暴雨径流潜流过程及其对分层水库水质的影响

吕晓龙,黄廷林,李 楠,徐金兰,邓立凡,毛雪静

暴雨径流潜流过程及其对分层水库水质的影响

吕晓龙,黄廷林*,李 楠,徐金兰,邓立凡,毛雪静

(西安建筑科技大学,陕西省环境工程重点实验室,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安 710055)

为探究汛期暴雨径流潜入演变过程及其对分层水库水质的影响,以西安金盆水库为研究对象,对2015年6月和2017年10月2次暴雨径流过程中各监测点水温、溶解氧、浊度、总氮、总磷和CODMn等水质指标进行持续监测. 结果表明:径流量在300~400m3/s时, 潜流经历全断面径流-底部潜流-中部潜流3个阶段,最终潜入主库区中部水体.暴雨径流的汇入使水库热分层结构稳定性受到一定破坏,中下部水体溶解氧得到补充.暴雨径流携带的大量泥沙及氮、磷营养盐等污染物质会对水库水质造成较大冲击,2015年6月暴雨径流使水库中层水体总氮、总磷、CODMn和浊度从1.60, 0.021, 3.70mg/L和5NTU增大为2.37, 0.100, 5.80mg/L和93NTU,水质污染特征为短时高污染负荷.

暴雨径流；密度潜流；营养盐；非点源污染

强降雨对土壤的冲刷是形成大流量、高污染负荷入库径流的主要因素[1].强降雨的冲刷使大量泥沙颗粒随地表径流进入水体,受含沙量和温度共同作用,暴雨入库径流形成密度潜流(异重流)[2],按潜入位置划分,密度潜流可分为表层流、中部潜流和底部潜流[3].目前,国内外对于密度潜流形成条件、潜入位置等的研究多通过水槽实验和数值模拟进行[4-5].汛期暴雨径流以密度潜流方式进入湖泊、水库,会对其温度及溶解氧分层结构造成影响[6].强降雨的冲刷会造成流域内水土大量流失,大量泥沙颗粒的汇入会使水库水体浊度迅速增大[7],而大量氮、磷营养盐等污染物质的汇入又会直接污染水库水质[8].暴雨径流形成的密度潜流是向深水输送沉积物的重要方式,既会造成水库淤积,影响水库使用寿命,还会增大水库内源污染负荷[9].

目前对于暴雨径流的研究工作大多建立在实验室模拟和数值计算的基础上,对于实际水体径流汇入的原位监测和实验研究较少.本研究以西安金盆水库为研究对象,采用多断面监测的方法,研究暴雨径流潜流过程,确定密度潜流在主库区的潜入位置,探究密度潜流对主库区水体分层结构及水质的影响,旨在为水库实际运行管理提供参考.

1 材料与方法

1.1 西安金盆水库地理位置及设施概况

西安金盆水库(33°58′N~34°3′N;108°9′E~ 108°13′E)位于西安市周至县,是一项以城市供水为主的大型水利工程,年供水量达3.00亿m3,占西安市用水总量的70%左右.金盆水库是典型的峡谷型水库,上宽下窄,最大水域面积4.68km2,总库容2.00亿m3,有效库容1.77亿m3,设计死水位520m、设计洪水位594m、汛限水位591m,引水塔设上、中、下3个取水口,设计高程分别为571,554,514.3m,泄洪洞进口底板高程545m.

1.2 采样断面设置与分析方法

1.2.1 采样断面设置 如图1所示,结合金盆水库上游地区地形及水动力学特征,从上游至主库区沿河道中泓线设置S0至S10共11个监测断面.S0断面位于水库退水线处,S1~S8断面为变动回水区,S9断面为主库区入库点,S10断面位于主库区引水塔前正对取水口位置.

图1 金盆水库监测点分布

1.2.2 水质分析方法 对主库区库心(S10)进行每周1次的持续性水质监测.暴雨径流时期,对沿程各监测断面以2~3d/次的频率进行水质监测.使用美国HACH Hydro-Lab DS5型水质分析仪对水温、水深、溶解氧、浊度等指标进行原位监测.从表层(水面下0.5m)到底部(沉积物以上0.5m)每间隔10m水深取1.5L水样,装入高密度聚乙烯瓶中带回实验室4℃冰箱中保存,并在取样后24h内完成总氮、总磷、CODMn、含沙量等指标的测定,各水质指标均按照国家标准方法进行测定[10],分别采用过硫酸钾消解－紫外分光光度法、过硫酸钾消解－钼锑钪分光光度法、酸性法及烘干法.

1.2.3 携沙水体密度计算 暴雨径流时期,潜流水体密度受水温和含沙量的双重影响,计算公式如下:

式中:为携沙水体密度,kg/m3;ρ为清水在温度为时的密度,kg/m3;ρ为泥沙密度,以2650kg/m3计;为水体含沙量,kg/m3.

2 结果与讨论

2.1 西安金盆水库水文条件概况

金盆水库受半湿润季风气候的影响,四季分明,年降雨量分布不均.如图2所示,2015年6月和2017年10月降雨量分别为179,188mm,占年总降雨量的20%和22%.2015年强降雨事件发生在6月25日~28日,降雨量达94mm,6月29日和30日日均入库流量分别为270,330m3/s,水库水位从580.7m迅速上升到591.3m.2017年强降雨事件发生在10月8日~11日,降雨量为119mm,10月11日和12日水库日均入库流量为351,404m3/s,由于水库泄洪,水位保持在594.0m左右.

图2 2015年和2017年汛期金盆水库日均出库/入库流量、降雨量及水位变化

2.2 暴雨条件下高密度潜流汇入

暴雨径流水温低,含沙量大,水体密度受温度和含沙量的共同作用.2015年6月29日,金盆水库径流量330m3/s,来水浊度430NTU、水温14.0℃左右、水体密度999.394kg/m3.由图3(a)~(c)可知,S0至S2断面,水深为6~20m,水深较浅,上下水体完全混合,为全断面径流.S3断面处水深增大至30m,在高程580m左右出现明显的泥沙异重流清浑水界面,界面处垂向浊度、水温及水体密度突变(浊度33~165NTU、水温15.0~17.7℃、水体密度998.585~ 999.264kg/m3),高浊、高密度水体潜入河道底部,形成底部潜流.S3~S5断面垂向浊度、水温及水体密度分布特征基本一致,表明密度潜流以底部潜流方式移动至S5断面,且随水深增加,潜流层上边界逐渐下移至高程570m处.随着水深进一步增大及沿程颗粒沉降,S6断面处潜流水体密度小于底部水体密度,密度潜流与河道分离进入中部等密度水层,从底部潜流转变为中部潜流,浊度垂向分布变为先增大后减小,高程525m左右出现新的浊度、水温及水体密度突变区(浊度减小、水温降低、水体密度增大),潜入位置为高程525~565m处.S7~ S10断面垂向浊度、水温及水体密度分布特征与S6断面相同,表明密度潜流以中部潜流方式进入主库区,潜入主库区位置为高程535~565m,潜流层厚度30m.

图3 2015-06-29与2017-10-12暴雨径流过程中沿程各监测点浊度、水温及水体密度垂向分布

2017年10月12日,径流量达404m3/s,受客观因素影响,未能到达S0和S1监测断面,沿程水质监测从S2断面开始.由图3(d)~(f)可知,S2断面处在高程580m处出现明显清浑水界面(界面处浊度17~ 114NTU、水温10.9~15.0℃、水体密度998.928~ 999.775kg/m3),高密度潜流水体沿河道底部流动,形成底部潜流.S2~S7断面浊度、水温、水体密度垂向分布特征基本一致,表明密度潜流以底部潜流方式移动至S7断面,S7断面处潜流水体浊度、水温及水体密度范围分别为70~164NTU、11.4~13.4℃、999.471~999.665kg/m3.S7到S9断面,水深增加25m, S9断面底部水体水温8.0℃,水体密度达999.859kg/ m3,大于S7断面潜流水体密度,密度潜流转变为中部潜流,在高程525,575m处出现2个清浑水界面.S10断面各指标垂向分布特征与S9断面相同,表明密度潜流以中部潜流方式进入主库区,潜入位置为高程525~575m,潜流层厚度50m.

水体异重流潜流过程主要受水体密度差驱动,对于淡水水库,潜流水体密度受水温和含沙量共同影响[11].受降雨影响,2015年6月29日入流水体温度从17.8℃降低至14.0℃,水体温度密度增量为0.612kg/m3,含沙量增量为0.263kg/m3;2017年10月12日入流水体温度从16.7℃降低至10.0℃,水体温度密度增量为0.873kg/m3,含沙量增量为0.126kg/m3,两次暴雨径流过程入流水体含沙量较小,潜流水体密度受水温影响较大.2015年6月29日与2017年10月12日暴雨径流在上游沿河道底部向前移动,形成底部潜流,随着沿程水深增大及泥沙颗粒不断沉降,潜流水体与河道分离潜入中部密度相同水层,最终以中部潜流方式潜入主库区中部水体.研究表明,径流量越大、潜流水体密度越大,密度潜流由底部潜流转为中部潜流的位置距主库区越近(2015年6月29日为S6断面,2017年10月12日为S9断面),潜入主库区的位置越深(2015年6月29日潜流层下边界高程535m,2017年10月12日潜流层下边界高程525m),潜流层厚度也越大(2015年6月29日30m,2017年10月12日50m).

2.3 暴雨径流对水库水体分层结构影响

2.3.1 暴雨径流对水库水温分层结构影响 2015年6月金盆水库主库区处于稳定分层期,6月25日暴雨径流入库前,上下水体温差达11.1℃(7.2~ 18.3℃).6月29日暴雨径流上游来水温度在14.0℃左右,以中部潜流方式潜入主库区高程535~565m处,由于潜入水体与周围水体不断的热量交换,潜流层(高程535~565m)水体温差从8.5℃减小到5.8℃.由于中部潜流的局限性,水库底部、表层水体温差仅从11.1℃减小到9.6℃,对水体热分层结构稳定性影响较小.径流过后,随着气温的升高,水体热分层结构稳定性再次加强(图4a).

2017年10月9日暴雨径流入库前,主库区上下水体温差为9.0℃(7.9℃~16.9℃).10月12日暴雨径流上游来水温度在10.0~12.0℃,以中部潜流方式潜入主库区高程525~575m处.暴雨径流入库后,高程515~540m处水体温度升高,540~580m处水体温度减小,潜流层水体上下温差由7.4℃减小到3.7℃,温跃层遭到破坏,在表层水体和底部水体形成两个温度梯度较小的新温跃层.径流后期,随着气温持续降低,表层水体温度随之降低,上下层水体温差逐渐减小,直至完全混合(图4b).

水库水温分层结构受气象要素、水库内部动力学条件及入库/出库流量等因素的影响[12].李钟顺等[13]研究发现,汛期大径流的汇入会对水库水温分层结构造成一定影响.2015年6月29日和2017年10月12日暴雨径流均以中部潜流方式进入主库区.2015年6月29日径流量330m3/s,上游来水温度14.0℃左右,使主库区潜流层30m厚度水层上下水体温差减小2.7℃;2017年10月12日径流量404m3/s,上游来水温度在10.0~12.0℃,使主库区潜流层50m厚度水层上下水体温差减小3.7℃.表明大径流入库会对水库水温分层结构稳定性造成一定削弱,且径流量越大,上游来水温度越低,暴雨径流对水库水温分层结构的影响也越大.与陶美等[14]在研究洪水对洪家渡水库、东风水库和乌江渡水库水温分层结构的影响时得到的结论相同.中部潜流对水库热分层结构稳定性影响有限,若含沙量足够大,密度潜流能以底部潜流方式进入水库底部,使底部水体温度迅速升高,对水库热分层结构稳定性造成严重破坏[15].

2.3.2 暴雨径流对水库溶解氧分层结构的影响 金盆水库底部安装有扬水曝气系统,丛海兵等[16]研究发现,该系统可将压缩空气以小气泡形式通过曝气室释放,直接向底部水体进行充氧,还可将压缩空气以气弹的形式向水体释放,气弹上浮过程会使中上部水体溶解氧得到补充,具有较强的水体充氧作用,另外,气弹上浮会促进上下层水体的混合,具有破坏水体分层的作用.2015年6月扬水曝气系统的运行使水库水体溶解氧含量处于较高水平,6月25日底部水体溶解氧含量高达11.1mg/L,暴雨径流入库时系统关闭.2015年6月29日上游来水溶解氧含量为10.5mg/L,潜入主库区高程535~565m处,径流入库后,潜流层水体(高程535~565m)溶解氧含量从6月25日的8.4~10.4mg/L变为9.0~9.7mg/L.径流入库后,水库水位上升13.5m,表层富氧水体被潜流水体顶托上移导致高程550~565m水层溶解氧含量有所降低,从9.4~10.4mg/L降低至9.4~9.7mg/L,而高程535~550m水层溶解氧含量得到一定补充,从8.4~ 9.4mg/L升高至9.0~9.4mg/L.径流过后,潜流层水体溶解氧含量逐渐减小(图5a).

由图5(b)可知,径流入库前,受温度分层的影响,溶解氧传质受阻,水库中下部尤其是底部水体溶解氧含量较低(4.5mg/L左右).2017年10月12日暴雨径流时期,上游来水溶解氧含量高达11.0~12.0mg/L,密度潜流潜入位置为高程525~575m.径流入库后,中部潜流层水体(高程525~575m)溶解氧含量从6.0~9.0mg/L增加到10.0~10.8mg/L,底部水体溶解氧含量从4.5mg/L增加到6.8mg/L.暴雨径流过后,由于水体及底部沉积物的不断耗氧,中下部水体溶解氧迅速被消耗,到11月17日,底部水体溶解氧含量仅为2.6mg/L.

溶解氧是保持湖库水环境动态平衡的重要环境因子,湖库溶解氧分布特征主要受物理、化学和生物等因素的影响[17].夏季水温分层会导致水库中下部水体溶解氧含量降低,形成与水温相似的分层结构.暴雨径流时期,上游来水溶解氧含量较高,甚至可达当地气候条件下的饱和状态,洪峰入库后,大量富氧水的汇入会对主库区溶解氧进行补充,缓解因为水体分层而造成的中下部水体缺氧情况[18]. 2017年10月12日径流量大,上游来水溶解氧含量高,对主库区水体溶解氧垂向分布影响也更大.另一方面,暴雨径流携带大量外源有机物,2015年6月29日和2017年10月12日径流入库后主库区CODMn含量分别从3.59,3.71mg/L增大至5.02, 4.21mg/L (图7(c),(f)).水体有机污染负荷的增加会显著增加水体耗氧速率[19]以及库底沉积物耗氧速率[20],导致径流后期水库水体尤其是底部水体溶解氧含量迅速下降.

2.4 暴雨径流对水库水质影响

2.4.1 来流水质分析 暴雨径流时期,强降雨的击溅及地表径流对土壤的水力冲刷使大量泥沙颗粒和氮磷营养盐等污染物质进入径流水体,影响入流水质[21-22].一般来说,暴雨径流携带的污染物负荷受降雨强度影响较大,降雨强度越大,暴雨径流携带污染物负荷越高[23].

2015年6月29日上游来水总氮、总磷及CODMn含量为3.12,0.150,7.52mg/L,2017年10月12日上游来水总氮、总磷及CODMn含量为2.00,0.127, 6.17mg/L.暴雨径流时期,入流水体总氮和CODMn含量均超过国家《地表水环境质量标准》(GB3838- 2002)[24]规定的Ⅲ类水水质标准,总磷则超过Ⅳ类水水质标准.而径流入库前主库区总氮、总磷及CODMn含量在1.64,0.022,3.71mg/L以下,远低于暴雨径流污染负荷,表现出暴雨径流的高污染负荷特征.边博[25]研究发现,与持续降雨时期相比,长期未降雨条件下强降雨对土壤的初期冲刷效应会使土壤中更多污染物质随径流进入地表水体.2017年9月~10月降雨较为频繁,10月8日~11日强降雨前30d,降雨总量147mm,日降雨量在10mm以上的天数有5d,而2015年6月25日~28日强降雨前30d降雨总量仅为40mm且日降雨量在10mm以上的天数为零,雨水对土壤的初期冲刷作用使2015年6月29日暴雨径流携带的污染负荷较2017年10月12日更大.

2.4.2 暴雨径流对主库区浊度的影响 一般径流条件下,金盆水库上游来水浊度较低(5NTU以下),暴雨径流时期,强降雨对土壤的水力冲刷使大量泥沙颗粒进入水体,导致径流水体浊度较高.2015年6月29日和2017年10月12日上游来水浊度达430NTU和190NTU.暴雨径流以中部潜流方式进入主库区后,中部水体浊度迅速增大,高浊水影响范围分别为高程535~565m和高程525~575m,浊度峰值达93, 86NTU(图6).暴雨径流结束后,由于上游来水浊度变小及水中悬浮颗粒不断沉降,水体浊度逐渐减小,分别于2015年7月20日和2017年11月17日水体浊度降到20NTU以下,高浊水持续时间分别为21, 36d.表明径流量越大,则高浊水影响范围越大,持续时间也越长.

2.4.3 主库区水质影响分析 2015年暴雨径流以中部潜流方式进入主库区中部水体,潜流层(高程535~565m)水体总氮、总磷、CODMn含量分别从1.6,0.021,3.70mg/L增至2.37,0.100,5.80mg/L,垂向分布均表现为中部最高、底部次之、表层最低,总氮含量峰值出现在6月29日,而总磷、CODMn含量峰值出现在7月2日,表现出一定的滞后性.径流过后,由于颗粒态污染物的不断沉降及上游来水水质变好,潜流层水体总氮、总磷、CODMn含量逐渐减小,且垂向分布趋于一致.总氮含量在7月10日达到最小值之后又逐渐增大,可能是由于暴雨径流携带的含氮有机物耗氧分解所致(图7a~c).

图7 2015-06-29与2017-10-12暴雨径流前后主库区总氮、总磷及CODMn含量变化

表-潜流层以上水体;中-潜流层水体;底-潜流层以下水体

2017年暴雨径流同样潜入水库中部水体,10月12日洪峰入库后,潜流层(高程525~575m)总氮、总磷、CODMn含量分别从1.46,0.017,3.73mg/L增至1.85,0.023,4.45mg/L,垂向分布均为中部最高、底部次之、表层最低.径流过后,潜流层水体总氮、总磷、CODMn含量逐渐降低,10月26日,潜流层水体总氮、总磷、CODMn含量分别为1.60,0.014,3.75mg/L,基本回到径流入库前水平(图7d~f).

降雨径流是水土流失的主要推动力[26].王晓燕等[27]在密云水库流域的研究表明,降雨冲刷会使土壤中直径在0.001mm以下的土壤颗粒大量流失,吸附于土壤颗粒上的氮、磷营养盐等污染物质随之进入地表水体.金盆水库汛期暴雨径流多以中部潜流方式进入主库区,使中部水体总氮、总磷、CODMn含量迅速增大,影响供水水质.大量颗粒态污染物质在水库底部不断沉降聚集,会导致水库底部水体变差,内源污染负荷增大.2015年暴雨径流对金盆水库水质造成的冲击比2017年大.一方面是由于雨水的初期冲刷效应使得2015年暴雨径流具有更大的污染负荷.另一方面,2017年10月11日到10月13日,金盆水库入库水量8470万m3,泄洪水量7560万m3,暴雨径流潜入位置为高程525~575m处,而泄洪洞进口底板高程为545m处,大量高污染负荷水体直接通过泄洪洞排出,并未进入主库区,大大削减了暴雨径流对主库区水质的冲击.

3 结论

3.1 暴雨径流时期,密度潜流潜入方式不断变化,径流量在300~400m3/s时,从上游到主库区需历经全断面径流-底部潜流-中部潜流3个阶段,最终以中部潜流方式进入主库区.径流量越大,入流水体密度越大,密度潜流由底部潜流转为中部潜流的位置距主库区越近,潜入主库区的位置也越深.

3.2 暴雨径流潜入使水库中部潜流层水体温差减小,水库热分层结构稳定性受到一定影响,径流量越大,潜入位置越深,对水库热分层结构稳定性影响就越大.暴雨径流溶解氧含量较高,大量富氧水的汇入会使水库中下部水体溶解氧得到有效补充,改善中下部水体缺氧环境.径流量越大,上游来水溶解氧含量越高,对主库区溶解氧分层结构影响越大.

3.3 暴雨径流时期,大量高浊水的汇入使中部潜流层水体浊度迅速增大,径流过后,随着悬浮颗粒的不断沉降,水体浊度又逐渐降低.径流量越大,高浊水影响范围越大,持续时间也越长.

3.4 暴雨径流携带大量氮磷营养盐、有机物等污染物质,使主库区水体尤其是潜流层水体水质迅速恶化,径流过后,随着颗粒态污染物的不断沉降及上游来水水质变好,水库水质逐渐好转,洪峰过后20d左右,氮磷营养盐、CODMn含量基本恢复到径流前水平,表现出暴雨径流的短时、高污染负荷特征.降雨间隔时间较长时,雨水对土壤的初期冲刷作用会使暴雨径流携带污染物负荷较高,而汛期泄洪可有效削减暴雨径流时期外源污染物的汇入.

[1] 杨 帆,蒋轶锋,王翠翠,等.西湖龙泓涧流域暴雨径流氮磷流失特征[J]. 环境科学, 2016,37(1):141-147. Yang F, Jiang Y F, Wang C C, et al. Characteristics of nitrogen and phosphorus losses in Longhong ravine basin of Westlake in rainstorm runoff [J]. Environmental Science, 2016,37(1):141-147.

[2] 解河海,张金良,郝振纯,等.水库异重流研究综述[J]. 人民黄河, 2008,30(5):28-30. Xie H H, Zhang J L, Hao Z C, et al. Overview of researches on density currents in reservoir [J]. Yellow River, 2008,30(5):28-30.

[3] Marti CL, Mills R, Imberger J. Pathways of multiple inflows into a stratified reservoir: Thomson Reservoir, Australia [J]. Advances in Water Resources, 2011,34(5):551-561.

[4] Lamb M P, Mohrig D. Do hyperpycnal-flow deposits record river-flood dynamics? [J]. Geology, 2009,37(12):1067-1070.

[5] 李 涛,夏军强,张俊华,等.水库异重流潜入点流速分布及其判别式改进[J]. 工程科学与技术, 2017,49(2):62-68. Li T, Xia J Q, Zhang J H, et al. Vertical velocity distribution and improved discriminant formula of turbidity current at the plunging point in reservoir [J]. Advanced Engineering Sciences, 2017,49(2): 62-68.

[6] Wei L, Jiang D, Tao C. Effects of Flood on Thermal Structure of a Stratified Reservoir [J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 10(Part B):1811-1817.

[7] Wang S, Qian X, Wang Q H, et al. Modeling turbidity intrusion processes in flooding season of a canyon-shaped reservoir, South China [J]. Procedia Environ. Sci., 2012,13:1327–1337.

[8] 李东青,梁 籍,张立燕,等.密云库区1991~2011年水质变化趋势研究 [J]. 中国环境科学, 2015,35(6):1675-1685. Li D Q, Liang J, Zhang L Y, et al. The research of water quality trend in the Miyun Reservoir from 1991 to 2011 [J]. China Environmental Science, 2015,35(6):1675-1685.

[9] Thothong W, Huon S, Janeau J L. Impact of land use change and rainfall on sediment and carbon accumulation in a water reservoir of North Thailand [J]. Agric. Ecosyst. Environ., 2011,140:521–533.

[10] 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法) [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社, 2002. The State Environmental Protection Administration The Water and Wastewater Monitoring Analysis Method Editorial Board. Water and wastewater monitoring analysis method [M]. 4th Edition. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[11] 杨 霞.三峡水库香溪河库湾异重流背景下水华暴发影响因子研究[D]. 宜昌:三峡大学, 2011. Yang X. Main controlling factors of algae bloom under reverse density current in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir [D]. Yichang: China Three Gorges University, 2011.

[12] 龙圣海,黄廷林,李 扬,等.基于MIKE3的金盆水库三维水温结构模拟研究[J]. 水力发电学报, 2016,35(11):16-24. Long S H, Huang T L, Li Y, et al. Water temperature model for Jinpen Reservoir based on MIKE3 [J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016,35(11):16-24.

[13] 李钟顺,陈永灿,刘昭伟,等.密云水库水温分布特征[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2012,(6):798-803. Li Z S, Chen Y C, Liu Z W, et al. Water temperature distribution in the Miyun Reservoir [J]. J Tsinghua Univ. (Sci & Tech), 2012,(6):798- 803.

[14] 陶 美,逄 勇,王 华,等.洪水对水库水温分层结构的影响[J]. 水资源保护, 2013,29(5):38-44. Tao M, Pang Y, Wang H, et al. Efects of floods on reservoir temperature hierarchy [J]. Water Resources Protection, 2013,29(5):38- 44.

[15] Ma W X, Huang T L, Li X, et al. The effects of storm runoff on water quality and the coping strategy of a deep canyon-shaped source water reservoir in China [J]. International Journal of Environmental Research & Public Health, 2015,12(7):7839-7855.

[16] 丛海兵,黄廷林,缪晶广,等.扬水曝气器的水质改善功能及提水、充氧性能研究[J]. 环境工程学报, 2007,1(1):7-13. Cong H B, Huang T L, Miao J G, et al. Study on water improvement function, capacity of lifting water and oxygenation of a water-lifting aerator [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2007,1(1): 7-13.

[17] 何剑波.千岛湖水温、溶解氧及叶绿素a垂向特征研究[D]. 杭州:浙江工业大学, 2014. He J B. Vertical characteristics of water temperature, dissolved oxygen and Chlorophyll a in Qiandaohu [D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2014.

[18] 曾 康,黄廷林,马卫星,等.金盆水库汛期高浊水径流的潜入及热分层水体水质响应[J]. 中国环境科学, 2015,35(9):2778-2786. Zeng K, Huang T L, Ma W X, et al. Water-quality responses of the intrusion of high-turbidity runoff to the thermal stratified Jin-pen Reservoir during flood season [J]. China Environmental Science, 2015,35(9):2778-2786.

[19] 张莹莹,张 经,吴 莹,等.长江口溶解氧的分布特征及影响因素研究[J]. 环境科学, 2007,28(8):1649-1654. Zhang Y Y, Zhang J, Wu Y, et al. Characteristics of dissolved oxygen and its affecting factors in the Yangtze Estuary [J]. Environmental Science, 2007,28(8):1649-1654.

[20] 苏 露,黄廷林,李 楠,等.分层型水源水库沉积物需氧量特性[J]. 环境科学, 2018,39(3):1159-1166. Su L, Huang T L, Li N, et al. Characteristics of sediment oxygen demand in a drinking water reservoir [J]. Environmental Science, 2018, 39(3):1159-1166.

[21] Hur J, Jung N C, Shin J K. Spectroscopic distribution of dissolved organic matter in a dam reservoir impacted by turbid storm runoff [J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2007,133(1-3):53-67.

[22] Fink G, Wessels M, Wüest A. Flood frequency matters: Why climate change degrades deep-water quality of peri-alpine lakes [J]. Journal of Hydrology, 2016,540:457-468.

[23] Ran Q, Su D, Li P, et al. Experimental study of the impact of rainfall characteristics on runoff generation and soil erosion [J]. Journal of Hydrology, 2012,424-425(6):99-111.

[24] GB3838-2002 地表水环境质量标准 [S]. GB3838-2002 Surface water environmental quality standards [S].

[25] 边 博.前期晴天时间对城市降雨径流污染水质的影响[J]. 环境科学, 2009,30(12):3522-3526. Bian B. Effect of antecedent dry period on water quality of urban storm runoff pollution [J]. Environmental Science, 2009,30(12): 3522-3526.

[26] 宋小燕,穆兴民,高 鹏,等.松花江流域哈尔滨站降雨径流历史演变及其驱动力分析[J]. 中国水土保持科学, 2010,8(2):46-51. Song X Y, Mu X M, Gao P, et al. Analysis on historical evolution and driving force of rainfall and runoff of Harbin Station in Songhua River [J]. Science of Soil and Water Conservation, 2010,8(2):46-51.

[27] 王晓燕,朱风云,王晓峰,等.密云水库流域降雨径流土壤中氮磷流失规律—以石匣试验区为例[J]. 首都师范大学学报(自然科学版), 2001,22(2):79-85. Wang X Y, Zhu F Y, Wang X F, et al. Loss of nutrients in runoff and soil in the watershed of Miyun Reservoir-as an example of Shixia experimental area [J]. Journal of Capital Normal University (Natural Science Edition), 2001,22(2):79-85.

致谢：感谢西安水务(集团)黑河金盆水库管理公司提供的部分数据.

Impact of stormwater inflow on water quality of stratified source reservoir.

LÜ Xiao-long, HUANG Ting-lin*, LI Nan, XU Jin-lan, DENG Li-fan, MAO Xue-jing

(Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, Ministry of Education, Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2019,39(7)：3064~3072

To explore the intrusion processes of the density current and its influences on water quality in rainfall events, water temperature, dissolved oxygen, turbidity and related contaminants were monitored in June 2015 and October 2017. 11 monitoring sections were set along the upstream to main basin in Jinpen Reservoir (JPR). The underflow plunged into reservoir undergoes three stages when the inflow was 300~400m3/s: whole-section intrusion with greater water velocity, bottom intrusion with high density and mid-intrusion due to sedimentation of slit. The underflow caused the loss of thermal stability of water column, while the dissolved oxygen in the middle and lower water column were supplemented. Quantities of slit with underflow containing organic matters,nutrients and inorganic substances were transformed into reservoir and the concentration of total nitrogen, total phosphorus, turbidity and other index were resultantly increased in water column. For example,in June 2015, TN, TP, CODMnand turbidity were increased from 1.60, 0.021, 3.70mg/L and 5NTU to 2.37, 0.100, 5.80mg/L and 93NTU, respectively.

storm runoff；density underflow；nutrient salt；non-point source pollution

X524

A

1000-6923(2019)07-3064-09

吕晓龙(1993-),男,河南洛阳人,西安建筑科技大学硕士研究生,主要从事水源水库水质微污染控制研究.

2018-11-10

国家重点研发计划项目(2016YFC0400706);国家自然科学基金资助项目(51478378)

* 责任作者, 教授, huangtinglin@xauat.edu.cn