馮家山水庫水質變化及其成因分析

郭 華,陳 勇,李高民,馬耀光

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;2.南京市水利規劃設計院,江蘇 南京 210006;3.馮家山水庫管理局,陜西 寶雞 721300)

水庫是最重要的水資源開發利用工程,有防洪、灌溉、工業用水、發電、養殖、旅游等多種效益,許多水庫是城鎮居民主要的生活水源。了解水庫水質現狀,分析其變化規律及原因,為水源保護與流域水環境管理提供依據,對維護供水安全、發揮水庫功能和提高管理水平具有重要意義。

1 馮家山水庫概況

1.1 馮家山水庫概況

馮家山水庫位于黃河二級支流千河下游,控制流域面積3232 km2,約占千河總面積的93%。流域中上游呈扇形,中下游略呈東西窄南北長的矩形,流域平均寬度為23 km,其支流呈羽狀分布。設計總庫容 3.89×108m3,除險加固后設計總庫容4.13×108m3,具有 18 km 的回水區,是以工業、農業、城市供水為主,兼有防洪、發電、養殖等綜合功能的大型水利工程[1]。

隨著一、二級電站的建成以及引馮濟羊輸水工程、寶雞市第二發電廠供水工程、寶雞市市區供水工程相繼投入運行,馮家山水庫供水逐步從傳統的農業灌溉轉化為向相鄰灌區調劑供水、工業供水、城市供水等多元化發展。馮家山水庫從1974年下閘蓄水到2009年底,總進庫水量110.99×108m3,累計出庫水量122.91×108m3。

1.2 水庫水質監測概況

2001年陜西省水環境監測中心寶雞分中心對水庫水質實施監測,每月上、中、下旬旬初采樣一次,采樣點在壩前 1 km斷面,分左、中、右三點,采樣深度在水面下50cm。主要監測指標為高猛酸鹽指數(CODMn)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)和揮發酚三個指標。按《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002),高錳酸鹽指數(CODMn)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)符合II類標準限值;揮發酚低于0.002 mg/L,達到Ⅰ類水質標準,綜合水質評價為Ⅱ類,水質良好,并符合飲用水水質標準。

為了解水庫水體在空間上的污染分布情況,2011年4月中旬對水庫水質進行補充測樣。馮家山水庫有18 km回水區,從壩前開始每0.5 km設置一個監測斷面,共設30個監測斷面,每個斷面分左、中、右三點,在水面下50cm取水樣。主要監測指標除了高猛酸鹽指數(CODMn)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)和揮發酚外,還有氯離子和六價鉻離子。并對水庫上游干流水質及重點污染源進行追蹤調查,進一步了解馮家山水庫的污染來源,分析水質變化原因。

2 水庫水質的時空變化規律

2.1 水質的空間變化

對2011年4月采集的監測水樣進行測定,因馮家山水庫屬河道型水庫,河寬較小,橫斷面水質無明顯差異,可將各斷面的平均值作為斷面監測結果。在30個流程斷面中,高錳酸鹽指數(CODMn)只有接近水庫入口的4個斷面超過II類標準限值,亞硝酸鹽氮濃度均小于0.011 mg/L;揮發酚濃度均小于等于0.002 mg/L,達到I類水質標準;Cl-濃度符合I類水質標準250mg/L。六價鉻離子的檢出含量均小于0.01 mg/L。由圖1和圖2的沿程分布圖可看出,CODMn、Cl-、NO2-N濃度均沿流程呈緩慢衰減趨勢,CODMn的縱向空間變化顯著,衰減較快;Cl-沿程變化很小,NO2-N含量較少,但變化幅度較大。水質的空間變化不會產生適用功能的差異,因此,馮家山水庫的現狀水質保持良好,符合城市供水和飲用水水質要求。

圖1 高錳酸鹽指數CODMn和Cl-的沿程分布

圖2 亞硝酸鹽氮的沿程分布

2.2 水庫水質隨時間的變化

2.1.1 年內變化

采用2004-01-01～2009-12-21的旬水質監測資料,計算其月平均值,分析水庫水質指標隨時間的變化情況。馮家山水庫控制流域面積占千河總流域面積的93%,因此千河徑流與馮家山水庫水質有密不可分的聯系。將1957～2009年千河月徑流量數據進行頻率分析可知,2004、2006、2008和2009年為枯水年,2007年為中水年,2005年為豐水年。2008年是來水頻率92%的枯水年,其年內分配不均,對水質的自凈更為不利,因此選取2008年作為典型枯水年分析。

由圖3和圖4可看出,徑流量與污染物濃度趨勢基本相反,2008年汛期為8月～10月,CODMn和NO2-N在汛期的濃度都有明顯下降趨勢,因為汛期時的大量來水降低了污染物濃度。1月～7月和8月～12月CODMn都與徑流量成反比,7月～8月雖然來水量減少,且經過非汛期水庫長期的自凈作用,但水質依然有下降的趨勢。5月～8月天氣漸暖,人類活動增加,農作物殘留農藥和人類排泄物等含氮污染物進入水庫而造成污染物濃度增大,因此此期間NO2-N隨著入庫水量的增加而增加,進入汛期大量來水又使NO2-N濃度大大降低[2]。

圖3 2008年馮家山水庫月徑流量與CODMn含量

圖4 2008年千河徑流量與馮家山水庫NO2-N含量

2.1.2 水質年際變化規律

將2004年～2009年旬水質監測數據繪圖。從圖5和圖6可看出,高錳酸鹽CODMn和NO2-N都隨季節的變化而波動,其中NO2-N變化幅度更大,二者都有較明顯的下降趨勢。

圖5 2004年～2009年馮家山水庫高錳酸鹽CODMn變化

圖6 2004年～2009年馮家山水庫亞硝酸鹽氮變化

水庫水質變化具有季節性,偏差系列相關,且馮家山水庫水質監測資料序列較短,因而采用季節性Kendall檢驗法分析其趨勢。季節性Kendall檢驗法能有效克服水質變量季節性的差異,而且還可以克服水質數據不呈正態分布而進行相應統計而產生的弊端[3]。

根據2004年～2009年馮家山水庫水質監測序列,用Kendall秩次相關方法檢驗高錳酸鹽指數和NO2-N是否存在明顯變化趨勢。公式為:

式中:τ為Kendall統計量;Var為方差;M為標準變量;Z為水質指標序列中所有對偶觀測值(Xi,Xj,j＞i)中出現Xi＜Xj的個數;N為序列長度。

計算高錳酸鹽和亞硝酸鹽氮濃度的Kendall標準化變量分別為MCOD=-10.43,MNO2-N=-9.29。取顯著性水平 α=0.05,α相應的檢驗臨界值Mα=1.96。可得|MCOD|、|MNO2-N|均大于 Mα,且相差較大。因此馮家山水庫高錳酸鹽指數和亞硝酸鹽氮的濃度均有減小的趨勢,且高錳酸鹽指數比亞硝酸鹽氮濃度下降更為明顯。說明馮家山水庫水質在進一步好轉。從圖5和圖6能直觀看出其濃度下降趨勢。

3 污染源調查

污染源一般被劃分為點源和非點源。點源是指以點狀形式排放而使水體造成污染的發生源,比如工業廢水通過排污口將污染物排入水體;非點源污染是相對點源而言,即溶解的和固體的污染物從非特定的地點,在降水(或融雪)沖刷作用下,通過徑流過程而匯入受納水體并引起水體的富營養化或其他形式的污染,比如農業污染[4-6]。

3.1 工業點源污染

對馮家山水庫造成污染的主要有工業污染、農業污染和生活污染等。馮家山水庫控制面積約占千河流域總面積的93%,因此排入千河的污染物為水庫污染的主要來源。

分析表1,主要工業污染源為造紙廠,生活污染主要來自于千陽縣,揮發酚唯一來源為紙業公司。而磷主要來源于生活污染和農業污染。迄今為止,污染物排放負荷和強度相對較小,未對馮家山水庫水質產生顯著的污染威脅。

3.2 農業面源污染

農業面源污染是在農業生產活動中,氮和磷等營養物質以有機或無機污染物質的形式,通過地表徑流和農田滲漏形成的水環境污染,主要包括化肥污染、農藥污染、集約化養殖場污染等。表2為千河流經各縣農業用地、化肥使用情況[7]。

表1 千河主要排污口統計調查表

表2 千河流域農業用地與施用化肥

研究表明,在傳統的灌溉方式條件下,施入農田的氮磷化肥中,大部分被土壤顆粒所吸附,作物對氮素的利用率只有20%～35%,揮發到大氣中有5%～10%,其他氮素隨降水徑流和滲漏被流失。施入農田中的磷肥,作物利用率約為10%～20%,50%～60%被土壤顆粒吸附固定,部分隨降水徑流從農田中排出進入水體。化肥中的營養成份流失到水域中,一方面造成化肥的損失,另一方面也會造成地表水體富營養化和地下水體硝酸鹽污染。因此較低的化肥利用率,不僅造成浪費,還大大增加了水體中污染物濃度。

根據中國農村統計年鑒資料,陜西省2005年農藥使用量為9888 t,其中殺蟲劑占70%,殺蟲劑中應逐步淘汰的占70%,其中高毒農藥又占到70%。陜西是個水土流失嚴重的省份,進入土壤后的農藥大部分隨地表徑流進入江河,一部分滲入地下水,飄浮在空中的農藥最終隨降雨、地表徑流進入河流和湖泊[8-9]。

據調查,全年平均畜禽類糞便產生量約為1.1×104t,由于部分地區未對糞便進行無害化處理或處理不當,使畜禽糞便中的重金屬、礦物質、微量元素、色素等有害物質直接排入周邊的水塘、土壤,對環境造成了難以恢復的影響。

按城市生活污水排放量為150 L/(人·d)～400 L/(人·d)計算,隴縣、千陽縣每日產生生活污水量依次約為:4.17×104m3、1.64×104m3。總的特點是含氮、含硫和含磷高,在厭氧細菌作用下,易生惡臭物質。隴縣生活污水處理廠、隴縣人民醫院、隴縣中醫醫院、城關鎮西關衛生院、隴縣婦幼保健院的廢水處理設施生產能力嚴重不足,COD成為該縣的主要污染物。

3.3 千河的自凈作用

千河流域的工業污水、生活污水及農業面源污染物經千河水流的部分降解凈化作用后進入馮家山水庫,成為水庫水質的潛在污染威脅。對馮家山水庫上游千河干流代表性河段進行污染物凈化能力監測和分析,結果表明,千河水質較好,大多數斷面水質符合Ⅱ類標準和水體功能要求,少數斷面為Ⅲ、Ⅳ類水質。按污染物指數衰減模型分析,主要污染物Cr6+、CODMn和氨氮通過氧化、生物降解、泥沙吸附沉淀、硝化作用和揮發等凈化作用產生衰減,其衰減指數分別為0.268/km、0.267/km和0.266/km。

4 水庫水質的影響因素分析

4.1 影響水庫水質的主要因素

影響水庫水質的影響因子有入庫徑流量、點源排污、流域面源污染、底泥污染物釋放、水庫庫容和地下水水質等,其中與水庫水質相關度最為密切的是徑流量和流域污染的強度與方式。

由馮家山水庫年內水質變化可知(圖3、圖4),水質指標濃度與徑流量成負相關關系,徑流量越大污染物濃度越低,水質愈好;與點源污染與面源污染負荷成正相關關系,排入水體污染物越多,水庫污染物濃度越高。有效控制污染物排放量、排放強度和排放時間,可逐漸改善水質。由圖5和圖6可看出,水庫水質正在逐年改善。

在長期的沖刷沉淀中,水庫淤積的底泥中沉積了一定的污染物,當底泥中的可溶性污染物釋放到水庫水體中會造成水庫水質變差,因此及時排除庫底淤泥對保持水庫水質有積極的作用。水庫庫容越大,自凈能力越強,水質恢復能力越強,因此當枯水年時應適當降低污染物排放量以保證水庫水質。水庫水量一部分來自于地表徑流,另一部分來自于地下水的匯入,流域的地下水水質與水庫水質關系密切,保證地下水水質對水庫水質至關重要。

4.2 馮家山水庫水質保育的必要措施

根據以上分析,為保持馮家山水庫水質保育提出以下幾點建議:

(1)由于工業污染為點源污染,較面污染容易控制。對于向寶雞提供城市供水的馮家山水庫應嚴格限定各工業單位的排污量、排污強度和排污時間。因為污染物濃度與來水量成反比,可在汛期適當增大排污量和排污強度,非汛期加以嚴格控制以保證水質。

(2)及時清理庫底淤泥,不僅增加庫容提高水庫利用率和利用年限,而且降低底泥釋放污染物的危險。

(3)監測補給水庫地下水的水質動態。由于地下水水質一旦污染危害較大,加強地下水補給水質的監測是十分必要的。

5 結 論

通過對馮家山水庫蓄水及運行期間水質變化的分析,可得如下結論:

(1)2004～2009年馮家山水庫水質監測序列表明水質符合II類水質標準和飲用水水質標準。馮家山水庫的各水質指標隨流程呈衰減趨勢,入庫濃度最高,到壩前濃度最小。受徑流量影響,汛期水質一般比非汛期好,且污染物濃度隨徑流量的增大而減小。用Kendall秩次相關方法檢驗,主要污染指標高錳酸鹽指數和亞硝酸鹽氮都存在明顯的下降趨勢,表明流域水環境治理與污染控制對水庫水質保護有良好效果。

(2)馮家山水庫的主要污染源為造紙、石油等工業污染源,千陽縣和隴縣的城鎮生活污染源,以及流域的農業生產活動產生的面源污染;千河干流氨氮的自凈衰減指數為0.266/km。千河流域的工業污水、生活污水及農業面源污染物經千河水流的部分降解凈化作用后進入馮家山水庫,成為水庫水質的潛在污染威脅。

(3)影響水庫水質的影響因子有徑流量、水庫庫容、納污量、農業面源污染、底泥污染物釋放和地下水水質等,其中與水庫水質相關度最為密切的是徑流量。

(4)此外,應加強環保宣傳力度,提高全民環保意識。重點向農村普及保護水資源的知識,比如:推廣綠色無害養殖技術,不亂排放生活廢水等措施減輕面污染源。

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