冯家山水库水质变化及其成因分析

郭 华,陈 勇,李高民,马耀光

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.南京市水利规划设计院,江苏 南京 210006;3.冯家山水库管理局,陕西 宝鸡 721300)

水库是最重要的水资源开发利用工程,有防洪、灌溉、工业用水、发电、养殖、旅游等多种效益,许多水库是城镇居民主要的生活水源。了解水库水质现状,分析其变化规律及原因,为水源保护与流域水环境管理提供依据,对维护供水安全、发挥水库功能和提高管理水平具有重要意义。

1 冯家山水库概况

1.1 冯家山水库概况

冯家山水库位于黄河二级支流千河下游,控制流域面积3232 km2,约占千河总面积的93%。流域中上游呈扇形,中下游略呈东西窄南北长的矩形,流域平均宽度为23 km,其支流呈羽状分布。设计总库容 3.89×108m3,除险加固后设计总库容4.13×108m3,具有 18 km 的回水区,是以工业、农业、城市供水为主,兼有防洪、发电、养殖等综合功能的大型水利工程[1]。

随着一、二级电站的建成以及引冯济羊输水工程、宝鸡市第二发电厂供水工程、宝鸡市市区供水工程相继投入运行,冯家山水库供水逐步从传统的农业灌溉转化为向相邻灌区调剂供水、工业供水、城市供水等多元化发展。冯家山水库从1974年下闸蓄水到2009年底,总进库水量110.99×108m3,累计出库水量122.91×108m3。

1.2 水库水质监测概况

2001年陕西省水环境监测中心宝鸡分中心对水库水质实施监测,每月上、中、下旬旬初采样一次,采样点在坝前 1 km断面,分左、中、右三点,采样深度在水面下50cm。主要监测指标为高猛酸盐指数(CODMn)、亚硝酸盐氮(NO2-N)和挥发酚三个指标。按《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002),高锰酸盐指数(CODMn)、亚硝酸盐氮(NO2-N)符合II类标准限值;挥发酚低于0.002 mg/L,达到Ⅰ类水质标准,综合水质评价为Ⅱ类,水质良好,并符合饮用水水质标准。

为了解水库水体在空间上的污染分布情况,2011年4月中旬对水库水质进行补充测样。冯家山水库有18 km回水区,从坝前开始每0.5 km设置一个监测断面,共设30个监测断面,每个断面分左、中、右三点,在水面下50cm取水样。主要监测指标除了高猛酸盐指数(CODMn)、亚硝酸盐氮(NO2-N)和挥发酚外,还有氯离子和六价铬离子。并对水库上游干流水质及重点污染源进行追踪调查,进一步了解冯家山水库的污染来源,分析水质变化原因。

2 水库水质的时空变化规律

2.1 水质的空间变化

对2011年4月采集的监测水样进行测定,因冯家山水库属河道型水库,河宽较小,横断面水质无明显差异,可将各断面的平均值作为断面监测结果。在30个流程断面中,高锰酸盐指数(CODMn)只有接近水库入口的4个断面超过II类标准限值,亚硝酸盐氮浓度均小于0.011 mg/L;挥发酚浓度均小于等于0.002 mg/L,达到I类水质标准;Cl-浓度符合I类水质标准250mg/L。六价铬离子的检出含量均小于0.01 mg/L。由图1和图2的沿程分布图可看出,CODMn、Cl-、NO2-N浓度均沿流程呈缓慢衰减趋势,CODMn的纵向空间变化显著,衰减较快;Cl-沿程变化很小,NO2-N含量较少,但变化幅度较大。水质的空间变化不会产生适用功能的差异,因此,冯家山水库的现状水质保持良好,符合城市供水和饮用水水质要求。

图1 高锰酸盐指数CODMn和Cl-的沿程分布

图2 亚硝酸盐氮的沿程分布

2.2 水库水质随时间的变化

2.1.1 年内变化

采用2004-01-01～2009-12-21的旬水质监测资料,计算其月平均值,分析水库水质指标随时间的变化情况。冯家山水库控制流域面积占千河总流域面积的93%,因此千河径流与冯家山水库水质有密不可分的联系。将1957～2009年千河月径流量数据进行频率分析可知,2004、2006、2008和2009年为枯水年,2007年为中水年,2005年为丰水年。2008年是来水频率92%的枯水年,其年内分配不均,对水质的自净更为不利,因此选取2008年作为典型枯水年分析。

由图3和图4可看出,径流量与污染物浓度趋势基本相反,2008年汛期为8月～10月,CODMn和NO2-N在汛期的浓度都有明显下降趋势,因为汛期时的大量来水降低了污染物浓度。1月～7月和8月～12月CODMn都与径流量成反比,7月～8月虽然来水量减少,且经过非汛期水库长期的自净作用,但水质依然有下降的趋势。5月～8月天气渐暖,人类活动增加,农作物残留农药和人类排泄物等含氮污染物进入水库而造成污染物浓度增大,因此此期间NO2-N随着入库水量的增加而增加,进入汛期大量来水又使NO2-N浓度大大降低[2]。

图3 2008年冯家山水库月径流量与CODMn含量

图4 2008年千河径流量与冯家山水库NO2-N含量

2.1.2 水质年际变化规律

将2004年～2009年旬水质监测数据绘图。从图5和图6可看出,高锰酸盐CODMn和NO2-N都随季节的变化而波动,其中NO2-N变化幅度更大,二者都有较明显的下降趋势。

图5 2004年～2009年冯家山水库高锰酸盐CODMn变化

图6 2004年～2009年冯家山水库亚硝酸盐氮变化

水库水质变化具有季节性,偏差系列相关,且冯家山水库水质监测资料序列较短,因而采用季节性Kendall检验法分析其趋势。季节性Kendall检验法能有效克服水质变量季节性的差异,而且还可以克服水质数据不呈正态分布而进行相应统计而产生的弊端[3]。

根据2004年～2009年冯家山水库水质监测序列,用Kendall秩次相关方法检验高锰酸盐指数和NO2-N是否存在明显变化趋势。公式为:

式中:τ为Kendall统计量;Var为方差;M为标准变量;Z为水质指标序列中所有对偶观测值(Xi,Xj,j＞i)中出现Xi＜Xj的个数;N为序列长度。

计算高锰酸盐和亚硝酸盐氮浓度的Kendall标准化变量分别为MCOD=-10.43,MNO2-N=-9.29。取显著性水平 α=0.05,α相应的检验临界值Mα=1.96。可得|MCOD|、|MNO2-N|均大于 Mα,且相差较大。因此冯家山水库高锰酸盐指数和亚硝酸盐氮的浓度均有减小的趋势,且高锰酸盐指数比亚硝酸盐氮浓度下降更为明显。说明冯家山水库水质在进一步好转。从图5和图6能直观看出其浓度下降趋势。

3 污染源调查

污染源一般被划分为点源和非点源。点源是指以点状形式排放而使水体造成污染的发生源,比如工业废水通过排污口将污染物排入水体;非点源污染是相对点源而言,即溶解的和固体的污染物从非特定的地点,在降水(或融雪)冲刷作用下,通过径流过程而汇入受纳水体并引起水体的富营养化或其他形式的污染,比如农业污染[4-6]。

3.1 工业点源污染

对冯家山水库造成污染的主要有工业污染、农业污染和生活污染等。冯家山水库控制面积约占千河流域总面积的93%,因此排入千河的污染物为水库污染的主要来源。

分析表1,主要工业污染源为造纸厂,生活污染主要来自于千阳县,挥发酚唯一来源为纸业公司。而磷主要来源于生活污染和农业污染。迄今为止,污染物排放负荷和强度相对较小,未对冯家山水库水质产生显著的污染威胁。

3.2 农业面源污染

农业面源污染是在农业生产活动中,氮和磷等营养物质以有机或无机污染物质的形式,通过地表径流和农田渗漏形成的水环境污染,主要包括化肥污染、农药污染、集约化养殖场污染等。表2为千河流经各县农业用地、化肥使用情况[7]。

表1 千河主要排污口统计调查表

表2 千河流域农业用地与施用化肥

研究表明,在传统的灌溉方式条件下,施入农田的氮磷化肥中,大部分被土壤颗粒所吸附,作物对氮素的利用率只有20%～35%,挥发到大气中有5%～10%,其他氮素随降水径流和渗漏被流失。施入农田中的磷肥,作物利用率约为10%～20%,50%～60%被土壤颗粒吸附固定,部分随降水径流从农田中排出进入水体。化肥中的营养成份流失到水域中,一方面造成化肥的损失,另一方面也会造成地表水体富营养化和地下水体硝酸盐污染。因此较低的化肥利用率,不仅造成浪费,还大大增加了水体中污染物浓度。

根据中国农村统计年鉴资料,陕西省2005年农药使用量为9888 t,其中杀虫剂占70%,杀虫剂中应逐步淘汰的占70%,其中高毒农药又占到70%。陕西是个水土流失严重的省份,进入土壤后的农药大部分随地表径流进入江河,一部分渗入地下水,飘浮在空中的农药最终随降雨、地表径流进入河流和湖泊[8-9]。

据调查,全年平均畜禽类粪便产生量约为1.1×104t,由于部分地区未对粪便进行无害化处理或处理不当,使畜禽粪便中的重金属、矿物质、微量元素、色素等有害物质直接排入周边的水塘、土壤,对环境造成了难以恢复的影响。

按城市生活污水排放量为150 L/(人·d)～400 L/(人·d)计算,陇县、千阳县每日产生生活污水量依次约为:4.17×104m3、1.64×104m3。总的特点是含氮、含硫和含磷高,在厌氧细菌作用下,易生恶臭物质。陇县生活污水处理厂、陇县人民医院、陇县中医医院、城关镇西关卫生院、陇县妇幼保健院的废水处理设施生产能力严重不足,COD成为该县的主要污染物。

3.3 千河的自净作用

千河流域的工业污水、生活污水及农业面源污染物经千河水流的部分降解净化作用后进入冯家山水库,成为水库水质的潜在污染威胁。对冯家山水库上游千河干流代表性河段进行污染物净化能力监测和分析,结果表明,千河水质较好,大多数断面水质符合Ⅱ类标准和水体功能要求,少数断面为Ⅲ、Ⅳ类水质。按污染物指数衰减模型分析,主要污染物Cr6+、CODMn和氨氮通过氧化、生物降解、泥沙吸附沉淀、硝化作用和挥发等净化作用产生衰减,其衰减指数分别为0.268/km、0.267/km和0.266/km。

4 水库水质的影响因素分析

4.1 影响水库水质的主要因素

影响水库水质的影响因子有入库径流量、点源排污、流域面源污染、底泥污染物释放、水库库容和地下水水质等,其中与水库水质相关度最为密切的是径流量和流域污染的强度与方式。

由冯家山水库年内水质变化可知(图3、图4),水质指标浓度与径流量成负相关关系,径流量越大污染物浓度越低,水质愈好;与点源污染与面源污染负荷成正相关关系,排入水体污染物越多,水库污染物浓度越高。有效控制污染物排放量、排放强度和排放时间,可逐渐改善水质。由图5和图6可看出,水库水质正在逐年改善。

在长期的冲刷沉淀中,水库淤积的底泥中沉积了一定的污染物,当底泥中的可溶性污染物释放到水库水体中会造成水库水质变差,因此及时排除库底淤泥对保持水库水质有积极的作用。水库库容越大,自净能力越强,水质恢复能力越强,因此当枯水年时应适当降低污染物排放量以保证水库水质。水库水量一部分来自于地表径流,另一部分来自于地下水的汇入,流域的地下水水质与水库水质关系密切,保证地下水水质对水库水质至关重要。

4.2 冯家山水库水质保育的必要措施

根据以上分析,为保持冯家山水库水质保育提出以下几点建议:

(1)由于工业污染为点源污染,较面污染容易控制。对于向宝鸡提供城市供水的冯家山水库应严格限定各工业单位的排污量、排污强度和排污时间。因为污染物浓度与来水量成反比,可在汛期适当增大排污量和排污强度,非汛期加以严格控制以保证水质。

(2)及时清理库底淤泥,不仅增加库容提高水库利用率和利用年限,而且降低底泥释放污染物的危险。

(3)监测补给水库地下水的水质动态。由于地下水水质一旦污染危害较大,加强地下水补给水质的监测是十分必要的。

5 结 论

通过对冯家山水库蓄水及运行期间水质变化的分析,可得如下结论:

(1)2004～2009年冯家山水库水质监测序列表明水质符合II类水质标准和饮用水水质标准。冯家山水库的各水质指标随流程呈衰减趋势,入库浓度最高,到坝前浓度最小。受径流量影响,汛期水质一般比非汛期好,且污染物浓度随径流量的增大而减小。用Kendall秩次相关方法检验,主要污染指标高锰酸盐指数和亚硝酸盐氮都存在明显的下降趋势,表明流域水环境治理与污染控制对水库水质保护有良好效果。

(2)冯家山水库的主要污染源为造纸、石油等工业污染源,千阳县和陇县的城镇生活污染源,以及流域的农业生产活动产生的面源污染;千河干流氨氮的自净衰减指数为0.266/km。千河流域的工业污水、生活污水及农业面源污染物经千河水流的部分降解净化作用后进入冯家山水库,成为水库水质的潜在污染威胁。

(3)影响水库水质的影响因子有径流量、水库库容、纳污量、农业面源污染、底泥污染物释放和地下水水质等,其中与水库水质相关度最为密切的是径流量。

(4)此外,应加强环保宣传力度,提高全民环保意识。重点向农村普及保护水资源的知识,比如:推广绿色无害养殖技术,不乱排放生活废水等措施减轻面污染源。

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