我国大中型水库水体自净能力特征研究

汪青辽，颜小平，郝红升，黄 伟

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.四川农业大学，四川 雅安 625014)

1 研究背景

据《2018年全国水利发展统计公报》显示，截至2018年底，我国共有水库98 400座，在全国各地均有分布[1]。这些水库取得了重要的防洪、灌溉及供水等效益，对我国经济社会的发展做出重要的贡献[2]。然而，水库蓄水成库后通常会改变原河道水文特征、水库水体水力停留时间，导致水体对有机物的降解能力发生一定的改变[3]。大量的研究表明，流速变缓和水力停留时间增加减弱了水体的交换过程[4-7]，从而导致水库水质状况发生改变。因此，研究水库水体的自净规律对水库规划设计与管理具有重要意义。

以往研究表明，水库蓄水后，水库水体具有一定的自净能力，能改善水库水质。王现领等[8]对景观水体的自净规律进行了试验研究，试验结果表明景观水体的CODCr、氨氮值会逐渐降低至某一水平，后维持稳定；王超等[9]对南水北调中线干渠水体自净能力进行了研究，发现总干渠水体自净能力较弱且受温度影响明显；刘倩纯等[10]对鄱阳湖水体水质变化规律进行了详细的研究，得出影响鄱阳湖水体水质的环境因子主要为溶氧量、透光度和电导率；李锦秀等[11]利用一维水流水质数学模型对三峡库区水质变化规律进行了预测，结论是三峡库区水体受水流流速减缓影响，自净降解速率降低，但由于污染物在库区滞留时间成倍延长，有机污染物在库区自净降解总量将比建库前增大。然而，以往研究中针对我国不同地区和不同规模的水库自净规律的研究相对较少，对水库自净能力与水库水文特征量之间规律的深入探讨也较少。为此，本文以我国不同区域及不同规模的水库为研究对象，调研水库水体COD、NH3-N、TN、TP等水质因子，探究水质自净规律，并通过对比不同规模、不同地区水库水体自净能力，总结出大中型水库、南北方水库水体自净能力差异，分析造成水库水体自净能力差异的原因，以期为进一步阐明水库自净规律，为水库设计、运行与管理提供理论依据。

2 研究方法

2.1 研究对象

本文研究对象为我国已修建的90多个大、中型水库，涉及全国(港澳台除外)各个省、市及自治区(我国南海地区未纳入研究)，并确保每个省、市及自治区均有水库作为研究样本。

2.2 数据来源

所有数据来源于国家或地方环境部门官方公开的环境影响评价报告书，主要包括KCOD、KNH3-N、KTN、KTP、出入库水流污染物浓度、水库水位特征值、相应的库容和多年平均年径流量等。

2.3 研究步骤

本文收集我国不同区域的环评报告书，选取水库环评报告中的水文特征值数据，采用SPSS和Origin Pro软件分析我国不同地区及不同规模水库水质数据，得出不同地区和不同规模水库水质自净能力规律，分析不同地区和不同规模水库水体自净能力差异，并分析其原因，详见图1。

图1 技术路线示意

3 结果与讨论

3.1 水库自净规律分析

水体污染物衰减系数能反映水体单位时间内污染物的衰减速率，对水体自净和纳污能力计算有重要作用[12]；而入库水流的COD浓度值与出库水流COD浓度值的差，在假设水库水质无人为影响前提下，可以反映水库对COD的削减能力，本文将其定义为COD浓度变化值。对NH3-N、TN和TP也进行相同定义。对COD、NH3-N和水库正常水位库容、多年平均流量等数据进行线性回归处理和统计分析，结果如图2、3所示。

由图2可知，当水库的正常水位库容增加时，水库的COD衰减系数呈减小趋势，表明水库正常水位库容与COD衰减系数呈负相关关系。由图2、3可知，在一次函数拟合情况下，随着水库多年平均流量的增加，水库对COD、NH3-N的削减能力有一定提升，反映出两者呈正相关的关系。COD衰减系数与多年平均流量或者正常水位库容关系不显著，主要原因是COD衰减系数受温度、光照、库容和水力停留时间等因素的复合影响，所以与单一因子的相关关系不显著。由图3可看出，NH3-N衰减系数与多年平均流量成负相关关系；相反，多年平均流量与NH3-N浓度变化值却呈正相关关系，其自净规律与COD一致。

图2 COD衰减系数、浓度变化值与正常水位库容拟合曲线

图3 NH3-N衰减系数、浓度变化值与多年平均流量拟合曲线

为进一步探究水质参数与正常水位库容函数关系，将COD与正常水位库容进行非线性函数拟合，R2明显增大，说明它们之间可能呈更复杂的函数关系。为使方差不随着自变量增加而变大且使因变量与自变量数量级接近，将库容进行自然对数变换后再进行线性回归分析，结果见图4。由图4可以发现，相关性明显增强，说明两者存在正相关关系，既随着不同水库正常水位库容的增加，其对COD的削减能力有一定的增强，拟合的线性曲线截距表明，研究涉及的水库除了库尾水体COD流入外，水库都存在一定的面源污染，所以直线不经过原点，NH3-N浓度变化值规律与COD基本一致。

图4 COD浓度变化值与ln(库容)拟合曲线

TN、TP也是水库重要的水质指标，线性和非线性分析结果见图5、6和表1、2。

图5 TN浓度变化值和多年平均流量、正常水位库容拟合曲线

从拟合曲线可知，TN的衰减系数随着正常水位库容增加总体呈下降趋势(见图5)，而TN从入库到出库的浓度变化值与多年平均径流量也有一定的相关性。TN的浓度变化值随着不同水库的正常水位库容增加大致呈现下降趋势(见图5)，线性拟合相关系数R2较低，仅为0.18，说明它们之间呈一定的负相关关系，但相关性较小；当把它们进行2次函数拟合时，相关系数明显增加，反映出它们之间可能为较复杂的非线性关系。当把TN浓度变化值与多年平均流量进行线性拟合时发现，两者呈较明显的负相关关系，相关系数达到0.51，说明两者具有一定的相关性；而用二次函数进行拟合时发现R2达到了0.62(见表1)，证明两者可能存在非线性关系。

表1 TN浓度变化值与正常水位库容、多年平均流量拟合相关系数

不同水库的TP衰减系数与对应水库正常水位库容呈负相关关系(图6)，即随着水库的正常水位库容地增大，TP单位时间降解速率减小，与TN自净规律一致。TP浓度变化值与水库正常水位库容正相关性较强，线性函数拟合和2次函数拟合R2分别达到了0.63和0.76(表2)。由图6可知TP的浓度变化值随着正常水位库容的增加而增加，原因是水库

表2 TP与正常水位库容、多年平均流量拟合相关系数

图6 TP衰减系数、浓度变化值和正常水位库容拟合曲线

库容越大，水库对TP的稀释和降解能力越强；但TP的浓度变化值与坝址处的多年平均径流量呈负相关关系，原因可能是流量越大，水库水流停留时间越短，从而导致水库TP浓度变化值反而减少，这与刘登国[13]的研究结果一致。

3.2 大中型水库自净能力差异分析

方差分析表明，大、中型水库的水质指标衰减系数和单位浓度变化值具有一定的差异，如表3、表4及图7所示。大型水库的COD衰减系数变化范围为0.001～0.320 d-1，中型水库COD变化范围为0.001 8～0.270 0 d-1；大型水库的NH3-N衰减系数变化范围为0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水库的变化范围为0.001 5～0.150 0 d-1(见表3、图7)。在水质指标衰减系数上，大型水库的COD、NH3-N降解系数变化范围比中型水库大，大型水库COD降解系数异常值多(见图7)，均说明大型水库的情况比中型水库情况更加复杂，影响因素更多，波动范围更大。大型水库COD、NH3-N降解系数平均值与中型水库相差不大，原因是大型水库的衰减系数极大值和极小值都较多，从而使两种类型水库平均值相差不大，但其中位数却小于中型水库。这说明中型水库的衰减系数整体上大于大型水库，与本文COD、NH3-N等衰减系数与正常水位库容的负相关曲线拟合结果一致，原因可能为大型水库更加着重于满足供水、灌溉等功能，从而增加了水力停留时间，使衰减系数偏小，与李锦秀[11]的研究结论一致。

表3 大、中型水库水质指标衰减系数特征值 d-1

图7 大中型水库COD、氨氮衰减系数箱型图

大、中型水库的水质指标浓度变化值也呈一定规律。总体上，大型水库的水质指标削减值变化范围大于中型水库(见表4)。大型水库的COD浓度变化值的方差为4.481，变化范围为0.1～7.781 mg/m3；而中型水库的方差仅为0.994，变化范围为0.002～3.62 mg/m3。不难发现，大型水库水质净化能力的变化范围和不均匀性比中型水库大，主要原因是大型水库的库区范围、点面源污染状况和水文条件等等影响因素明显比中型水库复杂。为保障供水安全和水质目标，需要科学管理，制定相对最优的水库运行管理方式[14]。

表4 大、中型水库水质指标浓度变化值特征值 mg/L

3.3 南北方水库自净能力差异分析

根据水库的地理位置，以秦岭淮河为南、北分界线，将水库分为南方、北方水库，对比分析南北方水库自净能力。

由于青海省的水库水质状况整体较好，自净能力与其他地区差异明显，有可能影响整体结果，因此不纳入分析，另行分析。研究发现，南方水库的COD、NH3-N、TP、TN衰减指数和污染物浓度变化值的平均值、中位数、方差、标准偏差和变化范围都比北方水库大(见表5、6，图8)，表明南方水库水体的自净能力普遍比北方强，对入库污染负荷降解和削减能力比北方水库强；但南方水库自净能力的变化范围、方差和标准偏差都比北方水库大，表明南方不同省份和不同类型水库的差异大，自净能力规律更为复杂情况。需要说明的是北方省份中的青海省，由于其水质好且人为影响小，所以青海省内的水库水质指标衰减系数和浓度变化值普遍大于其他区域的水库。将所得数据剔除极端值后知，南方水库的COD衰减系数范围一般为0.001 8～0.280 0 d-1，而北方水库变化范围一般为0.001～0.150 d-1；南方水库NH3-N衰减系数一般为0.001 5～0.180 0 d-1，北方为0.001 2～0.120 0 d-1；南方水库COD和NH3-N衰减系数众数比北方大，而TP、TN衰减系数都比较小，南方水库TP、TN衰减系数稍大于北方水库，南北方差异不明显。总的来说，南方水库的自净能力要大于北方水库，其原因与温度，光照，水库功能等因素都有关，与已有的研究结论类似[9]。

表5 南、北方水库水质指标衰减系数统计特征值 d-1

表6 南、北方水库水质指标浓度变化值特征值 mg/L

图8 南、北方水库COD、氨氮衰减系数示意

4 结 论

由上述分析得出以下主要结论：

(1)水库对COD、NH3-N、TP、TN的削减能力与水库正常水位库容和坝址处多年平均径流量相关关系显著，呈正相关关系；不同水库COD等污染物衰减系数与水库正常水位库容和坝址处多年平均径流量相关性不显著，呈较弱的负相关关系。其原因是COD等污染物衰减系数的影响因素较多，所以与单一因子进行拟合的相关性弱。

(2)整体上，大型水库的COD衰减系数变化范围为0.001～0.320 d-1，中型水库COD变化范围为0.001 8～0.270 0 d-1；大型水库的NH3-N衰减系数变化范围为0.001 2～0.180 0 d-1，而中型水库的变化范围为0.001 5～0.150 0 d-1。大型水库的污染物衰减指标值的变化范围比中型水库大，统计方差也更大，大型水库的自净能力状况及其影响因素明显比中型水库情况更加复杂多变，但其中位数却小于中型水库，与拟合所得结果一致。

(3)南方水库COD、NH3-N、TP、TN入库出库浓度变化值的平均值、中位数、方差和波动范围都比北方水库大；南方水库的自净能力普遍比北方强，对入库污染物净化能力比北方水库高，但南方水库自净能力变化范围和方差都比北方水库大。这些表明南方不同区域和不同类型水库间的差异明显，自净能力规律更加复杂。