北京“23?7”特大暴雨對密云水庫上游河道水質影響研究

摘要：

2023年7月，臺風“杜蘇芮”導致北京市及周邊地區(qū)出現(xiàn)災害性天氣，密云水庫上游流域普降大到暴雨。針對密云水庫上游河道水體，選取北京“23·7”特大暴雨前后6個監(jiān)測斷面、9項指標作為研究對象，分析北京“23·7”特大暴雨對密云水庫上游水體水質的影響。結果表明：北京“23·7”特大暴雨過程中，密云水庫上游水體水質變化趨勢顯著。水庫上游河道水體水溫呈先下降后上升趨勢；暴雨中期，pH下降趨勢顯著，濁度上升幅度較大。暴雨期間，水體理化環(huán)境發(fā)生改變，營養(yǎng)鹽及有機綜合指標濃度呈先上漲后漸趨于平穩(wěn)態(tài)勢。

關鍵詞：

水質分析； 環(huán)境影響； 北京“23·7”特大暴雨； 密云水庫

中圖法分類號：X820.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.013

文章編號：1006-0081（2024）07-0074-07

0 引 言

降雨徑流攜帶高負荷營養(yǎng)物質。非點源污染包括 2個過程，首先是非點源污染負荷的坡面產(chǎn)生-輸移過程，即累積在流域地表的污染物受到降水沖刷作用，隨著徑流的形成和泥沙的輸移在陸地坡面產(chǎn)生污染負荷，并隨徑流與泥沙的輸移在流域內增加和衰減，最終到達河道；第二個過程指非點源污染物在河道內的遷移轉化過程［1］。不同降雨強度的徑流，其沖刷和稀釋能力會影響氮磷元素的輸出［2］。降雨量越大，降雨對地表的沖刷作用越強，隨著徑流量的增大，沖刷效果增強，河道水體氮磷濃度將發(fā)生變化。

董欣等［3］研究了城市降雨屋面、路面徑流水文水質特征。趙劍強等［4］分析了高速公路路面徑流水質特性、排污規(guī)律及其對河流水質的影響。程紅光等［1］研究得出：當降水大于400 mm后，吸附態(tài)氮和溶解態(tài)氮入河系數(shù)隨降水增加而增加。降雨形成的徑流是非點源污染物遷移的載體［5］。然而，少有學者研究降雨對河道水體水質的影響。“23·7”特大暴雨是密云水庫上游流域10 a來首場大暴雨，本文在對暴雨前后逐周水質進行監(jiān)測的基礎上，分析此場暴雨對密云水庫上游河道水體水質的影響，旨在為減小暴雨對密云水庫水體水質風險提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 密云水庫上游流域概況

密云水庫位于北京東北方向密云區(qū)境內，北緯40°19′～41°38′，東經(jīng)115°25′～117°35′。水庫流域地勢西北高、東南低，河道彎曲，坡陡流急，具有山高、坡陡、溝深及流急等特點［6］。上游河道涉及清水河、安達木河、潮河、芒牛河、白馬關河、湯河、天河、渣汰河、白河、琉璃廟河及對家河等河流。其中，潮河和白河是密云水庫主要入庫河流，分別發(fā)源于燕山山脈的承德和張家口，流經(jīng)京津地區(qū)匯入渤海。白河入庫和潮河入庫分別下設張家墳水文站和下會水文站。

密云水庫上游流域屬中緯度大陸性季風氣候，降雨主要集中在6～9月。1998年7月6日洪峰流量達2 600 m3/s，1972年7月28日洪峰流量為2 250 m3/s，1974年7月25日洪峰流量為1 610 m3/s，分別為密云水庫建庫以來第一大洪水、第二大洪水及第三大洪水。2023年7月31日，密云水庫上游流域降水表現(xiàn)為暴雨級別，局地大暴雨，累計來水量1.24億m3。其中，白河張家墳水文站洪峰流量高達1 430 m3/s，成為密云水庫建庫以來第四大洪水。

2023年7月31日，密云水庫上游流域強降雨，短時雨強大，主要集中在密云水庫上游白河中下游，河道洪水漲幅明顯。監(jiān)測顯示：7月31日，平均小時雨強達112.9 mm，7月29日08∶00水位173.44 m，流量0.174 m3/s；截至8月3日，水位已達173.49 m，流量達0.464 m3/s。 此次流域降雨過程從7月29日開始至8月3日結束，7月29日為小雨1.3 mm，7月31日為大暴雨100.2 mm，8月2日為小雨3.8 mm［7］。

1.2 水質監(jiān)測方法

1.2.1 監(jiān)測斷面布設

依據(jù)地表水監(jiān)測斷面設置原則［8］，斷面在總體和宏觀上應能反映水系或區(qū)域水環(huán)境質量狀況，各斷面具體位置應能反映區(qū)域環(huán)境污染特征，盡可能以最少的斷面獲取足夠代表性的環(huán)境信息。考慮到北京“23·7”特大暴雨集中在白河流域，空間分布上，選取密云水庫上游流域的白河流域及上游代表性強的河流，白馬關河、湯河、天河、渣汰河、白河及對家河，依次布設石佛橋、喇叭溝門、四道河、牛圈子、大關橋及水堡橋共6個水質監(jiān)測斷面。密云水庫流域監(jiān)測斷面布設見圖1。

1.2.2 監(jiān)測指標與測定方法

及時將采集的徑流水樣送至實驗室，并于 24 h內進行水質監(jiān)測指標分析。根據(jù)北京“23·7”特大暴雨徑流污染特征，選定9個水質指標進行分析，包括理化指標4項（水溫、pH、溶解氧及濁度），營養(yǎng)鹽及有機污染綜合指標5項（高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝氮、總磷及總氮），各指標監(jiān)測方法見表 1。

2 “23·7”特大暴雨對水庫上游水質影響

2.1 密云水庫河道水質現(xiàn)狀

以GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》［9］為評價依據(jù)，選取地表水環(huán)境質量標準項目24項、集中式生活飲用水地表水源地補充項目5項。密云水庫上游河道水體，除營養(yǎng)鹽及有機綜合指標符合地

表水環(huán)境質量標準Ⅲ類外，其余28項均符合地表水環(huán)境質量Ⅱ類標準。

2.2 密云水庫上游河道水質影響

2023年7月29日至8月3日，受臺風“杜蘇芮”影響，密云水庫流域出現(xiàn)明顯強降雨過程，流域平均降雨量120 mm，張家墳水文站10 h內連續(xù)測得1 000 m3/s和1 430 m3/s洪峰值。本文分析北京“23·7”特大暴雨對密云水庫水質影響，在時間序列上，定義7月17～24日為暴雨前階段，7月31日至8月7日為暴雨中階段、8月21～28日為暴雨后階段。分析前中后階段密云水庫上游河道水體水質變化趨勢，9項指標實測數(shù)據(jù)如表2所示。

2.2.1 理化指標變化

（1） 水溫。上游6條主要河道水體水溫呈現(xiàn)先下降后緩慢上升趨勢，尤以對家河河道水體變化最為明顯，渣汰河河道次之。與暴雨前階段相比，暴雨中階段上游河道水體平均水溫下降6.3%；與暴雨中階段相比，暴雨后階段上游水體平均水溫上升5.5%。強降雨入河道水體，會引起水層的迅速交換。北京“23·7”特大暴雨強度較大，密云水庫10 h迎來雙洪峰。截至8月3日，密云水庫流域已近飽和狀態(tài)，五大區(qū)間之一的對家河首先產(chǎn)生徑流。較冷的雨水與河道水體表層的“熱水”迅速融合，導致水體表層的“熱水”溫度迅速降低。這與密云水庫流域上游6條河道中對家河河道水體水溫降幅最大相符（圖2）。

（2） pH。“23·7”暴雨中階段，密云水庫上游河道水體pH下降趨勢顯著。其中，石佛橋和水堡橋監(jiān)測斷面pH下降幅度最大，7月31日環(huán)比上周均下降6.9%。雨水的酸化受制于降水強度，雨水中的 H+濃度隨降水強度的減弱而升高，這取決于大氣中水汽與酸性氣體的接觸時間［10］。 暴雨后階段，隨著雨水強度的減弱，pH有下降的趨勢。對家河河道和白河河道變化趨勢明顯，暴雨后階段環(huán)比暴雨中階段，水堡橋和大關橋監(jiān)測斷面pH分別下降47%及70%，降幅居6個監(jiān)測斷面之首（圖3）。此外，pH降低的原因還包括水體缺乏陽光照射，藻類產(chǎn)氧通道被阻斷，導致水體在雨強較大時溶解氧快速降低。

（3） 濁度。北京“23·7”特大暴雨前中后階段，密云水庫上游河道水體濁度變化趨勢較為一致，如圖4所示。相比較于白馬關河、天河、對家河，渣汰河、湯河以及白河的濁度上升幅度較大。其中，湯河及白河7月31日濁度環(huán)比上周均上漲13倍，而渣汰河環(huán)比上周上漲11倍。6條主要河道水體暴雨中階段平均濁度環(huán)比暴雨前階段平均濁度上漲458%，而暴雨后階段環(huán)比暴雨中階段下降87%。這是因為暴雨產(chǎn)徑流攜帶懸浮物匯入河道水體，水體懸浮物和濁度顯著上升。在暴雨的后階段懸浮物逐漸減少，濁度漸降（圖4）。

（4） 溶解氧。溶解氧是衡量水體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標之一，其含量的高低對水生生物、水環(huán)境、水體化學特性等方面都有著明顯的影響［11］。通過圖5可以看出，水庫上游6條主要河道水體的溶解氧均呈波浪式變化。溶解氧的大小決定水體的物理、化學和生物化學活性。以白河河道水體大關橋監(jiān)測斷面為例，溶解氧與溫度的變化趨勢呈現(xiàn)明顯相關性，水溫升高，溶解氧降低，反之亦然。這是因為水體溶解氧濃度在壓力穩(wěn)定的前提下，隨溫度變化而變化，水溫越低，溶解氧含量越高。

2.2.2 營養(yǎng)鹽及有機綜合指標分析

北京“23·7”特大暴雨對密云水庫上游河道水體水質的影響分析包括營養(yǎng)鹽及有機綜合指標5項：總磷、總氮、硝酸鹽氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)。整個暴雨過程中，密云水庫主要河道水體的營養(yǎng)鹽濃度受暴雨影響明顯，呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。降雨是河道水體受面源污染的重要誘因，具體分析如下。

（1） 總磷。磷是一種難以移動的元素，進入土壤的磷極易被土壤固定，土壤養(yǎng)分是面源污染的重要影響因子。在北京“23·7”特大暴雨前中后階段，密云水庫上游6條主要河道水體，總磷濃度變化趨勢一致。與暴雨前階段相比，暴雨中階段上游河道水體總磷平均濃度上漲196%；與暴雨中階段相比，暴雨后階段上游水體平均下降70%。 暴雨中階段總磷濃度最高值出現(xiàn)在湯河的喇叭溝門監(jiān)測斷面，7月31日，該斷面總磷濃度達0.17 mg/L（圖6）。總磷包括溶解的、顆粒的、有機和無機形態(tài)的磷。湯河河道水體總磷濃度迅速上升，是高強度的降雨對湯河流域面源污染的集中匯聚，土壤養(yǎng)分流入湯河河道，導致喇叭溝門監(jiān)測斷面總磷濃度升高幅度大。渣汰河河道牛圈子監(jiān)測斷面的總磷濃度雖不是6個監(jiān)測斷面中最高的，但其7月31日的總磷濃度漲幅最大，環(huán)比上周漲700%。這與密云水庫流域降水面雨量密切相關，四海雨量監(jiān)測站監(jiān)測顯示渣汰河降雨量最大，高強度的降雨對農田土壤總磷的沖刷作用顯著，河道水體總磷濃度升幅明顯。

（2） 總氮。密云水庫上游河道水體總氮濃度變化趨勢見圖7。7月31日，石佛橋、喇叭溝門、四道河、牛圈子、大關橋和水堡橋監(jiān)測斷面的總氮濃度環(huán)比上漲390%，480%，219%，163%，26%及7%。其中，湯河河道水體的總氮濃度上升幅度最大，白馬關河、天河升幅緊隨其后。6條河道水體中，除白河河道水體外，其他5條河流水體總氮濃度均在7月31日出現(xiàn)峰值，白馬關河及對家河河道水體總氮濃度已達7.87 mg/L及5.87 mg/L，分別超GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準Ⅱ類標準》14.7倍及10.7倍。暴雨后階段密云水庫上游6條主要河道水體總氮濃度環(huán)比暴雨中階段下降36.2%，而暴雨中階段環(huán)比暴雨前階段上漲89.1%。顯然，暴雨后的第3周，上游河道水體總氮濃度未恢復至暴雨發(fā)生前濃度。河道平均濃度為2.74 mg/L，高出暴雨前階段20.7%。

（3） 氨氮。氨氮是水體中的營養(yǎng)素，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害［12］。水中的氨氮可以在一定條件下轉化成亞硝酸鹽，如果長期超量飲用，亞硝酸鹽將和蛋白質結合形成亞硝胺，有強致癌特性，不宜于人體健康。氨氮對水生物起危害作用的主要是游離氨，其毒性比銨鹽大幾十倍，并隨堿性的增強而增大。密云水庫上游河道水體氨氮呈下降趨勢，因此，在暴雨中后階段氨氮的毒性短期內不會釋放。密云水庫上游河道水體氨氮濃度變化趨勢見圖8。暴雨前、中、后階段，6條河道水體平均氨氮濃度分別為0.20，0.57，0.28 mg/L。7月31日，氨氮環(huán)比上周漲幅濃度居前3的是對家河河道、白河河道以及天河河道，分別上漲464%、430%及275%。

（4） 硝酸鹽。硝酸鹽具有較高的流動性，被認為是流域內農業(yè)面源氮素污染的主要存在形式［13］。研究發(fā)現(xiàn)，在一些高風險時期，如降水事件［14］，水化學組成及硝酸鹽氮氧同位素的變化較大。流域水體的硝酸鹽濃度變化與土地利用類型有很強的相關性［15］。由圖9得知，白馬關河、湯河、天河及渣汰河暴雨中階段環(huán)比前階段，硝酸鹽氮濃度分別上漲754%，356%，201%及155%。由此可見，密云水庫上游流域6條主要河道中，白馬關河及湯河流域的農業(yè)面源污染，對此次暴雨密云水庫上游流域營養(yǎng)鹽變化趨勢貢獻較大。

（5） 高錳酸鹽指數(shù)。北京“23·7”特大暴雨期間，密云水庫上游河道水體有機綜合指標高錳酸鹽指數(shù)變化情況如圖10所示。暴雨前、中、后階段，6個主要監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢相一致。暴雨中階段，6條河道水體平均值環(huán)比暴雨前上升27.5%。7月31日，白馬關河、湯河、天河、渣汰河、白河及對家河的高錳酸鹽指數(shù)環(huán)比上周分別上漲60.0%，13.0%，28.6%，13.6%，38.1%及43.8%。可以看出，白馬關河、對家河及白河水體受有機和無機可氧化物質污染的程度相對較大。在暴雨后階段，6條主要河道水體高錳酸鹽指數(shù)平均值降為2.27 mg/L，符合GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅱ類標準。

3 結論與建議

“23·7”特大暴雨作為密云水庫上游流域10 a來首次大暴雨，受土壤養(yǎng)分以及地質水文等影響，密云水庫上游河道水體徑流中硝酸鹽氮濃度變化幅度相對較大，湯河總氮濃度變化最大，渣汰河總磷變化最大。密云水庫上游6條主要河道水體營養(yǎng)鹽濃度均呈現(xiàn)暴雨中階段上升、后階段下降趨勢。4項營養(yǎng)鹽指標中，暴雨中階段環(huán)比暴雨前階段，漲幅最大的指標是硝酸鹽氮，達243%；暴雨后階段環(huán)比暴雨中階段，降幅最大的指標是總磷，幅度為70%。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，暴雨3周后，6條主要河道平均營養(yǎng)鹽濃度，除總磷外，總氮、氨氮及硝酸鹽氮均未恢復到暴雨前水平。由此可見，北京“23·7”特大暴雨對密云水庫上游河道水體影響較大的是氮系列。

為降低暴雨引發(fā)密云水庫上游河道水體水質惡化風險，有效降低強降雨沖刷引發(fā)的非點源污染對密云水庫水質的影響，建議高度重視降雨預警應急響應工作，并采取以下措施。

（1） 修復生物群落。生物的新陳代謝驅使物質循環(huán)，建立穩(wěn)定的循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有較強的污染自凈能力，降低暴雨徑流引發(fā)水質惡化現(xiàn)象發(fā)生幾率。

（2） 開展氮源污染調查。從密云水庫上游流域出發(fā)，以白馬關河、湯河以及對家河流域重點。密云水庫上游潮河流域、白馬關河流域、近密云水庫分水嶺外側及內側流域面源污染風險因子較高［16］。優(yōu)化白馬關河及湯河流域農業(yè)種植結構，減小這3個流域的氮養(yǎng)分源。

（3） 減小暴雨徑流引發(fā)的磷源流失風險。可通過作物磷高效利用基因型的改良與定向培育，施用含解磷菌的菌肥，如果能充分挖掘及利用這部分磷，不僅可以節(jié)省大量資金與能源，而且加快磷的生物循環(huán)，有效阻止磷素的流失及對環(huán)境的污染，對維護生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)及農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要的作用［17］。

（4） 截除點源污染，規(guī)范流域污染物排放。嚴禁糞便隨意堆放和排放，畜禽糞便歸田實現(xiàn)其資源化利用。加強公眾呼吁，實現(xiàn)堆放垃圾、生活污水傾倒、糞便排放均各自到指定處置區(qū)域。

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（編輯：李 慧）

Influence of Beijing′s \"23·7\" heavy rainfall on water quality of upper reaches of Miyun Reservoir

LUAN Fangfang

（Beijing Miyun Reservoir Management Office，Beijing 101512，China）

Abstract：

Due to the influence of typhoon \"Dusuri\"，the upstream basin of Miyun Reservoir was affected by heavy rainfall. Aiming at the water body of the upstream channel of Miyun Reservoir，this paper selected 9 indicators，the physical and chemical indexes of 6 main monitoring sections and comprehensive indexes of nutrient salt and organic pollution before and after the Beijing \"23·7\" heavy rainstorm as research objects to analyze the influence of the \"23·7\" heavy rainstorm on the water quality of the upstream water body of Miyun Reservoir. The results showed that the water quality indexes of \"23·7\" main rivers had an obvious changing trend with the heavy rainstorm process. After the heavy rainstorm，the water temperature of the upstream channel of Miyun Reservoir decreased first and then rised slowly，and the pH decreased significantly and the turbidity increased greatly in the mid-period of the rainstorm. With the change of physical and chemical environment of water body，the concentration of nutrient salt and organic comprehensive index increased first and gradually stabilized during the whole rainstorm period.

Key words：

water quality analysis； environmental impact； Beijing \"23·7\" heavy rainstorm； Miyun Reservoir