變化環(huán)境下洋河水庫水質(zhì)及蓄水變量相關(guān)性分析

(河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

隨著秦皇島市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源供需矛盾日益凸顯，《秦皇島市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出，2020年要以“一路雙線、東西互濟(jì)、三庫聯(lián)調(diào)、四區(qū)雙水”的供水基本框架，構(gòu)建多水源互補(bǔ)、豐枯調(diào)劑的供水安全網(wǎng)絡(luò)。洋河水庫是供水網(wǎng)絡(luò)中主要地表水源地之一，設(shè)計(jì)總庫容為3.86億m3。近些年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，水庫富營養(yǎng)化問題時(shí)有發(fā)生，部分時(shí)間水質(zhì)無法達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

該問題已經(jīng)引起諸多專家學(xué)者關(guān)注，早在2013年，孫耀恒等[1]就開展了AGP實(shí)驗(yàn)，探尋了水庫富營養(yǎng)化成因；馮建社等[2]2014年針對污染現(xiàn)狀進(jìn)行了評價(jià)并提出了防治對策。此后李鳳彬等[3]把重點(diǎn)放在了上游污染源調(diào)查分析上；陳平、李大鳴等[4-5]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了上游面源污染負(fù)荷的空間分布特征。上述研究成果為水質(zhì)治理提供了重要參考。秦皇島市近幾年加大上游環(huán)保監(jiān)管力度，組織編制了《洋河水源地安全保障達(dá)標(biāo)建設(shè)實(shí)施方案》，2015年開始，縣、市兩級政府先后籌資興建了雨花臺(tái)、雙望、富貴莊等多個(gè)污水處理廠并逐步開始運(yùn)營。本文選取2014—2018年逐月水質(zhì)評價(jià)數(shù)據(jù)，首次結(jié)合水溫指標(biāo)從水庫蓄水變量相關(guān)性角度嘗試分析了變化環(huán)境下洋河水庫水質(zhì)營養(yǎng)化情況。

1 研究區(qū)概況

1.1 水庫自然地理狀況

洋河水庫位于撫寧區(qū)大灣子村北，水庫控制流域面積為755km2，為洋河總流域面積的68%，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、旅游等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。水庫75%保證率可供水量為0.61億m3，95%保證率可供水量為0.33億m3。洋河水庫為東北—西南走向不規(guī)則的狹長矩形區(qū)域，東西長約42.7km，南北寬約37.7km，地勢東北高西南低，境內(nèi)較大支流主要有東洋河、西洋河、迷霧河和麻姑營河。

1.2 改善水質(zhì)所采取的工程措施

盧龍縣內(nèi)建設(shè)養(yǎng)殖小區(qū)49個(gè)(含附屬設(shè)施)，實(shí)現(xiàn)畜禽集中養(yǎng)殖，污染物收集治理。實(shí)施甘薯淀粉粉漿水收集工程，建設(shè)粉漿水收集池187個(gè)。擬實(shí)施洋河水庫一級保護(hù)區(qū)隔離防護(hù)工程。

西洋河上游流域建設(shè)污水處理廠6座，總處理規(guī)模11.55萬m3/d，主要收集處理生活和生產(chǎn)污水以及河段污水，具體見表1。

表1 洋河上游污水處理廠建設(shè)情況

2 數(shù)據(jù)收集分析及評價(jià)方法

本文主要收集了2014—2018年逐月降水、氣溫系列整編資料，逐月洋河水庫壩前水位及蓄水變量系列整編資料，逐月水質(zhì)監(jiān)測成果資料。

依據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級方法，主要采用總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a(Chl-a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、透明度(SD)指標(biāo)，根據(jù)計(jì)算營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(EI)值確定水質(zhì)營養(yǎng)化程度。20

圖1 2014—2018年逐月水庫富營養(yǎng)化情況

3 相關(guān)性分析研究

將2014—2018年每月蓄水變量數(shù)值及水溫?cái)?shù)據(jù)分別繪制折線圖，并把相應(yīng)月份的總磷、總氮值疊加，同葉綠素a指標(biāo)也分別繪制折線圖，見圖2。

圖2 2014—2018年逐月水庫富營養(yǎng)化情況

通過圖1、圖2，可以較為明顯地看出：

a.蓄水變量變化趨勢和總磷、總氮及葉綠素a指標(biāo)的變化趨勢基本一致，主要表現(xiàn)在汛期6—8月及9月蓄水變量增加出現(xiàn)峰值時(shí)，總磷、總氮及葉綠素a指標(biāo)均會(huì)隨之增加，出現(xiàn)尖峰；當(dāng)汛前4月、5月及6月蓄水變量減少出現(xiàn)波谷時(shí)，響應(yīng)指標(biāo)也逐漸減少，表現(xiàn)出波谷。

b.水溫每年變化較為穩(wěn)定，7—9月溫度達(dá)到最高出現(xiàn)峰值，而葉綠素a指標(biāo)也隨之出現(xiàn)峰值。冬季溫度較低情況下出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化的情況，主要是營養(yǎng)鹽含量底值較高，即受上一年度累計(jì)量影響。如2015年12月出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化后，在無明顯降雨因素情況下，營養(yǎng)鹽量持續(xù)保持較高水平，至2016年1—4月，仍出現(xiàn)輕富營養(yǎng)化情況。同樣，2016年11月營養(yǎng)鹽含量較高也影響了2017年1—2月的水質(zhì)。

c.縱向分析，2014—2018年輕度及中度富營養(yǎng)化發(fā)生月份呈現(xiàn)下降趨勢，并且2018年總氮、總磷及葉綠素a指標(biāo)值均呈現(xiàn)出下降趨勢。

通過上述分析，蓄水變量增加，即水庫來水時(shí)，相應(yīng)總磷、總氮等因子隨之變大，匯入水庫后導(dǎo)致水庫水質(zhì)變差，這與之前學(xué)者研究成果吻合，說明汛期來水?dāng)y帶了大量污染因子。為進(jìn)一步量化這種關(guān)聯(lián)關(guān)系，選用灰色關(guān)聯(lián)分析法(灰色關(guān)聯(lián)分析法基于的是因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，是衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法)，將2014—2018年每年蓄水變量數(shù)據(jù)、葉綠素a和總磷、總氮的疊加數(shù)據(jù)分別進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。蓄水變量關(guān)聯(lián)度最好年份為2015年，達(dá)到0.64；最差年份為2016年，為0.36；5年平均值為0.48。葉綠素a關(guān)聯(lián)度最好的年份是2017年，達(dá)到0.63；最差是2018年，為0.36；5年平均值為0.47。具體見表2、表3。

表2 2014—2018年蓄水變量和TP+TD關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

表3 2014—2018年葉綠素a和TP+TD關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文分析了2014—2018年洋河水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，通過近5年水庫富營養(yǎng)化情況及總磷、總氮指標(biāo)分析，輕度及中度富營養(yǎng)化發(fā)生月份呈現(xiàn)下降趨勢，并且2018年總氮、總磷及葉綠素a指標(biāo)值也呈現(xiàn)出下降趨勢，初步說明了近幾年洋河水庫上游規(guī)劃建設(shè)的諸多工程措施以及市、縣兩級政府加大環(huán)保力度已初見成效。

通過分析，蓄水變量變化趨勢和總磷、總氮及葉綠素a指標(biāo)的變化趨勢基本一致，主要表現(xiàn)在蓄水變量增加出現(xiàn)峰值與減少出現(xiàn)波谷時(shí)，總磷、總氮及葉綠素a指標(biāo)響應(yīng)指標(biāo)也逐漸減少，表現(xiàn)出波谷。由灰色關(guān)聯(lián)分析法得知，蓄水變量數(shù)據(jù)和總磷、總氮的疊加數(shù)據(jù)5年平均關(guān)聯(lián)度為0.48，而葉綠素5年平均關(guān)聯(lián)度為0.47，為中等程度相關(guān)。在上游污染源治理工作基礎(chǔ)上，通過需水變量和水質(zhì)之間的相關(guān)性分析，進(jìn)而通過對水庫蓄水量改變達(dá)到預(yù)防水質(zhì)惡化和調(diào)節(jié)水質(zhì)的目的，具有較重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。

4.2 建議

限于水質(zhì)監(jiān)測資料僅有月數(shù)據(jù)，在相關(guān)性分析過程中月度內(nèi)的變化不能夠被反映出來，且影響水質(zhì)變化的因素較多，近幾年降水量年際變幅較大，建議進(jìn)一步開展相關(guān)研究和增加水質(zhì)變化期間的數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)參考。