寒旱区某浅型水库热分层特征及供水影响

朱国建,刘晓茹

(1.新疆额河投资集团，新疆 乌鲁木齐 830000；2中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 概述

我国水资源分布不均，西部用水问题一直是限制经济发展的重要因素，而北部和西部的饮用水形势也非常严峻，因此对影响水库供水水质污染问题应高度重视。本研究区域位于我国西北边陲寒旱地区的平原水库，一年四季气温变化较大，周边分布有沙漠及戈壁带，水资源匮乏，水资源系统的脆弱性显著[1]，供水水质问题对企业生产和城市活动影响较大。

水库热分层效应加剧了内源污染，是水环境研究领域的热点问题[2]。目前对深水型湖泊水库水温分层现象研究较多[3- 5]，而对于浅水型水库(一般水深在10m左右)是否存在热分层导致水质污染问题，仍是争论焦点。Davision提出了浅型水库所特有的活性反应带概念，该反应带位于好氧和厌氧的交接区域，反应由氧化向还原过渡，氧化还原电位变化较大，活性反应带存在于从水体内数米或库底仅仅1cm范围内[6]。

本水库属于浅水型水库，近年来在夏季发生阶段性水质超标问题，已引起当地水务部门的密切关注，其热分层现象成为诱发内源污染的关键因素，水库水环境安全受到威胁。本研究通过监测水库不同深度水质指标，从水生态和水动力等方面分析水库供水水质问题，为保证寒旱区水库安全供水及水资源可持续利用提供科学依据[7]。

2 水库概况

2.1 水库基本情况

本水库位于新疆北部，属地气候干旱，11月到次年3月属于低温天气，常有积雪覆盖，连冻日在120—130d之间，南邻高山区，北邻戈壁带，具有典型的大陆干旱气候特征[8]。水库为四面建坝围筑而成的平原注入式水库，水体流向从水库南面进水，北面出水，其水源以高山融雪为主，经过岩层进入输水渠道，降雨补给为辅，并有少量的冰川融水和地下水补给。水库工程规模属大(2)型Ⅱ等工程，水库周边较少存在农业和畜牧业，且水库筑坝较高，水质除上游来水外受其他地表径流影响较小。冬季上游渠道为冰封状态，水库蓄水时间为每年的5月初—9月底，10月—次年4月为上游停水期，水库全年为周边工业企业和城市生活供水，水体整体循环速度较慢[9]。

2.2 水库水生态环境特征

水库鱼类存量较大，其种群规模、捕捞量与放流量等几种关系的不平衡对水库生态系统破坏带来隐患。底栖动物资源匮乏，杂食性鱼类过大的种群规模加剧对库底的扰动，鱼残体及排泄物含有的大量有机物，沉积到库底，到夏季在库区水体中易形成活性反应带，出现热分层现象，使库区水体溶解氧下降，对水质带来不利影响。

水生植物种类单一、沉水植物资源匮乏，导致水域生物多样性下降和生态系统的退化，水质净化能力减弱。水库来水后，其南岸植物被淹没且腐烂，造成库区水体沉积物有机质增加。

水生生物代谢活动产生的污染物，在缺氧状态下，造成水库底层污染物增加，易出现水质恶化现象。

3 方法

3.1 水质监测方案

监测点布设：在库区的东、西、北、中4个位置设置采样监测点，其示意图如图1所示，每个点位分表、底二层采样，表层为水面以下0.5m处，底层为库底以上0.5m处。库区北靠近水库出口，为坝前区，水深为12.5m，库区东水深为12.1m，由于水库底部存在部分工程构筑物，库区中和库区西水深分别为4.2、7.3m，由此可见库区北和库区东水深较深，库区中和西部水深较浅。

图1 库区采样监测点示意图

3.2 水质监测方法

采用便携式多参数水质测量仪(YSI EXO- 1型)监测不同深度的水温(T)和溶解氧(DO)，测量仪采集数据速率设置为1次/s，从水体表层沿水深方向缓慢向下监测，约0.5m停留2s。采集表、底层水样加入保存剂，在实验室采用等离子体质谱法检测金属元素指标。

由于7月气温较高，水体易出现水温分层，因此在各监测点开展了不同深度的连续监测。库区南为水库进水口，水流扰动较大，热分层不稳定，未进行连续监测。

水体深度越深，热分层现象越显著。由于该水库北部和东部较深、中部和西部较浅，因此按较深库区(库区北、库区东)和较浅库区(库区中、库区西)分别讨论热分层水质变化情况。

4 监测结果分析

4.1 水体热分层特征

4.1.1水温

夏季7月，在水深较深的库区北和库区东2个点位的水温变化趋势一致，如图2所示，水深越深水温越低。水温随深度变化较大，其表层和底层水温差值分别为5.2℃和3.8℃，出现热分层现象。

图2 水温随水深变化趋势图

库区西和库区中水深较浅，有上图可见对浅水型水库水体，受风力扰动及水库水循环影响，库区表层水体吸收太阳辐射能量在整个水体垂向方向上混合均匀，水温随深度变化不大。有研究认为，深度超过7m的水库有可能形成热分层现象[10]，库区西和中部深度分别为4m和7.5m，表、底层水温差值分别为1.2℃和1.7℃，未出现明显的热分层现象。

由此可见在较深库区易出现热分层，尤其在坝前出水口(库区北)，表、底层温差较大。

4.1.2溶解氧

水体内部热分层状态是驱动缺氧区形成的主要外部因素，水体内有机物分解过程及沉积物中生物化学作用中的耗氧是驱动缺氧区形成的主要内在因素。在光合作用下，表层水中产生了氧气和有机物质，部分有机物沉入深层水体中，在底层水体及沉积物有机质的分解过程中消耗氧气，导致底层缺氧区的产生。一般将2mg/L的溶解氧浓度水平定义为缺氧，作为水体出现缺氧区的阈值条件，低于该阈值，许多水生生物会死亡，以至于造成鱼类死亡[11]。

水深较深的库区北和库区东的表、底层溶解氧差值分别为8.21、7.67mg/L，在中下部溶解氧降低速率较快，如图3所示，库区北在8.0～8.5m水深区间内溶解氧由6.41mg/L降至3.90mg/L，0.5m范围内溶解氧降低了2.51mg/L，库区东在9.6～10.0m水深区间内溶解氧由4.89mg/L降至3.40mg/L，0.4m范围内溶解氧降低了1.49mg/L，说明活性反应区形成；至库区底层，库区北和库区东溶解氧分别为0.43、1.23mg/L，均低于2mg/L，形成缺氧区。

由图3可见，库区西和库区中表层溶解氧分别为8.27、8.91mg/L，底层溶解氧分别为7.86、5.46mg/L，表、底层溶解氧差值分别为0.41、3.45mg/L，由于库区西水深较库区中更浅，所以溶解氧表、底层差值较小，接近一致，库区西和库区中底层溶解氧满足地表水标准，未出现缺氧现象。

图3 溶解氧随水深变化趋势图

4.2 水体热分层对供水的影响

水库的受水水厂曾分别于6月中下旬及7月底—8月初对水库水质提出二次质疑，水厂进行常规水净化处理，加消毒剂次氯酸钠后，水发黄且有褐色沉淀，同时居民也有反映家中自来水发黄，受到当地水务部门质询，本项目针对这两次供水问题进行了水质分析。

4.2.1六月供水水质分析

6月水厂报告水净化后发黄现象，经检测水中溶解氧较低，铁和锰均有超标情况。6月中下旬溶解氧在3.00～4.85mg/L之间，均低于地表水质量III类标准值5mg/L；铁含量在0.19～0.49mg/L之间，大部分超过地表水质量标准值0.3mg/L；锰含量在0.183～0.103mg/L之间，均超过地表水质量标准值0.1mg/L。

由于6月已进入夏季气候，气温升高，平均气温为24.1℃，最高气温达到35.8℃，因此水体易出现热分层现象，造成底层缺氧状态，导致水质恶化，对水库供水功能造成严重影响。

4.2.2八月供水水质分析

为保障农业灌溉用水，于7月17日起水库上游断水约1个月，至8月中旬逐渐恢复正常来水。上游停水后约3—6d后，水厂报告水净化后水体发黄，水中锰超标，溶解氧低，未达到地表水III类水标准。待水库上游恢复来水后约一周时间，于8月20日上述发黄现象好转，随后于8月25日恢复正常供水。

(1)水库表、底层溶解氧变化趋势

在7—8月本水库上游停水期间，水中溶解氧发生变化，停水期间底层水溶解氧浓度在0.6～4mg/L之间，均未达标。水库上游来水后约一周时间，于8月25日检测水库底层水溶解氧为5.1mg/L，达到了水质标准；而库区表层水溶解氧浓度在停水及来水期在4.9～7.8mg/L之间，均高于底层水，基本达标。由此可见水库在调度期间，水动力学条件变化对于库区溶解氧分层结构及缺氧区的影响十分显著。

(2)水库表、底层锰含量变化趋势

本水库上游停水期间，供水水质出现锰超标问题，锰含量在0.146～0.257mg/L之间，均超标(0.1mg/L)，超标倍数在0.46～1.57倍之间。8月20日水库上游来水，约一周时间，于8月25日检测水库出水锰含量小于检出限0.0005mg/L，未超过水质标准，该数据变化与水厂水发黄现象变化时间一致。由于本水库供水方式为底层供水，因此监测的供水水质为水库底层水。在上游停水期间水库表层水的锰含量在0.00053～0.0871mg/L之间，低于0.1mg/L，均未超标。

水库上游停水期间，水循环变差，底层水溶解氧低，导致锰含量超标。上游恢复来水后，热分层现象减弱，水中锰含量显著降低。

4.2.3热分层对铁锰影响分析

水库热分层，为水体缺氧创造了重要的前置条件，库区内部的污染状况是导致水体缺氧的必要条件，而当水库局部水体出现缺氧后，形成活性反应带，导致多种化学反应过程，又会反过来加重水环境质量下降[12]。

在缺氧条件下，氧化还原电位降低，呈还原状态，缺氧区一系列生物化学过程导致库区底部水质下降。铁(Fe)、锰(Mn)均为对氧化还原较敏感的元素，铁元素被还原为可溶性Fe2+，锰Mn3+和Mn5+在高于铁元素的氧化还原电位上被还原为可溶性的Mn2+，铁、锰化合物被还原，其在水中溶解度增大，因此缺氧条件下铁和锰很容易由沉积物释放进入到上覆水体中，底层水显著高于表层水锰含量，并超过地表水及饮用水质量标准，造成水质污染[13]。

该水库出水口位于库区北部的坝前下层位置，供水方式为底层供水，故底层水体锰含量增大，极易发生供水事故。本水库于6月和7月下旬—8月中旬出现锰浓度超标现象，影响了供水功能。

上游来水后，水循环加快，水库热分层现象被打破，水体掺混作用加强，溶解氧含量升高，底层水锰含量显著降低，表、底层水质皆未超标[14]。

5 水库热分层影响因素讨论

该水库上游及其水源保护区范围内没有污染排放源，周边存在大片戈壁滩，农业和畜牧业较少，且水库为四面筑坝的平原水库，坝基较高，故地表径流带来的面源影响因素较少。水库内源污染主要来源于水中鱼类、植物、藻类和细菌等生物的排泄物及其死亡后残体沉积在库底，库内污染物经过沉积-释放-沉积的模式长期蓄积，促使内源污染形成，对水库的生态环境造成不同程度的影响。水库内源污染作为一个复杂的环境系统，实质上是库内的污染物在受到多因素综合影响下快速蓄积的结果，并在一定的条件下会释放出来，水库热分层效应，促使有机质、碳、氮、磷等营养物的分解，消耗氧气，导致底层缺氧，沉积物污染释放对水质造成不利影响[15]。

5.1 鱼类带来的影响

(1)鱼残体及排泄物的影响

冬、春季上游停水，水循环较慢，水库水位较低，水库中鱼的密度较大，冬季冰封期，上层水体缺乏大气复氧作用，水中溶解氧降低，鱼的死亡量较大，另外水库的捕鱼作业过程中不可避免造成死鱼现象。春季水库上游来水，有鱼苗进入水库，且每年向水库中投放鲢、鳙类鱼苗，随着夏季到来水温升高，鱼苗迅速生长繁殖，水库鱼类增多，随之鱼的排泄物增多，鱼残体及排泄物的腐烂分解会严重影响水质，对总氮有贡献。沉积物中碳、氮、磷等营养物质主要来自库区细菌及水生动植物的尸体或粪便。

(2)河鲈鱼排卵的影响

水库中生长着河鲈鱼，该类鱼在排卵时对附卵基质具有一定的选择性，一般在匍匐状分布的水草、陆生草团或枝杈较多的树枝等处，这类植物主要分布在水库的东南和西南沿岸带，因此河鲈鱼对水库南面沉积物的氮、磷及总有机碳等营养物质有一定贡献。

(3)鱼类活动对沉积物扰动的影响

水库的鲤、鲫等杂食性鱼类资源量较大，超出了水库负载力，加之底栖动物资源匮乏，杂食性鱼类过大的种群规模及以底栖动物为食的鱼类，捕食底栖动物时会对沉积物有较强的生物扰动行为，会促进底泥营养物质的释放。鱼类对沉积物的扰动，导致沉积物中有机质、碳、氮、磷等营养物对水质带来不利影响。

通过硝态氮同位素分析，水库硝态氮污染来源主要为土壤有机氮、大气沉降和渔业的综合影响，因此鱼类代谢活动是硝态氮污染来源之一，对总氮含量有一定的贡献。

5.2 植物带来的影响

(1)淹没区植物的影响

该水库南岸区生长了大量的芦苇、红柳等植物，水库来水后，水位每升高约10cm，即淹没南岸陆地约1m的距离，每年来水后水位共上涨约8～10m，故每年淹没南岸陆地约80～100m区域，每年根据调蓄水要求，蓄水深度增加，淹没范围继续扩大，植被沉入水体量增大。由于未进行清库处理，淹没区的植被及植物碎屑沉入水底，经过一段时间的腐烂分解，加之冬季藻类大量死亡，被微生物分解释放出氮磷等物质，这些因素对库区总磷、总氮、高锰酸盐指数及总有机碳等营养物质有一定贡献。

(2)沉水植物资源匮乏的影响

由于该水库水生植物种类较少，主要包括芦苇、菹草和篦齿眼子菜，沉水植物资源较为匮乏，消耗磷的能力较弱，因而水库中总磷营养水平较高。氮、磷是水库营养化的主要因素[16]。

5.3 沉积物的影响

水库沉积物中锰离子释放是造成底层水体中锰离子浓度较高的主要原因，本水库沉积物中锰浓度为510～740mg/kg[17]，我国土壤背景值锰均值为583mg/kg[18]，乌鲁木齐土壤背景值为688mg/kg[19]，和土壤背景值相比，该水库沉积物锰浓度偏高。在水库停水期间，水循环较慢，形成活性反应带，底层水出现缺氧现象，水体在厌氧环境下，呈现较强的还原环境，引起水—沉积物界面铁、锰、氮、磷等物质向还原态转化，即锰离子由高价态的难溶金属化合物还原至易溶于水低价态锰离子，因此水库沉积物会向上覆水体释放锰离子，也是水中锰的主要来源，威胁水库供水安全[20]，进而影响库区内水生生物生存环境，在极端情况下甚至会造成鱼类的大面积死亡。因此水中锰含量升高，受水库热分层及内源影响较大。

5.4 水动力影响

该水库水动力差，水循环较慢，水力停留时间较长，水体在库区的滞留时间较长，底层有机污染物分解消耗氧气，溶解氧得不到及时补充，夏季水库出现热分层现象。从6月和7月底—8月出现二次供水水质问题，特别是在7—8月水库上游停水期间，水力停留时间延长，改变了原有水库的水文情势，水循环更差，减弱了水体的垂向对流，底层水缺氧是锰超标的主要原因，水库底层水中锰和溶解氧在停水期间均不满足地表水环境质量Ⅲ类水标准。

对比6月和8月二次的水库底层水水质数据，如图4所示，8月比6月水质更差。由于7—8月水库上游停水，水循环差，导致8月比6月底层溶解氧更低，8月的均值已低于水体缺氧阈值2mg/L，造成底层缺氧，锰超标倍数更高，6月和8月锰超标倍数分别为0.4、0.7倍，因此热分层造成的底层缺氧状态，水循环差加剧了水质恶化的程度，对水库供水功能造成严重影响。

图4 6月和8月底层出水水质对比图

8月水库上游来水后约一周时间，供水水质达标，由此可见加大流量调度促进水循环加快，可削弱或消除水体内缺氧现象，防止供水水质问题发生。水动力对水体热分层起重要作用。

6 结语

寒旱区夏季气温较高，浅型水库较深位置易出现水温分层现象，形成活性反应带，水温与溶解氧呈正相关，底层含量低于表层；水深较浅位置，未出现明显的水温分层现象。

该水库出水口聚集铁、锰等污染物质和缺氧水体，水温分层和水库内源污染是诱发供水水质问题的重要因素。在夏季应持续监测坝前区域不同深度溶解氧的分布状况，调节供水深度，避开底层厌氧环境的供水区域；夏季水动力不足情况下，应采取底层增氧措施，保证供水安全。采取适当的清库措施，减少内源污染带来的供水安全问题，使水库水环境安全可持续发展。