峡谷型水源水库蓄水过程水质变化特征及其影响要素

王思汗，李元来，刘 茜，黄廷林*，李 楠，文 刚

1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，秦岭水源地水质陕西省野外科学观测研究站，陕西 西安 710055

2. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西省环境工程重点实验室，陕西 西安 710055

3. 陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024

目前，我国水库总库容已超9 035×108m3[1]，水库已经成为居民饮用水的重要水源地. 虽然新建水库选取引水水质一般较好，然而由于水库蓄水过程中水深不断加大、水体流速减弱、温度和溶解氧分层形成等因素的改变，水质有变差的可能[2-3]. 三河口水库位于秦岭南麓，为峡谷型深水水库，是引汉济渭工程的关键中枢. 新建水库在蓄水过程中径流入库和分层结构的形成及演变过程存在典型性，因此在蓄水过程中上述两点因素对水质的影响成为一个重要的科学问题.

已有研究表明，水库水质主要受到热分层结构变化[4-5]、降雨径流入库[6]以及沉积物污染物释放[7]等因素的影响. 水温分层现象会限制上下水体的垂直交换，使得温跃层内溶解氧浓度较低，冬季下层水体出现暂时周期性缺氧. 降雨径流入库会影响水库热分层稳定性，同时降雨径流携带氮磷、有机物等污染物入库后使库区水体迅速恶化. 在厌氧条件下，沉积物中的磷将向水体释放，温度升高和水体扰动有利于沉积物中磷的释放. 郝晨林等[8]的研究表明，流域中氮污染的主要来源有土壤源、凋落物源和城镇点源. 此外，有关于千岛湖水库的研究表明，在暴雨径流入库期间库区水体污染物磷浓度将显著升高[9-10]，暴雨径流成为影响水库水质的重要因素. 因此，在蓄水期间研究径流入库对水库水质的影响存在必要性.

针对峡谷型水库蓄水期水质变化的研究多集中于三峡水库，熊超军等[11]通过研究三峡水库蓄水时期水库氮、磷营养盐浓度变化规律，发现营养盐浓度变化主要受蓄水时间和入库流量影响. 此外，三峡水库在蓄水期溶解氧沿水深呈明显分层状[12]，库湾中下层水体出现大面积缺氧现象[13]. 王丽婧等[14]的研究揭示了三峡水库运行初期水动力变化特性的“分化”效应和水质变化特征的上游-干流-支流“同步”效应，为大型水库蓄水运行初期水动力及水质演变提供理论支撑. 以上研究重点探究了水库周期性蓄水过程中水质变化规律，然而对于新建水库初期蓄水过程中的水质变化特征及其影响因素却鲜见报道. 本研究围绕新建水库蓄水过程中水质响应特征，采用野外监测手段获取水库蓄水时期水质数据，重点分析库区水体在蓄水过程中水质变化特征，并分析造成水质变化的主要因素，同时在分析过程中聚焦于径流入库和热分层结构变化对库区水质的影响，以期为新建水库蓄水阶段的运行调度提供科学依据，并为水库完成蓄水后的运行维护提供基础数据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

三河口水库位于汉中市与安康市交界的子午河峡谷段，地理位置为108.06°E～108.08°E、33.35°N～33.36°N，属于北亚热带气候，年均气温为14.1 ℃，多年平均降雨量为700～1 700 mm 之间，汛期为5-9 月. 三河口水库总库容为7.1×108m3，将调蓄本流域内椒溪河、蒲河和汶水河来水，后期还将接纳从汉江抽调入库的水体，是引汉济渭工程的调蓄中枢，为大水深峡谷型水库.

1.2 水样采集

2021 年6 月-2022 年2 月在三河口水库蓄水过程中分别在主库区和三条支流入库口设置采样点(见图1)，沿水深采集水体垂向样品，采样频率为每月2～3 次. 采用2.5 L 直立式有机玻璃采样器沿垂向深度5～10 m 取样，采集的水样装于聚乙烯塑料瓶中尽快带回实验室完成水质指标的测定.

图1 三河口水库取样点分布Fig.1 The sample sites in Sanhekou Reservoir

1.3 水质检测

在采集水样同时，使用HACH Hydrolab DS5 型多参数水质检测仪(美国哈希公司) 以垂向间隔为1 m 对水体水温和溶解氧(DO) 参数进行原位监测.所有化学指标参照国家标准方法进行测定[15]，其中总氮(TN)浓度采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定；总磷(TP)浓度采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法测定；氨氮(NH4+-N) 浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；硝态氮(NO3--N) 浓度采用紫外分光光度法测定；高锰酸盐指数采用高锰酸钾滴定法测定. 此外，本研究使用的出入库流量数据由水库管理部门提供，水位数据为采样时观测当天水位标尺记录所得.

2 结果与分析

2.1 三河口水库来流补水水质特征

三河口水库在完成准备工作后自2021 年6 月开始稳定蓄水，由椒溪河、蒲河及汶水河补给，在非汛期水库出库流量稳定. 本研究根据库区水位涨幅情况，将蓄水过程分为3 个阶段：Ⅰ阶段为2021 年6 月10日-8 月17 日，平均入库流量为66 m3/s，库区水位从565.51 m 增至585.12 m(见图2)；Ⅱ阶段为2021年8 月17 日-9 月8 日，平均入库流量为309.4 m3/s，库区水位从585.12 m 增至611.04 m，蓄水较快；Ⅲ阶段为2021 年9 月8 日-2022 年2 月28 日，其中9月8 日-12 月14 日入库流量与出库流量较为接近，水位在604～611 m 之间波动，12 月14 日-翌年2 月28 日水位逐渐降低.

图2 三河口水库主库区水位变化与进出库流量Fig.2 Change of water level and water flow into and out of the reservoir in Sanhekou Reservoir

在蓄水过程中上游污染物将随径流入库，三河口水库蓄水时期各阶段支流水质特征如表1 所示. 蓄水过程中各支流为库区输送了大量的氮磷等污染物. 根据入库流量及各支流水体污染物浓度计算出支流水体的污染负荷，发现在第Ⅰ阶段的蓄水过程中，污染物入库负荷相对较小，总氮为5.056 t/d，其中椒溪河、蒲河和汶水河分别输入0.103、3.237、1.714 t/d；总磷为0.117 t/d，各支流分别输入0.002、0.072、0.042 t/d.在第Ⅱ阶段的蓄水过程中，污染物入库负荷较大，总氮为24.640 t/d，各支流分别输入1.540、3.160、19.940 t/d；总磷为0.740 t/d，各支流分别输入0.040、0.120、0.580 t/d.在第Ⅲ阶段的蓄水过程中，污染物入库负荷也相对较小，总氮为7.643 t/d，各支流分别输入0.300、0.492、6.851 t/d；总磷为0.289 t/d，各支流分别输入0.013、0.031、0.245 t/d. 另外，6 月至8 月中旬蒲河为主库区贡献了最多的氮磷污染物，汶水河次之；8 月后汶水河输送水体污染物浓度远大于其他支流.

表1 三河口水库蓄水过程中库区与支流水质特征Table 1 Water quality characteristics in reservoir area and tributaries in the process of water storage in Sanhekou Reservoir

2.2 蓄水过程库区水体动态分层演变特征

2.2.1 水体热分层时空变化特征

三河口水库蓄水过程中库区热分层时空变化过程如图3 所示. 由图3 可见，在第Ⅰ阶段的蓄水过程中，库区水体显著分层，并在水体表层和底层形成双温跃层结构. 其中表层温跃层结构在6 月初已经形成，最大温度梯度为1.02 ℃/m，随着蓄水的进行，顶部温跃层的温度梯度逐渐减小；底层温跃层结构在6 月10 日-7 月1 日的蓄水过程中形成，最大温度梯度为1.48 ℃/m，7-8 月的蓄水过程中该温跃层结构持续存在，但温度梯度逐渐减小. 在第Ⅱ阶段的蓄水过程中，表层水温由26.52 ℃降至22.89 ℃，水体分层结构被破坏，温跃层结构消失，水体在垂向上形成变温层-等温层的分层结构. 在第Ⅲ阶段蓄水初期，表层(0～10 m)范围内还存在温度梯度较小的温跃层结构，但在10 月后该温跃层结构消亡. 此后三河口水库逐渐进入自然混合期，水温在垂向上分布均一且逐渐降低.

图3 三河口水库蓄水过程中热分层结构变化Fig.3 Changes of thermal stratification during water storage in Sanhekou Reservoir

从图3 还可以看出，三河口水库在第Ⅰ阶段的蓄水过程中水体热分层稳定性较高，热分层结构变化较小；进入8 月后水体热分层稳定性开始降低，垂向上水体温度梯度减小. 在第Ⅱ阶段的蓄水过程中水体快速进入热分层结构失稳状态，随后水体进入自然混合过程.

以热分层稳定指数(RWCS)来评价水体热稳定水平[16]，计算公式如下：

式中：Db为底部水体密度，kg/m3；Ds为表层水体密度，kg/m3；D4为4 ℃条件下纯水的密度，kg/m3；D5为5 ℃条件下纯水的密度，kg/m3.

由图4 可知，6-8 月气温差异较小，RWCS 指数呈上升趋势，表明库区水体分层稳定性逐渐增加. 在此后径流入库阶段内气温降低，水体热分层结构迅速消亡，RWCS 指数快速下降. 进入11 月后在自然混合期水体表底温差较小，RWCS 处于较低水平.

图4 三河口水库热分层稳定性指数和气温变化Fig.4 Thermal stratification stability index and temperature variation of Sanhekou Reservoir

2.2.2 水体溶解氧浓度的时空分布特征

三河口水库蓄水过程中溶解氧(DO)浓度的时空分布特征如图5 所示. 由图5 可见，在第Ⅰ阶段的蓄水过程中，库区水体表现出明显的DO 分层现象. 该时期内随着蓄水的进行，库区水体逐渐出现大面积缺氧(DO 浓度＜2.00 mg/L) 甚至无氧水体. 7 月下旬水位停止增长后，10 m 水深以下水体缺氧程度逐渐加剧，直至在6 m 和50 m 水深处形成两个无氧水层. 8 月中旬后水体DO 浓度升至4.93 mg/L 以上，水体缺氧水层消失.

图5 三河口水库蓄水过程中DO 时空变化Fig.5 Temporal and spatial changes of DO in the process of water storage in Sanhekou Reservoir

在第Ⅱ阶段的蓄水过程中，库区水体DO 浓度整体升高，最大值为7.65 mg/L，但在库区底部仍然存在缺氧现象. 在第Ⅲ阶段的蓄水过程中，9 月中旬至10月初5～10 m 水层内水体DO 浓度较低，在4 mg/L 以下. 此后水体DO 浓度始终处于较高水平且在垂向上分布均匀，10 月至翌年2 月水体平均DO 浓度为(7.17±0.66) mg/L.

2.3 三河口水库库区污染物浓度垂向分布特征

三河口水库蓄水过程中各阶段主库区水质情况如图6 所示. 在第Ⅰ阶段的蓄水过程中，水位上升时总氮浓度与高锰酸盐指数均呈现升高趋势，水位稳定后二者均有所降低. 总磷浓度变化表现为总氮的相反趋势. 在第Ⅱ阶段的蓄水过程中，库区总氮、总磷浓度和高锰酸盐指数均有不同程度升高. 此后库区总氮浓度呈先降低后升高的趋势，总磷浓度与高锰酸盐指数均逐渐降低.

图6 三河口水库蓄水过程中总氮、总磷浓度和高锰酸盐指数时空分布规律Fig.6 Spatial and temporal distribution of TN, TP, CODMn in the process of water storage in Sanhekou Reservoir

在第Ⅰ阶段蓄水过程中，总氮平均浓度由1.35 mg/L 升至1.55 mg/L〔见图6(a)〕，后降至1.07 mg/L，中下层水体总氮浓度明显高于上层水体. 在该阶段内总氮浓度在0～10 m 水深范围内均呈递增趋势，6 月10 日-7 月16 日水位上升时，最大值出现在20～40 m水深内，为1.78 mg/L〔见图6(a)〕；7 月16 日-8 月17 日库区水位较为稳定，最大值出现在底部10 m 范围内，为1.63 mg/L. 该阶段内总磷平均浓度由0.037 mg/L 降至0.012 mg/L〔见图6(b)〕，后升至0.02 mg/L.6-7 月在5～10 m 水深范围内总磷浓度均呈现上层水体的极大值，而底层10 m 水深范围内总磷浓度为垂向最大值. 7 月底至8 月中旬，20～60 m 水深内水体总磷浓度升高明显，垂向上中下层水体总磷浓度均处于相对较高的水平. 高锰酸盐指数分布规律〔见图6(c)〕与总氮相似，水位升高时，20～40 m 水深处高锰酸盐指数达到最大值.

在第Ⅱ阶段蓄水过程中，库区氮磷及有机污染物浓度均呈升高趋势. 总氮平均浓度由1.07 mg/L 升至1.56 mg/L，垂向上40～86 m(底部)水层内总氮浓度高于上层水体. 总磷平均浓度由0.021 mg/L 升至0.029 mg/L，垂向上在60 m 水深处总磷浓度出现极大值，为0.057 mg/L，50～86 m 水层内总磷浓度明显高于其他水层. 这一阶段内高锰酸盐指数平均值由5.18 mg/L 升至6.18 mg/L，60～86 m 水深内高锰酸盐指数增长较多，60 m 水深处出现极大值，为7.33 mg/L.

2021 年10 月-2022 年2 月总氮浓度呈逐渐上升趋势，平均浓度由0.85 mg/L 升至1.12 mg/L，总磷与高锰酸盐指数均逐渐降低. 这一时期内三河口水库进入自然混合期，各指标在水体垂向上分布差异逐渐减小.

3 讨论

3.1 蓄水过程对水体动态分层和DO 浓度的影响

水体分层结构演变会受到气温[17-19]、径流[20]和水动力作用[5]等诸多因素的影响，在不同蓄水阶段上述因素对水体分层结构的影响程度各有不同.

热分层即为水温的动态变化过程，表层水体温度受气温影响较大，呈现明显的季节性波动，而底层水体温度变化范围小，较为稳定. 夏季大气与水体进行热量交换，热传导效应显著[21]，表层水温随气温升高而升高. 但由于太阳辐射对下层水体影响很小，导致水体垂向上形成温度差异[22]，温度分层结构由此形成. 在第Ⅰ蓄水阶段初期，气温升高导致表层水温升高，由此在表层形成温跃层结构. 进入8 月后，持续的高温天气使得热量不断向下传输，中层水温逐渐上升，表层温跃层温度梯度逐渐降低. 在第Ⅱ蓄水阶段中水体原有分层结构被打破，但由于气温较高，表层0～5 m水层内仍存在变温层结构. 9 月中旬后，气温降低使得表层水温逐渐降低，水体垂向温差缩小，表层变温层结构随之消亡. 气温变化对水体分层结构的影响仅限于表层水体，而中下层水体分层结构的演变则受径流影响较大.

径流和水动力作用是影响水体分层结构的重要因素. 径流对于热分层结构的影响主要有两种方式：一是通过影响潜流层的水温进而影响热分层结构；二是径流入库的混合作用[23]直接破坏原有分层结构.第Ⅰ蓄水阶段入库径流具有流量小(22～140 m3/s)和浊度低(0～10 NTU) 的特点. 6 月初入库径流以层间流的形式进入库区540 m 高程处，径流入库后的掺混作用使得中层水体水温差异较小，同时中层水体与底层水体存在温度梯度；7 月初入库径流以库底潜流的形式进入库区，底层5 m 范围内水体与中层水体温差增加，这是下层温跃层结构持续至8 月的主要原因.这一时期内水动力表现为“顶托”作用，表层分层结构受影响较小. 第Ⅱ蓄水阶段入库径流以底部潜流为主，入库洪峰流量达1 222 m3/s，库区20～80 m 水深内的水体受到径流混合作用，底层温跃层结构被破坏，垂向上水温与DO 浓度趋于一致. 此后10 月初有洪峰流量为919 m3/s 的径流入库，但由于中下层水体已经处于混合状态，径流并未对水体分层结构造成太大影响. 自然情况下，进入秋冬季后，随着气温的降低，表层水温随之下降，温度较低的水体下沉，温度较高的水体被托至表层. 如此往复，水库在冬季实现“翻库”[24]，即水体的自然混合过程. 但9 月与10 月连续的两场径流入库加速了库区水体混合过程，三河口水库提前进入混合期.

DO 是水体分层导致的直接结果，DO 的分布情况可以与水体热分层结构相互印证，同时也是对水体生态环境最重要的影响指标. 此外，DO 也会对水中氮磷等指标产生影响，如在厌氧条件下会促进库底沉积物中的污染物质释放，因此关注DO 变化是研究水库水质变化重要的一环[25]. DO 分布受到热分层、径流入库和污染物耗氧的共同影响[26]. 由热分层造成的水体密度差将影响水体的垂向混合，阻碍水中DO 和溶解性营养盐的垂向迁移[27-28]. 三河口水库在第Ⅰ蓄水阶段表层始终存在热分层结构，故在0～5 m 水深范围内DO 浓度骤降. 此外，热分层结构还将阻碍污染物在水中的垂向扩散，表层污染物质将被阻挡在温跃层内，使得温跃层中DO 消耗加剧[29]. 由此，6 月至8月中旬上层水体中缺氧层水体(DO 浓度＜2 mg/L)厚度不断增加，至8 月17 日已达到20 m，其中甚至出现无氧水体. 在此期间内，中层水体有径流汇入，高氧水体的输入使得该层水体DO 浓度升高[30]. 但由于底层水体也存在温跃层结构，阻碍了DO 的垂直交换，故在底层仍存在无氧层. 第Ⅱ蓄水阶段内大流量径流入库破坏下层热分层结构的同时提高了水体DO浓度，但由于径流入库携带较多污染物质，致使在径流结束后水体耗氧速率加快[31]，DO 浓度随时间呈递减趋势. 同时，此时表层热分层结构依然存在，故DO 在0～10 m 水深范围内仍呈迅速降低趋势. 10 月后库区水体热分层结构消亡，水中DO 在垂向上分布均匀.

3.2 蓄水过程水质演变规律的影响因素

蓄水过程中的水质主要受到来水水质以及热分层结构的影响. 对于处于蓄水阶段的水库，来水水质将直接影响库区水质，其影响程度取决于来水流量及污染物浓度. 在第Ⅰ阶段的蓄水过程中，来水的平均流量为66.8 m3/s，属于较低水平. 该时期内各支流入库口总氮浓度略高于主库区，库区总氮浓度在这一阶段呈小范围波动，而在8 月17 日水体总氮浓度出现大幅降低现象. 7 月16 日-8 月17 日期间入库流量极低，径流未对库区水体产生较大影响，水体逐渐趋于稳定，因此随径流入库的颗粒污染物开始沉降至库底，吸附于颗粒物上的氮素污染物随之沉降，库区水体总氮浓度降低. 而第Ⅱ蓄水阶段具有大流量和高负荷的特点，平均入库流量为299 m3/s，入库水体氮磷浓度均高于库区水体浓度，高锰酸盐指数与库区水体接近. 故该阶段库区氮磷浓度升高明显，高锰酸盐指数略有上升. 径流入库不仅会整体提高库区水体中污染物浓度，其入库位置的不同也会影响库区水体污染物的垂向分布. 径流结束后水体紊动程度降低，随径流入库的颗粒态污染物逐渐降低至库底，至10 月11日库区水体氮磷及有机物浓度均降低. 在第Ⅰ阶段的蓄水过程中，入库径流以中下层潜流为主，由此造成20 m 水深(7 月1 日) 和40 m 水深(7 月16 日) 处氮磷浓度及高锰酸盐指数较高. 第Ⅱ蓄水阶段内径流流量大，对库区水体有较强的混合作用且影响范围广，不同深度水体污染物浓度均有所升高. 而9 月初径流主要在60～80 m 水深处潜入，因此下层水体中污染物浓度在径流后达到垂向最大值. 进入自然混合期后，上游来水量逐渐降低，同时入库污染负荷小，入流水体水质对库区水质的影响处于较低水平. 胡晓燕等[32]的研究指出，上游河流为太湖输入了大量的氮磷污染物，导致太湖富营养化程度增加. 而三河口水库在暴雨径流后各支流也会为库区带来大量的污染物，同时在蓄水期间水库泄水量较少，大量污染物存留在库区，使库区存在富营养化的风险.

热分层结构对水中的理化过程能够产生一定的影响[27]，分层结构造成的密度差能够阻碍水体的垂向交换，影响营养盐的迁移扩散. 6 月至8 月中旬的蓄水过程中上层温跃层阻碍了表层污染物向下传递的过程，使得10～20 m 水深内氮磷浓度升高到较大值；底部的温跃层结构会阻碍表层沉积物释放污染物向上的迁移，致使底层温跃层范围内氮磷浓度较高. 热分层结构对溶解氧传质的阻碍作用使得该时期内库底呈厌氧状态，在厌氧条件下沉积物中污染物将以较快的速率释放，使得底层水体污染物浓度升高[33]. 进入自然混合期后，分层结构消亡，氮磷等污染物浓度在垂向上分布较为一致.

4 结论与建议

a) 三河口水库热分层结构主要受气温变化与径流输入的影响. 在2021 年6-8 月的蓄水过程中，气温变化和底层持续的径流入库使得在库区表层和底层形成双温跃层结构. 在汛期大流量径流入库后，原有底层温跃层结构被打破，中下层水体处于混合状态，9 月与10 月的径流促进了水体混合，使三河口水库提前进入混合期.

b) 三河口水库水质主要受径流污染物输入与热分层结构的影响. 蓄水过程中径流污染负荷将直接影响库区水体总氮、总磷浓度以及高锰酸盐指数的变化. 当流量小、污染负荷低时，径流入库对库区水质影响较小；当流量大、污染负荷高时，径流入库后将显著提高库区污染物浓度.

c) 三河口水库作为重要的水源水库，其在蓄水时期的水质变化值得重视. 目前其主要依靠上游补水，因此降雨径流入库引起的外源污染物输入问题不容忽视，可采取排浊蓄清的方式及时排出高污染水体，同时利用分层取水措施来保证供给水体的水质. 此外还应加强对不同季节降雨径流情况下的水质变化研究，为水库合理调度提供科学依据.