觀音巖水庫建成前后下游金沙江段濁度及電導(dǎo)率變化分析

季浩宇，謝 南，唐 毅，胡修文，楊翠香

（四川省攀枝花生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000）

0 引言

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣與四川省攀枝花市仁和區(qū)的交界處，是金沙江水電基地中游河段“一庫八級”水電開發(fā)方案的最后一個(gè)梯級水電站[1]，裝機(jī)容量300（5×60）萬kW，電站于2008年12月開工建設(shè)，2011年1月開始截流，2014年12月首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2016年5月完工。因水電站建設(shè)形成的觀音巖水庫屬于大型水庫，具有發(fā)電、供水及防洪等功能，其正常蓄水水位對應(yīng)庫容20.72億m3，庫區(qū)回水長度約96 km，庫區(qū)水面平均寬度475 m，水域面積50.87 km2[1]。電站水庫建成后，由于水庫的調(diào)蓄作用，庫區(qū)河段水域會由河道急流型轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚餍?，同時(shí)，水庫下泄流量的水質(zhì)與上游天然來水有一定差異，可能會影響到下游，因此有必要對觀音巖水庫建設(shè)后下游河段的水質(zhì)變化情況開展分析。

1 水質(zhì)監(jiān)測

攀枝花市金沙江段水功能區(qū)劃包括飲用水源和工業(yè)用水兩類，各二級水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)均按《GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。在觀音巖水庫建成前，為了對金沙江的飲用水水源地水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，攀枝花市于2012年在城市主要取水口上游設(shè)置了文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站，一直保持運(yùn)行至今，其監(jiān)測結(jié)果可以反映出金沙江市區(qū)河段的水質(zhì)狀況，通過比較也可以分析觀音巖水庫蓄水前后其下游市區(qū)河段的水質(zhì)變化情況。

文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站位于觀音巖水庫下游河道距離約37km處，其所在位置及與觀音巖水庫的相對位置如圖1所示；電導(dǎo)率和濁度的監(jiān)測設(shè)備為YSI-6600，設(shè)備參數(shù)設(shè)定見表1。

圖1 文體樓水站位置圖

表1 設(shè)備參數(shù)設(shè)置表

2 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方法

通過“四川省水環(huán)境污染負(fù)荷自動(dòng)監(jiān)測監(jiān)控預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)”平臺下載的文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為接口采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)形式為每次采樣分析的結(jié)果。由于下載的數(shù)據(jù)中仍然保留了質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)等非地表水水樣分析結(jié)果，因此在分析比較之前需要對下載數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的整理和異常數(shù)據(jù)及無效數(shù)據(jù)的剔除。數(shù)據(jù)處理方式如下：

下載數(shù)據(jù)中包含有“已刪除”標(biāo)記的數(shù)據(jù)為自動(dòng)審核未通過的數(shù)據(jù)，作為無效數(shù)據(jù)刪除；

下載數(shù)據(jù)為“-”和空值的作為無效數(shù)據(jù)刪除；下載數(shù)據(jù)為“0”的保留并參與后續(xù)計(jì)算；

設(shè)備安裝至2012年4月30日為驗(yàn)收、性能測試和試運(yùn)行階段，下載數(shù)據(jù)中包括了水質(zhì)監(jiān)測、質(zhì)控樣品和設(shè)備調(diào)試的各種數(shù)據(jù)結(jié)果，該時(shí)段數(shù)據(jù)不作為有效數(shù)據(jù)參與后續(xù)計(jì)算和分析比較。

根據(jù)環(huán)境管理的要求，在不同時(shí)期文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站監(jiān)測頻次并不相同，每天采樣測量的數(shù)據(jù)量也不相同；同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行過程中水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站可能有日監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失的情況，為了避免不同時(shí)段接口采集數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)量上的差異和監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失問題對分析比較結(jié)果造成影響，使用月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)對水庫蓄水前后的水質(zhì)及變化情況進(jìn)行分析和比較。月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)的計(jì)算方式為：按日對經(jīng)過整理后的下載數(shù)據(jù)以算數(shù)平均的方式計(jì)算日均值，再按月對日均值以算數(shù)平均的方式計(jì)算月均值。

3 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)

計(jì)算文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站自2012年5月起各月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮到觀音巖水庫2014年10月23日下閘蓄水，以及水庫蓄水達(dá)到正常蓄水水位所需的時(shí)間，以2015年1月作為蓄水后月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)的起始時(shí)間。電導(dǎo)率和濁度月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 電導(dǎo)率月均值變化圖

圖3 濁度月均值變化圖

3.2 月均值差異顯著性比較

對觀音巖水庫建成前后文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站電導(dǎo)率和濁度月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較，分析前后差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義：使用PASW Statistics 18軟件中“分析”“比較均值”功能對蓄水前后月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)的方差進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷差異的顯著性[2]。

電導(dǎo)率月均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果及差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 電導(dǎo)率月均值組統(tǒng)計(jì)量表

由表2、表3可見，蓄水后電導(dǎo)率均值為580.83，較蓄水前電導(dǎo)率均值472.22高；方差齊次性檢驗(yàn)Levene檢驗(yàn)Sig值為0.001，＜0.05，拒絕蓄水前后電導(dǎo)率監(jiān)測結(jié)果方差相等的假設(shè)，選用假設(shè)方差不相等的檢驗(yàn)結(jié)果；均值比較的t檢驗(yàn)Sig值為0.000，＜0.05，拒絕蓄水前后電導(dǎo)率監(jiān)測結(jié)果均值相等的假設(shè)，認(rèn)為蓄水后電導(dǎo)率均值顯著高于蓄水前。

表3 電導(dǎo)率月均值獨(dú)立樣本檢測表

濁度月均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果及差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 濁度月均值組統(tǒng)計(jì)量表

由表4、表5可見，蓄水后濁度均值為25.5286，較蓄水前濁度均值91.3750低；方差齊次性檢驗(yàn)Levene檢驗(yàn)Sig值為0.000，＜0.05，拒絕蓄水前后濁度監(jiān)測結(jié)果方差相等的假設(shè)，選用假設(shè)方差不相等的檢驗(yàn)結(jié)果；均值比較的t檢驗(yàn)Sig值為0.000，＜0.05，拒絕蓄水前后濁度監(jiān)測結(jié)果均值相等的假設(shè)，認(rèn)為蓄水后濁度均值顯著低于蓄水前。

表5 濁度月均值獨(dú)立樣本檢測表

3.3 水質(zhì)變化規(guī)律比較

天然河流由于季節(jié)的周期性變化其水量和水質(zhì)具有一定的周期性變化規(guī)律[3]，汛期和非汛期水質(zhì)具有較大差異[4]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，金沙江每年6—10月為汛期，徑流量約占全年徑流總量的75%左右，枯水期為11月—次年5月[5]。觀音巖水庫建成后，在水庫的調(diào)蓄作用下金沙江市區(qū)段河道流量主要由水庫下泄流量決定，水庫下泄流量根據(jù)河流來水、庫容蓄積和發(fā)電需求等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，與季節(jié)變化有關(guān)，但是不再與天然河流的汛期完全一致。使用PASW Statistics 18軟件中“預(yù)測” “自相關(guān)”功能對觀音巖電站蓄水前后監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析[2]，通過比較蓄水前后下游河段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)在各階時(shí)間延遲時(shí)的相關(guān)性，分析其數(shù)據(jù)周期性規(guī)律的變化情況。

蓄水前電導(dǎo)率月均值自相關(guān)函數(shù)（ACF）及偏自相關(guān)函數(shù)（PACF）如圖4所示，蓄水后如圖5所示。

由圖4可見，蓄水前電導(dǎo)率月均值的自相關(guān)函數(shù)具有波動(dòng)形態(tài)，說明數(shù)據(jù)序列不是平穩(wěn)序列，具有周期性變化的特征；除了延遲數(shù)目1之外自相關(guān)函數(shù)和偏自相關(guān)函數(shù)沒有同時(shí)超出隨機(jī)波動(dòng)噪聲的置信范圍，說明數(shù)據(jù)序列在各延遲數(shù)目時(shí)的相關(guān)性不具有顯著性意義。

圖4 蓄水前電導(dǎo)率ACF及PACF圖

由圖5可見，蓄水后電導(dǎo)率月均值的自相關(guān)函數(shù)均為正值，且具有拖尾形態(tài)，說明數(shù)據(jù)序列具有單調(diào)趨勢變化的特征；除了延遲數(shù)目1之外自相關(guān)函數(shù)和偏自相關(guān)函數(shù)沒有同時(shí)超出隨機(jī)波動(dòng)噪聲的置信范圍，說明數(shù)據(jù)序列在各延遲數(shù)目時(shí)的相關(guān)性不具有顯著性意義。雖然電導(dǎo)率數(shù)據(jù)序列的時(shí)間延遲的相關(guān)性在蓄水前后都不具有顯著性意義，但蓄水前周期性變化的特征在蓄水后變成了單調(diào)趨勢變化的特征。

圖5 蓄水后電導(dǎo)率ACF及PACF圖

蓄水前濁度月均值自相關(guān)函數(shù)（ACF）及偏自相關(guān)函數(shù)（PACF）如圖6所示，蓄水后如圖7所示。

圖6 蓄水前濁度ACF及PACF圖

圖7 蓄水后濁度ACF及PACF圖

由圖6可見，蓄水前濁度月均值的自相關(guān)函數(shù)具有波動(dòng)形態(tài)，說明數(shù)據(jù)序列不是平穩(wěn)序列，具有周期性變化的特征；除了延遲數(shù)目1之外自相關(guān)函數(shù)和偏自相關(guān)函數(shù)沒有同時(shí)超出隨機(jī)波動(dòng)噪聲的置信范圍，說明數(shù)據(jù)序列在各延遲數(shù)目時(shí)的相關(guān)性不具有顯著性意義。

由圖7可見，蓄水后濁度月均值的自相關(guān)函數(shù)具有波動(dòng)形態(tài)，說明數(shù)據(jù)序列不是平穩(wěn)序列，具有周期性變化的特征；在延遲數(shù)目為8和11時(shí)自相關(guān)函數(shù)和偏自相關(guān)函數(shù)都超出了隨機(jī)波動(dòng)噪聲的置信范圍，說明數(shù)據(jù)序列在延遲數(shù)目為8和11時(shí)的相關(guān)性具有顯著性意義。與蓄水前相比，蓄水后濁度數(shù)據(jù)序列周期性變化的相關(guān)性強(qiáng)化了。

4 結(jié)果分析與討論

匯總文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站在觀音巖電站蓄水前后電導(dǎo)率和濁度的月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)比較結(jié)果，如表6所示。

表6 蓄水前后月均值監(jiān)測數(shù)據(jù)分析比較結(jié)果表

濁度是由于水中含有泥沙、粘土、有機(jī)物、無機(jī)物、浮游生物和微生物等懸浮物質(zhì)造成的[6]。觀音巖水庫建成后形成了50.87 km2的庫區(qū)，庫區(qū)河段流速顯著降低，增強(qiáng)了天然水體中懸浮物質(zhì)的沉淀效果，因此濁度在水庫建成后顯著降低了；當(dāng)水庫下泄水濁度降低后，由于降雨形成地表徑流攜帶泥沙進(jìn)入河流對下游河段濁度的影響加大，水體濁度周期性變化的規(guī)律與降雨的季節(jié)變化更加趨于一致。圖8為濁度與攀枝花市同期降水測點(diǎn)平均降雨量月均值數(shù)據(jù)對照，可以看出降雨量的周期性變化規(guī)律明顯且比較平穩(wěn)，而濁度的周期性變化規(guī)律前后差異較大，在2015年1月之后與降雨量數(shù)據(jù)變化更加吻合。

圖8 濁度-降雨量月變化對照圖

電導(dǎo)率表示溶液傳導(dǎo)電流的能力，間接用于推測水中離子成分的總濃度[6]。在觀音巖水庫蓄水后電導(dǎo)率的平均值已經(jīng)顯著高于蓄水前，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)周期性分析的結(jié)果，電導(dǎo)率的月均值呈現(xiàn)有上升的趨勢，說明水體電導(dǎo)率可能還處于水庫蓄水后趨于水質(zhì)穩(wěn)定和平衡的過程中。由于電導(dǎo)率是工業(yè)用水非常關(guān)注的水質(zhì)參考指標(biāo)，因此還有必要對其濃度變化發(fā)展趨勢和最終結(jié)果繼續(xù)加以跟蹤觀察和研究。

5 結(jié)論

文體樓水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，觀音巖水庫的建設(shè)對下游河段電導(dǎo)率和濁度的平均濃度有明顯的影響，其中電導(dǎo)率在水庫建成后顯著升高，濁度顯著降低。

從水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)周期性規(guī)律的變化情況看，水庫的建設(shè)對電導(dǎo)率和濁度存在不同的影響：在水庫蓄水后，濁度的周期性規(guī)律較蓄水前增強(qiáng)了；而電導(dǎo)率在蓄水前和蓄水后的時(shí)間延遲相關(guān)性均不顯著，但是其在蓄水前具有的周期性變化特征在蓄水后改變成為了趨勢性變化特征。