著差別，見表2，對庫區水質影響相對較小；壩后斷面水質主要受開閘補水、非補水期間壩后滲流等因素影響，使年際污染物相似度改變。

表1 官廳水庫水量

2.2 八號橋入庫斷面水質及污染物年通量變化

2.2.1 八號橋入庫斷面水質變化

在TN不參評的情況下，八號橋斷面水質2015年、2018年符合地表水Ⅳ類標準，2016年符合地表水Ⅴ類標準，2017年、2019—2020年符合地表水Ⅲ類標準，水質變化見圖4。

圖4 2015—2020年八號橋斷面污染物濃度變化情況

2.2.2 八號橋入庫斷面污染物年通量變化

2.3 引黃生態補水對庫區水質的影響

2.3.1 官廳水庫水質現狀

流域上游來水水量及水質、區間污染源及河流濕地等自凈作用是影響官廳水庫入流的主要原因[11]。官廳水庫各斷面2015—2020年水質類別見表3。由表3可知，官廳水庫延慶橋斷面水質從2015—2017年的Ⅳ類變為2018—2020年的Ⅲ類；西湖橡膠壩斷面除2020年水質為Ⅳ類外，2015—2019年水質類別均與延慶橋斷面相同；八號橋入庫斷面水質呈逐年波動性好轉，2019年引黃生態補水以來入庫水質均為Ⅲ類；河口斷面除2015年水質為Ⅴ類外，2016—2020年水質類別均為Ⅳ類；媯水河庫區和永定河庫區斷面水質均為Ⅳ類，尚未顯現引黃生態補水的顯著影響；壩后斷面水質較好，除2019年外均為Ⅱ類水質。

圖5 2015—2020年八號橋斷面污染物年通量變化情況

表2 八號橋入庫斷面污染物年通量特征值 單位：t

表3 官廳水庫各斷面2015—2020年水質類別

2.3.2 官廳水庫有機污染物沿程變化

化學需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(CODMn)和五日生化需氧量(BOD5)是檢測水體中有機物含量的重要指標。官廳水庫庫區斷面除2015年和2020年COD處于Ⅳ類標準外，以上3個指標其他年份均處于Ⅲ類水標準。由圖6(a)、圖6(b)可知，延慶橋斷面2018—2020年COD和CODMn濃度明顯小于2015—2017年，2018—2020年來水行至西湖橡膠壩、媯1801+1斷面時COD和CODMn沿程濃度升高，至媯大橋斷面濃度稍有降低。河口斷面與八號橋斷面相比，受入庫口緩流水體富營養化影響，COD和CODMn濃度升高，除2016年和2018年外，永1008東斷面COD濃度均有所升高，至永1000斷面呈下降趨勢；CODMn濃度變化稍有不同，從河口至永1008東斷面CODMn濃度呈下降趨勢，至永1000斷面進一步降低。壩后有機污染削減顯著，COD和CODMn濃度下降至地表水Ⅰ～Ⅱ類標準，比永1000斷面分別降低了(25.62±10.66)%、(54.53±18.45)%，這與非補水期間的滲流影響有關。由圖6(c)可知，除2016—2020年延慶橋、八號橋兩個入庫斷面及西湖橡膠壩的BOD5基本處于Ⅲ～Ⅳ類標準外，庫區各斷面BOD5均維持在地表水Ⅰ～Ⅱ類標準；2017—2020年媯1018+1與西湖橡膠壩相比、河口與八號橋相比，BOD5濃度均顯著降低，原因是河水進入庫區后，水體在庫區內有一定的水力停留時間，可生物降解的有機物在微生物作用下進行降解。官廳水庫有機污染物沿程變化表明2019—2020年引黃生態補水對庫區有機物變化未見特別明顯影響。

圖6 2015—2020年官廳水庫有機污染物沿程變化情況

2.3.3 官廳水庫氮元素沿程變化

圖7 2015—2020年官廳水庫氮元素沿程變化情況

2.3.4 官廳水庫TP沿程變化

延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋斷面和壩后斷面具有河道特征，TP按照河流標準進行評價。2015—2020年官廳水庫TP沿程變化情況見圖8。由圖8可知，2015—2016年永定河、媯水河上游來水TP濃度偏高，延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋斷面為劣Ⅴ類，2017—2020年其他斷面TP濃度均在Ⅲ類以上，入庫水質越來越好。除2016年外，媯水河庫區和永定河庫區TP濃度均為Ⅲ類標準，壩后出水TP濃度根據河道標準限值評價為Ⅰ～Ⅱ類。

圖8 2015—2020年官廳水庫TP沿程變化情況(湖、庫標準)

3 結 語