丹江口水庫洪水期水質變化特征及影響因素分析

摘要：通過分析丹江口水庫洪水期氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染物的變化趨勢，及其與流量、水溫、電導率和濁度等水文及物理指標的相關性，探索洪水過程對丹江口水庫水質的影響程度和機制。結果表明：洪水顯著影響了水庫水質，尤其在承接漢江方向來水的漢庫遠端區(qū)域；不同污染物對洪水的響應程度不同，氨氮和總磷顯示出較大的波動，而總氮和高錳酸鹽指數(shù)的波動則相對較??；主要污染物與水文及物理指標之間的相關性差異顯著，揭示了洪水過程對丹江口水庫不同區(qū)域和不同類型污染物的獨特影響機制。

關 鍵 詞：水質變化特征；洪水；相關性分析；丹江口水庫

中圖法分類號：X524；TV122 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.006

0 引言

水庫作為重要的水資源管理設施，在調節(jié)河流流量、保障供水安全、防洪減災等方面扮演著關鍵角色。隨著氣候變化的加劇，極端氣象事件如洪水的頻率和強度在全球范圍內不斷增加，這對水庫的水質管理提出了新的挑戰(zhàn)^［1］。特別是作為南水北調中線工程核心水源地的丹江口水庫，其水質狀況直接影響到數(shù)億人的生活和健康^［2-3］。丹江口水庫橫跨湖北省和河南省，是具有多功能的水利設施，不僅是飲用水源地，還涉及發(fā)電和水生態(tài)保護等多重功能^［4］。在洪水期間，大量的上游來水，不僅改變了丹江口水庫的水文情勢，也帶來了大量的污染物，這些變化可能對水庫的水質安全構成嚴重威脅^［5-6］。

本次研究旨在分析2023年秋季一次顯著洪水期間丹江口水庫的水質變化特征及其影響因素。通過綜合考察氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染物的變化趨勢，以及它們與流量、水溫、電導率和濁度等水文及物理指標的相關性，探索洪水對水庫水質的具體影響機制。研究結果將為丹江口水庫及類似水體的水質管理和應急響應提供科學依據(jù)和策略建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

丹江口水庫是南水北調中線工程核心水源地，向河南、河北、北京、天津等4個省市的20多座大中城市供水，年均調水95億m^3［7-8］。丹江口水庫由漢江庫區(qū)（以下簡稱漢庫）和丹江庫區(qū)組成，年平均入庫水量為394.8億m³，正常蓄水位由初期工程的157 m提高到170 m，相應的庫容由初期工程的174.5億m³增加到290億m³，總庫容達到339億m³，水庫水面面積1 050 km²，被譽為“亞洲天池”^［9-10］。漢江、堵河、丹江和老灌河，作為4條主要入庫支流，其入庫水量占丹江口水庫總入庫水量的80%以上。白河、黃龍灘、磨峪灣、淅川等4個水文站是漢江、堵河、丹江和老灌河上的水位流量控制站，龍王廟水位站則是水庫壩前的水位控制站（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2023年9～10月，丹江口水庫上游經(jīng)歷了一次洪水過程，庫區(qū)水位從164.00 m快速上漲至170.00 m（正常蓄水位），選取庫區(qū)4個代表水質站的數(shù)據(jù)進行分析，其中青山站代表漢庫遠端水質，龍口-浪河站代表漢庫中心水質，壩前站代表丹庫和漢庫交匯區(qū)的水質，馬蹬站代表丹庫水質。水質指標包括氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度等。水文數(shù)據(jù)選取同期4個入庫控制站的流量和龍王廟（壩上）的水位。

1.3 分析方法

使用ArcGIS 10.8繪制研究區(qū)域點位分布圖，使用OriginPro 2022繪制主要水質指標變化特征圖，使用SPSS 27.0進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 水量與水位變化特征

從主要入庫河流流量與庫區(qū)水位變化情況（圖2）可以看出，2023年9月19日至10月12日漢江等4條主要入庫河流總流量為2 689～12 290 m³/s，遠超當年總平均流量1 329 m³/s。其中漢庫方向和丹庫方向來水的峰值流量分別為11 530 m³/s和763 m³/s，期間平均流量分別為2 851 m³/s和195 m³/s。由于入庫水量的明顯增加，庫區(qū)水位從9月19日的164.33 m快速上漲至10月12日的169.98 m，平均漲速達0.25 m/d，并在之后相當長時間內維持在170.00 m。

2.2 主要污染物變化特征

2.2.1 氨氮變化特征

從圖3可以看出，青山站氨氮濃度先緩慢上升，隨后在9月29日快速升高，至10月2日氨氮濃度達到了研究期間的最大值0.57 mg/L，然后又在10月4日快速下降至較低水平。此變化過程與漢庫入庫流量變化極為相似，漢庫入庫流量在10月29日快速升至10 600 m³/s，后在10月3日后快速回落。這表明洪水過程對青山站氨氮濃度的顯著影響。龍口-浪河站氨氮濃度變化趨勢總體與青山站相似，其氨氮濃度最大值0.12 mg/L出現(xiàn)在10月4日，表明洪水過程對龍口-浪河站氨氮濃度同樣具有較為顯著的影響。壩前站和馬蹬站的氨氮濃度變化幅度較小，峰值與平均值相近，表明洪水過程對壩前站和馬蹬站的氨氮濃度影響較為有限。

2.2.2 總磷變化特征

從圖4可以看出，青山站總磷濃度的變化趨勢與其氨氮濃度變化趨勢相似，在研究期間同樣變化劇烈，9月29日前波動較小，隨后快速升高，至10月3日達到最大值0.190 mg/L，隨后較為快速地下降，表明青山站總磷濃度同樣受洪水過程的顯著影響。龍口-浪河站、壩前站及馬蹬站的總磷濃度變化趨勢總體較為相似，其總磷最高濃度均小于0.030 mg/L，且研究期間總體呈現(xiàn)波動中緩慢升高的趨勢。

2.2.3 總氮變化特征

從圖5可以看出，青山、龍口-浪河、壩前和馬蹬4個站點總氮的濃度表現(xiàn)出了與氨氮和總磷完全不同的變化趨勢。具體來說，4個站點的總氮濃度在整個研究期間均呈現(xiàn)出明顯的先減小后增大的變化趨勢。青山站總氮濃度在9月28日前穩(wěn)定在1.200 mg/L上下，波動較小，隨后快速下降，至10月4日達到最小值0.827 mg/L，隨后又在10月11日快速升高至1.200 mg/L左右。龍口-浪河、壩前和馬蹬站的總氮濃度變化趨勢總體與青山站相似，但變化過程相對緩慢，分別在9月19日、9月18日、10月16日達到最小值0.818，0.805，1.040 mg/L。

2.2.4 高錳酸鹽指數(shù)變化特征

從圖6可以看出，青山站的高錳酸鹽指數(shù)在研究期間經(jīng)歷了較為明顯的變化。初始值（9月1日）為1.10 mg/L，經(jīng)歷了逐漸上升的趨勢，最終在10月4日達到最大值3.04 mg/L。此后有所下降，但整個10月仍保持相對較高的水平。龍口-浪河站的高錳酸鹽指數(shù)相對穩(wěn)定，最小值為1.49 mg/L，最大值為2.06 mg/L，平均值為1.77 mg/L，盡管波動幅度較小，但在10月4日也觀察到一次顯著升高。壩前站的高錳酸鹽指數(shù)總體較為穩(wěn)定，但仍表現(xiàn)出一定的波動，特別是從10月2日的1.09 mg/L上升到10月5日的2.77 mg/L。馬蹬站的高錳酸鹽指數(shù)同樣較為穩(wěn)定，最小值為1.88 mg/L，最大值為2.37 mg/L，平均值為2.06 mg/L，僅在9月27日和10月4日出現(xiàn)兩次較為明顯的升高。

2.3 主要污染物與水文及物理指標的相關性

4個代表水質站主要污染物與水文及物理指標的相關性分析結果見表1。

青山站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標與各項水文及物理指標（溶解氧除外）的相關性均顯著。其中，氨氮與流量之間強正相關（r=0.798），與濁度之間的極強正相關（r=0.953），表明在入庫流量增加時，氨氮濃度顯著升高，這可能是由于強降雨導致強烈的地表沖刷，使這些水流中攜帶大量的氨氮進入水庫^［11-13］?？偭淄瑯语@示出與流量（r=0.644）和濁度（r=0.836）的強正相關，說明其作用機理與氨氮相同^［14-15］，此外總磷與水溫（r=-0.837）和電導率（r=-0.862）還存在著極強的負相關，這可能是由于更低的溫度和電導率使微生物的活性和繁殖力降低，從而對磷的利用降低^［16-17］。與總磷一樣，高錳酸鹽指數(shù)與水溫（r=-0.811）和電導率（r=-0.898）也存在著極強的負相關，說明更低的溫度和電導率同樣影響了微生物對有機物的降解^［18-19］，同樣高錳酸鹽指數(shù)與濁度（r=0.704）也存在強正相關。與其他3個主要污染指標不同，總氮與流量（r=-0.490）和濁度（r=-0.444）表現(xiàn)為中等負相關，而和pH（r=0.465）和電導率（r=0.404）顯示出中等正相關性，這種特殊情況可能主要是由于洪水期來水中總氮的濃度水平較正常情況更低從而對本底總氮產生一定的稀釋效果。

龍口-浪河站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標與各項水文及物理指標的相關性顯著，但相關性強度明顯不如青山站。其中，氨氮與水位（r=0.484）、流量（r=0.533）顯示出中等正相關，與水溫（r=-0.533）、溶解氧（r=-0.451）顯示出中等負相關。總磷與水位（r=0.748）及濁度（r=0.653）為強正相關，與水溫（r=-0.757）及pH（r=-0.716）顯示出強負相關?？偟透咤i酸鹽指數(shù)情況接近，與水位顯示為中等正相關，與水溫顯示出中等負相關。其主要污染物與各項水文及物理指標相關性表現(xiàn)和青山站情況較為接近，說明其作用機理應該相同，只是由于龍口-浪河站更靠近漢庫中心使其抗洪水的沖擊能力更強，從而各項水質參數(shù)的波動及相關性強度不如青山站明顯^［22］。

壩前站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標總體上僅與水位、水溫和pH相關性顯著，而與流量、濁度等其他指標的相關性不顯著。其中，僅有總氮與水位（r=0.641）之間為強正相關，與水溫（r=-0.657）之間為強負相關，氨氮及總磷與水位、水溫、pH呈現(xiàn)出中等相關性。這可能主要是由于壩前站位于丹庫和漢庫的交匯點，距離來水入口較遠，因此洪水過程對其造成的水質波動也較小。

馬蹬站氨氮、總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)等主要污染指標與各項水文及物理指標的相關性顯著。其中，氨氮與流量（r=0.475）及濁度（r=0.466）顯示出中等正相關，這可能是由于丹江和老灌河方向降雨導致的地表沖刷攜帶大量的氨氮進入丹庫所致?？偭着c水位（r=0.786）顯示出強正相關，與水溫（r=-0.631）顯示出強負相關。馬蹬站總氮和高錳酸鹽指數(shù)與各項水文及物理指標的相關性情況與青山站非常相似，但相關性強度明顯不如青山站。這說明青山站和馬蹬站作為分別靠近漢庫和丹庫入口的兩個站點，兩者受洪水過程影響的機制基本相同，只是由于洪水期丹庫來水較漢庫來水小得多，因此馬蹬站各項水質參數(shù)的波動及相關性強度不如青山站。

3 結論

（1）洪水過程對丹江口水庫的水質產生了顯著的影響，特別是對承接漢江方向來水的漢庫遠端庫區(qū)產生了十分明顯的影響，對漢庫與丹庫交匯區(qū)域的影響相對較小。

（2）不同污染物指標對洪水過程響應的差異較大，氨氮和總磷的波動相對較大，總氮和高錳酸鹽指數(shù)的波動相對較小。特別是氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)受洪水過程影響，總體上都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，而總氮反而呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，這可能主要是由于洪水所帶來的污染物濃度相較本底污染物濃度高低不同導致的，但其實際機理仍需進一步驗證和探究。

（3）洪水期主要污染物與水文及物理指標之間的相關性分析結果顯示，氨氮與流量和濁度的相關性最為顯著，尤其在青山站，氨氮濃度與流量和濁度的相關性系數(shù)分別高達0.798和0.953，表明洪水帶來的地表沖刷顯著增加了入庫水中的氨氮?？偭着c氨氮的行為相似，顯示出與流量和濁度的強正相關。總氮的變化趨勢在洪水期間呈現(xiàn)先降后升的模式，表明洪水可能引起初期稀釋效應。高錳酸鹽指數(shù)則與水溫和電導率的負相關性較強，表明低溫和低電導率條件下有機物降解速率減緩。

（4）不同站點的相關性差異突顯了地理位置對洪水響應的影響，青山站和馬蹬站由于靠近入庫口，受洪水影響較大，而壩前站因位置較遠，其水質變化受洪水影響較小。這些發(fā)現(xiàn)為制定基于地理特性和洪水特性的差異化水質管理策略提供了重要依據(jù)。

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（編輯：劉媛）