南水北調(diào)中線總干渠高錳酸鹽指數(shù)影響因素分析

關鍵詞：高錳酸鹽指數(shù)；藻類增殖；輸水流量；本底濃度；總干渠；南水北調(diào)中線工程中圖法分類號：TV68；X52 文獻標志碼：A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.06.004

0 引言

南水北調(diào)中線工程是解決中國華北地區(qū)水資源配置的戰(zhàn)略工程，輸水總干渠全長 1432km ，水質(zhì)管理十分重要。自2014年通水以來，中線總干渠輸水水質(zhì)總體優(yōu)良，絕大多數(shù)指標穩(wěn)定在地表水I類，僅高錳酸鹽指數(shù)在Ⅱ類標準限值（ 2mg/L 附近波動，且呈現(xiàn)出沿程升高的趨勢[]。高錳酸鹽指數(shù)表征水體中還原性有機物含量，與水體溶解氧含量密切相關[2]。高錳酸鹽指數(shù)持續(xù)升高可能導致溶解氧過度消耗，影響水生態(tài)系統(tǒng)健康和良好水質(zhì)的維持能力。為保障總干渠輸水水質(zhì)持續(xù)向好穩(wěn)定優(yōu)良，高錳酸鹽指數(shù)成為中線總干渠水質(zhì)管理關注的重要指標[3] 。

南水北調(diào)中線總干渠由陶岔取水口從丹江口水庫取水，水庫來水決定了總干渠高錳酸鹽指數(shù)的本底濃度，沿程的輸水過程也可能對高錳酸鹽指數(shù)的變化產(chǎn)生影響。陶岔來水決定了有機物組分和結構特征以及自凈能力[4]，從而影響高錳酸鹽指數(shù)的沿程變化；陶岔輸水流量與渠道水流速度密切相關，從而影響到有機物的降解速率和渠道停留時間[5-6]，也可能對高錳酸鹽指數(shù)的消減量產(chǎn)生影響。研究表明，丹江口水庫高錳酸鹽指數(shù)基本在 2mg/L 以下，但中線總干渠長距離輸水過程中，由于藻類增殖影響，高錳酸鹽指數(shù)呈現(xiàn)出沿程升高的趨勢，導致部分斷面超過 2mg/L^[7] 。水庫來水和渠道沿程增量都是影響渠道高錳酸鹽指數(shù)的重要因素，明確水庫來水與渠道高錳酸鹽指數(shù)的對應關系，對于總干渠水質(zhì)管理十分重要。

本文基于南水北調(diào)中線總干渠陶岔取水口和渠道沿程水文水質(zhì)長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究陶岔來水和藻類沿程增殖對渠道高錳酸鹽指數(shù)的影響，重點探討總干渠高錳酸鹽指數(shù)超過 2mg/L 對應的陶岔來水高錳酸鹽指數(shù)閾值，為總干渠水質(zhì)管理提供參考。

1 材料和方法

選取2017年1月至2023年12月中線總干渠30個常規(guī)監(jiān)測斷面（圖1）的逐月水質(zhì)指標展開分析，其中陶岔一侯小屯西15個斷面位于河南省境內(nèi)；漳河北一霸州11個斷面位于河北省境內(nèi);惠南莊、團城湖2個斷面位于北京市境內(nèi)；王慶坨和天津外環(huán)河2個斷面位于天津市境內(nèi)。高錳酸鹽指數(shù)的測定方法參照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》。對各斷面所有月份的高錳酸鹽指數(shù)和陶岔斷面的流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，各斷面計算高錳酸鹽指數(shù)的平均值、中位值。以陶岔斷面的高錳酸鹽指數(shù)濃度作為水庫來水濃度，同步收集陶岔逐日輸水流量，并按月取均值。陶岔、沙河南、鄭灣、漳河北、大安舍、西黑山、惠南莊、天津外環(huán)河8個斷面開展了藻密度監(jiān)測，監(jiān)測頻次為每旬一次，取月平均值。

采用多元線性回歸模型分析陶岔來水本底濃度、輸水流量和渠道藻密度對渠道高錳酸鹽指數(shù)的影響。應變量為渠道30個監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)平均值的逐月數(shù)據(jù)，自變量為陶岔來水高錳酸鹽指數(shù)的逐月數(shù)據(jù)、輸水流量逐月平均值，以及渠道8個監(jiān)測斷面藻密度平均值的逐月數(shù)據(jù)。交互作用回歸是分析不同因素之間交互作用對應變量影響的常用方法，比如 ^x1，x2 x3 三個自變量，若考慮 _x1 和 x2 的交互，則再生成一個變量為 x1×x2 ，并引人模型考察顯著性即可[8]。采用二元logistic回歸模型分析輸水流量和藻密度的交互作用對渠道高錳酸鹽指數(shù)的影響。回歸模型的復相關系數(shù)表征所有自變量對應變量的解釋比例，自變量的回歸系數(shù)各自變量對應變量影響的相對大小。多元回歸分析在SPSS19.0中完成。

2 結果分析

2.1 總干渠高錳酸鹽指數(shù)變化

2017～2023 年總干渠高錳酸鹽指數(shù)變化如圖2所示。不同時間高錳酸鹽指數(shù)在 1.4～3.5mg/L 范圍內(nèi)變化，年度變化較大。 2017～2019 年，高錳酸鹽指數(shù)中位值基本穩(wěn)定在 2mg/L 以下，最大值均超過2mg/L;2020 年夏季有所升高，中位值在 2mg/L 以上，最大值達到 3.5mg/L 左右；2021年較2020年有所降低，整體在 2mg/L 以下；2022年再次升高至 2mg/L 以上，中位值達到 2.4mg/L 左右；2023年高錳酸鹽指數(shù)再次降低至 1.8mg/L 左右。

2.2 輸水流量和來水高錳酸鹽指數(shù)變化

陶岔輸水流量在大部分時段在 150～400m³/s 之間波動，其中 2017～2019 年平均約為 150m³/s ，2020～2023 年平均約為 250m³/s 。輸水流量季節(jié)變化規(guī)律明顯，一般每年5～7月出現(xiàn)峰值（如2018年，2020年， 2021～2023 年），部分年份 10～11 月份出現(xiàn)峰值（如 2017～2019 年，2021年）。部分高流量伴隨高錳酸鹽指數(shù)升高，這種現(xiàn)象在 2020～2022 年最為明顯。2020年4＼～6月，隨著陶岔流量增加，高錳酸鹽指數(shù)逐漸升高，達 2mg/L 以上， 6～10 月，隨著陶岔流量減小，高錳酸鹽指數(shù)逐漸降低至 1.8mg/L;2021 年 8～ 11月，陶岔流量增加，高錳酸鹽指數(shù)由 1.8mg/L 升高至 2.3mg/L;2022 年 6～11 月，陶岔流量由 400m³/s 以上，降低至 250m³/s 左右，高錳酸鹽指數(shù)由2.1mg/L 降低至 1.4mg/L （圖3）。

2.3 總干渠藻密度變化

總干渠藻密度均值的變化見圖4。藻密度季節(jié)變化規(guī)律顯著，基本在每年7＼～9月份藻密度達到峰值，如2017年1月低于100萬cells/L，8月出現(xiàn)峰值600萬cells/L，12月回落到約180萬cells/L。藻密度年際差異較大，2019和2020年藻密度峰值達850萬cells/L和1300萬cells/L，高于其他年份;2023年藻密度峰值400萬cells/L，低于其他年份。

2.4 多元回歸分析結果

多元回歸分析結果見表1。多元回歸復相關系數(shù)為0.815，說明3個自變量可以解釋總干渠高錳酸鹽指數(shù)變化的 80% 以上。陶岔來水高錳酸鹽指數(shù)、總干渠藻密度、陶岔輸水流量的標準化回歸系數(shù)分別為0.902，0.168和-0.020，說明陶岔來水高錳酸鹽指數(shù)對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的解釋能力最強，其次為總干渠藻密度。陶岔輸水流量的顯著性 Pgt;0.050 ，說明輸水流量對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的解釋作用不顯著。交互作用回歸結果顯示，輸水流量和藻密度的交互作用對渠道高錳酸鹽指數(shù)影響不顯著。

3討論

3.1 陶岔來水對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的影響

總干渠輸水流量的變化與丹江口水庫的水位變化以及上游入庫水量密切相關。根據(jù)丹江口水庫調(diào)度規(guī)程，每年9月水庫開始蓄水， 10～11 月一般為高水位時段[9];5～7月為豐水期，丹江口水庫入庫水量豐沛，因此總干渠輸水流量較大。陶岔來水的高錳酸鹽指數(shù)在 1.4～2.4mg/L 之間波動，季節(jié)變化不明顯，但年度變化顯著。由于丹江口水庫有機物含量總體較低，且具有很強的自凈和緩沖能力，因此陶岔來水高錳酸鹽指數(shù)沒有表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，僅在豐水年份由于流域有機物輸入增加而出現(xiàn)含量上升現(xiàn)象[10]

對典型來水條件下總干渠高錳酸鹽指數(shù)的沿程變化進行分析發(fā)現(xiàn)（圖5），來水高錳酸鹽指數(shù)最高時（2022年4月， 2.4mg/L ），陶岔以下監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)沿程降低，均大于 2mg/L ；來水高錳酸鹽指數(shù)最低時（2022年10月， 1.4mg/L ），陶岔以下監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)沿程升高，均小于 2mg/L ;來水流量最大時（2020年6月， 411m³/s? ，陶岔以下監(jiān)測斷面沿程升高，僅有1個斷面低于 2mg/L ；來水流量最小時（2017年2月， 68.31m³/s ），陶岔以下監(jiān)測斷面沿程升高，有半數(shù)以上斷面低于 2mg/L 。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能有兩方面原因： ① 大流量輸水通常出現(xiàn)在夏秋季節(jié)，水庫上游降雨較多，流域面源輸入污染負荷規(guī)模較大[]，導致水庫高錳酸鹽指數(shù)升高; ② 大流量通常伴隨水庫高水位，丹庫所在淅川縣庫岸，特別是陶岔取水口附近分布有大量緩坡消落地，庫周群眾無序耕種問題較為普遍[12]，高水位淹沒后存在污染物釋放的問題[13]。

根據(jù)渠道與陶岔來水的高錳酸鹽指數(shù)的分析結果，二者變化規(guī)律基本一致。從相關系數(shù)看，渠道高錳酸鹽指數(shù)變化的 80% 可通過來水本底濃度解釋，這主要是由于中線總干渠沿程不與其他地表徑流相交，避免了其他徑流對渠道水質(zhì)的影響[14-15]。相比于來水本底濃度，輸水流量對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的影響相對較弱。研究表明，大流量來水時產(chǎn)生的高流速，可能造成淤積物再懸浮[16-17]，使水體中有機物質(zhì)濃度增加，高錳酸鹽指數(shù)沿程升高[18-19]。但從回歸結果來看，輸水流量的作用并不顯著，可能是渠道淤積物較少的原因。總體來看，來水本底濃度是總干渠高錳酸鹽指數(shù)最主要的影響因素，輸水流量和陶岔來水的高錳酸鹽指數(shù)有一定相關性，但對渠道高錳酸鹽指數(shù)無顯著影響。

3.2 藻類沿程增殖對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的影響

對總干渠藻類溶解性有機質(zhì)的研究表明，藻類是驅(qū)動渠道高錳酸鹽指數(shù)變化的主要機制[20]。從圖6可以看到，藻密度和高錳酸鹽指數(shù)都呈現(xiàn)出明顯的沿程上升趨勢，二者的同步變化意味著藻類生長過程對高錳酸鹽指數(shù)有密切影響。藻類生長代謝過程會產(chǎn)生大量有機物，成為高錳酸鹽指數(shù)主要來源。藻類生長代謝過程中，會釋放溶解性有機物[21]，這些有機物易被高錳酸鹽氧化，對高錳酸鹽指數(shù)會產(chǎn)生明顯的貢獻[22]。渠道溶解性有機質(zhì)的各組分中，與渠道藻類生長和代謝密切相關的微生物代謝物所占比例最高。藻類殘體的分解也會產(chǎn)生大量有機物[23]，造成高錳酸鹽指數(shù)升高。從渠道碳平衡角度來看，藻類光合作用將無機碳轉(zhuǎn)化為有機碳輸入渠道，藻類有機殘體通過沉降、淤積等途徑在渠道滯留，最終會分解釋放到渠道水體[24]。實際上，在一些退水閘死水區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)藻類殘體大量淤積導致上覆水體水質(zhì)指標升高的現(xiàn)象。

3.3 其他因素對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的影響

總干渠高錳酸鹽指數(shù)沿程升高，主要是因為總干渠的高錳酸鹽指數(shù)變化受到渠道內(nèi)源以及一些外源因素的影響。研究發(fā)現(xiàn)，除渠道藻類外，大氣干濕沉降、橋面雨水徑流、淤積物內(nèi)源釋放和一些偶發(fā)性污染源都可能導致渠道內(nèi)高錳酸鹽指數(shù)升高[25-27]。研究表明，大氣氮磷沉降對南水北調(diào)中線干線河南段水質(zhì)的潛在影響顯著，氮、磷沉降量與水分因子顯著相關，且對水質(zhì)變化的影響可達 18% ；氮沉降通量具有明顯的季節(jié)變化，與降雨量的變化趨勢一致，且隨降雨量的增加而增大[28]。橋面雨水徑流中可能攜帶多種污染物，如懸浮物、油類物質(zhì)等。這些污染物在降雨初期尤為顯著，隨著降雨時間的延長，污染物濃度會逐漸下降[26]。中線干渠沿線可能存在歷史積累的污染物，這些污染物在沉積物中逐漸積累，當環(huán)境條件發(fā)生變化（如水溫 ?pH 、氧化還原電位等），沉積物中的污染物可能會重新釋放到水體中，對局部區(qū)域水質(zhì)產(chǎn)生影響[3]。從多元回歸結果來看，來水濃度和渠道藻類增殖對渠道高錳酸鹽指數(shù)的解釋比例超過 80% （ R²= 0.815），說明其他因素對渠道高錳酸鹽指數(shù)并沒有形成主導影響。

3.4 高錳酸鹽指數(shù)與渠道水質(zhì)類別的關聯(lián)分析

從水質(zhì)管理角度，總干渠各斷面在什么條件下可能發(fā)生大范圍渠段超過 2mg/L 的現(xiàn)象（由I類變?yōu)棰蝾悾┦枪芾聿块T最為關心的問題。考慮到來水本底濃度是渠道高錳酸鹽指數(shù)的決定性因子，對陶岔高錳酸鹽指數(shù)與總干渠高錳酸鹽指數(shù)超 2mg/L 斷面數(shù)量進行關聯(lián)分析（圖7）。當陶岔高錳酸鹽指數(shù)升高時，總干渠超過 2mg/L 斷面數(shù)量隨之升高，這種現(xiàn)象在2020年5～9月和2021年10月至2022年8月尤其明顯。為進一步獲得來水本底濃度對總干渠高錳酸鹽指數(shù)的影響閾值，對陶岔高錳酸鹽指數(shù)與總干渠高錳酸鹽指數(shù)超 2mg/L 斷面數(shù)量進行散點圖擬合分析。結果表明，來水本底濃度與總干渠高錳酸鹽指數(shù)呈現(xiàn)出分段函數(shù)關系。來水高錳酸鹽指數(shù)較低的條件下，與渠道高錳酸鹽指數(shù)超 2mg/L 斷面數(shù)量關系不明顯；來水高錳酸鹽指數(shù)較高時，與渠道高錳酸鹽指數(shù)超2mg/L 斷面數(shù)量有顯著線性關系。這主要是因為來水本底濃度較低時，渠道本身的增量對高錳酸鹽指數(shù)影響較大；隨著來水本底濃度的升高，其對渠道高錳酸鹽指數(shù)的影響逐漸占據(jù)主導地位。擬合結果顯示，當陶岔高錳酸鹽指數(shù)高于 1.8mg/L 左右時，總干渠高錳酸鹽指數(shù)超過 2mg/L 斷面數(shù)量很可能達到半數(shù)以上。水質(zhì)管理過程中，可以 1.8mg/L 作為參考值，當陶岔來水的高錳酸鹽指數(shù)超過該值時，應加強藻類調(diào)控，如設置攔藻網(wǎng)或其他物理裝置減少藻類在水體中的擴散，通過除藻多功能船、除藻攔污設施、濾食性魚類等方法來捕獲、收集和移除藻類，以及通過沿線節(jié)制閘的優(yōu)化運行形成抑制藻類生長的水動力條件。通過上述手段減少渠道高錳酸鹽指數(shù)的沿程增量，盡量減少其超過2log/L 斷面數(shù)量。由于陶岔來水是渠道高錳酸鹽指數(shù)的決定性因子，而陶岔來水水質(zhì)取決于丹江口庫區(qū)及上游的來水水質(zhì)。因此，推進丹江口庫區(qū)及其上游水質(zhì)保護工作，是確保中線工程輸水水質(zhì)優(yōu)良的根本途徑，

4結論

（1）南水北調(diào)中線工程總干渠高錳酸鹽指數(shù)在1.4～3.5mg/L 范圍變化，年度變化較大。 2017～ 2019年中位值基本穩(wěn)定在 2mg/L 以下， 2020～2022 年波動上升至 2mg/L 以上，2023年高錳酸鹽指數(shù)再次降低至 1.8mg/L 左右。

（2）陶岔來水本底濃度是總干渠高錳酸鹽指數(shù)最主要的影響因素。陶岔來水的高錳酸鹽指數(shù)在1.4＼～2.4mg/L 之間波動，與總干渠高錳酸鹽指數(shù)顯著相關（多元回歸標準化系數(shù) 0.902，Plt;0.001） ；陶岔輸水流量季節(jié)變化規(guī)律明顯，與總干渠高錳酸鹽指數(shù)相關性不顯著。

（3）渠道藻類增殖導致總干渠高錳酸鹽指數(shù)產(chǎn)生沿程增量。藻類生長代謝過程產(chǎn)生有機物，渠道藻密度與高錳酸鹽指數(shù)變化具有高度同步性，藻密度與總干渠高錳酸鹽指數(shù)顯著相關（多元回歸標準化系數(shù)0.168，Plt;0.01） 。

（4）陶岔來水高錳酸鹽指數(shù)升高時，總干渠超過2mg/L 斷面數(shù)量隨之升高；當陶岔高錳酸鹽指數(shù)高于1.8mg/L 左右時，總干渠高錳酸鹽指數(shù)超過 2mg/L 斷面數(shù)量很可能達到半數(shù)以上。

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（編輯：劉媛）

Abstract：Thepermanganateindexisanimportantindicatorinthewaterqualitymanagementof themaincanalofthe Southto-North WaterDiversion MiddleRouteProject.Basedonthelong-term monitoringdata from3Omonitoring sections along the maincanalfrom2O17to2023，theimpactsoftheincomingwaterfrom Taochaandthedownstreamproliferationofalgaeonthe permanganateindexofthecanal wereanalyzed.Theresultsshow thatthepermanganateindex inthemaincanalvaries withinthe range of 1.4～3.5 mg/L，with significant anual fluctuations.The permanganate index of the incoming water from Taocha fluctuatesbetween 1.4～2.4mg/L，anc l issignificantly correlated with thepermanganate index in the main canal（standardized multiple regression coefficient is 0.902，Plt;0.001 ）. The water flow in Taocha fluctuates between 70～400m³/s，i n which some high flowbringsalonganincreaseofthepermanganateindexintheincomingwater，oweverithasnosignificantcorrelationwiththe permanganate indexof the maincanal.The average algae densityin thecanal shows significant seasonal variations，reaching a peakfromJulytoSeptembereachyearanditissignificantlyorelatedwiththepermanganateindexofthemaincanal（standardized multiple regression coefficient is 0.168，Plt;0.01 ）.The'background concentration of the incoming water from Taocha is the mostmportantfactorfectingthepermanganateindexofthemaincanal，andteproliferatioofalgaeinthecanalleadstocer tainincreaseinthepermanganateindexalong thecanal.Whenthepermanganateindexoftheincoming waterfrom Taochaishigher than 1.8mg/L ，the number of sections in the main canal where the permanganate index exceeds 2mg/L islikelyto reach more thanahalf.Theresearch results can provideabasis for formulating waterqualitymanagement measures for the main canal.

Key words：permanganate index；algae proliferation；diverted waterflow；background concentration；maincanal;South-toNorthWaterDiversion Middle Route Project