寒旱區某淺型水庫熱分層特征及供水影響

朱國建,劉曉茹

(1.新疆額河投資集團，新疆 烏魯木齊 830000；2中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 概述

我國水資源分布不均，西部用水問題一直是限制經濟發展的重要因素，而北部和西部的飲用水形勢也非常嚴峻，因此對影響水庫供水水質污染問題應高度重視。本研究區域位于我國西北邊陲寒旱地區的平原水庫，一年四季氣溫變化較大，周邊分布有沙漠及戈壁帶，水資源匱乏，水資源系統的脆弱性顯著[1]，供水水質問題對企業生產和城市活動影響較大。

水庫熱分層效應加劇了內源污染，是水環境研究領域的熱點問題[2]。目前對深水型湖泊水庫水溫分層現象研究較多[3- 5]，而對于淺水型水庫(一般水深在10m左右)是否存在熱分層導致水質污染問題，仍是爭論焦點。Davision提出了淺型水庫所特有的活性反應帶概念，該反應帶位于好氧和厭氧的交接區域，反應由氧化向還原過渡，氧化還原電位變化較大，活性反應帶存在于從水體內數米或庫底僅僅1cm范圍內[6]。

本水庫屬于淺水型水庫，近年來在夏季發生階段性水質超標問題，已引起當地水務部門的密切關注，其熱分層現象成為誘發內源污染的關鍵因素，水庫水環境安全受到威脅。本研究通過監測水庫不同深度水質指標，從水生態和水動力等方面分析水庫供水水質問題，為保證寒旱區水庫安全供水及水資源可持續利用提供科學依據[7]。

2 水庫概況

2.1 水庫基本情況

本水庫位于新疆北部，屬地氣候干旱，11月到次年3月屬于低溫天氣，常有積雪覆蓋，連凍日在120—130d之間，南鄰高山區，北鄰戈壁帶，具有典型的大陸干旱氣候特征[8]。水庫為四面建壩圍筑而成的平原注入式水庫，水體流向從水庫南面進水，北面出水，其水源以高山融雪為主，經過巖層進入輸水渠道，降雨補給為輔，并有少量的冰川融水和地下水補給。水庫工程規模屬大(2)型Ⅱ等工程，水庫周邊較少存在農業和畜牧業，且水庫筑壩較高，水質除上游來水外受其他地表徑流影響較小。冬季上游渠道為冰封狀態，水庫蓄水時間為每年的5月初—9月底，10月—次年4月為上游停水期，水庫全年為周邊工業企業和城市生活供水，水體整體循環速度較慢[9]。

2.2 水庫水生態環境特征

水庫魚類存量較大，其種群規模、捕撈量與放流量等幾種關系的不平衡對水庫生態系統破壞帶來隱患。底棲動物資源匱乏，雜食性魚類過大的種群規模加劇對庫底的擾動，魚殘體及排泄物含有的大量有機物，沉積到庫底，到夏季在庫區水體中易形成活性反應帶，出現熱分層現象，使庫區水體溶解氧下降，對水質帶來不利影響。

水生植物種類單一、沉水植物資源匱乏，導致水域生物多樣性下降和生態系統的退化，水質凈化能力減弱。水庫來水后，其南岸植物被淹沒且腐爛，造成庫區水體沉積物有機質增加。

水生生物代謝活動產生的污染物，在缺氧狀態下，造成水庫底層污染物增加，易出現水質惡化現象。

3 方法

3.1 水質監測方案

監測點布設：在庫區的東、西、北、中4個位置設置采樣監測點，其示意圖如圖1所示，每個點位分表、底二層采樣，表層為水面以下0.5m處，底層為庫底以上0.5m處。庫區北靠近水庫出口，為壩前區，水深為12.5m，庫區東水深為12.1m，由于水庫底部存在部分工程構筑物，庫區中和庫區西水深分別為4.2、7.3m，由此可見庫區北和庫區東水深較深，庫區中和西部水深較淺。

圖1 庫區采樣監測點示意圖

3.2 水質監測方法

采用便攜式多參數水質測量儀(YSI EXO- 1型)監測不同深度的水溫(T)和溶解氧(DO)，測量儀采集數據速率設置為1次/s，從水體表層沿水深方向緩慢向下監測，約0.5m停留2s。采集表、底層水樣加入保存劑，在實驗室采用等離子體質譜法檢測金屬元素指標。

由于7月氣溫較高，水體易出現水溫分層，因此在各監測點開展了不同深度的連續監測。庫區南為水庫進水口，水流擾動較大，熱分層不穩定，未進行連續監測。

水體深度越深，熱分層現象越顯著。由于該水庫北部和東部較深、中部和西部較淺，因此按較深庫區(庫區北、庫區東)和較淺庫區(庫區中、庫區西)分別討論熱分層水質變化情況。

4 監測結果分析

4.1 水體熱分層特征

4.1.1水溫

夏季7月，在水深較深的庫區北和庫區東2個點位的水溫變化趨勢一致，如圖2所示，水深越深水溫越低。水溫隨深度變化較大，其表層和底層水溫差值分別為5.2℃和3.8℃，出現熱分層現象。

圖2 水溫隨水深變化趨勢圖

庫區西和庫區中水深較淺，有上圖可見對淺水型水庫水體，受風力擾動及水庫水循環影響，庫區表層水體吸收太陽輻射能量在整個水體垂向方向上混合均勻，水溫隨深度變化不大。有研究認為，深度超過7m的水庫有可能形成熱分層現象[10]，庫區西和中部深度分別為4m和7.5m，表、底層水溫差值分別為1.2℃和1.7℃，未出現明顯的熱分層現象。

由此可見在較深庫區易出現熱分層，尤其在壩前出水口(庫區北)，表、底層溫差較大。

4.1.2溶解氧

水體內部熱分層狀態是驅動缺氧區形成的主要外部因素，水體內有機物分解過程及沉積物中生物化學作用中的耗氧是驅動缺氧區形成的主要內在因素。在光合作用下，表層水中產生了氧氣和有機物質，部分有機物沉入深層水體中，在底層水體及沉積物有機質的分解過程中消耗氧氣，導致底層缺氧區的產生。一般將2mg/L的溶解氧濃度水平定義為缺氧，作為水體出現缺氧區的閾值條件，低于該閾值，許多水生生物會死亡，以至于造成魚類死亡[11]。

水深較深的庫區北和庫區東的表、底層溶解氧差值分別為8.21、7.67mg/L，在中下部溶解氧降低速率較快，如圖3所示，庫區北在8.0～8.5m水深區間內溶解氧由6.41mg/L降至3.90mg/L，0.5m范圍內溶解氧降低了2.51mg/L，庫區東在9.6～10.0m水深區間內溶解氧由4.89mg/L降至3.40mg/L，0.4m范圍內溶解氧降低了1.49mg/L，說明活性反應區形成；至庫區底層，庫區北和庫區東溶解氧分別為0.43、1.23mg/L，均低于2mg/L，形成缺氧區。

由圖3可見，庫區西和庫區中表層溶解氧分別為8.27、8.91mg/L，底層溶解氧分別為7.86、5.46mg/L，表、底層溶解氧差值分別為0.41、3.45mg/L，由于庫區西水深較庫區中更淺，所以溶解氧表、底層差值較小，接近一致，庫區西和庫區中底層溶解氧滿足地表水標準，未出現缺氧現象。

圖3 溶解氧隨水深變化趨勢圖

4.2 水體熱分層對供水的影響

水庫的受水水廠曾分別于6月中下旬及7月底—8月初對水庫水質提出二次質疑，水廠進行常規水凈化處理，加消毒劑次氯酸鈉后，水發黃且有褐色沉淀，同時居民也有反映家中自來水發黃，受到當地水務部門質詢，本項目針對這兩次供水問題進行了水質分析。

4.2.1六月供水水質分析

6月水廠報告水凈化后發黃現象，經檢測水中溶解氧較低，鐵和錳均有超標情況。6月中下旬溶解氧在3.00～4.85mg/L之間，均低于地表水質量III類標準值5mg/L；鐵含量在0.19～0.49mg/L之間，大部分超過地表水質量標準值0.3mg/L；錳含量在0.183～0.103mg/L之間，均超過地表水質量標準值0.1mg/L。

由于6月已進入夏季氣候，氣溫升高，平均氣溫為24.1℃，最高氣溫達到35.8℃，因此水體易出現熱分層現象，造成底層缺氧狀態，導致水質惡化，對水庫供水功能造成嚴重影響。

4.2.2八月供水水質分析

為保障農業灌溉用水，于7月17日起水庫上游斷水約1個月，至8月中旬逐漸恢復正常來水。上游停水后約3—6d后，水廠報告水凈化后水體發黃，水中錳超標，溶解氧低，未達到地表水III類水標準。待水庫上游恢復來水后約一周時間，于8月20日上述發黃現象好轉，隨后于8月25日恢復正常供水。

(1)水庫表、底層溶解氧變化趨勢

在7—8月本水庫上游停水期間，水中溶解氧發生變化，停水期間底層水溶解氧濃度在0.6～4mg/L之間，均未達標。水庫上游來水后約一周時間，于8月25日檢測水庫底層水溶解氧為5.1mg/L，達到了水質標準；而庫區表層水溶解氧濃度在停水及來水期在4.9～7.8mg/L之間，均高于底層水，基本達標。由此可見水庫在調度期間，水動力學條件變化對于庫區溶解氧分層結構及缺氧區的影響十分顯著。

(2)水庫表、底層錳含量變化趨勢

本水庫上游停水期間，供水水質出現錳超標問題，錳含量在0.146～0.257mg/L之間，均超標(0.1mg/L)，超標倍數在0.46～1.57倍之間。8月20日水庫上游來水，約一周時間，于8月25日檢測水庫出水錳含量小于檢出限0.0005mg/L，未超過水質標準，該數據變化與水廠水發黃現象變化時間一致。由于本水庫供水方式為底層供水，因此監測的供水水質為水庫底層水。在上游停水期間水庫表層水的錳含量在0.00053～0.0871mg/L之間，低于0.1mg/L，均未超標。

水庫上游停水期間，水循環變差，底層水溶解氧低，導致錳含量超標。上游恢復來水后，熱分層現象減弱，水中錳含量顯著降低。

4.2.3熱分層對鐵錳影響分析

水庫熱分層，為水體缺氧創造了重要的前置條件，庫區內部的污染狀況是導致水體缺氧的必要條件，而當水庫局部水體出現缺氧后，形成活性反應帶，導致多種化學反應過程，又會反過來加重水環境質量下降[12]。

在缺氧條件下，氧化還原電位降低，呈還原狀態，缺氧區一系列生物化學過程導致庫區底部水質下降。鐵(Fe)、錳(Mn)均為對氧化還原較敏感的元素，鐵元素被還原為可溶性Fe2+，錳Mn3+和Mn5+在高于鐵元素的氧化還原電位上被還原為可溶性的Mn2+，鐵、錳化合物被還原，其在水中溶解度增大，因此缺氧條件下鐵和錳很容易由沉積物釋放進入到上覆水體中，底層水顯著高于表層水錳含量，并超過地表水及飲用水質量標準，造成水質污染[13]。

該水庫出水口位于庫區北部的壩前下層位置，供水方式為底層供水，故底層水體錳含量增大，極易發生供水事故。本水庫于6月和7月下旬—8月中旬出現錳濃度超標現象，影響了供水功能。

上游來水后，水循環加快，水庫熱分層現象被打破，水體摻混作用加強，溶解氧含量升高，底層水錳含量顯著降低，表、底層水質皆未超標[14]。

5 水庫熱分層影響因素討論

該水庫上游及其水源保護區范圍內沒有污染排放源，周邊存在大片戈壁灘，農業和畜牧業較少，且水庫為四面筑壩的平原水庫，壩基較高，故地表徑流帶來的面源影響因素較少。水庫內源污染主要來源于水中魚類、植物、藻類和細菌等生物的排泄物及其死亡后殘體沉積在庫底，庫內污染物經過沉積-釋放-沉積的模式長期蓄積，促使內源污染形成，對水庫的生態環境造成不同程度的影響。水庫內源污染作為一個復雜的環境系統，實質上是庫內的污染物在受到多因素綜合影響下快速蓄積的結果，并在一定的條件下會釋放出來，水庫熱分層效應，促使有機質、碳、氮、磷等營養物的分解，消耗氧氣，導致底層缺氧，沉積物污染釋放對水質造成不利影響[15]。

5.1 魚類帶來的影響

(1)魚殘體及排泄物的影響

冬、春季上游停水，水循環較慢，水庫水位較低，水庫中魚的密度較大，冬季冰封期，上層水體缺乏大氣復氧作用，水中溶解氧降低，魚的死亡量較大，另外水庫的捕魚作業過程中不可避免造成死魚現象。春季水庫上游來水，有魚苗進入水庫，且每年向水庫中投放鰱、鳙類魚苗，隨著夏季到來水溫升高，魚苗迅速生長繁殖，水庫魚類增多，隨之魚的排泄物增多，魚殘體及排泄物的腐爛分解會嚴重影響水質，對總氮有貢獻。沉積物中碳、氮、磷等營養物質主要來自庫區細菌及水生動植物的尸體或糞便。

(2)河鱸魚排卵的影響

水庫中生長著河鱸魚，該類魚在排卵時對附卵基質具有一定的選擇性，一般在匍匐狀分布的水草、陸生草團或枝杈較多的樹枝等處，這類植物主要分布在水庫的東南和西南沿岸帶，因此河鱸魚對水庫南面沉積物的氮、磷及總有機碳等營養物質有一定貢獻。

(3)魚類活動對沉積物擾動的影響

水庫的鯉、鯽等雜食性魚類資源量較大，超出了水庫負載力，加之底棲動物資源匱乏，雜食性魚類過大的種群規模及以底棲動物為食的魚類，捕食底棲動物時會對沉積物有較強的生物擾動行為，會促進底泥營養物質的釋放。魚類對沉積物的擾動，導致沉積物中有機質、碳、氮、磷等營養物對水質帶來不利影響。

通過硝態氮同位素分析，水庫硝態氮污染來源主要為土壤有機氮、大氣沉降和漁業的綜合影響，因此魚類代謝活動是硝態氮污染來源之一，對總氮含量有一定的貢獻。

5.2 植物帶來的影響

(1)淹沒區植物的影響

該水庫南岸區生長了大量的蘆葦、紅柳等植物，水庫來水后，水位每升高約10cm，即淹沒南岸陸地約1m的距離，每年來水后水位共上漲約8～10m，故每年淹沒南岸陸地約80～100m區域，每年根據調蓄水要求，蓄水深度增加，淹沒范圍繼續擴大，植被沉入水體量增大。由于未進行清庫處理，淹沒區的植被及植物碎屑沉入水底，經過一段時間的腐爛分解，加之冬季藻類大量死亡，被微生物分解釋放出氮磷等物質，這些因素對庫區總磷、總氮、高錳酸鹽指數及總有機碳等營養物質有一定貢獻。

(2)沉水植物資源匱乏的影響

由于該水庫水生植物種類較少，主要包括蘆葦、菹草和篦齒眼子菜，沉水植物資源較為匱乏，消耗磷的能力較弱，因而水庫中總磷營養水平較高。氮、磷是水庫營養化的主要因素[16]。

5.3 沉積物的影響

水庫沉積物中錳離子釋放是造成底層水體中錳離子濃度較高的主要原因，本水庫沉積物中錳濃度為510～740mg/kg[17]，我國土壤背景值錳均值為583mg/kg[18]，烏魯木齊土壤背景值為688mg/kg[19]，和土壤背景值相比，該水庫沉積物錳濃度偏高。在水庫停水期間，水循環較慢，形成活性反應帶，底層水出現缺氧現象，水體在厭氧環境下，呈現較強的還原環境，引起水—沉積物界面鐵、錳、氮、磷等物質向還原態轉化，即錳離子由高價態的難溶金屬化合物還原至易溶于水低價態錳離子，因此水庫沉積物會向上覆水體釋放錳離子，也是水中錳的主要來源，威脅水庫供水安全[20]，進而影響庫區內水生生物生存環境，在極端情況下甚至會造成魚類的大面積死亡。因此水中錳含量升高，受水庫熱分層及內源影響較大。

5.4 水動力影響

該水庫水動力差，水循環較慢，水力停留時間較長，水體在庫區的滯留時間較長，底層有機污染物分解消耗氧氣，溶解氧得不到及時補充，夏季水庫出現熱分層現象。從6月和7月底—8月出現二次供水水質問題，特別是在7—8月水庫上游停水期間，水力停留時間延長，改變了原有水庫的水文情勢，水循環更差，減弱了水體的垂向對流，底層水缺氧是錳超標的主要原因，水庫底層水中錳和溶解氧在停水期間均不滿足地表水環境質量Ⅲ類水標準。

對比6月和8月二次的水庫底層水水質數據，如圖4所示，8月比6月水質更差。由于7—8月水庫上游停水，水循環差，導致8月比6月底層溶解氧更低，8月的均值已低于水體缺氧閾值2mg/L，造成底層缺氧，錳超標倍數更高，6月和8月錳超標倍數分別為0.4、0.7倍，因此熱分層造成的底層缺氧狀態，水循環差加劇了水質惡化的程度，對水庫供水功能造成嚴重影響。

圖4 6月和8月底層出水水質對比圖

8月水庫上游來水后約一周時間，供水水質達標，由此可見加大流量調度促進水循環加快，可削弱或消除水體內缺氧現象，防止供水水質問題發生。水動力對水體熱分層起重要作用。

6 結語

寒旱區夏季氣溫較高，淺型水庫較深位置易出現水溫分層現象，形成活性反應帶，水溫與溶解氧呈正相關，底層含量低于表層；水深較淺位置，未出現明顯的水溫分層現象。

該水庫出水口聚集鐵、錳等污染物質和缺氧水體，水溫分層和水庫內源污染是誘發供水水質問題的重要因素。在夏季應持續監測壩前區域不同深度溶解氧的分布狀況，調節供水深度，避開底層厭氧環境的供水區域；夏季水動力不足情況下，應采取底層增氧措施，保證供水安全。采取適當的清庫措施，減少內源污染帶來的供水安全問題，使水庫水環境安全可持續發展。