金盆水库汛期高浊水径流的潜入及热分层水体水质响应

曾 康,黄廷林,马卫星,周子振,李 扬 （西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055）

金盆水库汛期高浊水径流的潜入及热分层水体水质响应

曾 康,黄廷林*,马卫星,周子振,李 扬 （西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055）

以西安金盆水库为研究对象,在汛期通过对河流区至库区的水温、浊度、DO和营养盐等水质指标进行连续监测,探究降雨径流的潜入规律及热分层水体水质动态响应特性.结果表明：在外界气温变化条件下,水库出现季节性热分层现象.汛期径流的汇入导致下温跃层消亡,热分层稳定性减弱；汛期径流水体携带大量颗粒态营养盐物质和泥沙以异重流形式潜入,其流态从过渡区的底层潜流向主库区间层流转变,潜入初期间层流厚度达20m.降雨早期异重流的潜入导致中下层水体的TN、TP、TOC显著增加,水体平均TN、TP、TOC、浊度最高分别超出平时 0.2,2,0.6,16倍,水质呈现短时高污染负荷.底层潜流水体水温较高,大量沉降于沉积物中的颗粒态污染物分解速率加快,內源污染负荷进一步提高,底层水体中TN、TP、TOC浓度高达1.88,0.05,4.6mg/L；汛期可通过分层取水方案和排放高浊水来保障供水安全.关键词：营养盐；浊度；异重流；热分层；内源污染

近年来,由于国民经济发展需要,我国对大量的河流进行拦河筑坝,河流水库化呈现逐年增长趋势［1］.2010～2012年我国开展了第一次全国水利普查,普查结果［2］表明,近几十年我国大量地兴建水库,至2011年底,已建成水库97246座,总库容8104.1亿m3,在建水库756座,总库容1219.02 亿 m3.河流筑坝拦截后,水动力强度降低,水库水深大幅增加,水环境会发生类似天然湖泊的季节性热分层现象［3］.影响水体热分层结构的因素包括内部和外部条件的变化,其中入流水温影响极大［4］.陆俊卿等［5］通过三维非线性RNG浮力流模型分析了入库条件对污染物输移的影响,张士杰等［6］建立三维水温模型对二滩水库水温结构进行数值模拟,结果表明库区上游入流量和入流水温能显著地影响水温结构.近来我国强降雨极端天气愈加频繁,汛期强降雨径流能显著改变入库条件,特别是在入流量大小和紊动性方面,与平时相比差异显著,从而对水库热分层结构造成一定冲击.已有大量研究［7-9］表明汛期降雨径流一般以密度异重流形式潜入水库水体,异重流主要存在3种不同流态：表层流、间层流、潜流［10］.大量悬浮颗粒态物质会随降雨径流汇入水库,特别是在降雨早期阶段,这种现象尤其突出［8］.大量悬浮颗粒态物质的汇入一方面能造成水库沉积物淤积,降低水库蓄水能力［2］,另一方面会改变水体的水质特征,增加水体的营养盐负荷,提高水厂水处理成本［11］.

目前对汛期降雨径流的研究工作主要集中于密度异重流的数值理论模拟［12］,而对现场异重流的潜入形态以及对应的营养盐输移、对热分层水体的扰动、水质变化规律研究较少,本研究将采用多断面剖面持续水质监测的方法,探求汛期径流对水库水体影响机理,为水源水库水质污染防控和水厂分层取水调控提供理论依据.

1　材料与方法

1.1研究区域概况

黑河金盆水库（33°58′N～34°3′N；108°9′E～108°13′E）位于陕西省西安市周至县境内,距西安市 86km,是一项以城市供水为主,兼有农灌、发电、防洪等综合利用的大型水利工程.水库于2002年建成运行,水库总库容2亿m3,有效库容1.77亿m3,最大水域面积4.68km2,大坝坝顶高程为600m,最大坝高130m,正常高水位为594m,死水位高程 520m.水库位于秦岭山中,从其河流汇入口至主库区全长约 13km,属于大水深峡谷型水库.四周地势陡峭,植被茂盛,人类活动少,水质优良,是西安市的主要供水水源地,日平均供水量为80万m3,占西安市总供水量的70%,其设计采用多孔式引水塔取水,共设上、中、下3个取水口,其设计高程分别为571,554,514.3m.

图1　金盆水库采样点分布Fig.4　Distribution of sampling sites in Jin-pen Reservoir

1.2采样断面设置与分析方法

根据金盆水库库区及上游的地貌和水动力学特征,沿着“河流区-过渡区-主库区”［10,13］中泓线上共设置11个采样断面（图1）,分别为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10断面.其中S0断面位于河流汇入口,其河道狭窄,坡度较大,水流较快,代表河流区；S1～S9断面则分布在过渡区,坡度减少,流速较缓；S10为坝前断面,水面开阔,水深最深,流速最慢,代表主库区,同时也靠近引水塔.从2014年1月开始,对S9和S10进行持续监测,频率为每周1次,在汛期则对所有采样断面进行全面监测,其频率最大增加到1天1次,分析水温、浊度、DO、pH值、TN、TP、TOC等水质指标.由于9月9～16日的降雨量最大且历时最长,特对此次降雨过程的水质进行分析.

各个断面采样深度取表层0.2m以下、底层0.5m以上水体,以 5～10m水深间隔进行取样.水样采集之后装入高密度聚乙烯瓶中并立即运回实验室进行分装、加药、密封冷藏,用于TN、TP、TOC测定.在线监测仪器选用美国 HACH Hydro-Lab DS5型水质分析仪,用来监测水温、水深、DO、浊度、电导率等指标；TP、TN、TOC分别采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法［14］、连续流动分析仪（AA3）、总有机碳分析仪进行测定,所有样品的测定均在24h之内完成.

2　结果与讨论

2.1研究区域日降水量分布与水库水文特征

水库周边属于典型的温带大陆性季风气候,全年大气气温变幅较大,年降雨量分布极不均匀,2014年1～12月平均气温1.2～27.4℃（表1）.从当地水文站多年统计数据表明,全年降雨量主要分布在7～9月,占全年总降雨量60%左右.从图2可知,2014年丰水期强降雨主要发生在8月上旬和9月上旬,总降雨量达379.6mm,9月汛期历时更长（9月 9～16日）,降雨量更大,占整个丰水期总降雨量 63%.降雨量的月分布不均导致金盆水库月入流量变化差异显著,7～9月金盆水库入流总量为3.18亿m3,占全年入流总量的60%.降雨量与水库入流量变化趋势基本一致,入流量变化稍微滞后.由于7月持续高温干旱天气,8月短期降雨并未导致径流量大幅上升,水库入流量和水位变化也相对较小.9月总降雨量达 238.1mm,最大日降雨量为54.6mm,相应最大入库流量为576m3/s.为保证西安全年供水量,水库管理局对水库出流量进行控制,每天基本稳定在 12.5m3/s（主要用来对城市供水）,在降雨后第7d水库水位由高程562m上升至594m,相应水库蓄水量增加9.684×107m3,之后通过泄洪洞进行泄洪,确保水库安全蓄水,水库水位相应维持在正常高水位线左右.

表1　2014年黑河流域气温年内变化（℃）Table 1　Variation of air temperature in Heihe watershed, 2014 （℃）

图2　汛期日降雨量分布和水库水文特征Fig.4　Daily rainfall distribution and hydrological characteristics of reservoir in flood season

2.2汛期入流水体水质分析

从表 2可以看出,汛期上游（S0）入流水温为13.5～15.3℃,与主库区（S10）距底部10m水域水温接近（图 3）,从而为异重流潜入创造了条件.由于汛期径流产流过程与大气直接接触且紊动性较高,入流水体DO为10.2～10.5mg/L,处于当地气候条件下的饱和状态.汛期入流浊度变化相对较大,在降雨第1d达最大值282.6NTU,之后逐渐降低,雨后（22日）入流浊度降低至1.9NTU.其他入流水体营养盐因子变化情况大体一致,在降雨后期各营养盐浓度降低,总体上明显高于晴天径流的营养盐浓度,这说明降雨径流能携带大量营养盐进入水库.同时通过前期的研究［11］表明,汛期上游入流水体中的营养盐物质主要以颗粒态形式存在,分析发现浊度与TN、TP、TOC浓度有较好的线性相关性,R2分别为0.839、0.91、0.742.

汛期径流水体的污染主要与降雨作用下的土壤侵蚀与养分流失有关,而N、P的流失程度因降雨强度大小和不同土地利用类型存在差异.孔燕等［15］发现滇池流域磷流失量磷矿开采区＞林地＞台地,马琨等［16］采用人工模拟降雨装置对红壤坡地养分流失特征进行了试验,结果表明土壤养分流失量与雨强及泥沙流失量呈正相关关系.金盆水库上游集水流域位于秦岭,土地利用类型为林地,无矿区存在,森林覆盖率强,对水土保持有良好的涵养功能,所以N、P的流失主要由雨强决定, 9月份强降雨导致的径流污染严重,9月9日径流水体的TN、TP超过国家地表水环境质量标准（GB3838-2002）第Ⅳ类标准.

表2　9月强降雨过程S0断面水质变化Table 1　Variations of water quality at S0 during high runoff period in September

2.3水库季节性热分层结构及汛期径流影响

从图3可以看出,主库区（S10）水温月际变化差异显著.其中水库表层水体水温变化幅度相对较大并且呈季节性变化,夏高冬低,与当地气温变化趋势基本一致（表1）,最低温度出现在2月中旬,最高气温出现在7月底.底部水体变化幅度极小, 在5～11℃之间波动.3月大气气温开始回升,外界与表层水体热传递作用导致上层水温迅速上升,底层水温增温较慢,水深 10～15m水域形成明显的温跃层,水库从同温混合期向分层形成期过渡.随着外界气温不断上升,上部水体垂向热传递速率加快,温跃层向下迁移.5月次跃温层在距水库表层15～20m水域形成,至此,“双温跃层”水温分层模式基本形成,在持续高温天气作用下温跃层继续向下迁移.由于8月的降雨过程降雨量小、降雨历时短,入流量改变并不明显,水库水温变化影响较小.直到9月上旬,持续强降雨过程显著地改变了入流条件,水体紊动性迅速增强,入流量最大高达576m3/s,入流水温为13.5～15.3℃.这次降雨径流主要以异重流形式潜入中下部水体,潜入水体与周围水团的热交换使得表层水温降低,底层水温升高,上下温差降低至 7.8℃；动能转化作用使得坝前发生雍水,水位急剧升高（势能增加）.此次降雨极大程度上改变了水体的水动力特征和热分层稳定结构,下温跃层迅速消亡,上部次温跃层温度梯度减小.10月开始,在外界气候变化（气温下降）和风浪搅混的推动下,水体向分层消亡期过渡,12月上下水温基本达到均一.

图3　主库区S10断面水温垂向变化Fig.4　Vertical variations of water temperature at S10

由此可见,年内气温变化是导致金盆水库季节性分层—失稳的关键性因素,而汛期持续降雨径流的潜入造成水体热分层稳定强度减弱.赵林林等［17］研究发现,影响水温分层的因素包含：太阳辐射、气温、风速、水密度和比热、藻华堆积等,气温的急剧变化影响表层水温,最终引起太湖水体出现垂向分层.刘明亮等［18］得到千岛湖气温与表层水温存在显著的线性相关,而与下层水温没有显著相关性.夏品华等［19］研究发现秋季突然降温导致的水体分层结构失稳引发了红枫湖水库出现季节性水质恶化事件.另外有研究［4］表明,水力条件变化（入流与出流）能对水库热分层产生影响.金盆水库上游平时来水量较少,但在汛期金盆上游来水量急剧增加,水流紊动性极强,加上水库进行泄洪,入流和出流量的急剧变化势必在一定程度上对水体热分层结构造成破坏,弱化水体热分层的稳定性.

2.4汛期浊度变化及异重流的演变

汛期水体最直观的变化就是浊度显著升高.正常径流条件下,水库入流浊度很小（＜2NTU）［20］.汛期入流浊度明显升高,9月 9日入流量为576m3/s,河流汇入口断面（S0）入流浊度也达最大值282.6NTU,之后逐渐降低,9月12日和16日入流浊度分别为152.4,55.5NTU（表2）.由于分层期主库区不同水层存在明显的密度差异性,降雨径流一般以异重流形式潜入水库水体,而浊度变化特征能直观表征水流流场的变化,进而确定异重流的水动力学时空演变规律, Chung等［7］利用悬浮物固体浓度与浊度的相关性对浊度异重流进行模拟.从图4a中清浑水界面变化分析可知,9月9日密度异重流从S5断面底部开始以潜流形式行进,S5～S9断面下层水体浊度显著升高,最后在S9断面与河床分离,以间层流形式潜入坝前断面（S10）距底部15～30m水深处,在潜入水团上下形成2个明显的清浑水界面.由于在异重流行进过程中大颗粒物质的沉淀和周围水体的对流稀释作用,异重流的浊度沿程降低,最终潜入坝前断面水深处的浊度峰值为140NTU.9月12日和16日（图4b、c）异重流的水动力学特征与9日基本吻合,但由于高浊水的持续汇入、对流掺混和水位的急剧上涨,其清浑水界面开始向上层迁移,这表明异重流的潜入深度向上部水体转移.从S10断面的浊度随时间变化可知,此次降雨径流对主库区浊度的影响深度主要分布在表层10m以下、底部10m以上水域,影响时间较长,9月28日（图4d）浊度下降到 30NTU,比降雨前（9月 6号为5.1NTU）增加了近5倍.

图4　9月强降雨前、中、后沿程浊度变化Fig.4　Vertical variation of turbidity along the sampling sites before, during and after high runoff period in September

不同的入流条件（水温、流速、悬移质分布浓度等） 和受纳库区水体条件（库区几何特征、水温分布、泥沙分布情况等） 的共同作用,密度流呈现不同的流动形式［21］.分层水库中出现间层流现象在其他水库也常有发生［8,22］,目前已有实验室人工模拟对现场异重流的流态形式进行研究.如任实等［23］采用水槽试验表明,温度分层是水库密度流能够形成间层流运动的前提条件,而间层流厚度均随着温度分层强度的增大而减小；张小峰等［24］采用概化模型试验发现,温跃层密度梯度越大,异重流分离点深度越小,间层流厚度也减小.从上分析可知,汛期金盆水库在过渡区以潜流向主库区间层流过渡,潜入初期（9月9日）间层流厚度达20m,之后间层流向上层水体迁移,由于浊度异重流的不断潜入,主库区中层水体浊度整体上升,难以判断间层流厚度的变化规律.降雨径流形成的异重流基本处于混合状态,但在异重流潜入之前,水库水体处于稳定垂向分层结构,进而为异重流的潜入提供了可能.异重流的形成是由水体密度差导致,金盆水库上游河道段径流水体密度主要与温度和浊度有关,水温的大小主要取决于气温,浊度大小则取决于泥沙含量,两者对异重流的贡献程度差异还有待进一步研究.

2.5汛期营养盐及有机污染综合指标的变化

2.5.1 DO变化 在考虑大气自然复氧的单因素条件下,水深越大,溶解氧越低［25］.雨前水体处于稳定分层期,9月1日（图5a）主库区（S10）底部出现12m高的厌氧层厚度（＜2mg/L）.从9日（图5b）降雨开始,由于降雨形成的富氧径流潜入,主库区距底部10m处DO开始出现增大趋势,并且随着径流的不断潜入这种增大趋势逐渐延伸到表层10m,最终使得表层10m以下、底部10m以上深度水体中的DO稳定在9.3mg/L左右（图5e）,比汛期前增加了近3.1mg/L,同时底部厌氧层高度也从12m降低至8m.造成这种变化趋势的原因主要是富氧径流在坝前断面以间层流形式潜入,并与中上部周围水体进行掺混、传质,底部受边界限制形成死水区,其紊动性较弱,传质速度相对缓慢,影响作用相对较小.受异重流潜入方式的不同,S9断面DO的变化有所差异,降雨径流直接潜入该断面底部导致DO迅速升高（图5b）,S9断面底部直接由厌氧状态转变为好氧状态.

张云林等［26］发现,千岛湖DO与水体热分层结构密切相关.雨后异重流潜入能导致热分层减弱,在水体对流作用下,表层水体DO更容易向底层转移,但是此次降雨并未完全打破水体分层,与径流潜入直接复氧相比,上下水体对流传质复氧极慢,所以径流导致的水体热分层弱化对下层水体DO影响不明显.汛期高DO径流的潜入一方面能对水体进行复氧,同时带入的大量悬浮物有机质能大量耗氧［11］.9月9日（图5b）S9断面底部DO从厌氧直接升至9mg/L,9月10日（图5c）又降至厌氧状态,9月12日（图5d）又开始升高,S9断面 DO的这种动态变化主要是由异重流潜入增氧和有机质耗氧的综合作用的结果.

图5　9月强降雨前、中、后S9、S10断面DO垂向变化Fig.4　Vertical variations of DO at S9, S10 before, during and after high runoff period in September

2.5.2TOC变化 在水处理过程中,水中的有机物能与各类消毒剂作用生成消毒副产物,对人体健康造成危害,美国环保局在《消毒剂和消毒副产物规定》中明确了总有机碳的相关指标［27］.水库周边秦岭山中常年植被茂盛,然而受8月高温干旱天气影响,山中大量植被枯死腐败,产生大量腐殖质和遗留残骸.9月 9日在降雨溅蚀及地表径流冲刷作用下,这些有机质随水流汇集,9月9日上游入流TOC含量高达6.59mg/L（表2）,之后逐渐降低,但总体上均高于主库区 TOC浓度.雨后（22日）入流TOC含量只有3.34mg/L,低于主库区.从图 6可以看出,由于有机质的不断积累,总体上主库区TOC含量呈现上升趋势,到15日达最大值4.9mg/L.雨后TOC浓度开始下降,在水体的缓冲自净能力下 TOC含量减少到 4.4mg/ L（22日）,与雨前相比增加了1.3mg/L.受径流潜入影响,水体 TOC垂向变化差异显著,其中主库区中层水体 TOC变化最为明显,表层和底层次之,这种现象与前面所讨论的携带大量有机物径流的潜入深度相对应,但在雨后由于颗粒态有机物的沉淀作用,表层水体中的TOC浓度显著降低.

图6　9月强降雨前、中、后S10断面TOC变化Fig.4　Variations of TOC at S10 before, during and after high runoff period in September

2.5.3TN变化 从表 2可以看出,汛期上游入流TN浓度变化较小,9月9、11、16日TN浓度分别为2.99,2.73,2.42mg/L.主库区TN浓度出现2个峰值（图 7a）,9月 10日出现第 1个峰值1.63mg/L,这主要是早期降雨径流滞后作用导致,之后由于含氮颗粒物沉降作用,TN浓度下降.9 月15日TN浓度再次升高,22日达到第2个峰值1.50mg/L,这是由于降雨径流潜入导致中、底层水温升高,微生物活性增大,沉入底部的含氮有机物的矿化分解速率加快［25］,此时底层水体 TN浓度相应显著增加.主库区垂向表、中、底3层水体中的 TN浓度变化趋势与总体水平的变化趋势基本一致.降雨早期底层和中层水体中的 TN浓度明显大于表层水体,这是异重流潜入的结果；降雨后期由于水体分层遭到破坏,上下水体的对流扩散速率加快,三者基本保持同步变化.

图7　9月强降雨前、中、后S10断面TN、TP变化Fig.4　Variations of TN, TP at S10 before, during and after high runoff period in September

2.5.4TP变化 上游入流 TP浓度为 0.051～0.110mg/L（表2）,其中9月10日最高.主库区TP浓度变化规律总体上与 TN相似,由于含磷颗粒态物质随异重流的不断汇入,总体 TP浓度逐渐升高,11日达最大值0.030mg/L（图7b）.12日开始上游入流 TP浓度下降,再加上含磷颗粒物的吸附、沉淀导致TP浓度显著减少.15日开始由于径流潜入导致底层水环境改变,特别是水温明显升高,底泥生物和化学释磷作用增强［28-29］,底层水体中TP开始升高,22日底部水体中的电导率高达 211µS/cm,显著高于上部水体.雨前由于温跃层的存在,水库水体总体处于一个热分层稳定状态,其底部长期厌氧条件使得主库区底层的 TP浓度明显大于表层和中层水体（9月1日）.9月9日开始受密度异重流影响中层水体TP浓度显著升高,11日TP浓度高达0.052mg/L,均高于表层和底层；降雨后期随着密度异重流与水库水体上下对流掺混,上中下三层水体中的 TP差值减小并同步变化,其变化趋势与总体水平保持一致.

从上分析可知,受径流异重流潜入影响,不同降雨历时上、中、下水层TN、TP、TOC出现不同响应,其中中下层变化较为显著,呈双峰式分布.异重流对主库区营养盐的影响主要表现在颗粒态污染物的带入和水环境系统的变化.如晏维金等［30］通过模拟降雨径流实验得出,径流流失的沉积物主要以 0.25mm以下的团聚体为主,径流中80%以上的磷以颗粒态形式流失；梁秀娟等［31］研究发现,降雨条件导致密云水库下层水体总氮短期上升；刘凯等［32］认为,水文状况（DO、温度、pH值、水体扰动强度、表层沉积物物理、化学和生物作用等的改变）是影响沉积物磷含量、形态和组成的重要因素.金盆水库汛期径流异重流潜入后不仅带入了大量颗粒态污染物和泥沙,而且使得中下层水温升高,底层水体扰动性加强,加上间层流流态方式未能改变主库区底部的厌氧状态,雨后水体中有机质大量分解,底泥污染物释放加快,造成底层污染物浓度再次上升.

2.6汛期高浊水的控制措施

汛期在降雨冲刷和径流侵蚀作用下,上游入流营养盐和有机物含量显著增加,尤其在降雨早期,其情况更加突出.大量营养盐随径流的汇入直接为藻类的生长、繁殖提供条件,加快水库的富营养化过程,导致水库水体进一步恶化.为了减少汛期上游污染物的汇集,可以在水库周边及上游流域进行植树造林,提高森林覆盖率,减少地表水土流失,涵养水源,减少自然污染物汇入.但金盆水库上游集水流域多为林区,森林覆盖率已较高,而且植被的涵养水源功能有限,所以植树造林并不能完全解决降雨径流污染问题.汛期突发性高营养盐和大量泥沙的汇入既严重影响西安饮用水供水水质安全,极大增加水处理工艺冲击负荷,又造成水库泥沙淤积,加大內源污染负荷,此时必须提出一个有效的应对方案,其建议控制措施如下：1）分层取水；汛期可对多孔式取水塔进行调度,取上层浊度较低的源水；2）排浊蓄清；平时控制引水流量,蓄积优良水源,汛期通过泄洪洞对浊度异重流进行排放,减少外源污染物汇入,以达到排浊蓄清的目的.分层取水措施虽然应具有运行灵活、经济实用等优点,但分层取水不能彻底解水体污染问题,只能作为一个缓冲手段.排浊蓄清方案运行简易,在极大程度上能减少泥沙和营养盐的汇聚,降低外源污染负荷,有效改善水质.

3　结论

3.1受当地气温影响,西安金盆水库表层水温全年波动较大,金盆水库作为大水深峡谷型水库,其底层水温稳定在5～11℃,导致水体出现季节性热分层现象.

3.2汛期水库入流条件（水温,入流量）显著改变,降雨径流在一定程度上降低了垂向水温差异,水体的紊动性提高,上下水体对流作用增强,下温跃层迅速消失,次温跃层温度梯度减小,水库自然混合过程加快.

3.3汛期密度异重流在过渡区下潜到水库底部,以潜流方式前行,直至主库区,在水团密度相同的水深处以间层流流态方式潜入,并与周围水团掺混.随着高浊水的不断潜入、掺混,主库区不同水层的密度发生改变,异重流的潜入深度向上部水体迁移.暴雨径流形成的异重流对主库区的影响深度在距底部10m至距表层10m范围,此水域中的营养盐浓度和浊度显著升高.

3.4富氧异重流的潜入改变了底层水体DO分布.因异重流的潜入方式的不同而存在差异,在潜流处（过渡区）底部水体的厌氧状态转变为好氧状态,在间层流处（主库区）底部厌氧层厚度减小.

3.5汛期在雨水溅蚀和地表径流侵蚀作用下,大量颗粒态营养盐和有机物以径流为载体进入水库水体,水质阶段性恶化.随着颗粒态营养盐物质和泥沙的沉降,水体中各营养盐和TOC浓度出现下降趋势.由于暴雨径流形成的异重流潜入导致底层水温升高,微生物活性增强,耗氧速率加快,富集到底部沉积物中的营养盐物质再次释放,水质进一步恶化,增大了內源污染释放风险.

3.6 应对汛期高浊、富营养盐径流汇入导致的水质污染情况,水库管理局可进行分层取水调度和通过泄洪洞对异重流进行排放,最大限度规避暴雨径流对水库水质带来的风险.

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致谢：感谢黑河金盆水库管理局提供的部分水库数据.

Water-quality responses of the intrusion of high-turbidity runoff to the thermal stratified Jin-pen Reservoir during flood season.

ZENG Kang, HUANG Ting-lin*, MA Wei-xing, ZHOU Zi-zhen, LI Yang （School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2778～2786

To explore the intrusion pattern of rainfall runoff and the corresponding water-quality response, vertical water-quality monitoring in Jin-pen Reservoir of Xi'an City in China was implemented daily in the flood season. The results show that the seasonal thermal stratification occurs in the reservoir due to the change of air temperature. Storm runoff events in flood season damaged the structure of thermocline in the lower layer and weakened the stability of thermal stratification. Rainfall runoff, containing a large amount of particulate nutrients and sediments, entered the reservoir in the form of density current, which changed from underflow to interflow between transition zones and lacustrine zones, and the thickness of interflow was 20m during the early period of current intrusion. The concentrations of TP, TN, TOC increased significantly due to the intrusion of density currents in the middle and lower of water, with the highest concentration of TN, TP, TOC and turbidity was 0.2, 2, 0.6 and 16times higher than that in normal condition, resulting in serious water body pollution in short time. The decomposition rate of particulate pollutants settled in sediments increased due to the intrusion of higher temperature water in bottom, leading to a continuous increase of the endogenous nutrient loads in the reservoir, i.e., the concentration of TN, TP, TOC in bottom water was up to 1.88mg/L, 0.05mg/L, 4.6mg/L, respectively. Managers can take water from different layers of the reservoir and discharge high-turbidity current to ensure drinking water quality in flood season.

nutrients；turbidity；density current；thermal stratification；endogenous nutrient load

X524

A

1000-6923（2015）09-2778-09

2015-02-12

国家自然科学基金项目（51478378,50830303）

*责任作者, 教授, huangtinglin@xauat.edu.cn

曾 康（1991-）,男,湖南湘潭人,西安建筑科技大学硕士研究生,主要从事水资源保护与水质控制方面研究.