引黃生態(tài)補(bǔ)水對官廳水庫水質(zhì)時空分布影響及污染源解析

楊艷紅 王 欣 白 璇

(北京市官廳水庫管理處，河北 張家口 075441)

水庫水質(zhì)一直都是飲用水安全關(guān)注的重點(diǎn)問題，研究其時空變化特征、周期規(guī)律及影響因素，對了解水資源特性、開發(fā)利用水資源具有重要意義[1]。官廳水庫是永定河流域防洪安全和生態(tài)調(diào)度的控制性樞紐，是北京的重要戰(zhàn)略水源地，也是實現(xiàn)永定河全流域生態(tài)治理目標(biāo)最重要的生態(tài)節(jié)點(diǎn)[2-3]。

官廳水庫位于河北省懷來縣和北京市延慶區(qū)境內(nèi)媯水河與永定河交匯處，總庫容41.60億m3，永定河流域控制面積4.34萬km2，主要入庫支流包括洋河、桑干河、媯水河，上游來水變化對其水質(zhì)水量有著重要影響。20世紀(jì)五六十年代，官廳水庫水質(zhì)良好，是京西工業(yè)區(qū)主要的供水水源和京西居民飲用水重要的來源[4]，之后水庫上游地區(qū)工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉退水、畜禽養(yǎng)殖排污及沿河工業(yè)與城鎮(zhèn)居民生活污水的排放致使水質(zhì)惡化，到80年代末期，庫區(qū)水質(zhì)已達(dá)不到生活飲用水水源地標(biāo)準(zhǔn)，于1997年被迫退出北京市飲用水供應(yīng)系統(tǒng)。為改善流域水生態(tài)環(huán)境，2001年國務(wù)院批復(fù)了《21世紀(jì)初期(2001—2005年)首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》，相繼開展了“官廳水庫流域水質(zhì)改善總體技術(shù)方案研究”“官廳水庫流域水質(zhì)改善關(guān)鍵技術(shù)研究”和“中德合作官廳水庫流域水生態(tài)環(huán)境綜合治理示范工程”。此外，從2003年開始，洋河水庫、桑干河冊田水庫向官廳水庫集中輸水，以緩解首都水資源短缺的形勢，官廳水庫于2007年恢復(fù)成為北京市備用水源地?！侗本┏鞘锌傮w規(guī)劃(2016—2035年)》明確提出，有序?qū)嵤┕購d水庫、永定河流域生態(tài)修復(fù)，到2035年恢復(fù)官廳水庫飲用水源功能。根據(jù)《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)方案》，官廳水庫建設(shè)了八號橋水質(zhì)凈化濕地和媯水河入庫口水質(zhì)凈化濕地，結(jié)合官廳水庫水源保護(hù)工程，控制周邊地區(qū)污染物輸入，減少農(nóng)業(yè)面源污染，促進(jìn)庫區(qū)生態(tài)修復(fù)；并利用萬家寨引黃北干線向永定河應(yīng)急補(bǔ)水，改善流域水生態(tài)狀況[5]。2019年官廳水庫實測入庫水量為3.42億m3，其中，媯水河?xùn)|大橋水文站入庫水量0.34億m3，永定河八號橋水文站入庫水量3.08億m3，其中黃河水占八號橋水文站入庫水量的51%，占總實測入庫水量的46%。2020年官廳水庫實測入庫水量為2.65億m3，其中，媯水河?xùn)|大橋水文站入庫水量0.33億m3，永定河八號橋水文站入庫水量2.32億m3，其中黃河水占八號橋水文站入庫水量的22%，占總實測入庫水量的20%。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究范圍

官廳水庫水質(zhì)監(jiān)測斷面見圖1。延慶橋為媯水河入庫代表站，八號橋為桑干河與洋河匯入永定河后的入庫控制站，河口為永定河河口代表站，永1008東和永1000為永定河庫區(qū)監(jiān)測斷面，媯1018+1、媯大橋為媯水河庫區(qū)監(jiān)測斷面，壩后為出庫控制站。桑干河和洋河來水均從八號橋斷面沿程經(jīng)河口進(jìn)入官廳水庫。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來自北京市官廳水庫管理處。

1.2 研究方法

1.2.1 水質(zhì)評價

本文研究期內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)所處級別根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)判斷確定，延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋和壩后斷面具有河道特征，總磷的評價按照河流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其余斷面均按照湖、庫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。評價依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》(試行)進(jìn)行，水質(zhì)類別評價根據(jù)每年12次監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制對比進(jìn)行，總氮不參評。

圖1 官廳水庫監(jiān)測斷面

1.2.2 污染物通量計算方法

官廳水庫常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測頻率為每月1次，官廳水庫八號橋斷面污染物年通量計算公式為

式中：N為污染物年通量,t；Ci為每月監(jiān)測點(diǎn)位的平均污染物濃度,mg/L；Qi為每月監(jiān)測點(diǎn)位的入庫水量,億m3。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

官廳水庫水質(zhì)時空聚類采用組間連接法、平方歐氏距離計算各斷面水質(zhì)的相似性，距離數(shù)值表示各斷面水質(zhì)的相似度，數(shù)值越大，各斷面水質(zhì)差異越大[8]。系統(tǒng)聚類分析、庫區(qū)水質(zhì)沿程變化及八號橋斷面污染物年通量計算等通過IBM SPSS 19和OriginPro 9實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 官廳水庫水質(zhì)時空聚類分析

2.1.1 水質(zhì)空間聚類

官廳水庫空間聚類采用2015—2020年各斷面各水質(zhì)指標(biāo)6年的均值進(jìn)行分析，聚類結(jié)果見圖2。由圖2可知在距離值為25處分為兩組，空間聚類組Ⅰ：延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋；空間聚類組Ⅱ：媯1018+1、媯大橋、河口、永1008東、永1000、壩后。表明官廳水庫入庫水質(zhì)與庫區(qū)水質(zhì)、壩后水質(zhì)具有空間差異性。

圖2 官廳水庫水質(zhì)空間聚類

2.1.2 不同空間聚類基礎(chǔ)上的年際聚類

圖3 官廳水庫水質(zhì)空間聚類基礎(chǔ)上的年際聚類

聚類分析是一種探索性研究方法，根據(jù)聚類結(jié)果解釋各個斷面6年來的水質(zhì)相似性，具體分為3組或者5組，均根據(jù)聚類圖可見大類確定。在結(jié)合上述空間聚類分組的基礎(chǔ)上分別對聚類組Ⅰ、聚類組Ⅱ進(jìn)行年際聚類，采用2015—2020年各斷面、各水質(zhì)指標(biāo)年均值進(jìn)行分析，聚類結(jié)果見圖3?？臻g聚類組Ⅰ(延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋)在距離值20處分為三組：2015—2016年延慶橋和西湖橡膠壩兩個斷面水質(zhì)為一組；2017—2020年延慶橋和西湖橡膠壩兩個斷面水質(zhì)為一組；2015—2020年八號橋斷面水質(zhì)為一組。其中延慶橋和西湖橡膠壩兩個斷面水質(zhì)聚類呈現(xiàn)年際變化，與延慶區(qū)水污染治理有關(guān)；八號橋入庫斷面水質(zhì)變化以兩年為時間節(jié)點(diǎn)，2019—2020年聚為一組，與引黃生態(tài)補(bǔ)水相關(guān)性很大?？臻g聚類組Ⅱ(媯1018+1、媯大橋、河口、永1008東、永1000、壩后)在距離值為5處分為四組：2015年河口斷面水質(zhì)單獨(dú)一組；2016—2017年河口斷面水質(zhì)為一組；2015—2020年壩后水質(zhì)為一組；其他年份各斷面水質(zhì)為一組。除2015—2017年河口斷面外，庫區(qū)各斷面水質(zhì)未表現(xiàn)出明顯的時空差異，可能是相對入庫水量來說庫區(qū)蓄水量較大，見表1，且上游來水水質(zhì)和庫區(qū)水質(zhì)無顯著差別，見表2，對庫區(qū)水質(zhì)影響相對較??；壩后斷面水質(zhì)主要受開閘補(bǔ)水、非補(bǔ)水期間壩后滲流等因素影響，使年際污染物相似度改變。

表1 官廳水庫水量

2.2 八號橋入庫斷面水質(zhì)及污染物年通量變化

2.2.1 八號橋入庫斷面水質(zhì)變化

在TN不參評的情況下，八號橋斷面水質(zhì)2015年、2018年符合地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，2016年符合地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，2017年、2019—2020年符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)變化見圖4。

圖4 2015—2020年八號橋斷面污染物濃度變化情況

2.2.2 八號橋入庫斷面污染物年通量變化

2.3 引黃生態(tài)補(bǔ)水對庫區(qū)水質(zhì)的影響

2.3.1 官廳水庫水質(zhì)現(xiàn)狀

流域上游來水水量及水質(zhì)、區(qū)間污染源及河流濕地等自凈作用是影響官廳水庫入流的主要原因[11]。官廳水庫各斷面2015—2020年水質(zhì)類別見表3。由表3可知，官廳水庫延慶橋斷面水質(zhì)從2015—2017年的Ⅳ類變?yōu)?018—2020年的Ⅲ類；西湖橡膠壩斷面除2020年水質(zhì)為Ⅳ類外，2015—2019年水質(zhì)類別均與延慶橋斷面相同；八號橋入庫斷面水質(zhì)呈逐年波動性好轉(zhuǎn)，2019年引黃生態(tài)補(bǔ)水以來入庫水質(zhì)均為Ⅲ類；河口斷面除2015年水質(zhì)為Ⅴ類外，2016—2020年水質(zhì)類別均為Ⅳ類；媯水河庫區(qū)和永定河庫區(qū)斷面水質(zhì)均為Ⅳ類，尚未顯現(xiàn)引黃生態(tài)補(bǔ)水的顯著影響；壩后斷面水質(zhì)較好，除2019年外均為Ⅱ類水質(zhì)。

圖5 2015—2020年八號橋斷面污染物年通量變化情況

表2 八號橋入庫斷面污染物年通量特征值 單位：t

表3 官廳水庫各斷面2015—2020年水質(zhì)類別

2.3.2 官廳水庫有機(jī)污染物沿程變化

化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和五日生化需氧量(BOD5)是檢測水體中有機(jī)物含量的重要指標(biāo)。官廳水庫庫區(qū)斷面除2015年和2020年COD處于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)外，以上3個指標(biāo)其他年份均處于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。由圖6(a)、圖6(b)可知，延慶橋斷面2018—2020年COD和CODMn濃度明顯小于2015—2017年，2018—2020年來水行至西湖橡膠壩、媯1801+1斷面時COD和CODMn沿程濃度升高，至媯大橋斷面濃度稍有降低。河口斷面與八號橋斷面相比，受入庫口緩流水體富營養(yǎng)化影響，COD和CODMn濃度升高，除2016年和2018年外，永1008東斷面COD濃度均有所升高，至永1000斷面呈下降趨勢；CODMn濃度變化稍有不同，從河口至永1008東斷面CODMn濃度呈下降趨勢，至永1000斷面進(jìn)一步降低。壩后有機(jī)污染削減顯著，COD和CODMn濃度下降至地表水Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，比永1000斷面分別降低了(25.62±10.66)%、(54.53±18.45)%，這與非補(bǔ)水期間的滲流影響有關(guān)。由圖6(c)可知，除2016—2020年延慶橋、八號橋兩個入庫斷面及西湖橡膠壩的BOD5基本處于Ⅲ～Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)外，庫區(qū)各斷面BOD5均維持在地表水Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；2017—2020年媯1018+1與西湖橡膠壩相比、河口與八號橋相比，BOD5濃度均顯著降低，原因是河水進(jìn)入庫區(qū)后，水體在庫區(qū)內(nèi)有一定的水力停留時間，可生物降解的有機(jī)物在微生物作用下進(jìn)行降解。官廳水庫有機(jī)污染物沿程變化表明2019—2020年引黃生態(tài)補(bǔ)水對庫區(qū)有機(jī)物變化未見特別明顯影響。

圖6 2015—2020年官廳水庫有機(jī)污染物沿程變化情況

2.3.3 官廳水庫氮元素沿程變化

圖7 2015—2020年官廳水庫氮元素沿程變化情況

2.3.4 官廳水庫TP沿程變化

延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋斷面和壩后斷面具有河道特征，TP按照河流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。2015—2020年官廳水庫TP沿程變化情況見圖8。由圖8可知，2015—2016年永定河、媯水河上游來水TP濃度偏高，延慶橋、西湖橡膠壩、八號橋斷面為劣Ⅴ類，2017—2020年其他斷面TP濃度均在Ⅲ類以上，入庫水質(zhì)越來越好。除2016年外，媯水河庫區(qū)和永定河庫區(qū)TP濃度均為Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，壩后出水TP濃度根據(jù)河道標(biāo)準(zhǔn)限值評價為Ⅰ～Ⅱ類。

圖8 2015—2020年官廳水庫TP沿程變化情況(湖、庫標(biāo)準(zhǔn))

3 結(jié) 語