水库排沙期间下泄水流水质与含沙量的相关关系

陈兴茹,白音包力皋

(中国水利水电科学研究院水力学所,北京 100038)

对多泥沙水库进行人为定期排沙,能够延长水库寿命、平衡河道内的水沙关系。水库排沙大致可分为水力排沙和机械排沙2种。其中,水力排沙是经济、高效的排沙方法,又可分为水库排空排沙、异重流排沙和浑水排沙等。但是,水库水力排沙会使下游河道的水流、泥沙、水质等指标发生较大变化,在一定程度上影响原有生态环境,如冲刷河床、破坏原有土著物种及其栖息地、改变生态系统的结构组成等。从国外相关研究看,水库排沙对河流生态的影响主要集中在鱼类生存方面,水体内泥沙含量高且持续时间长,会堵塞鱼鳃,并降低其自我清除腮内泥沙的能力,水环境的变化可能会降低水体内鱼类可摄取的氧气量,重金属含量过高还会使其中毒[1-9],这些原因都会造成鱼类窒息昏迷或死亡。目前国内在该领域的研究尚处于起步阶段,已有学者认识到此问题研究的必要性[10]。

从目前的研究看,评价排沙引起水环境变化的指标主要集中在含沙量、颗粒级配变化以及DO,CODCr,TN,TP,NH+4,重金属等指标。水库排沙引起水环境改变的因素较多,且彼此之间相互作用,因此,水库排沙引起水环境变化的机理尚无法确定。鉴于水库排沙引起水环境变化研究的复杂性,本文以中日典型多沙水库(日本宇奈月水库和中国小浪底水库)为研究对象,结合相关资料和原型观测数据,初步分析这2座水库排沙期间含沙量与部分水质指标之间的相关性,验证水库高含沙水流下泄是下游河流水环境变化的主导因子,为我国制定兼顾工程经济效益、社会效益和生态效益的水库调水调沙方案提供参考。

1 日本宇奈月水库排沙期下泄水流水质与含沙量的相关关系

1.1 黑部川排沙概况

黑部川位于日本北陆地区,是国家一级河流,如图1所示,其最大特点是河流较陡而水沙灾害较多,具有“泛滥河流”之称。目前,在黑部川流域已经修建了黑部水库、出平水库、宇奈月水库等几座水库。其中,黑部水库大坝坝高186m,是日本最高的大坝。下游出平水库是日本第一座设置排沙孔的水库,从1986年开始实施排空排沙。2001年,在出平水库下游又修建了宇奈月水库,并于同年开始出平水库和宇奈月水库联合排沙。

图1 日本黑部川流域

为了评价出平水库和宇奈月水库联合排沙对下游河流及海洋生态环境的不利影响,自2002年起,在排沙前、排沙中、排沙后都进行环境调查,调查内容除了含沙量(SS)外,还有水温、pH、水质项目(BOD,CODCr,DO等)、水生动植物项目(鱼类、底栖生物、附着藻类等)以及底泥物理化学特性。调查位置不仅包括水库下游河流,也包括河口以及海岸。

1.2 数据来源

数据来源于日本官方网站公布的黑部川流域宇奈月水库排沙期间监测的各项指标调查数据,详见文献[11]。

1.3 水质指标的选取

根据国外已有研究成果,初步认为对以鱼类为指示生物的水生态系统影响的主要因子为DO,SS,CODCr

以及各类营养盐、重金属等。限于目前的研究水平及数据的可获取性,仅关注宇奈月水库排沙期间下泄水流CODCr,BOD,TN,TP等水质指标,分析它们与含沙量变化之间的相关关系。

1.4 排沙期间水库下泄水流水质与含沙量的相关关系

当含沙量较低时水质指标变幅较小,只有当含沙量较高时水质指标的变动才会剧烈。对2002—2009年宇奈月水库排沙过程中实时监测的水质数据与含沙量的相关关系进行分析,如图2所示,结果表明各年排沙前后宇奈月水库下泄水流主要水质指标与含沙量有明显的相关性,各拟合曲线的相关系数分别为0.929,0.623,0.833,0.726。随着含沙量的增加,水质指标的变化曲线都呈现了拐点,即当含沙量小于2000mg/L时,随着含沙量的增加,水质指标增加不明显;但当含沙量大于2000mg/L时,水质指标增加较明显,且监测值分布散乱,这表明含沙量达到一定浓度时会急剧加重水质的恶化。

图2 2002—2009年宇奈月水库排沙期间水质与含沙量的相关关系

当含沙量达到2000mg/L时,水质指标监测值急剧增大且分布散乱,其原因是:日本水库排沙多在行洪期进行,大量面源污染物入库;多库联合调度的水库排沙方式使宇奈月水库下泄水流所含污染物成分来源较复杂,既有面源污染携带也有上游水库淤积污染物受扰动释放进入水体,多库联合排沙时污染物在复杂的水沙条件作用下发生了复杂的生化反应。

2 中国小浪底水库调水调沙期间下泄水流水质与含沙量的相关关系

2.1 黄河调水调沙概况

小浪底水库位于黄河中游最后一段峡谷出口,坝高154m,坝址控制面积为69.42万km2,占黄河流域面积的 92.3%,水库总库容为 126.5亿m3,长期有效库容为51亿m3,是一座具有防洪、防凌、减淤、供水和发电等综合效益的特大型控制性工程。小浪底水库建成后,为了抑制下游河道淤积升高和扩大下游河道的行洪能力,自2002年黄河每年都利用汛期弃水或者汛期洪水进行至少1次调水调沙,对重塑河床形态、减轻水库淤积、补充下游湿地及河口生态需水等起到了积极作用。下游河道主槽最小过流能力由2002年汛前的1 800m3/s提高到 2010年的4000m3/s,有效地改善了下游河道的泥沙淤积状况,提高了河道行洪能力。此外,2010年实施调水调沙后,刁口河流路断流34年后全线过流,湿地生态系统淡水资源得到有效补给。因此,小浪底水库建设运行以来,在保障黄河中下游人民生命财产安全、促进经济社会发展和防止黄河下游断流方面起到了重要作用。

调水调沙采取多库联合调度的运行方式,主要涉及水库包括位于黄河中游的万家寨水库、三门峡水库和位于下游的小浪底水库和西霞院水库。小浪底水库基本采取了异重流排沙方式,位于其上游的万家寨水库和三门峡水库为小浪底水库异重流排沙提供了水源和泥沙条件。2004—2010年黄河调水调沙调度运行方式如下:2004年三门峡、万家寨水库联合调度;2006年三门峡、小浪底水库联合调度;2009年万家寨、三门峡、小浪底、西霞院水库联合调度;2005年、2007年 、2008年 、2010年万家寨、三门峡、小浪底水库联合调度。

2.2 数据获取

a.水样采集。水样采集时间为 2009年6月18日至7月5日和2010年6月28日至7月5日。采集地点为黄河小浪底水库坝下约3km处。采集频率:放清水期间1次/d,排沙期间每2h采样1次。

b.监测分析方法。水质指标采用美国HACH公司的水质测定仪测得。根据小浪底水库水质特征和黄河流域污染特征,选择CODCr,pH,DO,TN,TP,水温,Cu,Pb,Zn,Cd,Cr等指标作为监测因子。样品的采集、分析方法均满足国家相关标准。

2.3 排沙期间水库下泄水流水质与含沙量的相关关系

图3 2009—2010年小浪底水库下泄水流水质与含沙量的关系

2009—2010年小浪底水库调水调沙期间含沙量及部分水质指标的监测结果如图3所示。由图3可以看出,TN,TP,CODCr的质量浓度在排沙期间增加幅度较大;重金属在排沙前几乎检测不出,虽在排沙期间有所突增,但量值很小,不是水质恶化的主导因子。

随着含沙量的增加,水质指标的变化过程都呈现了拐点,即当含沙量约小于10mg/L时,水质指标随含沙量的增加而增加;当含沙量大于10mg/L时,水质指标随含沙量的增加而降低。

以2009年为例计算小浪底水库排沙期间含沙量与ρ(TN),ρ(TP),ρ(CODCr)的相关系数 ,结果分别为0.908,0.965和0.820。由此可见,含沙量与TN,TP,CODCr这3项指标之间相关性良好,水库排沙过程中含沙量的变化会引起水质指标的变化。

3 结 语

通过分析国内外典型多泥沙水库调水调沙期间含沙量与部分水质指标的相关关系发现:①调水调沙期间水库下泄水流水质CODCr,BOD,TN,TP质量浓度均增加明显;②调水调沙期间水库下泄水流部分水质指标CODCr,TN,TP均与下泄水流含沙量相关性良好;③国内外水库排沙期间水质指标随含沙量的变化过程不同,但都出现了拐点。日本宇奈月水库排沙含沙量大于2000mg/L时水质恶化明显,我国黄河小浪底水库排沙含沙量大于10mg/L时水质恶化明显。

未来仍需要加强由调水调沙引起的水环境变化的长期监测,并开展敏感物种、关键物种生活习性和适应生产环境急速改变能力的研究,以及多库联合调度引起库底污染物迁移转化、面源污染物随洪水入库等的观测、试验和计算研究,掌握调水调沙引起水生态环境变化的机理,为减少水库调水调沙对生态环境的负面影响提供技术支持。

:

[1]MERLE G.Some environmental aspects of flushing[C]//International Workshop and Symposium on Reservoir Sedimentation Management.Tokyo:Japan Water Resources Environment Technology Center,2000:195-202.

[2]STAUB E.Effects of sedimentflushing on fish and invertebrates in Swiss Alpine Rivers[C]//International Workshop and Symposium on Reservoir Sedimentation Management.Tokyo:Japan WaterResources Environment Technology Center,2000:185-194.

[3]NEWCOMBE C P,MACDONALD D D.Effects of suspended sediments on aquatic ecosystems[J].North American Journal of Fishers Management,1991,11:72-82.

[4]NEWCOMBE C P,JENSEN J O T.Channel suspended sediment and fisheries:a synthesisfor quantitative assessment of risk and impact[J].North American Journal of Fisheries Management,1996,16:693-727.

[5]木下笃彦,水山高久,藤田正治,等.ヒル谷にぉける人为的排砂のイワナヘのインパクト[C]//河川技术论文集.东京:日本土木学会,2001:363-368.

[6]木下笃彦,藤田正治,田川正朋,等.排砂に伴う浊りが鱼类に与えゐ生理的影响とその评仳法[J].砂防学会谂,2005,58(3):34-43.

[7]村冈敬子,角哲也.高浓度の浊リがアユに与えゐ影响について[C]//第25回土木学会阌东支部技术研究表会论文集.东京:日本土木学会,1998:1048-1049.

[8]角哲也,白音包力皋.宇奈月ダムフラツシング排砂时の细粒土砂流下特性[C]//水工学论文集.东京:日本土木学会,2006:913-918.

[9]角哲也.ダム贮水池からの排砂と排砂时の放流水质管理[J].ダム技术,2000,10(127):56-60.

[10]白音包力皋,角哲也.水库排沙对下游河流鱼类的影响[J].天津大学学报,2008,41(9):30-38.

[11]黑部河川事务所.黑部川排沙情况通报[EB/OL].[2009-07-12].http://www.kurobe.go.jp/haisa/haisa.cgi.