橡膠壩建設(shè)對(duì)河道水質(zhì)的影響研究

李 彬

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276000)

橡膠壩具有造價(jià)低、工期短、用料省、可自動(dòng)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，在改善河道水文特性方面具有十分獨(dú)特的作用。通過(guò)提升壩前水位，減緩水流速度，增加溶解氧含量，達(dá)到水質(zhì)的凈化功能，同時(shí)還能形成生態(tài)濕地和生態(tài)景觀(guān)。是一項(xiàng)兼顧水利、防洪、水資源、環(huán)保、生態(tài)文明的重要蓄水工程措施，對(duì)于促進(jìn)地區(qū)社會(huì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，因而，橡膠壩在水利工程中得到較為廣泛的應(yīng)用[1-7]。

當(dāng)前，關(guān)于橡膠壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)的影響研究主要集中于3個(gè)方面：一是對(duì)河流水體自?xún)舻挠绊?；二是?duì)復(fù)氧及溶解氧擴(kuò)散的影響；三是對(duì)河流水質(zhì)的氨氮和化學(xué)需氧量影響。橡膠壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的影響研究主要集中于兩個(gè)方面：一是對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響；二是對(duì)河道生物棲息和遷移的影響。除此之外，關(guān)于橡膠壩對(duì)重金屬污染、濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境以及地下水補(bǔ)給、淺層地下水環(huán)境影響研究也有一些涉及[8-10]。

但是，橡膠壩建設(shè)規(guī)模受天然河道寬度的影響較大，在一定程度上會(huì)影響水質(zhì)的凈化效果，當(dāng)前關(guān)于橡膠壩建設(shè)規(guī)模對(duì)水質(zhì)的影響研究還比較鮮見(jiàn)，因此，本文針對(duì)不同橡膠壩建設(shè)規(guī)模下的河道水質(zhì)凈化效果進(jìn)行了采樣試驗(yàn)，以期能為橡膠壩的合理規(guī)劃提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

沂河發(fā)源于沂源田莊水庫(kù)上源東支牛角山北麓，全長(zhǎng)574km，流域面積為17325km2，集水面積為4892km2，年平均徑流量為35.1億m3，其中84%徑流量集中于汛期6—9月，主要支流包括東汶河、蒙河、白馬河等。流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，氣候宜人、四季分明、雨量充沛、光照充足，年平均氣溫13.3℃，年平均降雨量793.9mm，年平均日照數(shù)2314h。

沂河擁有較為豐富的水資源，但因長(zhǎng)期投入不足，造成沂河河道存在諸多問(wèn)題，如濕地面積小、蓄水能力差、河堤退化嚴(yán)重、河道防洪能力差等。為了能夠優(yōu)化資源配置，把沂河水資源有效儲(chǔ)備和利用起來(lái)，近些年來(lái)在沂河河道上修建了許多水利工程，其中，橡膠壩為沂河河道上的一大特色，與其它傳統(tǒng)的土石、鋼、混凝土壩相比，橡膠壩具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 研究對(duì)象

本次研究選取沂河流域臨沂市境內(nèi)的4座橡膠壩作為研究對(duì)象。①臨沂小埠東橡膠壩，壩長(zhǎng)1135m，攔河壩最大蓄水量2830萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度10.6km；②沂河桃園橡膠壩，壩長(zhǎng)783.2m，攔河壩最大蓄水量1500萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度7.6km；③祊河角沂橡膠壩，壩長(zhǎng)343.3m，攔河壩最大蓄水量530萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度8.0km；④柳杭橡膠壩，壩長(zhǎng)460m，攔河壩最大蓄水量2200萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度10.0km。

2.2 采樣設(shè)置

在每個(gè)橡膠壩上游回水區(qū)，上游靠近壩體20m處以及下游500m處分別進(jìn)行設(shè)置水質(zhì)采樣點(diǎn)，采樣時(shí)間為2019年1—12月，采樣頻次為1—4月、11—12月每月采集一次，5—10月上、下旬各采集一次。具體水質(zhì)采集方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)概況

2.3 水質(zhì)分析

水質(zhì)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相結(jié)合的方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目包括DO、pH、溫度、流速等4項(xiàng)指標(biāo)(便攜式水質(zhì)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試)；實(shí)驗(yàn)室測(cè)試項(xiàng)目包括COD、BOD5、氨氮、懸浮物等4項(xiàng)指標(biāo)。將取回的水樣首先采用5d培養(yǎng)法進(jìn)行BOD5指標(biāo)測(cè)試，然后在取回的水樣中加入化學(xué)試劑(1+9 硫酸)進(jìn)行冷藏保存，以避免物理、化學(xué)和生物因素對(duì)其它指標(biāo)測(cè)試的影響，COD指標(biāo)測(cè)試采用快速消解分光光度法，氨氮指標(biāo)測(cè)試采用納氏比色法，懸浮物指測(cè)試采用重量法，上述3項(xiàng)指標(biāo)一般在冷藏2d內(nèi)完成測(cè)試。

3 結(jié)果分析

3.1 不同流量下橡膠壩規(guī)模對(duì)水質(zhì)的影響

監(jiān)測(cè)分析得到不同流量下的各采樣點(diǎn)水質(zhì)污染指標(biāo)情況如圖1所示。從圖1中可以看到：水質(zhì)污染指標(biāo)削減率隨著流量的變化表現(xiàn)出不同的變化特征，為了分析橡膠壩建設(shè)規(guī)模對(duì)水質(zhì)凈化效果的影響，將4個(gè)橡膠壩對(duì)應(yīng)的壩長(zhǎng)分為4個(gè)階段：L<350m、350m1050m。

從圖1(a)中可以看到：當(dāng)L<350m和350m1050m時(shí)，在流量>5000m3時(shí)，對(duì)COD的削減效果最佳。

從圖1(b)中可以看到：當(dāng)L<350m時(shí)，在流量<500m3時(shí)，對(duì)BOD5的削減效果最佳；當(dāng)L>350m時(shí)，在流量>5000m3時(shí)，對(duì)BOD5的削減效果最佳。

從圖1(c)中可以看到：當(dāng)L<350m時(shí)，在流量<500m3時(shí)，對(duì)氨氮的削減效果最佳；當(dāng)350m1050m時(shí)，在流量>5000m3時(shí)，對(duì)氨氮的削減效果最佳。

從圖1(d)可以看出：L<350m時(shí)，在流量<500m3時(shí)，對(duì)懸浮物的削減效果最佳，當(dāng)橡膠壩建設(shè)長(zhǎng)度350m1050m時(shí)，在流量>5000m3時(shí)，對(duì)懸浮物的削減效果最佳。

通過(guò)回歸分析，驗(yàn)證了H1、H2兩個(gè)假設(shè)成立，即游客對(duì)于屬性層的價(jià)值感知顯著影響游客對(duì)于游客中心使用結(jié)果的價(jià)值感知；游客對(duì)于游客中心使用結(jié)果的價(jià)值感知顯著影響其對(duì)于使用游客中心最終目的的價(jià)值感知；性別、年齡、學(xué)歷、收入、職業(yè)、旅游方式對(duì)于回歸模型無(wú)明顯影響。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)以及顯著性結(jié)果，進(jìn)行游客感知價(jià)值層次模型可視化描述，虛實(shí)線(xiàn)分別表示負(fù)向影響與正向影響(如圖5所示)。

3.2 不同溫度下橡膠壩規(guī)模對(duì)水質(zhì)的影響

同理，監(jiān)測(cè)分析得到的不同溫度下各采樣點(diǎn)水質(zhì)污染指標(biāo)情況如圖2所示。從圖2(a)可以看到：L<350m時(shí)，在溫度10～15℃時(shí)，對(duì)COD的削減效果最佳；當(dāng)L>350m時(shí)，在溫度20～25℃時(shí),對(duì)COD的削減效果最佳。

從圖2(b)可以看到：橡膠壩建設(shè)規(guī)模(長(zhǎng)度)對(duì)水質(zhì)影響較小，在溫度20～25℃時(shí)，對(duì)BOD5的削減效果最好。

從圖2(c)可以看到：當(dāng)L<350m時(shí)，在溫度10～15℃時(shí)，對(duì)氨氮的削減效果最佳；當(dāng)L>350m時(shí)，在溫度20～25℃時(shí)，對(duì)氨氮的削減效果最佳。

從圖2(d)可以看到：當(dāng)L<350m時(shí)，在溫度0～5℃時(shí)，對(duì)懸浮物的削減效果最佳；當(dāng)350m 1050m時(shí)，在溫度25～30℃時(shí)，對(duì)懸浮物的削減效果最佳。

3.3 水質(zhì)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

從以上分析可以看到：橡膠壩建設(shè)對(duì)河道水質(zhì)的影響比較復(fù)雜，單一影響因素并不能很好表達(dá)橡膠壩對(duì)河道水質(zhì)的影響程度，因此采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)來(lái)對(duì)橡膠壩建設(shè)對(duì)水質(zhì)的影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該指數(shù)不僅考慮了各種污染指數(shù)，同時(shí)還考慮了最大污染指標(biāo)的權(quán)重問(wèn)題，從而可以量化不同影像參數(shù)對(duì)河道水質(zhì)的影響程度，其計(jì)算公式為：

圖1 流量和橡膠壩規(guī)模對(duì)水質(zhì)的影響

圖2 溫度和橡膠壩規(guī)模對(duì)水質(zhì)的影響

(1)

式中，PIj—第j類(lèi)污染指標(biāo)的綜合污染指數(shù)；Ci—第i類(lèi)污染指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度，mg/L；Lij—第i類(lèi)污染指標(biāo)對(duì)應(yīng)第j類(lèi)水用途的標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

利用式(1)計(jì)算分析得到的4個(gè)取樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)PI變化特征，如圖3所示。從圖3中可以看到：4個(gè)取樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)在整體上承呈先降低然后逐漸升高的變化特征，即河道在春季的污染程度較低，而在冬季的污染程度較高，春季時(shí)的PI值小于2或者接近于2，屬于輕度污染，其余月份的PI值均介于2～5，屬于中度污染；近壩處的綜合污染指數(shù)要略高于壩下游500m處的綜合污染指數(shù)，表明橡膠壩建設(shè)對(duì)河道水質(zhì)有一定的凈化作用。

圖3 綜合污染指數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 不同壩規(guī)模相對(duì)污染綜合指數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)4座不同橡膠壩建設(shè)規(guī)模下的河道水質(zhì)凈化效果進(jìn)行采樣試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)流量、溫度和橡膠壩建設(shè)規(guī)模(長(zhǎng)度)均對(duì)水質(zhì)凈化效果有重要影響，規(guī)模較小的橡膠壩建設(shè)，在小流量和低溫度下能達(dá)到最佳的污染削減率，當(dāng)橡膠壩舌尖規(guī)模較大時(shí)需要大流量和高溫度下才能達(dá)到最佳的污染削減率。

(2)計(jì)算表明：近壩處的綜合污染指數(shù)要略高于壩下游500m處的綜合污染指數(shù)，表明橡膠壩建設(shè)對(duì)河道水質(zhì)有一定的凈化作用。

(3)橡膠壩建設(shè)規(guī)模越大，對(duì)水質(zhì)的凈化效果越好，但當(dāng)壩長(zhǎng)超過(guò)750m后，水質(zhì)凈化效果基本相當(dāng)。

(4)本文僅針對(duì)沂河流域臨沂市境內(nèi)的橡膠壩展開(kāi)調(diào)查分析，具有一定局限性，將在今后做進(jìn)一步的補(bǔ)充研究。