大型輸水明渠水工建筑物對水質變化的影響分析

摘要：水工建筑物作為明渠輸水的重要基礎設施，改變渠道水動力條件和污染物遷移過程，可能對渠道水質造成影響。以南水北調中線總干渠為研究對象，通過對倒虹吸/渡槽、退水閘等典型水工建筑物的調查采樣，分析水工建筑物對渠道水質變化的影響。結果顯示：① 時間尺度上，調查區水溫、溶解氧（DO）、pH、高錳酸鹽指數（CODMn）、溶解態高錳酸鹽指數（DCODMn）、顆粒態高錳酸鹽指數（PCODMn）、總氮（TN）、溶解態總氮（DTN）、總磷（TP）、溶解態總磷（DTP）和顆粒態總磷（PTP）等指標季節差異顯著（plt;0.05），顆粒態總氮（PTN）季節差異不顯著（pgt;0.05）；空間尺度上，調查渠段水溫、pH、DO、CODMn和DCODMn等指標沿程出現顯著上升或下降趨勢（plt;0.05）。② 夏季倒虹吸/渡槽等水工建筑物出口端PCODMn顯著高于入口端（plt;0.05），春、秋季均無顯著性差異（pgt;0.05）；春季退水閘處pH顯著高于輸水渠道（plt;0.05），夏季和秋季均無顯著性差異（pgt;0.05）。研究成果可為科學認識大型輸水明渠水質變化規律、優化水質管理提供依據。

關 鍵 詞：水質； 水工建筑物； 輸水明渠； 南水北調中線總干渠

中圖法分類號： X52；TV672 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.008

0 引 言

大型輸水明渠作為國家水網的重要基礎設施，是水質管理的重點對象［1］。大型輸水明渠水質影響因素復雜多樣，如大氣干濕沉降和雨水徑流等外源輸入的影響［2-3］，以及渠道藻類和淤積物等內源因素的影響［4-5］，水質常呈現出時空異質性［6］。水工建筑物是大型輸水明渠的重要組成部分，也是渠道水質變化的潛在影響因子。常見的水工建筑物包括倒虹吸、渡槽、退水閘、節制閘等，這些水工建筑物影響水流運動特性［7-9］，并可能對渠道的水質演變過程產生影響。已有研究表明，水工建筑物通過影響水流改變渠道生境條件，從而影響藻類群落結構［10］；水工建筑物會影響局部流場和水動力條件，從而改變懸移質淤積特性［11］；水工建筑物還能夠改變水體復氧過程，影響水體自凈潛力［12］。然而，針對水工建筑物對渠道水質的影響還缺少更加直接的研究結果支撐，水工建筑物對藻類、淤積物以及自凈能力的影響是否會傳遞到水質指標尚不清晰，輸水渠道水質時空異質性是否受到水工建筑物的影響還有待深入探討。

本文以南水北調中線工程總干渠為研究對象，圍繞倒虹吸/渡槽、退水閘等典型水工建筑物開展水質同步監測和分析，深入探討水工建筑物對水質的影響機制和程度，為客觀認識大型輸水明渠水質變化規律，優化國家水網運行管理提供依據。

1 研究區概況

南水北調中線工程是緩解中國黃淮海平原水資源嚴重短缺、優化配置水資源的重大戰略性基礎設施，自陶岔渠首閘引水向河南、河北、北京、天津等四省市近1.08億人口供水，總干渠全長1 432 km，輸水方式以明渠為主，總干渠全渠段含有退水閘、分水口、泵站等各類建筑物2 385座［4］。總干渠布設有30個常規水質監測斷面（圖1），監測數據顯示總干渠水質總體良好，影響水質類別的主要指標為高錳酸鹽指數，且在方城-沙河南、蘇張-鄭灣、侯小屯西-南營村、大安舍-北大岳、蒲王莊-西黑山等區段變化較大。本次研究選擇上述水質變化顯著的5個區段水工建筑物開展水質加密調查，共涉及36個水工建筑物，見表1。

2 材料和方法

2.1 樣品采集

選擇倒虹吸、渡槽、退水閘3種典型水工建筑物，于2023年春季（4月）、夏季（8月）、秋季（10月）開展水質加密監測，采集倒虹吸/渡槽入口、出口，退水閘口處水樣進行水質分析，共涉及23個倒虹吸/渡槽和13個退水閘。

調查采樣期間，輸水干渠水質總體良好，陶岔斷面水溫為15.00～25.45 ℃，pH為8.0～8.2，DO為7.5～9.6 mg/L，CODMn為1.7～1.8 mg/L，TN為1.02～1.13 mg/L，TP均小于0.01 mg/L。調查區間的流量為71.14～276.72 m3/s，流速為0.65～0.95 m/s，見表1。

2.2 測試方法

采用便攜式水質參數儀（YSI，美國）現場測定水溫、溶解氧（DO）和pH等基礎理化指標；同步采集2份1 000 mL水樣，一份用0.45 μm濾膜抽濾，用于測定溶解態指標，一份不抽濾。水樣加入0.5 mL 濃硫酸（ρ=1.84 g/mL）后低溫保存，送回實驗室測定高錳酸鹽指數（CODMn）、溶解態高錳酸鹽指數（DCODMn）、總氮（TN）、溶解態總氮（DTN）、總磷（TP）、溶解態總磷（DTP）等水質指標。

用差減法［13］得到相應顆粒態高錳酸鹽指數（PCODMn）、顆粒態總氮（PTN）、顆粒態總磷（PTP）等指標濃度。

2.3 分析方法

采用單因素方差分析水質指標季節性差異；采用Mann-Kendall趨勢性檢驗各區段水質指標沿程變化趨勢；采用配對樣本t檢驗法分析倒虹吸/渡槽進口和出口，以及退水閘閘前與渠道水體水質差異。

單因素方差分析是一種用于比較兩個或多個組之間均值差異的統計方法，零假設（H0）認為因素對因變量無顯著影響，備擇假設（H1）認為因素對因變量有顯著影響。Mann-Kendall趨勢檢驗法（簡稱M-K檢驗）常用來對數據序列整體趨勢做分析，零假設（H0）認為數據序列無顯著上升或下降趨勢，備擇假設（H1）是雙邊檢驗，根據標準正態統計分布量Z值判斷趨勢類型，Zgt;0時呈上升趨勢，Zlt;0時呈下降趨勢。配對樣本t檢驗常用來判斷同一對象兩個部位的差異，零假設（H0）認為兩總體均值之間無顯著差異，備擇假設（H1）認為兩總體均值之間存在顯著差異。

以上3種統計檢驗均以0.05作為給定顯著性水平，若計算得到的統計學概率值p小于0.05，則拒絕零假設（H0），接受備擇假設（H1），否則接受零假設（H0）。

3 結果與討論

3.1 典型渠段加密調查結果

典型區段加密調查結果中，水溫為12.18～30.13 ℃，中位數為20.6 ℃；DO為6.32～13.90 mg/L，中位數為9.68 mg/L；pH為7.69～8.99，中位數為8.34；CODMn為1.41～3.48 mg/L，中位數為2.20 mg/L；TN為0.76～1.79 mg/L，中位數為1.12 mg/L；TP為0～0.040 mg/L，中位數為0.013 mg/L，其余指標調查結果詳見表2和圖2所示。按季節對各水質指標進行單因素方差分析，結果顯示，DO和pH在春、秋季之間無顯著性差異（pgt;0.05），且高于夏季；PCODMn在夏、秋季之間無顯著性差異（pgt;0.05），且高于春季；PTN在各季節之間均無顯著性差異（pgt;0.05）；PTP在夏、秋季之間無顯著性差異（pgt;0.05），且低于春季；其余指標各季節之間均呈現顯著性差異（plt;0.05）。

對各水質指標在上述5個區間段內的沿程變化分別進行M-K檢驗，結果顯示，蘇張-鄭灣區段的水溫（Z=2.39，plt;0.05）、CODMn（Z=3.10，plt;0.01）和DCODMn（Z=2.75，plt;0.01）呈顯著上升趨勢；侯小屯西-南營村區段的水溫（Z=2.21，plt;0.05）和pH（Z=2.22，plt;0.05）呈顯著上升趨勢，DO（Z=-1.98，plt;0.01）和CODMn（Z=-2.39，plt;0.01）呈顯著下降趨勢；大安舍-北大岳區段的DO呈顯著上升趨勢（Z=2.86，plt;0.01），蒲王莊-西黑山區段的水溫（Z=2.40，plt;0.01）呈顯著上升趨勢。其余指標均無顯著性變化趨勢。

3.2 倒虹吸/渡槽對水質影響分析

倒虹吸/渡槽進口與出口水質指標均值差異性檢驗結果見圖3和圖4。倒虹吸/渡槽進、出口的水溫、pH、DTN、DO、DCODMn和DTP等指標在各季節均未呈現顯著性差異（pgt;0.05）；顆粒態指標中，夏季倒虹吸/渡槽出口的PCODMn濃度顯著高于進口處（plt;0.05），但春、秋季無顯著性差異（pgt;0.05），PTN和PTP在各季節均未表現顯著性差異（pgt;0.05）。

倒虹吸/渡槽等水工建筑物對水質指標的影響可能與其引起的水流特性及藻類季節性生長等因素有關。當干渠水流通過倒虹吸/渡槽等水工建筑物時，會經歷過水斷面變窄、水壓變大、水流加快等現象，常常產生較強的水流紊動［14-15］。一方面，水流紊動產生的剪切應力導致輸水渠道內的藻類細胞壁破碎或損壞［16-18］，造成胞內有機物釋放；另一方面，在通過倒虹吸/渡槽等水工建筑物后，水流流速有所減緩［19］，渠道內的浮游藻類以及被沖刷脫落裹挾至出口端的內壁附著藻類［10，20］相對更易聚集，尤其易于聚集在具有水體回流形態的倒虹吸出口［21］，最終造成倒虹吸/渡槽等出口端PCODMn顯著高于入口端。當然，這種差異可能受藻類季節性生長調控。由于有機物濃度與藻類細胞密度呈顯著正相關［22］，而夏季干渠藻類生長旺盛，細胞密度顯著高于其他季節［23-24］，故與春季和秋季不同，夏季由藻類引起的PCODMn在倒虹吸/渡槽進口與出口分布差異顯著。此外，從渠道水動力特征來看，夏季干渠流量、流速均小于春季和冬季，其水動力條件相對更適宜藻類生長［18］，也更有利于顆粒態指標停留。對于溶解態水質指標而言，溶解態物質是以分子或離子形式存在于水中，在干渠水流環境下易于擴散，因此干渠水流通過倒虹吸或渡槽時溶解態物質的濃度不會受到明顯影響。

3.3 退水閘對水質影響分析

退水閘與渠道水體水質指標差異性檢驗結果見圖5和圖6。退水閘與渠道之間的pH在春季呈現顯著性差異（plt;0.05），但夏、秋季無顯著性差異（pgt;0.05），水溫、DO、DTN和DTP等指標在各季節均未表現顯著性差異（pgt;0.05）；顆粒態指標中，PCODMn、PTN和PTP在各季節均未表現顯著性差異（pgt;0.05）。

退水閘與渠道水體水質指標之間的差異可能與水動力調控藻類生長等因素相關。藻類生長對水動力常常表現為“低促高抑”［18，25-26］，有研究表明，中線總干渠的硅藻、綠藻等浮游植物“低促高抑”的臨界流速約為0.4～0.5 m/s［25］，而調查采樣期間研究渠段平均流速介于0.65～0.95 m/s，顯著高于浮游藻類生長的臨界流速，表明渠道水動力條件不利于浮游藻類生長；而相比之，退水閘所處區段為干渠的彎曲部位，在正常輸水條件下，水流向退水閘回旋導致流速顯著降低［11］；相對輸水渠道而言，退水閘處水流環境則對藻類生長更具吸引力。在春季的低溫光照條件下，浮游藻類在退水閘處優先生長繁殖，而受藻類光合作用吸收CO2的影響，造成春季退水閘處pH顯著高于干渠［27］，這也說明此時光合作用主導著退水閘處溶解性CO2含量。郭勁松等［28］研究三峽水庫澎溪河的CO2變化過程時，同樣發現春季（4月）浮游植物生長初期，呼吸作用相對較弱，水體溶解性CO2由光合作用主導。吳劍等［29］在對銅綠微囊藻的室內培養實驗中，發現藻類生長對數期光合作用強烈，培養液pH呈顯著上升趨勢。

除受到水動力的影響以外，藻類生長還受到光照、溫度、溶解氧、營養鹽等多條件的影響。張春梅等［23］研究指出，對干渠浮游植物而言，水溫和營養鹽的影響相較水動力作用更突出。在夏季，光照、水溫及營養鹽對大多數藻類更具優勢［23-24，30-31］的條件下，退水閘處藻類生長的水動力優勢則略顯不足，導致其與輸水渠道之間藻密度差異較小，故由藻類驅動的pH未呈現顯著性差異。在秋季，雖然藻類生長的外界環境與春季比較類似，退水閘水域具有藻類生長的水動力優勢，但經歷過夏季生長高峰后，藻類開始逐步進入衰亡期。以夏季干渠優勢藻種銅綠微囊藻為例，其生長周期約在70 d左右［29］，剛好在秋季開始大量死亡，藻密度開始下降［23］。受藻類衰亡影響，秋季退水閘與輸水渠道之間藻密度差異依然較小，故因藻類光合作用引起的pH未呈現顯著性差異（pgt;0.05）。

另外，藻類光合作用會產氧，但溶解氧的主要驅動因子為水溫，在各季節性水溫條件下明渠溶解氧含量已達到相對飽和的狀態，因此退水閘與輸水明渠之間的溶解氧未產生顯著性差異。對于氮、磷等營養鹽物質，一方面藻類在生長階段會吸收氮和磷，充當“匯”;另一方面藻類分泌或淤積的有機質也會不斷降解而釋放氮和磷，充當“源”，特別是在高pH條件下，沉積物中鐵、鋁等結合態磷釋放通量會增加，而渠道總氮也處于相對高值水平，在一系列生物化學過程的作用下，退水閘處氮、磷等物質變化的凈差異相對渠道本底仍較小，故退水閘與輸水明渠之間的TN、PTN、TP、PTP等指標未產生顯著性差異。

對于有機質而言，一方面藻類在春季處于生長初期，對有機質的貢獻可能相對較少，如DCODMn和PCODMn在春季（生長初期）顯著小于秋季（衰亡期）側面印證了該論點；另一方面藻類生長階段分泌的有機質也會不斷降解，其中顆粒態有機質在退水閘處還會不斷沉降［32］，致使春季藻類驅動的有機質“存量”較小，故退水閘與輸水明渠之間的DCODMn和PCODMn未產生顯著性差異。

4 結 論

（1） 總干渠水質總體良好，水質指標具有時空異質性。時間變化上看，水溫、DO、pH、CODMn、DCODMn、PCODMn、TN、DTN、TP、DTP和PTP等指標季節差異顯著（plt;0.05），PTN季節差異不顯著（pgt;0.05）；空間變化上看，水溫、pH、DO、CODMn和DCODMn在蘇張-鄭灣、侯小屯西-南營村、蒲王莊-西黑山等區間段呈現顯著變化趨勢（plt;0.05），PCODMn、TN、DTN、PTN、TP、DTP、PTP等水質指標沿程無顯著變化趨勢（pgt;0.05）。

（2） 倒虹吸/渡槽等水工建筑物對明渠水體的PCODMn分布產生了影響，且該影響與水動力和季節性因素有關，在夏季出口端PCODMn顯著高于入口端（plt;0.05），春、秋季均不會有顯著性影響（pgt;0.05）；對其他水質指標均未產生顯著影響。

（3） 退水閘對明渠水體的pH分布產生了影響，且該影響與水動力和季節性因素有關，在春季退水閘處pH顯著高于輸水渠道（plt;0.05），在夏季和秋季均不會有顯著性影響（pgt;0.05）；對其他水質指標均未產生顯著影響。

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（編輯：劉 媛）

Influence of hydraulic structure on water quality change in large open channel of water conveyance

XI Gangzheng XIAO Xinzong3，ZHANG Yizhe JIA Haiyan WANG Chao1，2

（1.Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China； 2.Key Laboratory of Ecological Regulation of Nonpoint Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430051，China； 3.China South-to-North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Beijing100038，China）

Abstract： As an important infrastructure of open channel in water conveyance，hydraulic structures may affect the water quality of the channel by changing the hydrodynamic conditions and pollutant migration process.Taking the main canal of the middle route of South-to-North Water Diversion Project as the research object，the influence of hydraulic structures on the water quality of the canal was analyzed through the investigation and sampling at typical hydraulic structures such as inverted siphon/aqueduct and sluice gate.The results showed that：① On the time scale，the seasonal differences of water temperature，DO，pH，permanganate index （CODMn），dissolved permanganate index （DCODMn），particulate permanganate index （PCODMn），total nitrogen（TN），dissolved total nitrogen （DTN），total phosphorus （TP），dissolved total phosphorus（DTP） and particulate total phosphorus （PTP） were significant （Plt;0.05），while the seasonal differences of particulate total nitrogen （PTN） were not significant （Pgt;0.05）.On the spatial scale，the water temperature，pH，DO，CODMn and DCODMn in the investigated canal showed a significant upward or downward trend （Plt;0.05）.② PCODMn at the outlet of inverted siphon/aqueduct and other hydraulic structures was significantly higher than that at the inlet in summer （Plt;0.05），but there was no significant difference in spring and autumn （Pgt;0.05）.In spring，the pH at the sluice gate was significantly higher than that in the water conveyance channel （Plt;0.05），but there was no significant difference in summer and autumn （Pgt;0.05）.The research results can provide a basis for scientifically understanding of the water quality change law in large-scale open channels and optimizing water quality management.

Key words： water quality； hydraulic structure； open channel of water conveyance； main canal of middle route of South-to-North Water Diversion Project

收稿日期：2024-07-18 ；接受日期：2024-09-17

基金項目：湖北省自然科學基金項目（2022CFB342）；水利部重大科技項目（SKS-2022125）；中國南水北調集團科研專項（NSBDZX/SH/KY/2022-001）

作者簡介：習剛正，男，工程師，碩士，主要從事水資源保護和溶質運移研究。E-mail：gzxi@163.com

通信作者：王 超，男，正高級工程師，博士，主要從事水資源保護研究。E-mail：cwwhu@163.com