丹江口水庫(kù)洪水期水質(zhì)變化特征及影響因素分析

摘要：通過(guò)分析丹江口水庫(kù)洪水期氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染物的變化趨勢(shì)，及其與流量、水溫、電導(dǎo)率和濁度等水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性，探索洪水過(guò)程對(duì)丹江口水庫(kù)水質(zhì)的影響程度和機(jī)制。結(jié)果表明：洪水顯著影響了水庫(kù)水質(zhì)，尤其在承接漢江方向來(lái)水的漢庫(kù)遠(yuǎn)端區(qū)域；不同污染物對(duì)洪水的響應(yīng)程度不同，氨氮和總磷顯示出較大的波動(dòng)，而總氮和高錳酸鹽指數(shù)的波動(dòng)則相對(duì)較小；主要污染物與水文及物理指標(biāo)之間的相關(guān)性差異顯著，揭示了洪水過(guò)程對(duì)丹江口水庫(kù)不同區(qū)域和不同類(lèi)型污染物的獨(dú)特影響機(jī)制。

關(guān) 鍵 詞：水質(zhì)變化特征；洪水；相關(guān)性分析；丹江口水庫(kù)

中圖法分類(lèi)號(hào)：X524；TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.006

0 引言

水庫(kù)作為重要的水資源管理設(shè)施，在調(diào)節(jié)河流流量、保障供水安全、防洪減災(zāi)等方面扮演著關(guān)鍵角色。隨著氣候變化的加劇，極端氣象事件如洪水的頻率和強(qiáng)度在全球范圍內(nèi)不斷增加，這對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)管理提出了新的挑戰(zhàn)^［1］。特別是作為南水北調(diào)中線工程核心水源地的丹江口水庫(kù)，其水質(zhì)狀況直接影響到數(shù)億人的生活和健康^［2-3］。丹江口水庫(kù)橫跨湖北省和河南省，是具有多功能的水利設(shè)施，不僅是飲用水源地，還涉及發(fā)電和水生態(tài)保護(hù)等多重功能^［4］。在洪水期間，大量的上游來(lái)水，不僅改變了丹江口水庫(kù)的水文情勢(shì)，也帶來(lái)了大量的污染物，這些變化可能對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅^［5-6］。

本次研究旨在分析2023年秋季一次顯著洪水期間丹江口水庫(kù)的水質(zhì)變化特征及其影響因素。通過(guò)綜合考察氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染物的變化趨勢(shì)，以及它們與流量、水溫、電導(dǎo)率和濁度等水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性，探索洪水對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的具體影響機(jī)制。研究結(jié)果將為丹江口水庫(kù)及類(lèi)似水體的水質(zhì)管理和應(yīng)急響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)和策略建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程核心水源地，向河南、河北、北京、天津等4個(gè)省市的20多座大中城市供水，年均調(diào)水95億m^3［7-8］。丹江口水庫(kù)由漢江庫(kù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)漢庫(kù)）和丹江庫(kù)區(qū)組成，年平均入庫(kù)水量為394.8億m³，正常蓄水位由初期工程的157 m提高到170 m，相應(yīng)的庫(kù)容由初期工程的174.5億m³增加到290億m³，總庫(kù)容達(dá)到339億m³，水庫(kù)水面面積1 050 km²，被譽(yù)為“亞洲天池”^［9-10］。漢江、堵河、丹江和老灌河，作為4條主要入庫(kù)支流，其入庫(kù)水量占丹江口水庫(kù)總?cè)霂?kù)水量的80%以上。白河、黃龍灘、磨峪灣、淅川等4個(gè)水文站是漢江、堵河、丹江和老灌河上的水位流量控制站，龍王廟水位站則是水庫(kù)壩前的水位控制站（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2023年9～10月，丹江口水庫(kù)上游經(jīng)歷了一次洪水過(guò)程，庫(kù)區(qū)水位從164.00 m快速上漲至170.00 m（正常蓄水位），選取庫(kù)區(qū)4個(gè)代表水質(zhì)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中青山站代表漢庫(kù)遠(yuǎn)端水質(zhì)，龍口-浪河站代表漢庫(kù)中心水質(zhì)，壩前站代表丹庫(kù)和漢庫(kù)交匯區(qū)的水質(zhì)，馬蹬站代表丹庫(kù)水質(zhì)。水質(zhì)指標(biāo)包括氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等。水文數(shù)據(jù)選取同期4個(gè)入庫(kù)控制站的流量和龍王廟（壩上）的水位。

1.3 分析方法

使用ArcGIS 10.8繪制研究區(qū)域點(diǎn)位分布圖，使用OriginPro 2022繪制主要水質(zhì)指標(biāo)變化特征圖，使用SPSS 27.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水量與水位變化特征

從主要入庫(kù)河流流量與庫(kù)區(qū)水位變化情況（圖2）可以看出，2023年9月19日至10月12日漢江等4條主要入庫(kù)河流總流量為2 689～12 290 m³/s，遠(yuǎn)超當(dāng)年總平均流量1 329 m³/s。其中漢庫(kù)方向和丹庫(kù)方向來(lái)水的峰值流量分別為11 530 m³/s和763 m³/s，期間平均流量分別為2 851 m³/s和195 m³/s。由于入庫(kù)水量的明顯增加，庫(kù)區(qū)水位從9月19日的164.33 m快速上漲至10月12日的169.98 m，平均漲速達(dá)0.25 m/d，并在之后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持在170.00 m。

2.2 主要污染物變化特征

2.2.1 氨氮變化特征

從圖3可以看出，青山站氨氮濃度先緩慢上升，隨后在9月29日快速升高，至10月2日氨氮濃度達(dá)到了研究期間的最大值0.57 mg/L，然后又在10月4日快速下降至較低水平。此變化過(guò)程與漢庫(kù)入庫(kù)流量變化極為相似，漢庫(kù)入庫(kù)流量在10月29日快速升至10 600 m³/s，后在10月3日后快速回落。這表明洪水過(guò)程對(duì)青山站氨氮濃度的顯著影響。龍口-浪河站氨氮濃度變化趨勢(shì)總體與青山站相似，其氨氮濃度最大值0.12 mg/L出現(xiàn)在10月4日，表明洪水過(guò)程對(duì)龍口-浪河站氨氮濃度同樣具有較為顯著的影響。壩前站和馬蹬站的氨氮濃度變化幅度較小，峰值與平均值相近，表明洪水過(guò)程對(duì)壩前站和馬蹬站的氨氮濃度影響較為有限。

2.2.2 總磷變化特征

從圖4可以看出，青山站總磷濃度的變化趨勢(shì)與其氨氮濃度變化趨勢(shì)相似，在研究期間同樣變化劇烈，9月29日前波動(dòng)較小，隨后快速升高，至10月3日達(dá)到最大值0.190 mg/L，隨后較為快速地下降，表明青山站總磷濃度同樣受洪水過(guò)程的顯著影響。龍口-浪河站、壩前站及馬蹬站的總磷濃度變化趨勢(shì)總體較為相似，其總磷最高濃度均小于0.030 mg/L，且研究期間總體呈現(xiàn)波動(dòng)中緩慢升高的趨勢(shì)。

2.2.3 總氮變化特征

從圖5可以看出，青山、龍口-浪河、壩前和馬蹬4個(gè)站點(diǎn)總氮的濃度表現(xiàn)出了與氨氮和總磷完全不同的變化趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，4個(gè)站點(diǎn)的總氮濃度在整個(gè)研究期間均呈現(xiàn)出明顯的先減小后增大的變化趨勢(shì)。青山站總氮濃度在9月28日前穩(wěn)定在1.200 mg/L上下，波動(dòng)較小，隨后快速下降，至10月4日達(dá)到最小值0.827 mg/L，隨后又在10月11日快速升高至1.200 mg/L左右。龍口-浪河、壩前和馬蹬站的總氮濃度變化趨勢(shì)總體與青山站相似，但變化過(guò)程相對(duì)緩慢，分別在9月19日、9月18日、10月16日達(dá)到最小值0.818，0.805，1.040 mg/L。

2.2.4 高錳酸鹽指數(shù)變化特征

從圖6可以看出，青山站的高錳酸鹽指數(shù)在研究期間經(jīng)歷了較為明顯的變化。初始值（9月1日）為1.10 mg/L，經(jīng)歷了逐漸上升的趨勢(shì)，最終在10月4日達(dá)到最大值3.04 mg/L。此后有所下降，但整個(gè)10月仍保持相對(duì)較高的水平。龍口-浪河站的高錳酸鹽指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，最小值為1.49 mg/L，最大值為2.06 mg/L，平均值為1.77 mg/L，盡管波動(dòng)幅度較小，但在10月4日也觀察到一次顯著升高。壩前站的高錳酸鹽指數(shù)總體較為穩(wěn)定，但仍表現(xiàn)出一定的波動(dòng)，特別是從10月2日的1.09 mg/L上升到10月5日的2.77 mg/L。馬蹬站的高錳酸鹽指數(shù)同樣較為穩(wěn)定，最小值為1.88 mg/L，最大值為2.37 mg/L，平均值為2.06 mg/L，僅在9月27日和10月4日出現(xiàn)兩次較為明顯的升高。

2.3 主要污染物與水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性

4個(gè)代表水質(zhì)站主要污染物與水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表1。

青山站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標(biāo)與各項(xiàng)水文及物理指標(biāo)（溶解氧除外）的相關(guān)性均顯著。其中，氨氮與流量之間強(qiáng)正相關(guān)（r=0.798），與濁度之間的極強(qiáng)正相關(guān)（r=0.953），表明在入庫(kù)流量增加時(shí)，氨氮濃度顯著升高，這可能是由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致強(qiáng)烈的地表沖刷，使這些水流中攜帶大量的氨氮進(jìn)入水庫(kù)^［11-13］。總磷同樣顯示出與流量（r=0.644）和濁度（r=0.836）的強(qiáng)正相關(guān)，說(shuō)明其作用機(jī)理與氨氮相同^［14-15］，此外總磷與水溫（r=-0.837）和電導(dǎo)率（r=-0.862）還存在著極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，這可能是由于更低的溫度和電導(dǎo)率使微生物的活性和繁殖力降低，從而對(duì)磷的利用降低^［16-17］。與總磷一樣，高錳酸鹽指數(shù)與水溫（r=-0.811）和電導(dǎo)率（r=-0.898）也存在著極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，說(shuō)明更低的溫度和電導(dǎo)率同樣影響了微生物對(duì)有機(jī)物的降解^［18-19］，同樣高錳酸鹽指數(shù)與濁度（r=0.704）也存在強(qiáng)正相關(guān)。與其他3個(gè)主要污染指標(biāo)不同，總氮與流量（r=-0.490）和濁度（r=-0.444）表現(xiàn)為中等負(fù)相關(guān)，而和pH（r=0.465）和電導(dǎo)率（r=0.404）顯示出中等正相關(guān)性，這種特殊情況可能主要是由于洪水期來(lái)水中總氮的濃度水平較正常情況更低從而對(duì)本底總氮產(chǎn)生一定的稀釋效果。

龍口-浪河站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標(biāo)與各項(xiàng)水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性顯著，但相關(guān)性強(qiáng)度明顯不如青山站。其中，氨氮與水位（r=0.484）、流量（r=0.533）顯示出中等正相關(guān)，與水溫（r=-0.533）、溶解氧（r=-0.451）顯示出中等負(fù)相關(guān)。總磷與水位（r=0.748）及濁度（r=0.653）為強(qiáng)正相關(guān)，與水溫（r=-0.757）及pH（r=-0.716）顯示出強(qiáng)負(fù)相關(guān)。總氮和高錳酸鹽指數(shù)情況接近，與水位顯示為中等正相關(guān)，與水溫顯示出中等負(fù)相關(guān)。其主要污染物與各項(xiàng)水文及物理指標(biāo)相關(guān)性表現(xiàn)和青山站情況較為接近，說(shuō)明其作用機(jī)理應(yīng)該相同，只是由于龍口-浪河站更靠近漢庫(kù)中心使其抗洪水的沖擊能力更強(qiáng)，從而各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的波動(dòng)及相關(guān)性強(qiáng)度不如青山站明顯^［22］。

壩前站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標(biāo)總體上僅與水位、水溫和pH相關(guān)性顯著，而與流量、濁度等其他指標(biāo)的相關(guān)性不顯著。其中，僅有總氮與水位（r=0.641）之間為強(qiáng)正相關(guān)，與水溫（r=-0.657）之間為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，氨氮及總磷與水位、水溫、pH呈現(xiàn)出中等相關(guān)性。這可能主要是由于壩前站位于丹庫(kù)和漢庫(kù)的交匯點(diǎn)，距離來(lái)水入口較遠(yuǎn)，因此洪水過(guò)程對(duì)其造成的水質(zhì)波動(dòng)也較小。

馬蹬站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標(biāo)與各項(xiàng)水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性顯著。其中，氨氮與流量（r=0.475）及濁度（r=0.466）顯示出中等正相關(guān)，這可能是由于丹江和老灌河方向降雨導(dǎo)致的地表沖刷攜帶大量的氨氮進(jìn)入丹庫(kù)所致。總磷與水位（r=0.786）顯示出強(qiáng)正相關(guān)，與水溫（r=-0.631）顯示出強(qiáng)負(fù)相關(guān)。馬蹬站總氮和高錳酸鹽指數(shù)與各項(xiàng)水文及物理指標(biāo)的相關(guān)性情況與青山站非常相似，但相關(guān)性強(qiáng)度明顯不如青山站。這說(shuō)明青山站和馬蹬站作為分別靠近漢庫(kù)和丹庫(kù)入口的兩個(gè)站點(diǎn)，兩者受洪水過(guò)程影響的機(jī)制基本相同，只是由于洪水期丹庫(kù)來(lái)水較漢庫(kù)來(lái)水小得多，因此馬蹬站各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的波動(dòng)及相關(guān)性強(qiáng)度不如青山站。

3 結(jié)論

（1）洪水過(guò)程對(duì)丹江口水庫(kù)的水質(zhì)產(chǎn)生了顯著的影響，特別是對(duì)承接漢江方向來(lái)水的漢庫(kù)遠(yuǎn)端庫(kù)區(qū)產(chǎn)生了十分明顯的影響，對(duì)漢庫(kù)與丹庫(kù)交匯區(qū)域的影響相對(duì)較小。

（2）不同污染物指標(biāo)對(duì)洪水過(guò)程響應(yīng)的差異較大，氨氮和總磷的波動(dòng)相對(duì)較大，總氮和高錳酸鹽指數(shù)的波動(dòng)相對(duì)較小。特別是氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)受洪水過(guò)程影響，總體上都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，而總氮反而呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，這可能主要是由于洪水所帶來(lái)的污染物濃度相較本底污染物濃度高低不同導(dǎo)致的，但其實(shí)際機(jī)理仍需進(jìn)一步驗(yàn)證和探究。

（3）洪水期主要污染物與水文及物理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，氨氮與流量和濁度的相關(guān)性最為顯著，尤其在青山站，氨氮濃度與流量和濁度的相關(guān)性系數(shù)分別高達(dá)0.798和0.953，表明洪水帶來(lái)的地表沖刷顯著增加了入庫(kù)水中的氨氮。總磷與氨氮的行為相似，顯示出與流量和濁度的強(qiáng)正相關(guān)。總氮的變化趨勢(shì)在洪水期間呈現(xiàn)先降后升的模式，表明洪水可能引起初期稀釋效應(yīng)。高錳酸鹽指數(shù)則與水溫和電導(dǎo)率的負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)，表明低溫和低電導(dǎo)率條件下有機(jī)物降解速率減緩。

（4）不同站點(diǎn)的相關(guān)性差異突顯了地理位置對(duì)洪水響應(yīng)的影響，青山站和馬蹬站由于靠近入庫(kù)口，受洪水影響較大，而壩前站因位置較遠(yuǎn)，其水質(zhì)變化受洪水影響較小。這些發(fā)現(xiàn)為制定基于地理特性和洪水特性的差異化水質(zhì)管理策略提供了重要依據(jù)。

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（編輯：劉媛）