不同強(qiáng)度降雨徑流對(duì)水源水庫(kù)熱分層和水質(zhì)的影響

華逢耀,黃廷林,李 楠,司 凡,黃 誠(chéng),趙凌云（西安建筑科技大學(xué),陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055）

水源水庫(kù)作為重要的水利樞紐,對(duì)水質(zhì)有著更高的要求,水質(zhì)防污染重要性日益突出[1].黑河金盆水庫(kù)作為西安最大的飲用水水源水庫(kù),保證著西安70%的用水需求.金盆水庫(kù)上游森林植被覆蓋率高,人煙稀少,近年來(lái)在當(dāng)?shù)卣c人民的共同努力防護(hù)下,上游人為污染外源輸入已得到有效管理[2],而水庫(kù)分層期雖然有內(nèi)源污染風(fēng)險(xiǎn),但在揚(yáng)水曝氣設(shè)備底部供氧條件下也得到有效控制[3].根據(jù)多年水質(zhì)監(jiān)測(cè),汛期降雨徑流匯入常攜帶著高負(fù)荷營(yíng)養(yǎng)物入庫(kù),對(duì)于金盆水庫(kù),徑流匯入已成為重大的污染來(lái)源.

受水溫及含沙量影響,降雨徑流潛流密度不同,在進(jìn)入庫(kù)區(qū)時(shí)會(huì)形成橫流（表層流）、層間流（中部潛流）和底部潛流.異重流從形成到壩前需滿足入庫(kù)徑流量、洪峰流量持續(xù)時(shí)間、含沙量、庫(kù)區(qū)地形及庫(kù)底坡降等要求[4].水庫(kù)水體的熱能傳輸不均勻,冷、熱水密度的差異則會(huì)導(dǎo)致峽谷型水庫(kù)在深度方向出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象[5].分層的形成嚴(yán)重阻礙了上下層水體物質(zhì)交換過(guò)程,導(dǎo)致底部易形成厭氧環(huán)境,使得底部水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、金屬離子及有機(jī)物等污染物釋放[6].同時(shí),深層湖庫(kù)熱分層現(xiàn)象是暴雨潛流的必要條件,不同水溫、含砂率的暴雨徑流入庫(kù)時(shí)遵循“等密度潛流”的方式進(jìn)入相同密度水層,會(huì)導(dǎo)致該層水質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重惡化;另一方面,不同流量、不同密度條件暴雨徑流潛流過(guò)程對(duì)深層湖庫(kù)水體熱分層結(jié)構(gòu)、水質(zhì)特征同樣產(chǎn)生強(qiáng)烈影響[7-9].

因此了解徑流對(duì)熱分層及水質(zhì)的影響對(duì)水源水防污染控制十分重要,然而近年來(lái)對(duì)降雨徑流的潛入形態(tài)研究多是單一的實(shí)驗(yàn)室模擬或數(shù)值計(jì)算[10-12].關(guān)于金盆水庫(kù)汛期水質(zhì)惡化現(xiàn)象的研究已有報(bào)道,但其都缺乏小、大徑流潛入時(shí)位置演變的分析及熱分層結(jié)構(gòu)與水質(zhì)之間相互作用關(guān)系的系統(tǒng)研究[13-14].本研究以西安金盆水庫(kù)為研究對(duì)象,綜合了2012～2019年多場(chǎng)不同流量的降雨徑流的原位水質(zhì)數(shù)據(jù),探究不同雨強(qiáng)下入庫(kù)徑流的潛流演變過(guò)程,對(duì)比分析了不同流量降雨徑流對(duì)主庫(kù)區(qū)熱分層及水質(zhì)的影響規(guī)律及相互間的作用關(guān)系,旨在為汛期水源水庫(kù)防污染控制提供科學(xué)建議.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

西安金盆水庫(kù)位于陜西省西安市周至縣境內(nèi)黑河峪口以上約 1.5km 處,屬峽谷深水型水庫(kù),主庫(kù)區(qū)長(zhǎng) 3.5km,最大水深 90～105m,平均水深 60～95m.黑河流域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)性氣候,水庫(kù)夏季炎熱多雨,冬季寒冷少雨雪[13].

金盆水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)年際變化較為顯著,每年都會(huì)經(jīng)歷分層形成期（3～5月初）—分層穩(wěn)定期（5月初～9月底）—分層衰減期（10月）—自然混合期（11初～次年2月初）過(guò)程.降雨主要集中在6～10月,此時(shí)熱分層結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定分層狀態(tài),底部水溫為 6～8℃,表層水溫為 18～29℃,并在水深 15～25m 處和底部 55～70m處形成溫躍層,8月份上下溫差達(dá)到最大,為15.40～22.19 ℃.2012～2019年入庫(kù)年均徑流量 20～30m3/s,最大徑流量為1750m3/s,最小徑流量為1m3/s.

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及樣品分析 從上游退水位到主庫(kù)區(qū)在河道中泓線處選取取樣點(diǎn)及監(jiān)測(cè)斷面共10個(gè):其中選取S9斷面為入庫(kù)口,S10斷面為主庫(kù)區(qū),S2～S8斷面為過(guò)渡斷面,監(jiān)測(cè)斷面位置如圖1所示.

圖1 沿程監(jiān)測(cè)斷面布置Fig.1 Distribution of monitoring sections along the upstream to main basin

水樣由直立式有機(jī)玻璃采樣器收集,采樣點(diǎn)的布置受水深變化影響,具體為:S1～S6設(shè)置表中底 3個(gè)取樣點(diǎn),S7、S8設(shè)置0.5m、20m、40m和水底上0.5m 4個(gè)取樣點(diǎn),S9、S10作為供水區(qū)域,從表層到底每隔10m設(shè)置取樣點(diǎn).水樣收集后采用1.5L預(yù)酸化的聚乙烯瓶收集,于24h內(nèi)完成總氮（TN）、總磷（TP）指標(biāo)及含沙量（SS）的測(cè)定,分別采用過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法、過(guò)硫酸鉀消解—鉬銻鈧分光光度法[15]及烘干法方法測(cè)定.現(xiàn)場(chǎng)水樣的水深、溫度（T）及濁度等指標(biāo)由美國(guó)HACH公司Hydro-labDS5型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè).

1.2.2 潛流水體密度計(jì)算 水體密度計(jì)算公式為:

式中:ρ為潛流水體密度,kg/m3;ρT為清水在溫度T時(shí)的密度,kg/m3; ρS為泥沙密度,以2650kg/m3計(jì);S為含沙量,kg/m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 汛期水文特征

不同強(qiáng)度降雨徑流事件可由水文預(yù)測(cè)模型和現(xiàn)場(chǎng)水文資料進(jìn)行分級(jí),而水文預(yù)測(cè)模型的建立也常在大量的實(shí)測(cè)徑流資料基礎(chǔ)上[16].如圖 2所示,選取2012～2019年7場(chǎng)不同降雨強(qiáng)度徑流進(jìn)行對(duì)比分析,依據(jù)多年歷史徑流資料進(jìn)行歸納總結(jié)[17],按照潛入庫(kù)區(qū)方式對(duì)應(yīng)不同入庫(kù)流量將其分為大（事件 1,底部潛流,洪峰徑流＞1500m3/s）、中（事件 2、3、6和7,中部潛流,洪峰徑流為 500～1500m3/s）、?。ㄊ录?4和 5,表層流,洪峰徑流＜500m3/s）三種類型徑流.其中最強(qiáng)的徑流事件出現(xiàn)在2012年9月1日,日降雨量為 59.76mm,洪峰流量達(dá)到 1750m3/s,為近十年最大徑流量.在降雨過(guò)程中,由于受到植物截流、下滲蒸發(fā)等消耗,進(jìn)入河流的徑流量比降雨量小,且坡地漫流與河網(wǎng)匯集使得徑流過(guò)程變緩,歷時(shí)增長(zhǎng),時(shí)間滯后[18].各降雨徑流具體特征如表 1所示,3次規(guī)模較大的徑流（事件1、3與7）表明前幾日高降雨量推動(dòng)了高流量徑流事件的發(fā)生,然而流域徑流產(chǎn)生量不僅與流域前期降水量密切相關(guān),而且也受當(dāng)日降水量影響[19],事件 6持續(xù)降雨量低于其他高流量徑流事件,但由于其當(dāng)日降雨量卻高達(dá) 64.21mm,高強(qiáng)度降雨導(dǎo)致洪峰流量1329m3/s的徑流出現(xiàn).

圖2 金盆水庫(kù)徑流期間降雨量和出入庫(kù)流量Fig.2 Rainfall and inflow/outflow of Jinpen Reservoir during runoff period

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

2.2 不同強(qiáng)度降雨徑流潛入

選取典型的三場(chǎng)不同流量降雨徑流（事件 1、3和4）進(jìn)行對(duì)比分析,如圖3所示,2019年4月,受前日短期降雨的影響,入庫(kù)洪峰徑流僅為168m3/s,徑流量較小.此次徑流上游來(lái)水溫度為 12.45℃,濁度 84～111NTU,潛流密度為 999.47kg/m3;S2～S4為全斷面徑流,S5斷面徑流開(kāi)始以底部潛流的方式向前輸送,S6～S8斷面在底部出現(xiàn)明顯的清渾水界面,來(lái)水溫度低于原始水溫,水體密度減小,徑流轉(zhuǎn)變?yōu)閷娱g流,至S9斷面時(shí)層間流消失.2017年10月,受前日內(nèi)強(qiáng)降雨的影響（降雨量 53.75mm）,入庫(kù)徑流達(dá)到520m3/s.此次徑流來(lái)水 10.52～10.91℃,濁度 113～169NTU.由于來(lái)水密度低于原水密度,從上游 S2斷面到S7斷面均為底部潛流;S9、S10斷面水深增大,濁度降低,徑流由底部潛流轉(zhuǎn)變?yōu)閷娱g流,潛流水深為18～68m.2012年9月受前幾日頻繁強(qiáng)降雨的影響（累計(jì)降雨量131.73mm）,入庫(kù)洪峰徑流達(dá)到1750m3/s,為近10年最大入庫(kù)流量.此次徑流各斷面濁度、溫度、水體密度變化均呈現(xiàn)出相同分布,表明徑流從S2斷面便開(kāi)始以底部潛流的方式潛入至主庫(kù)區(qū);受高含沙量與低水溫的共同影響,徑流于 20m水深以下潛入主庫(kù)區(qū),潛流濁度在1000NTU以上,庫(kù)底濁度高達(dá)3000NTU,溫度13.40～15.32℃,水體密度999.13～1000.21kg/m3,潛流層厚度為68m.

圖3 不同強(qiáng)度降雨徑流沿程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水溫、濁度及水體密度垂向分布Fig.3 Vertical distribution of water temperature,turbidity and water density at monitoring points of different rainfall runoff

降雨徑流進(jìn)入水庫(kù)的過(guò)渡斷面（S2～S8）之后,伴隨著沿程水深的不斷增大,水流最大流速由接近水面向庫(kù)底轉(zhuǎn)移,當(dāng)水流流速減少到一定值時(shí),渾水開(kāi)始下潛,隨后沿等密度水層向前運(yùn)行[17].異重流從形成并持續(xù)輸移到庫(kù)區(qū)的過(guò)程中需克服異重流沿程和局部的能量損失[20].2019年 04月徑流量最小,上游含沙量極低,對(duì)水體密度貢獻(xiàn)率僅為0.003%,從上游到庫(kù)區(qū),伴隨著水位的增大及顆粒沉降,含沙量不斷降低,水體密度增量為0.32kg/m3,潛流密度主要受水溫作用;2017年10月徑流量達(dá)到520m3/s,潛流水體水溫密度增量達(dá)到 0.61kg/m3,含沙量增量為0.13kg/m3,潛流水體在水溫與含沙量共同作用下從中部等密度層進(jìn)入庫(kù)區(qū);2012年09月入庫(kù)洪峰徑流高達(dá)1750m3/s,入流水體含沙量增量為0.86kg/m3,溫度密度增加0.22kg/m3,在高濁度水入庫(kù)條件下,含沙量對(duì)潛流水體密度的作用顯著上升.

對(duì)比三場(chǎng)不同強(qiáng)度的降雨徑流可以得出,降雨徑流從上游開(kāi)始都會(huì)經(jīng)歷從底部潛流到中部潛流的演變過(guò)程,隨著水中顆粒沉降,徑流與原水的不斷混合,水體密度不斷降低.解岳[21]與Parker等[22]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M得出入流量與含沙量、潛入位置和攜沙范圍呈明顯的正相關(guān),在本分析中也是如此,當(dāng)流量較低時(shí),由于其水動(dòng)力較弱,含沙量較低,水體密度主要受水溫控制,徑流從表層或溫躍層上部進(jìn)入庫(kù)區(qū);隨著流量增大,攜沙能力增強(qiáng),上游底部潛流形式持續(xù)運(yùn)輸?shù)臄嗝嫖恢脮?huì)更遠(yuǎn),中部等密度層潛流的位置也就越靠近庫(kù)區(qū);隨著顆粒沉降,水體密度降低[12],徑流潛入水位升高,最終在溫度和含沙量的共同作用下以層間流的方式進(jìn)入中部水體;當(dāng)含沙量增大時(shí),徑流潛入位置不斷下移,潛流層厚度不斷增大,當(dāng)潛流水體足夠打破水體溫躍層結(jié)構(gòu)時(shí),徑流最終以底部潛流方式進(jìn)入庫(kù)區(qū).

2.3 不同強(qiáng)度降雨徑流對(duì)主庫(kù)區(qū)熱分層穩(wěn)定性的影響

圖4展示了降雨徑流來(lái)臨前后主庫(kù)區(qū)垂向水溫變化.2019年4月和6月為小入庫(kù)徑流事件（圖4a和4b）,洪峰流量分別為168m3/s和400m3/s,此時(shí)主庫(kù)區(qū)處于熱分層穩(wěn)定期,受氣溫及光照的影響,垂向水溫升高,熱分層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,小徑流未對(duì)庫(kù)區(qū)熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響;2017年10月、2015年6月末和2019年9月入庫(kù)徑流達(dá)到520m3/s、576m3/s和 1170m3/s,徑流于中部水層潛入庫(kù)區(qū),與庫(kù)區(qū)上下原水進(jìn)行混合與熱量傳遞,潛流層溫差皆變?。?.41℃～2.14℃,8.93℃～5.73℃、7.37℃～0.69℃）,上部溫躍層被破壞,溫度梯度變大,并在底部形成溫度梯度較小的新溫躍層（圖4c、4d和4e）;2012年9月洪峰流量為 1750m3/s,為近十年最大徑流量,徑流來(lái)臨前水體呈穩(wěn)定的熱分層結(jié)構(gòu),9月2日徑流于24m處以底部潛流的方式進(jìn)入庫(kù)區(qū),中下層水體混合,潛流水溫為13.39～15.54℃,水溫趨于均一（圖4f）.

圖4 降雨徑流來(lái)臨前、后主庫(kù)區(qū)水溫垂向變化Fig.4 Vertical variation of water temperature in main reservoir area before and after rainfall runoff

對(duì)于峽谷型水庫(kù),垂向水溫變化主要靠不同深度水層熱量的傳遞分配,包含水體內(nèi)部的熱量傳送與外界熱量的輸入[23].內(nèi)部的傳遞主要受陽(yáng)光輻射及熱交換影響[24],外部的輸入主要靠暴雨徑流輸送不同溫度水體的更新與混合.Liu等[25]當(dāng)洪水溫度與水庫(kù)出流溫度相同時(shí),熱分層結(jié)構(gòu)將保持原來(lái)的狀態(tài),當(dāng)洪水溫度低于出流溫度時(shí),洪水將在一定程度上引起溫躍層穩(wěn)定性的削弱;Wang等[26]研究流溪河水庫(kù)熱分層特征時(shí)發(fā)現(xiàn)高入庫(kù)流量由于加劇了水體擾動(dòng)可導(dǎo)致秋季水體提前混合,顯著降低熱分層穩(wěn)定性.當(dāng)徑流量較小時(shí),外來(lái)能量的輸入較低,由于水庫(kù)主要受氣溫及光輻射的影響,徑流對(duì)熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響不明顯;隨著流量的進(jìn)一步增大,徑流在中部等密度層潛入庫(kù)區(qū),改變中部水體溫度,并進(jìn)行垂向熱交換導(dǎo)致溫躍層上部水體溫度降低,水溫梯度變大,而底部原水水溫較低,與潛流水體形成梯度較小的新溫躍層;當(dāng)洪峰流量達(dá)到 1500m3/s以上時(shí),此時(shí)受來(lái)水水溫與含沙量的共同影響,徑流以底部潛流的方式進(jìn)入庫(kù)區(qū),加強(qiáng)了水體擾動(dòng),隨著庫(kù)區(qū)不斷泄洪排濁,低溫高濁水取代原水,破壞水體熱分層結(jié)構(gòu),使?jié)摿魉w垂向水溫分布均勻一致.

2.4 不同強(qiáng)度降雨徑流污染物的輸入特征

2.4.1 上游來(lái)水水質(zhì)分析 由于來(lái)水水質(zhì)、水動(dòng)力作用強(qiáng)弱、徑流潛入位置及人工調(diào)度等因素不同,徑流對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響有區(qū)別.已有研究表明,不同降雨強(qiáng)度的徑流其沖刷和稀釋能力會(huì)影響氮磷元素的輸出[27].總體來(lái)看,金盆水庫(kù)汛期上游來(lái)水TN濃度高于 1.50mg/L,超過(guò)地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),且濃度隨著入庫(kù)水量的增大而降低,這是由于金盆水庫(kù)TN主要以溶解態(tài)為主,占比高達(dá)76%以上（圖6）,隨著徑流量增大,稀釋作用增強(qiáng),并逐漸高于沖刷作用,導(dǎo)致 TN 越低,由 2.25mg/L變?yōu)?1.71mg/L;夏汛期間（除 2019年 4月）TP濃度則呈相反趨勢(shì),隨流量增大而升高（400m3/s時(shí)為 0.02mg/L,1750m3/s時(shí)為 0.34mg/L）,這是由于徑流攜帶的 TP主要以顆粒態(tài)為主（占比在61%以上）,降雨量越大,對(duì)地表沖刷能力越強(qiáng),TP附著在泥沙顆粒上而進(jìn)入河道.楊帆等[28]對(duì)龍泓澗流域降雨時(shí)期氮磷輸出特征進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)初期沖刷作用與前期降雨量有關(guān),降雨量越小 TP和氨氮的沖刷效果越明顯.2019年4月雖其徑流量最低,但其庫(kù)區(qū)TP濃度卻高于大徑流事件,TN濃度僅次于2015年6月徑流事件,這是因?yàn)槠涮幱谔一ㄑ磿r(shí)期,前一個(gè)月降雨量?jī)H為22mm,上游S2水位極低（0.24m）,表層沉積物裸露,且長(zhǎng)時(shí)間未被沖刷,初始沖刷作用明顯降雨過(guò)后來(lái)水水質(zhì)TP濃度0.66mg/L,TN濃度3.99mg/L,均高于其他徑流來(lái)水水質(zhì)（表2）.

表2 徑流上游來(lái)水與庫(kù)區(qū)潛流層水質(zhì)對(duì)比表Table 2 Water quality comparison between upstream runoff and reservoir underflow layer

2.4.2 降雨前后主庫(kù)區(qū)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽響應(yīng) 熱分層結(jié)構(gòu)是降雨徑流潛入的前提及必要條件,受水溫和含沙量影響,不同密度徑流會(huì)沿著等密度水層進(jìn)入庫(kù)區(qū),其溫度及其攜帶的高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽反過(guò)來(lái)影響水體分層結(jié)構(gòu)及水質(zhì)安全.如圖5a所示,徑流來(lái)臨前垂向水體TN、TP濃度分布均一,當(dāng)小流量徑流來(lái)臨后,受來(lái)水水質(zhì)影響（表2）,溫躍層上部TN峰值濃度由1.42升至2.25mg/L、TP峰值濃度由0.01mg/L升至0.46mg/L）,隨后氮磷濃度向上下傳質(zhì),導(dǎo)致整個(gè)斷面濃度增大.圖5b徑流來(lái)臨后TP濃度變化較小,TN濃度呈降低趨勢(shì),一方面是由于汛期徑流量小,水動(dòng)力作用較弱,攜帶的污染物逐步被稀釋,另一方面受主庫(kù)區(qū)揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)控制,氮磷濃度得到有效削減.當(dāng)入庫(kù)流量增大（＞500m3/s）時(shí),徑流以層間流方式進(jìn)入庫(kù)區(qū),導(dǎo)致庫(kù)區(qū)中部水體TN、TP濃度升高（圖5c、5d和 5e）,且降雨量越大,降雨對(duì)地表的沖刷作用越強(qiáng),TP濃度峰值也就越高（分別為 0.03、0.04和0.13mg/L）,對(duì)應(yīng)水深分別為 20～60m、20～70m 及20～80m,與上述潛流位置基本一致.圖5f徑流以底部潛流的方式進(jìn)入庫(kù)區(qū),TN濃度在稀釋和沖刷的共同作用下由1.31mg/L升至1.43mg/L,TP濃度明顯升高,從 30m水深處便超過(guò) 0.40mg/L,底部濃度高達(dá)0.91mg/L,這與濁度、水體密度分布極為相似,表明TP污染物主要附著在顆粒泥沙表面而被高濁水帶入庫(kù)區(qū).

圖5 不同強(qiáng)度降雨徑流來(lái)臨前后主庫(kù)區(qū)TN、TP濃度垂向變化Fig.5 Vertical variation of TN and TP concentrations in main reservoir area before and after rainfall runoff with different intensities

潛流位置不僅對(duì)熱分層結(jié)構(gòu)造成影響,而且對(duì)潛流層（等密度層）水體水質(zhì)產(chǎn)生顯著影響.Marti等[29]研究 Thomson水庫(kù)時(shí)發(fā)現(xiàn),異重流攜帶大量污染物進(jìn)入庫(kù)區(qū)導(dǎo)致潛入層水質(zhì)惡化,但受溫躍層阻礙而很難擴(kuò)散至表層.當(dāng)入庫(kù)流量較低時(shí),降雨徑流從溫躍層上部進(jìn)入庫(kù)區(qū),導(dǎo)致庫(kù)區(qū)上部水體TN、TP濃度明顯升高;隨著入庫(kù)流量增大,潛入位置下移,熱分層結(jié)構(gòu)被破壞,水體更新可削弱水體的熱分層結(jié)構(gòu)[30],有利于水質(zhì)的上下交換,從而促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)鹽及溶解氧的垂向擴(kuò)散[31].降雨徑流有效削減了水體的熱分層穩(wěn)定性,加快了水體進(jìn)入分層消亡期,促進(jìn)底部水體污染物往上擴(kuò)散,導(dǎo)致上部水體水質(zhì)變差.

2.4.3 主庫(kù)區(qū)污染物的賦存形態(tài) 選取2019年三場(chǎng)不同強(qiáng)度入庫(kù)徑流的污染負(fù)荷形態(tài)進(jìn)行對(duì)比（圖6）,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同的降雨徑流下,總磷主要以顆粒態(tài)（PP）為主,占比均在 61%以上,總氮?jiǎng)t是以溶解態(tài)（DTN）為主.在入庫(kù)流量較低的情況下（圖 6a）,上部水體PP濃度為0.04mg/L,占比94.57%,高于中部與底部,而上部水體中DTN濃度為1.70mg/L,明顯高于中部與底部,表明污染負(fù)荷從溫躍層上部進(jìn)入庫(kù)區(qū).圖6b洪峰徑流量達(dá)到1170m3/s,此時(shí)中部與底部顆粒態(tài)氮磷濃度和占比進(jìn)一步升高,以PP為例,中底部水體中濃度達(dá)到 0.10～0.11mg/L,占比高達(dá) 85.79%～88.41%,表明大入庫(kù)徑流攜帶顆粒污染物的能力更強(qiáng).圖 6c為洪峰徑流量達(dá)到 1326m3/s的暴雨徑流,由于其潛入位置為中部（26～57m）,導(dǎo)致中部潛流層水體PP濃度達(dá)到0.06mg/L,占比82.61%,遠(yuǎn)高于表層與底部的69.09%和48.89%;垂向分布中DTN濃度變化不大,在1.56～1.59mg/L,但中部水體顆粒態(tài)總氮（PN）占比明顯升高,占比為 23.51%,高于表層與底部的12.83%和9.14%.

已有研究表明,不同降雨強(qiáng)度的徑流其對(duì)地表的沖刷能力會(huì)影響氮磷元素的輸出[32-33].暴雨徑流期間,由于泥沙表面往往吸附大量污染物和有機(jī)質(zhì),在受到水動(dòng)力強(qiáng)弱、沉積環(huán)境、搬運(yùn)介質(zhì)和方式的影響后,這些污染物通常以懸浮顆粒物為載體而進(jìn)入庫(kù)區(qū)[34].Peraza-Castro等[35]對(duì)Basque Country流域水質(zhì)的研究時(shí)得出高強(qiáng)度洪水事件常常會(huì)攜帶大量顆粒污染物,從而對(duì)污染負(fù)荷的輸入產(chǎn)生影響,且顆粒負(fù)荷的變化與懸浮顆粒物、沉降和排放有關(guān)等結(jié)論.在徑流量較小時(shí),受水溫影響,徑流從溫躍層上部進(jìn)入庫(kù)區(qū),由于顆粒對(duì)不同污染物的吸附能力不同,導(dǎo)致表層水體中 DTN,PP濃度占比最高;當(dāng)徑流量增大時(shí),水體以層間流方式進(jìn)入庫(kù)區(qū),中部水體顆粒態(tài)氮磷占比升高,表層由于溫躍層存在而影響污染負(fù)荷的向上傳遞,而底部水體由于顆粒污染物沉降,在厭氧環(huán)境下易還原釋放,水質(zhì)變差;當(dāng)徑流量繼續(xù)增大,水體整個(gè)斷面顆粒態(tài)污染物占比升高,一方面是受連續(xù)強(qiáng)降雨,導(dǎo)致流域水土沖刷嚴(yán)重,上游來(lái)水污染負(fù)荷較高,另一方面由于徑流量增大,攜沙能力增強(qiáng),更多的污染物從中底部進(jìn)入庫(kù)區(qū),在徑流破壞水體的熱分層穩(wěn)定性后,污染物可向上傳遞交換造成水質(zhì)惡化.

3 結(jié)論

3.1 金盆水庫(kù)汛期小徑流在遷移過(guò)程中主要受水溫控制,為等溫度層潛流,從溫躍層上部進(jìn)入庫(kù)區(qū);當(dāng)流量進(jìn)一步增大,含沙量作用增強(qiáng),潛流層下移,徑流以中部等密度層潛流進(jìn)入庫(kù)區(qū);而大徑流受高含沙量影響明顯,潛流層厚度增大,徑流以底部潛流方式進(jìn)入庫(kù)區(qū).

3.2 小徑流對(duì)主庫(kù)區(qū)分層穩(wěn)定性影響較小;中徑流從中部等密度水層潛入水庫(kù),加強(qiáng)了水體的擾動(dòng)作用,促進(jìn)中部水體的垂向混合,溫躍層遭到破壞;大入庫(kù)徑流條件下,垂向水溫保持一致,中部變溫層幾乎消失,由溫躍層直接過(guò)渡至恒溫層.

3.3 在上游水質(zhì)、徑流量及潛流位置共同作用下,金盆水庫(kù) TN污染物以溶解態(tài)為主,而TP以顆粒態(tài)為主,受沖刷作用明顯,流量越大,潛流層水體 TP濃度越高,隨著熱分層被破壞,營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行垂向擴(kuò)散,整個(gè)斷面均處于較高水平.