引洮工程水源地水質變化分析

缐 萍

(甘肅省臨洮水文站，甘肅 臨洮 730500)

1 研究背景

1.1 工程簡介

引洮工程地處卓尼縣藏巴哇鄉境內，是目前甘肅省最大的跨流域調水工程，解決了甘肅中部干旱地區的用水問題，同時也改善了周邊的苦、咸水質。引洮工程水源地是洮河上的九甸峽水庫，正常蓄水位2202m，其庫容為9.43億m3，2022年向周圍5市13個縣區供水量達1.73億m3，受益人口約600多萬。因為供給地區廣，掌握其水源地水質實際狀況對所處地區的健康平衡發展具有促進作用。目前關于引洮工程質量建設方面以及工程受水區水質問題的研究較多，如張成儉[1]等結合TBM掘進機施工特點為后期隧洞施工提供前期地質指導與預報，楊梅霞[2]等通過對工程通水后安定區水質指標前后變化的研究，發現通水后安定區農村飲用水水質的合格率得到了提高，但以水源地水質的研究鮮見報道。因此，本文以九甸峽水庫為研究對象，對它的指標濃度、水質類別情況等進行長序列的研究，以期從中尋找問題、發現規律，對保障兩岸人民的飲水安全，引洮工程水資源的優化調度起到借鑒作用。九甸峽水質站分布如圖1所示。

圖1 九甸峽水質站分布圖

1.2 水質判別依據與數據來源

水質判別以地表水環境質量標準GB 3838—2002為準，地表徑流和水質指標信息來源于甘肅省臨洮水文站。

1.3 季節性Kendall檢驗法介紹

Mann-Kendall檢驗法是由H.B.Mann和M.G.Kendall提出來的，被廣泛的運用到了各種領域，其中也包括水質變化趨勢的分析當中。這一方法屬于非參數方法，它不受少數異常值的干擾，也不需要樣本遵從一定的分布，因此，在分析某一斷面n年逐月的長序列監測數據上比較適用，Mann-Kendall檢驗過程可簡要概括為以下步驟：

(1)

式中，x11～xnp—每月的水質濃度數據；xnp—第n年p月的濃度值。

(2)

式中，Si—不同年份第i月歷年水質序列相比較的差值之和。

(3)

式中，ni—第i月水質參數中未漏測值的個數。

(4)

(5)

趨勢檢驗顯著水平α的表達式為：

(6)

顯著性水平α的界限可定為0.01和0.1，當0.01<α≦0.1時，可認為趨勢檢驗是顯著的；當α≦0.01時，則認為具有高度顯著性水平；當α>0.1時，則認為不存在趨勢。τ作為統計量，可以用來判斷趨勢的走向，若τ>0，則趨勢呈上升情況；若τ<0，則呈下降情況；當τ=0時，被認為沒有趨勢[3-5]。

1.4 流量調節法

污染物輸送率通量為濃度與同步流量的乘積，通過它的變化趨勢，可以對污染物總量的增減進行分析判斷。由于九甸峽水庫的流量不易測得，其上游岷縣斷面的流量易獲取，可根據歷年的岷縣流量資料，對庫區上游污染物輸送率進行趨勢分析，從而推求得到九甸峽水庫污染物總量的變化情況，但這種推求不能顯示是否是由流量變化引起了污染物濃度的變化。據報道引起河流水質變化的因素諸多，譬如：流域內植被、土壤、降雨、徑流及人類活動等，但主要原因還是河道污水的排放和徑流的變化[6]。因此，對流量調節后的水質指標濃度進一步開展季節性Kendall檢驗就顯得十分必要，通過檢驗可以分析是污染源因素還是流量因素引起的水質變化，進而確定下來污染類型是點源還是面源污染。在流量調節濃度變化趨勢分析中，一般采用以下7種流量校正方程：①ρ=a+bQ；②ρ=a+bInQ；③ρ=a+b/Q；④Inρ=a+bInQ；⑤ρ=a+bQ+cQ2；⑥ρ=a+b/(1+cQ)；⑦Inρ=a+bInQ+c(InQ)2。公式中ρ為指標物質的濃度；Q為采樣斷面的河水流量；a、b、c為回歸常數，分析時應用。

2 結果與分析

2.1 水質指標濃度等級評價

一般影響水質的主要指標有氨氮、溶解氧、高錳酸鹽指數、總磷等，對九甸峽庫區而言，其重金屬項目常年處于未檢出狀態，高錳酸鹽指數濃度歷年約為1.5mg/L，小于Ⅰ類水標準限值2mg/L，對水質類別的變化沒有影響，影響較大的為氨氮，2012—2021年氨氮年平均濃度的變化如圖2所示。

圖2 2012—2021年九甸峽氨氮年平均濃度變化

從2012年初始的0.348mg/L降至2021年的0.199mg/L，下降了約43%，庫區的水質呈現出越來越好的狀態(氨氮Ⅰ類水標準限值為0.15mg/L)。在這些年間，選擇介于豐水年和枯水年之間的2019年研究其指標濃度隨季節變化規律，如圖3所示。由圖3可以看到溶解氧的含量大小為冬季>春季>秋季>夏季、氨氮的變化為秋季>夏季>春季>冬季、高錳酸鹽指數的變化為冬季>夏季>秋季>春季。根據歷年資料數據，流量的大小為夏季>秋季>春季>冬季，其中流量的大小關系與溶解氧的剛好相反，上游補給水量大時，水庫中溶解氧含量反而變低，溶解氧濃度值夏季最低，冬季最大，這是由于冬季氣溫低、氣壓大導致水中溶解氧氣的含量增大，而到夏季時隨著氣溫升高，氧氣在水中溶解的能力變低，而水中生物的活動加劇，生物耗氧量隨之增大，地表徑流的大量補給也可能帶來了一些需氧污染物，致使水中耗氧量增加，使得溶解氧的濃度在一年之中夏季達到了最低。高錳酸鹽指數濃度的大小反映了水體中有機和無機可氧化物質污染的程度，按季節來看其值沒有發生大起大落的變化，都小于Ⅰ類限值，對水質類別沒有影響。氨氮值夏秋2個季節的濃度要高于冬春季節，因為水庫是一個極其復雜的生態系統，影響因素眾多，結合上游流量和水庫蓄水、泄洪方面考慮，氨氮夏秋季節濃度增高原因之一可能是這2個季節為汛期，大氣降水比較多，大量未被農作物利用的氮化合物、垃圾滲出液等被農田排水和地表徑流帶入河流，以及水庫泄洪導致庫內水體摻混使得底泥含氮污染物向上覆水體中釋放共同作用所致。

圖3 2019年九甸峽不同指標濃度季節變化

2.2 水質類別占比率

九甸峽水庫從2012年開始監測，2012年監測頻次為一季度1次，共4次，2013—2016年期間，監測頻次為2個月一次，每年6次；2017—2021年，監測頻次為每月1次，每年12次，每次均在每月上旬進行采樣送往實驗室檢測，同時進行加標回收、全程序空白等質量控制，以保證檢測的準確性。通過GB 3838—2002評價標準對2012到2021年采集數據進行評價匯總，見表1(總氮不參評)。

表1 2012—2021年九甸峽水庫水質類別占比

由表1可知，水質類別經常保持在Ⅰ、Ⅱ類，在這10a間，Ⅰ類水質占比為12×100%/88=13.6%，Ⅱ類水質占比為75×100%/88=85.2%，Ⅲ類水質占比為1×100%/88=1.14%，其中Ⅱ類水質占比最大，Ⅰ類水質占比次之，Ⅲ類水質事件為偶發事件，占比率最低，通過對比說明九甸峽水庫水質類別基本常年穩定在Ⅱ類。在總氮參評條件下，水質則降到了Ⅲ、Ⅳ類，說明總氮參不參評對水質的影響是比較大的。

2.3 研究斷面指標濃度趨勢分析

由于河道水庫的指標濃度受汛期、非汛期等其它因素的綜合影響，單方面研究其年均濃度變化顯得不夠全面，因此，可選擇不同年份同一月份的數據進行Kendall趨勢分析，以避免流量周期性變化帶來的一些影響。2012—2021年九甸峽與岷縣斷面的趨勢分析結果見表2。

表2 2012—2021年研究斷面指標濃度趨勢分析

研究表明九甸峽的指標項目氨氮、高錳酸鹽指數、總磷沒有顯著性變化，溶解氧變化趨勢為顯著上升，說明庫區水質是逐年改善的，上游岷縣斷面，經分析其高錳酸鹽指數、溶解氧、總磷濃度無明顯變化趨勢，氨氮變化趨勢為顯著下降，氨氮是水體中的主要耗氧污染物，值越大，水質越差；值越小，水質越好，濃度變化趨于降低趨勢，說明其水質呈現逐漸優化的狀態，與下游水質變化方向一致。

2.4 指標濃度輸送率、流量調節濃度趨勢變化分析

指標濃度輸送率可反映物質總量的變化情況，研究2012—2021年岷縣斷面指標濃度輸送率變化情況，結果見表3。

表3 岷縣斷面污染物輸送率變化趨勢分析

由表3可知氨氮、高錳酸鹽指數、溶解氧、總磷的顯著性水平a>0.1，濃度輸送率在研究時段沒有明顯的升降趨勢。

因此在研究指標濃度時可以引入流量，計算出流量與濃度相關性最好的公式，就可以體現出流量對濃度的影響情況，進而分析相關物質的主要污染源。由于庫區流量的不易測得性，因此，轉而對庫區上游岷縣斷面流量調節濃度進行趨勢分析，從而確定進入庫區化學物質的來源。經分析計算，可得各指標項目的流量校正公式、相關系數、指標濃度趨勢分析結果，見表4—5。

表4 岷縣站流量調節方程回歸常數及相關系數計算結果

指標濃度輸送率可以體現物質總量的變化，但不容易反映流量對濃度的影響大小。為了進一步研究流量與濃度的關系，對流量校正后的濃度進行趨勢分析，表5顯示在研究年份間，高錳酸鹽指數、溶解氧、總磷的流量調節濃度為無明顯升降趨勢，氨氮項目的變化趨勢則為高度顯著降低趨勢，這一結果與氨氮的指標輸送率趨勢的變化結果不一致，說明流量和污染源對濃度的變化起了影響作用，結合流量與質量濃度的變化分析，考慮氨氮的污染源主要為非點源污染。

表5 流量調節后的評價指標濃度趨勢分析結果

3 結論

(1)通過對引洮工程水源地九甸峽水庫近十年來的研究，發現水中化學物質的濃度與季節變化有一定的關系，水源地在研究時段內水質逐年優化、變好，由于河道水庫水質影響因素眾多，通過上游斷面流量調節濃度變化分析顯示流量和污染源對進入水庫指標濃度均有影響作用，其污染源主要考慮以非點源污染為主。水源地水質變化的指標主要為氨氮和總氮，總氮值過大，有潛在引起富營養化的風險，建議對九甸峽所處洮河流域上游進行總氮控制，從而降低氮排放，以達到人水共同和諧發展。

(2)本文在水源地富營養化方面未進行進一步探討，存在不足，在后續研究中還應對相關指標進行論證，綜合、全面解析水源地水質整體狀況。