水库水源水质评价分析和可靠性研究

杨楚斌

(广东省水文局茂名水文分局，广东 茂名 525000)

水库的水源一方面要质量达标，另一方面也要满足水量可靠性的要求，也就是说，在满足区域内当前的生产和生活用水外，还要考虑长远发展的需要，因此，水源可靠性的研究与对水源质量的评价和分析同等重要。广东省某水库具备闽粤省界水体的特点，多年来一直受上游养殖水以及区域内生活和生产面源污染的影响，水质状况不尽如人意，治理的任务十分艰巨。本文通过对水库水体质量、富营养化以及浮游植物进行评价，并对水库水源的可靠性进行研究，以期为区域内水资源保护对策的制定、水资源管理和环境综合决策提供科学依据。

1 水库水源水质评价方法

1.1 水质分析参数及评价方法

本研究进行水质分析的依据是地表水环境质量标准(GB3838-2002)的相关标准，参考的参数共计29个：水温、总磷、透明度、硝酸盐氮、阴离子表面活性剂溶解、高锰酸盐指数、氧、pH值、氟化物、阴离子表面活性剂、五日生化需氧量，铁、锰、六价铬、叶绿素a、硫化物、铜、砷、汞、氰化物、电导率、氯化物、挥发酚、总氮、氨氮、硫酸盐、铅、镉、硒、锌、等。评价手段采取“单因子评价法”，并对比国家相关标准的检测值，对水质类别进行评价。同时，根据《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)标准进行富营养指标评价[1]。

1.2 季节性肯达尔检验方法

实践证明，在非正态分布、少数异常值以及不完整值的资料分析适用于肯达尔检验方法，而往往在时间序列里经常相遇这样的情况，因此，本研究在某水库水质监测的前提下，根据基于核心水质参数的2007-2014年实测资料，针对某水库的水质变化借助季节性肯达尔进行分析。主要利用PWQTrend2010趋势分析软件进行评价分析，具体的检测方式遵循浓度的季节性Kendall，该技术软件的特点是可以给出水质趋势的地理分布模式和定量描述。利用该软件分析水质变化，根据其结果划分为上升、下降和无趋势的三个类型，以及高度显著上升、显著上升、无趋势、显著下降以及高度显著下降5个级别。

2 水库水源水质评价过程

2.1 水环境质量状况

根据某水文分局2007-2014 年针对某水库断面检测结果的年平均值，评价该水库的水质类别，设定Ⅲ类的水质目标，超过该级别都定为不达标水质。某水库年均水质类别为IV-劣V类，总磷和总氮为关键的污染指标，其他的污染指标归类于Ⅰ-Ⅲ类。按照分析结果显示，总磷浓度范围从2007-2014 年为0.02～0.15 mg/L，从2007年开始，呈现逐年上升的趋势，其浓度上，2014年的浓度高出2007年浓度的七倍多；总氮一直保持在1.5～2.5 mg/L的浓度间， 2010年后开始明显上升，但不及总磷浓度升高的幅度[2]。

2.2 富营养评价与浮游植物群落动态

2.2.1 富营养化评价

通常情况下，按照《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)相关规定进行富营养化评价，营养状态的评价可选择高锰酸盐指数、透明度、总磷、 叶绿素a进行，评价的指标是汛期以及非汛期的全年值。评价结果表明，针对EI值的比较，汛期明显大于非汛期；比较全年EI值，2007-2010年为逐年升高的趋势，2010年升到最高，而且水库水体在2010年后保持轻度富营养状态。通过将总磷、总氮含量的变化趋势与评价结果进行比较，表明某水库总氮、总磷含量变化与富营养变化基本相同，并且，总氮、总磷是富营养化加剧的主要因素，可以表现出某水库总氮和总磷的高含量是富营养化程度加剧以及水质不佳的主要因素。

2.2.2 浮游植物监测结果分析

2013年分别对四个月藻类进行检测，检测到的7门浮游植物包括：第一为蓝藻门6属，常见属有色球藻、微囊藻、伪鱼腥藻、平裂藻；第二为17属的绿藻门，主要为十字藻、新月藻、肾形藻、胶网藻、鼓藻、角星鼓藻、栅藻、集星藻、胶网藻；第三为硅藻门8属，主要有舟形藻、小环藻、针杆藻；其他门常见属为：锥囊藻、金藻门鱼磷藻；甲藻门多甲藻；隐藻门蓝隐藻；裸藻门囊裸藻。2013年8月有更多种类的浮游植物被检出，优势种群主要以蓝藻和绿藻为主。浮游植物的丰度季节变化很明显，在本年度的4个月份检测中，浮游植物丰度大小顺序为：8月最大、5月其次，之后依次是2月和11月。70%以上的蓝藻丰度发生在8月。其中八月占蓝藻丰度的70%以上。丰度动态与组成百分比见图1。

图1 浮游植物丰度动态与组成百分比

2.3 肯达尔趋势分析

在选取某水库的水质资料时，为了充分了解水质在不同季节的变化规律，在趋势分析上可划分为汛期、非汛期和全年期。根据某水库的水质特点，充分考虑某水库人为以及自然环境因素的影响，在重金属参数趋势检验时选择如下指标：总磷、铜、氨氮、总氮、BOD、挥发酚、高锰酸盐指数、硫酸盐、溶解氧、氯化物等。检验过程表现在如下几个方面：(1)总磷、总氮、总氮、总磷、BOD、氨氮和高锰酸钾指数，可以反映水质的变化规律，这种变化源于水体中的有机污染；(2)重金属和挥发酚，可以反映出水体中工业废水的毒害趋势；(3)天然水化学成分的变化可以借助氯化物和硫酸盐进行反映，而且农田排水盐对河流水质的污染情况也可以据此检验出来。

本研究利用季节性肯达尔法对2007-2013年某水库水质实测资料进行检验，同时对比评价GB3838-2002地表Ⅲ类标准，某水库水质的变化趋势表现在以下几个方面：(1)作为水体中有机污染源的总磷和总氮表现显著的上升，突破了相关的标准；尽管BOD同时上升，但没有超标；溶解氧没有超过Ⅲ类水的标准，表现含量下降；氨氮、高锰酸盐没有发生明显的升降，指标符合标准。(2)可以体现有毒污染物的重金属和挥发酚都没有升降现象，指标符合标准。(3)硫酸盐和氯化物作为天然水化学指标的体现，含量没有上升，符合规范标准[3]。

2.4 Kendall趋势与水质关系研究

本研究通过Kendall趋势判断某水库的水质变化情况，较好的一致性表现在两者的符合。从分析判断的结果来看，明显上升的有氯化物、硫酸盐、总磷、五日生化需氧量、总氮等；而溶解氧却下降明显；另外的重金属、高锰酸盐指数、氨氮等没有升降的现象。综合分析两者的关系，当前某水库的主要污染源就是磷、氮等含量的超标，另外还有氯化物和硫酸盐的高浓度，以及附带的某些污染，例如溶解氧下降和五日生化需氧量升高等。

2.5 污染原因分析

某水库的污染源主要是上游15个乡镇的30万农业人口，在日常生活、养殖以及种植中，被化肥、农药粪便等直接污染的毒害水，以及没有处理过的生活污水排放到河道，再经河道汇入某水库。另外，经过全面的调查研究显示，本文研究的水库有一半的流域面积在邻省境内，各种养殖污水注入流域后汇入某水库的库区。调查表明，区域内的某县2010年出栏生猪62万头，其中某水库流域范围内出栏的生猪大约28万头，出栏家禽118万只。虽然很多养殖场也采取了一些例行的污水处理手段，但处理技术简单，处理效果不佳，其废水通过排水渠汇入某河，最后进入某水库。

3 水库水源可靠性研究

3.1 可靠度分析法概述

某水库是靠降雨和上游来水补充水源，水量的消耗途径包括排洪、渗漏、供水等，计算某水库供水可靠度的依据就是这些参数。供水可靠度通过规划的月供水量和实际的月供水量做差，可靠度的标识是差额为正值；如果差额为负值则标识为不可靠，具体计算方式如式(1)：从式(1)获悉，某水库供水的可靠度关键看WSi和WDi，所以，必须对其进行详细分析。

Z=g(X)=WSi-WDi

(1)

式中：Z代表规划和实际供水量的差额，单位为m3/d；WSi代表规划的月供水量，单位m3/d；WDi代表实际月供水量，单位m3/d。

3.2 水库供水能力计算

3.2.1 水库来水量分析

本工程经过调查和统计某水库最近10 a逐月实测的入库流量、出库流量等数据信息，对水库多年的年平均来水量进行估算，结果为880.4×104m3。

3.2.2 水库实际供水量估算

调查显示，当前某水库主要的耗水项目是下游河道生态供水，根据最小供水量计算就可以，一般取值为2 765 m3/d。本研究利用“tennant”算法，其标准如表1所示。最终设计在4-9月的汛期时，河道生态需水量占比平均流量的30%左右；在10-3月份的枯水期，占据平均流量的40%左右。通过计算，某水库下游整体生态需水量大约为 101×103m3；某水库可为本镇及附近区域年平均供水519×103m3。其中，最大供水量为689×103m3/a；最小供水量为419×103m3/a，可以满足的供水能力为1.16× 103～1.88×103m3/d。

表1 下游河道生态环境需水量标准

在12个月的时间内，某水库的供水可靠度大约为 P=75%，冬季用水水相对紧张。解决这个问题的最佳措施是完善“水费收取” 制度，强化广大民众的节约用水意识，确保实现最高的水资源利用率[4]。

3.3 水库供水可靠度计算

根据所在区域的近10 a的发展规划，每日的平均需水量为 5.63×103m3/d，其中需要某水库水源工程供水1.73×103m3/d。但综合分析相关数据显示，在冬季里某水库的供水量也很低，所以在12-2月份的三个月时间里表现为不可靠概率，统计图见图2。

图2 某水库每月估算供水量折线图

3.4 水库供水水源系统风险分析与模拟

水库水资源供用水系统风险性能指标的定义很多，按照水库供水模式和具体状况，从可持续地保持供水水源的角度分析，风险Pf可以作为供水工程承担的供水外来负荷L超过工程自身的承载力R的概率[5]。即：

Pf=P(L>R)

(2)

针对某水库的地表水系统，L代表联合调控模型中地表水饮用量，R代表的天然来水水量是通过工程调节后的数量，因为天然来水与工程的运行模式之间的不确定性，因此，在地表水资源供水系统隐藏着一定的风险；本文研究的某水库地下水体系，实际的地下水开采量设定为L，而允许的地下水开采量设定为R。

3.5 径流量的带权马尔柯夫链预测模型

3.5.1 模型构建

马尔科夫链泛指时间和状态离散的马尔柯夫过程，数字公式如下表达：概念空间定义为Ω、F、P，以此为基础的随机序列{Xwn∈T},其中T={0,1,2,…},状态空间={a1,a2…},a1∈R。如果针对任意的正整数n,r和0≤t1

P(Xmin=aj|Xt1=ai1，Xt2=ai2，…，Xtm=aim，Xm=ai)=P(Xmin=aj|Xm=ai)

(3)

在检测实践中，通常会应用齐次马尔柯夫链,即对任意n,k∈N+,产生下式：

Pij(n，k)=Pij(k) i，j=0，1，2…

(4)

式中：X(n)代表的概率向量，n时刻径流状态；x(0)代表的概率向量为初始时刻径流状态；P(n)代表的概率矩阵为n步转移的径流状态；m为状态数；Nij为由状态i经n步转移到状态j的原始样本(径流系列)数;Ni代表的径流系列数为i原始样本的状态。

3.5.2 计算实例

本研究模拟的广东省某水库的地下水数值，为了设定的20万 m3/d的地下水开采量得以满足，某河流的径流量最少要保持1156万 m3/月，通过对某河流径流量特征进行调查分析，在枯水季节里，一些不去确定的风险因素存在于某河的径流量中，以某水文站2007-2010年的实际资料为例，针对未来十年的径流量状态，可利用马尔柯夫链模型预测未，以全面分析某水库水源体系。首先是预测前五年基础上的径流，然后将预测结果加入到相对应的顺序中，在根据径流量特征预测下一年的流量，可以将净流量划分为五个区间，(即马尔柯夫链存在五个状态)，具体结果如表2所示。由表2看出,1月径流量状态位于区间(17.21,33.13)，完全能够符合取水要求。

表2 径流量分级表

4 结语

通过对广东某水库2007-2014年水质理化指标和藻类监测数据的综合评价，进行总磷浓度升高趋势的判断，得出结论，多半是因为流域控污没有取得应有的效果，另外的可能性是相对滞后的污染物输送过程造成。持续升高的总磷浓度，省界以下的水体生态安全风险会相应增加，估计今后的几年里某水库蓝藻水华产生的频率极易增加。所以，加大流域控污的力度，依旧是某水库生态保护的核心工作。同时，本文按照天然径流的序列的不确定性和相依性，有效预测未来径流量丰枯状态，可以合理划分原始的径流，包括丰水年、平水年、枯水年、偏水年、偏枯年五种状态。针对可能发生变动的径流状态区间，对水源可靠性进行评价。为该区域的水库水源管理的平稳运行提供了经验。