黃河萬家寨水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

黃河萬家寨水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

1水質(zhì)目標(biāo)及評(píng)價(jià)結(jié)果萬家寨水庫(kù)工程是黃河上游工程的第一類。它的主要任務(wù)是供水和能源的調(diào)節(jié)，以及防洪和預(yù)防凌洪的作用。設(shè)計(jì)年供水量14億m3,其中向山西省年供水12億m3、向內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗年供水2億m3。萬家寨水庫(kù)規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)為地表水Ⅲ類。根據(jù)1998～2000年工程試運(yùn)行期間的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,水庫(kù)水質(zhì)均未達(dá)到規(guī)劃水質(zhì)要求,水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅳ～劣Ⅴ類,已經(jīng)嚴(yán)重影響到水庫(kù)供水功能的發(fā)揮和效益。因此,有必要對(duì)萬家寨水庫(kù)及其上游黃河水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查、分析。2水質(zhì)歷史變化2.1石其家等黃河流域國(guó)家級(jí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)比較完善,研究區(qū)域內(nèi)黃河干流重要水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)有蘭州、包蘭橋、安寧渡、下河沿、青銅峽、葉盛公路橋、石嘴山、三湖河口、昭君墳、花匠營(yíng)、鐙口、頭道拐等。黃河水質(zhì)監(jiān)測(cè)從20世紀(jì)70年代開始,在2000年以前采用高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)來反映有機(jī)物污染狀況,但隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,黃河的有機(jī)污染加重,高錳酸鹽指數(shù)不能真實(shí)地反映污染情況,2000年以后用化學(xué)需氧量(CODCr)的監(jiān)測(cè)分析值表征有機(jī)污染程度。2.2黃河上游水質(zhì)主要污染物的動(dòng)態(tài)根據(jù)對(duì)調(diào)查和收集到的1972～2005年黃河上游實(shí)測(cè)水質(zhì)資料的分析和統(tǒng)計(jì),2000年以前黃河上游干流有機(jī)污染(高錳酸鉀指數(shù)、BOD5)和無機(jī)污染(氨氮)并不嚴(yán)重,高錳酸鉀指數(shù)、BOD5和氨氮濃度都在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi),但重金屬污染嚴(yán)重,汞、鉛、鎘濃度大大超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值,汞濃度達(dá)到Ⅳ類,鉛、鎘濃度達(dá)到劣Ⅴ類。黃河上游氨氮濃度在20世紀(jì)80年代較低,1990年以后有明顯的增加趨勢(shì),有機(jī)污染物高錳酸鉀指數(shù)在1990年以后也有所增加,2000年氨氮濃度和高錳酸鉀指數(shù)較高。2000年以后黃河上游干流各重要站點(diǎn)Ⅳ～劣Ⅴ水體不斷增多,滿足Ⅲ類水質(zhì)的河段不斷減少,水質(zhì)明顯差于2000年以前。上游水質(zhì)主要污染物為化學(xué)需氧量和氨氮。黃河上游水質(zhì)主要污染物高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的沿程變化規(guī)律有所不同。高錳酸鉀指數(shù)在黃河上游沿程變化規(guī)律是:從蘭州開始下降,至青銅峽達(dá)一谷值,然后逐漸上升至三湖河口達(dá)一峰值,接著又逐漸下降,基本表現(xiàn)為沿程逐漸減小的趨勢(shì)。高錳酸鉀指數(shù)在三湖河口出現(xiàn)峰值,說明河套灌區(qū)排水對(duì)黃河干流水質(zhì)影響極大。氨氮濃度從蘭州至包蘭橋略微上升,然后逐漸下降至青銅峽達(dá)一谷值,再逐漸上升至石嘴山達(dá)到最高峰值,接著開始下降至昭君墳,后又上升到花匠營(yíng)達(dá)另一峰值,之后又下降,沿程基本為兩峰形態(tài)。氨氮濃度在石嘴山和花匠營(yíng)出現(xiàn)了兩個(gè)峰值,說明黃河上游石嘴山段和包頭段外部排污量較大。2.3來水水質(zhì)對(duì)萬家丘水資源水質(zhì)的影響萬家寨庫(kù)區(qū)污染來源主要為黃河上游河道來水和庫(kù)區(qū)周邊紅河、龍王溝、黑岱溝等3條支流。通過對(duì)1998～2005年間庫(kù)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,從建庫(kù)初期1998年開始污染逐漸加重,2002～2003年為污染高峰,2004年以后污染逐漸減輕。根據(jù)《黃河流域省界水體及重點(diǎn)河段水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》的評(píng)價(jià)結(jié)果,現(xiàn)狀(2005年以后)萬家寨庫(kù)區(qū)水質(zhì)在豐、平水期滿足地表水Ⅲ類要求。庫(kù)區(qū)主要污染物為總氮、氨氮和化學(xué)需氧量。萬家寨庫(kù)區(qū)水質(zhì)與上游來水水質(zhì)間存在高度正相關(guān)關(guān)系,庫(kù)區(qū)上游來水水質(zhì)直接影響著萬家寨供水水質(zhì)。同時(shí),庫(kù)區(qū)周邊3條支流污染負(fù)荷也在一定程度上影響著庫(kù)區(qū)水質(zhì)。庫(kù)區(qū)上游來水、庫(kù)區(qū)支流水質(zhì)雖未能達(dá)到地表水Ⅲ類要求,但在萬家寨水庫(kù)自凈作用下,庫(kù)區(qū)沿程水質(zhì)從上游到下游是逐漸好轉(zhuǎn)的。3預(yù)測(cè)水質(zhì)趨勢(shì)的分析3.1巖化學(xué)模型及模擬范圍考慮到萬家寨水庫(kù)及其上游黃河干流河道在空間尺度上一維流動(dòng)特征明顯,采用一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值模擬計(jì)算。同時(shí),將污染物在水體中生化反應(yīng)、沉降、吸附和再懸浮等反應(yīng)過程集中反映到衰減項(xiàng)中,采用一階反應(yīng)方程式,通過綜合衰減系數(shù)來描述水體中污染物的生化反應(yīng)過程。一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型由水流連續(xù)方程、水流動(dòng)量方程、污染物對(duì)流擴(kuò)散降解方程和設(shè)定的邊界條件、初始條件等組成。利用丹麥DHI公司的水環(huán)境商業(yè)軟件MIKE11建立萬家寨水庫(kù)及其上游黃河干流一維水質(zhì)數(shù)值模擬模型。模擬范圍為黃河上游青銅峽水文站至黃河中游萬家寨水文站;模擬河段為寧夏—內(nèi)蒙古河段,河段長(zhǎng)973km,包括三盛公和萬家寨水利樞紐;模擬區(qū)間匯水面積12.0萬km2,萬家寨壩址以上控制流域面積39.5萬km2。黃河上游干流一維水質(zhì)模型中包含有各入河排污口、青銅峽灌區(qū)排水、河套灌區(qū)引排水以及萬家寨水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用等外部影響因素,水質(zhì)模擬指標(biāo)為COD和氨氮濃度,模擬時(shí)段為4～10月,避開黃河上游河道出現(xiàn)水、冰兩相流態(tài)的時(shí)間。3.2月內(nèi)污染情況定、驗(yàn)證成果黃河上游干流一維水質(zhì)模型中的參數(shù)率定采用1998年實(shí)測(cè)日均水位、流量和月均COD、氨氮濃度資料,同時(shí)利用2000年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。模型率定、驗(yàn)證部分成果見圖1～圖4。水流模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合情況較好,計(jì)算誤差來源于水量輸入數(shù)據(jù),主要是支流匯入水量、灌區(qū)取排水量數(shù)據(jù)等不準(zhǔn)確。水質(zhì)模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致,但在部分月份計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差;實(shí)測(cè)月均氨氮濃度是統(tǒng)計(jì)得到的,含有不確定性誤差因素,同時(shí),外部污染源調(diào)查數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確也帶來一定誤差。因此,建立的黃河上游干流一維水質(zhì)模型基本能夠模擬出實(shí)際水流、水質(zhì)的變化過程,可以應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算。3.3模擬河段氨氮濃度的時(shí)段變化對(duì)平水年和枯水年來水條件下,萬家寨水庫(kù)及其上游黃河干流COD和氨氮濃度進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)計(jì)算,成果分析表明,黃河上游干流河道青銅峽水文站到萬家寨水庫(kù)模擬河段各點(diǎn)處COD濃度年內(nèi)變化過程趨勢(shì)基本相同,明顯分為汛期和非汛期兩個(gè)時(shí)段,汛期COD濃度大于非汛期,這與上邊界來水水質(zhì)有關(guān)。平水年7～9月COD濃度明顯高于枯水年同期濃度;平水年和枯水年非汛期的COD濃度比較接近,枯水年濃度要略微大于豐水年。模擬河段內(nèi)氨氮濃度年內(nèi)變化過程在河道不同空間位置有所差異,以三湖河口和花匠營(yíng)站為界分為3段:青銅峽—三湖河口河段,受上游來水影響,汛期氨氮濃度大于非汛期,其中枯水年氨氮濃度明顯大于豐水年,濃度增值為0.5mg/L;三湖河口—花匠營(yíng)站河段,受到河套灌區(qū)排水和上游來水的綜合影響,汛期氨氮濃度也大于非汛期,但豐水年氨氮濃度大于枯水年,在昭君墳站氨氮濃度變化最大,最大變化值為1.0mg/L;花匠營(yíng)站—萬家寨壩址段,受河道水量影響較大,非汛期氨氮濃度稍大于汛期,枯水年氨氮濃度大于豐水年,濃度增加值為0.04mg/L左右,特別是萬家寨庫(kù)區(qū)氨氮濃度與水量關(guān)系緊密,壩前蓄水初始氨氮濃度需要較長(zhǎng)時(shí)間才能發(fā)生變化。3.4氨氮沿程變化根據(jù)水質(zhì)預(yù)測(cè)成果分析,COD和氨氮濃度在模擬河段內(nèi)沿程變化趨勢(shì)有所不同。圖5為模擬河段內(nèi)COD沿程變化情況,模擬河段內(nèi)COD濃度與青銅峽來水量多少和來水水質(zhì)優(yōu)劣密切相關(guān)。COD濃度沿程略有降低,僅在河套退水處輕微升高,萬家寨庫(kù)區(qū)段最低。圖6為模擬河段內(nèi)氨氮沿程變化情況,模擬河段內(nèi)氨氮濃度與排污量大小密切相關(guān)。青銅峽以下的銀川段,隨著入河污染物的不斷增加,氨氮濃度沿程明顯增大;進(jìn)入石嘴山市后,入河污染物繼續(xù)增加,氨氮濃度繼續(xù)增大,在石嘴山水文站附近達(dá)到最大;隨后氨氮濃度沿程逐漸減小;在河套灌區(qū)退水入黃口以及包頭段大量污染物排放入黃,導(dǎo)致三湖河口站附近和包頭段出現(xiàn)了兩處氨氮濃度峰值;萬家寨庫(kù)區(qū)段氨氮濃度在模擬河段最低。4水質(zhì)污染物分析(1)萬家寨水庫(kù)上游黃河干流水質(zhì)在石嘴山、三湖河口、包頭段出現(xiàn)污染峰值,主要是寧夏石嘴山市、內(nèi)蒙古河套灌區(qū)退水和包頭市排放大量污染物入黃造成的。(2)萬家寨水庫(kù)的較大蓄水量對(duì)污染物有較強(qiáng)的稀釋降解作用,庫(kù)區(qū)水質(zhì)要優(yōu)于上游黃河干流水質(zhì)。(3)黃河上游青銅峽水文站以下至萬家寨水庫(kù)段干流水質(zhì)主要污染物