不同强度降雨径流对水源水库热分层和水质的影响

2021-03-30华逢耀黄廷林赵凌云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陕西西安710055

中国环境科学 2021年3期

华逢耀,黄廷林,李楠,司凡,黄诚,赵凌云（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,陕西西安 710055）

水源水库作为重要的水利枢纽,对水质有着更高的要求,水质防污染重要性日益突出[1].黑河金盆水库作为西安最大的饮用水水源水库,保证着西安70%的用水需求.金盆水库上游森林植被覆盖率高,人烟稀少,近年来在当地政府与人民的共同努力防护下,上游人为污染外源输入已得到有效管理[2],而水库分层期虽然有内源污染风险,但在扬水曝气设备底部供氧条件下也得到有效控制[3].根据多年水质监测,汛期降雨径流汇入常携带着高负荷营养物入库,对于金盆水库,径流汇入已成为重大的污染来源.

受水温及含沙量影响,降雨径流潜流密度不同,在进入库区时会形成横流（表层流）、层间流（中部潜流）和底部潜流.异重流从形成到坝前需满足入库径流量、洪峰流量持续时间、含沙量、库区地形及库底坡降等要求[4].水库水体的热能传输不均匀,冷、热水密度的差异则会导致峡谷型水库在深度方向出现热分层现象[5].分层的形成严重阻碍了上下层水体物质交换过程,导致底部易形成厌氧环境,使得底部水体氮磷营养盐、金属离子及有机物等污染物释放[6].同时,深层湖库热分层现象是暴雨潜流的必要条件,不同水温、含砂率的暴雨径流入库时遵循“等密度潜流”的方式进入相同密度水层,会导致该层水质发生严重恶化;另一方面,不同流量、不同密度条件暴雨径流潜流过程对深层湖库水体热分层结构、水质特征同样产生强烈影响[7-9].

因此了解径流对热分层及水质的影响对水源水防污染控制十分重要,然而近年来对降雨径流的潜入形态研究多是单一的实验室模拟或数值计算[10-12].关于金盆水库汛期水质恶化现象的研究已有报道,但其都缺乏小、大径流潜入时位置演变的分析及热分层结构与水质之间相互作用关系的系统研究[13-14].本研究以西安金盆水库为研究对象,综合了2012～2019年多场不同流量的降雨径流的原位水质数据,探究不同雨强下入库径流的潜流演变过程,对比分析了不同流量降雨径流对主库区热分层及水质的影响规律及相互间的作用关系,旨在为汛期水源水库防污染控制提供科学建议.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

西安金盆水库位于陕西省西安市周至县境内黑河峪口以上约 1.5km 处,属峡谷深水型水库,主库区长 3.5km,最大水深 90～105m,平均水深 60～95m.黑河流域属于典型的暖温带半湿润季风性气候,水库夏季炎热多雨,冬季寒冷少雨雪[13].

金盆水库热分层结构年际变化较为显著,每年都会经历分层形成期（3～5月初）—分层稳定期（5月初～9月底）—分层衰减期（10月）—自然混合期（11初～次年2月初）过程.降雨主要集中在6～10月,此时热分层结构处于稳定分层状态,底部水温为 6～8℃,表层水温为 18～29℃,并在水深 15～25m 处和底部 55～70m处形成温跃层,8月份上下温差达到最大,为15.40～22.19 ℃.2012～2019年入库年均径流量 20～30m3/s,最大径流量为1750m3/s,最小径流量为1m3/s.

1.2 研究方法

1.2.1 监测点设置及样品分析从上游退水位到主库区在河道中泓线处选取取样点及监测断面共10个:其中选取S9断面为入库口,S10断面为主库区,S2～S8断面为过渡断面,监测断面位置如图1所示.

图1 沿程监测断面布置Fig.1 Distribution of monitoring sections along the upstream to main basin

水样由直立式有机玻璃采样器收集,采样点的布置受水深变化影响,具体为:S1～S6设置表中底 3个取样点,S7、S8设置0.5m、20m、40m和水底上0.5m 4个取样点,S9、S10作为供水区域,从表层到底每隔10m设置取样点.水样收集后采用1.5L预酸化的聚乙烯瓶收集,于24h内完成总氮（TN）、总磷（TP）指标及含沙量（SS）的测定,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[15]及烘干法方法测定.现场水样的水深、温度（T）及浊度等指标由美国HACH公司Hydro-labDS5型多参数水质监测仪监测.

1.2.2 潜流水体密度计算水体密度计算公式为:

式中:ρ为潜流水体密度,kg/m3;ρT为清水在温度T时的密度,kg/m3; ρS为泥沙密度,以2650kg/m3计;S为含沙量,kg/m3.

2 结果与讨论

2.1 汛期水文特征

不同强度降雨径流事件可由水文预测模型和现场水文资料进行分级,而水文预测模型的建立也常在大量的实测径流资料基础上[16].如图 2所示,选取2012～2019年7场不同降雨强度径流进行对比分析,依据多年历史径流资料进行归纳总结[17],按照潜入库区方式对应不同入库流量将其分为大（事件 1,底部潜流,洪峰径流＞1500m3/s）、中（事件 2、3、6和7,中部潜流,洪峰径流为 500～1500m3/s）、小（事件 4和 5,表层流,洪峰径流＜500m3/s）三种类型径流.其中最强的径流事件出现在2012年9月1日,日降雨量为 59.76mm,洪峰流量达到 1750m3/s,为近十年最大径流量.在降雨过程中,由于受到植物截流、下渗蒸发等消耗,进入河流的径流量比降雨量小,且坡地漫流与河网汇集使得径流过程变缓,历时增长,时间滞后[18].各降雨径流具体特征如表 1所示,3次规模较大的径流（事件1、3与7）表明前几日高降雨量推动了高流量径流事件的发生,然而流域径流产生量不仅与流域前期降水量密切相关,而且也受当日降水量影响[19],事件 6持续降雨量低于其他高流量径流事件,但由于其当日降雨量却高达 64.21mm,高强度降雨导致洪峰流量1329m3/s的径流出现.

图2 金盆水库径流期间降雨量和出入库流量Fig.2 Rainfall and inflow/outflow of Jinpen Reservoir during runoff period

表1 2012～2019年暴雨径流特征Table 1 Characteristics of storm runoff from 2012 to 2019

2.2 不同强度降雨径流潜入

选取典型的三场不同流量降雨径流（事件 1、3和4）进行对比分析,如图3所示,2019年4月,受前日短期降雨的影响,入库洪峰径流仅为168m3/s,径流量较小.此次径流上游来水温度为 12.45℃,浊度 84～111NTU,潜流密度为 999.47kg/m3;S2～S4为全断面径流,S5断面径流开始以底部潜流的方式向前输送,S6～S8断面在底部出现明显的清浑水界面,来水温度低于原始水温,水体密度减小,径流转变为层间流,至S9断面时层间流消失.2017年10月,受前日内强降雨的影响（降雨量 53.75mm）,入库径流达到520m3/s.此次径流来水 10.52～10.91℃,浊度 113～169NTU.由于来水密度低于原水密度,从上游 S2断面到S7断面均为底部潜流;S9、S10断面水深增大,浊度降低,径流由底部潜流转变为层间流,潜流水深为18～68m.2012年9月受前几日频繁强降雨的影响（累计降雨量131.73mm）,入库洪峰径流达到1750m3/s,为近10年最大入库流量.此次径流各断面浊度、温度、水体密度变化均呈现出相同分布,表明径流从S2断面便开始以底部潜流的方式潜入至主库区;受高含沙量与低水温的共同影响,径流于 20m水深以下潜入主库区,潜流浊度在1000NTU以上,库底浊度高达3000NTU,温度13.40～15.32℃,水体密度999.13～1000.21kg/m3,潜流层厚度为68m.

图3 不同强度降雨径流沿程各监测点水温、浊度及水体密度垂向分布Fig.3 Vertical distribution of water temperature,turbidity and water density at monitoring points of different rainfall runoff

降雨径流进入水库的过渡断面（S2～S8）之后,伴随着沿程水深的不断增大,水流最大流速由接近水面向库底转移,当水流流速减少到一定值时,浑水开始下潜,随后沿等密度水层向前运行[17].异重流从形成并持续输移到库区的过程中需克服异重流沿程和局部的能量损失[20].2019年 04月径流量最小,上游含沙量极低,对水体密度贡献率仅为0.003%,从上游到库区,伴随着水位的增大及颗粒沉降,含沙量不断降低,水体密度增量为0.32kg/m3,潜流密度主要受水温作用;2017年10月径流量达到520m3/s,潜流水体水温密度增量达到 0.61kg/m3,含沙量增量为0.13kg/m3,潜流水体在水温与含沙量共同作用下从中部等密度层进入库区;2012年09月入库洪峰径流高达1750m3/s,入流水体含沙量增量为0.86kg/m3,温度密度增加0.22kg/m3,在高浊度水入库条件下,含沙量对潜流水体密度的作用显著上升.

对比三场不同强度的降雨径流可以得出,降雨径流从上游开始都会经历从底部潜流到中部潜流的演变过程,随着水中颗粒沉降,径流与原水的不断混合,水体密度不断降低.解岳[21]与Parker等[22]通过试验模拟得出入流量与含沙量、潜入位置和携沙范围呈明显的正相关,在本分析中也是如此,当流量较低时,由于其水动力较弱,含沙量较低,水体密度主要受水温控制,径流从表层或温跃层上部进入库区;随着流量增大,携沙能力增强,上游底部潜流形式持续运输的断面位置会更远,中部等密度层潜流的位置也就越靠近库区;随着颗粒沉降,水体密度降低[12],径流潜入水位升高,最终在温度和含沙量的共同作用下以层间流的方式进入中部水体;当含沙量增大时,径流潜入位置不断下移,潜流层厚度不断增大,当潜流水体足够打破水体温跃层结构时,径流最终以底部潜流方式进入库区.

2.3 不同强度降雨径流对主库区热分层稳定性的影响

图4展示了降雨径流来临前后主库区垂向水温变化.2019年4月和6月为小入库径流事件（图4a和4b）,洪峰流量分别为168m3/s和400m3/s,此时主库区处于热分层稳定期,受气温及光照的影响,垂向水温升高,热分层结构更加稳定,小径流未对库区热分层结构稳定性产生明显影响;2017年10月、2015年6月末和2019年9月入库径流达到520m3/s、576m3/s和 1170m3/s,径流于中部水层潜入库区,与库区上下原水进行混合与热量传递,潜流层温差皆变小（7.41℃～2.14℃,8.93℃～5.73℃、7.37℃～0.69℃）,上部温跃层被破坏,温度梯度变大,并在底部形成温度梯度较小的新温跃层（图4c、4d和4e）;2012年9月洪峰流量为 1750m3/s,为近十年最大径流量,径流来临前水体呈稳定的热分层结构,9月2日径流于24m处以底部潜流的方式进入库区,中下层水体混合,潜流水温为13.39～15.54℃,水温趋于均一（图4f）.

图4 降雨径流来临前、后主库区水温垂向变化Fig.4 Vertical variation of water temperature in main reservoir area before and after rainfall runoff

对于峡谷型水库,垂向水温变化主要靠不同深度水层热量的传递分配,包含水体内部的热量传送与外界热量的输入[23].内部的传递主要受阳光辐射及热交换影响[24],外部的输入主要靠暴雨径流输送不同温度水体的更新与混合.Liu等[25]当洪水温度与水库出流温度相同时,热分层结构将保持原来的状态,当洪水温度低于出流温度时,洪水将在一定程度上引起温跃层稳定性的削弱;Wang等[26]研究流溪河水库热分层特征时发现高入库流量由于加剧了水体扰动可导致秋季水体提前混合,显著降低热分层稳定性.当径流量较小时,外来能量的输入较低,由于水库主要受气温及光辐射的影响,径流对热分层结构稳定性的影响不明显;随着流量的进一步增大,径流在中部等密度层潜入库区,改变中部水体温度,并进行垂向热交换导致温跃层上部水体温度降低,水温梯度变大,而底部原水水温较低,与潜流水体形成梯度较小的新温跃层;当洪峰流量达到 1500m3/s以上时,此时受来水水温与含沙量的共同影响,径流以底部潜流的方式进入库区,加强了水体扰动,随着库区不断泄洪排浊,低温高浊水取代原水,破坏水体热分层结构,使潜流水体垂向水温分布均匀一致.

2.4 不同强度降雨径流污染物的输入特征

2.4.1 上游来水水质分析由于来水水质、水动力作用强弱、径流潜入位置及人工调度等因素不同,径流对库区水质的影响有区别.已有研究表明,不同降雨强度的径流其冲刷和稀释能力会影响氮磷元素的输出[27].总体来看,金盆水库汛期上游来水TN浓度高于 1.50mg/L,超过地表水Ⅳ类标准,且浓度随着入库水量的增大而降低,这是由于金盆水库TN主要以溶解态为主,占比高达76%以上（图6）,随着径流量增大,稀释作用增强,并逐渐高于冲刷作用,导致 TN 越低,由 2.25mg/L变为 1.71mg/L;夏汛期间（除 2019年 4月）TP浓度则呈相反趋势,随流量增大而升高（400m3/s时为 0.02mg/L,1750m3/s时为 0.34mg/L）,这是由于径流携带的 TP主要以颗粒态为主（占比在61%以上）,降雨量越大,对地表冲刷能力越强,TP附着在泥沙颗粒上而进入河道.杨帆等[28]对龙泓涧流域降雨时期氮磷输出特征进行研究时发现初期冲刷作用与前期降雨量有关,降雨量越小 TP和氨氮的冲刷效果越明显.2019年4月虽其径流量最低,但其库区TP浓度却高于大径流事件,TN浓度仅次于2015年6月径流事件,这是因为其处于桃花汛时期,前一个月降雨量仅为22mm,上游S2水位极低（0.24m）,表层沉积物裸露,且长时间未被冲刷,初始冲刷作用明显降雨过后来水水质TP浓度0.66mg/L,TN浓度3.99mg/L,均高于其他径流来水水质（表2）.

表2 径流上游来水与库区潜流层水质对比表Table 2 Water quality comparison between upstream runoff and reservoir underflow layer

2.4.2 降雨前后主库区氮磷营养盐响应热分层结构是降雨径流潜入的前提及必要条件,受水温和含沙量影响,不同密度径流会沿着等密度水层进入库区,其温度及其携带的高浓度营养盐反过来影响水体分层结构及水质安全.如图5a所示,径流来临前垂向水体TN、TP浓度分布均一,当小流量径流来临后,受来水水质影响（表2）,温跃层上部TN峰值浓度由1.42升至2.25mg/L、TP峰值浓度由0.01mg/L升至0.46mg/L）,随后氮磷浓度向上下传质,导致整个断面浓度增大.图5b径流来临后TP浓度变化较小,TN浓度呈降低趋势,一方面是由于汛期径流量小,水动力作用较弱,携带的污染物逐步被稀释,另一方面受主库区扬水曝气系统控制,氮磷浓度得到有效削减.当入库流量增大（＞500m3/s）时,径流以层间流方式进入库区,导致库区中部水体TN、TP浓度升高（图5c、5d和 5e）,且降雨量越大,降雨对地表的冲刷作用越强,TP浓度峰值也就越高（分别为 0.03、0.04和0.13mg/L）,对应水深分别为 20～60m、20～70m 及20～80m,与上述潜流位置基本一致.图5f径流以底部潜流的方式进入库区,TN浓度在稀释和冲刷的共同作用下由1.31mg/L升至1.43mg/L,TP浓度明显升高,从 30m水深处便超过 0.40mg/L,底部浓度高达0.91mg/L,这与浊度、水体密度分布极为相似,表明TP污染物主要附着在颗粒泥沙表面而被高浊水带入库区.

图5 不同强度降雨径流来临前后主库区TN、TP浓度垂向变化Fig.5 Vertical variation of TN and TP concentrations in main reservoir area before and after rainfall runoff with different intensities

潜流位置不仅对热分层结构造成影响,而且对潜流层（等密度层）水体水质产生显著影响.Marti等[29]研究 Thomson水库时发现,异重流携带大量污染物进入库区导致潜入层水质恶化,但受温跃层阻碍而很难扩散至表层.当入库流量较低时,降雨径流从温跃层上部进入库区,导致库区上部水体TN、TP浓度明显升高;随着入库流量增大,潜入位置下移,热分层结构被破坏,水体更新可削弱水体的热分层结构[30],有利于水质的上下交换,从而促进营养盐及溶解氧的垂向扩散[31].降雨径流有效削减了水体的热分层稳定性,加快了水体进入分层消亡期,促进底部水体污染物往上扩散,导致上部水体水质变差.

2.4.3 主库区污染物的赋存形态选取2019年三场不同强度入库径流的污染负荷形态进行对比（图6）,结果发现在不同的降雨径流下,总磷主要以颗粒态（PP）为主,占比均在 61%以上,总氮则是以溶解态（DTN）为主.在入库流量较低的情况下（图 6a）,上部水体PP浓度为0.04mg/L,占比94.57%,高于中部与底部,而上部水体中DTN浓度为1.70mg/L,明显高于中部与底部,表明污染负荷从温跃层上部进入库区.图6b洪峰径流量达到1170m3/s,此时中部与底部颗粒态氮磷浓度和占比进一步升高,以PP为例,中底部水体中浓度达到 0.10～0.11mg/L,占比高达 85.79%～88.41%,表明大入库径流携带颗粒污染物的能力更强.图 6c为洪峰径流量达到 1326m3/s的暴雨径流,由于其潜入位置为中部（26～57m）,导致中部潜流层水体PP浓度达到0.06mg/L,占比82.61%,远高于表层与底部的69.09%和48.89%;垂向分布中DTN浓度变化不大,在1.56～1.59mg/L,但中部水体颗粒态总氮（PN）占比明显升高,占比为 23.51%,高于表层与底部的12.83%和9.14%.

已有研究表明,不同降雨强度的径流其对地表的冲刷能力会影响氮磷元素的输出[32-33].暴雨径流期间,由于泥沙表面往往吸附大量污染物和有机质,在受到水动力强弱、沉积环境、搬运介质和方式的影响后,这些污染物通常以悬浮颗粒物为载体而进入库区[34].Peraza-Castro等[35]对Basque Country流域水质的研究时得出高强度洪水事件常常会携带大量颗粒污染物,从而对污染负荷的输入产生影响,且颗粒负荷的变化与悬浮颗粒物、沉降和排放有关等结论.在径流量较小时,受水温影响,径流从温跃层上部进入库区,由于颗粒对不同污染物的吸附能力不同,导致表层水体中 DTN,PP浓度占比最高;当径流量增大时,水体以层间流方式进入库区,中部水体颗粒态氮磷占比升高,表层由于温跃层存在而影响污染负荷的向上传递,而底部水体由于颗粒污染物沉降,在厌氧环境下易还原释放,水质变差;当径流量继续增大,水体整个断面颗粒态污染物占比升高,一方面是受连续强降雨,导致流域水土冲刷严重,上游来水污染负荷较高,另一方面由于径流量增大,携沙能力增强,更多的污染物从中底部进入库区,在径流破坏水体的热分层稳定性后,污染物可向上传递交换造成水质恶化.