水量与水质结合评价丹江口水库水质方法研究

中 国 水 利 学 会2 0 0 6 学 术 年 会 乏 1 1 礁 水量与水质结合评价丹江口水库水质方法研究 封光寅 ( 1 . 长江委水文局汉江水文水资源勘测局， ，吕 金城x ，崔效松3 湖北丹江口 4 4 2 7 0 0 ; 2 . 长江委水文局荆江水文水资源 勘测局. 湖北 荆州 4 3 4 0 0 2 ; 3 . 长江委水文局长江下游水文水资源勘测局，江西九江 3 3 2 0 0 0 ) 摘要: 丹江口 水库是一个特大蓄水型水库， 巨大的库容和宽广的积水面积， 以及两大江河平行汇人而形成 的汉、 丹两库并列的特殊形状， 使水质状况分布极不均匀， 给水质的总合评价带来了困难。 根据丹江口 水库 特点， 笔者提出采用水质与水量相结合评价丹江口水库水质状况， 该法能够比较全面、 合理地反映丹江口 水 库水质状况及其分布， 并可 利用该平价法的原理来进行水质预报和指导水质监测。 关键词: 水质污染; 水质评价; 水质与水量结合评价 1 引言 丹江口 水库位于湖北省丹江口 市汉江干流与其支流丹江交汇处下游0 . 8 k m处， 是汉、 丹两江并联 水库( 见图1 ) ， 正常蓄水位1 5 7 m ， 相应库面积7 4 5 k 衬， 相应库容为1 7 4 . 5 亿m 3m( 其中: 汉江库区占 5 3 . 9 %， 丹江库区占4 6 . 1 %) ; 汉江回水长度1 7 4 k m ， 丹江回水长度8 3 k m o坝址多年平均径流量3 9 8 亿扩， 其中 汉江多年 平均人库水量超过8 0 %; 丹江多年平均入库水量则不到2 0 %。 汉江库区的主要 人库支流有: 堵河、 浪河、 神定河、 泅河、 官山河、 涧河等; 丹江库区的主要人库支流有: 丹江、 淇河、 老灌 河等。汉江库区的污染源主要分布在郧县县城以下， 距坝里程约1 0 0 k m以内; 丹江库区污染源主要分 布在淇河、 老灌河。 丹江口 水库作为南水北调中线工程的水源地， 其水质状况是关系到工程调水成功与否的一个重 要环境问 题。而科学合理的 评价丹江口 水库水质状况有着十分重要的意义和作用。目前， 丹江口水 库是采用单因子法评价监测断面的水质来代表水库水质状况。由于丹江口 水库是一个特大蓄水型水 库， 巨大的库容和宽广的积水面积， 以及两大江河平行汇人而形成的汉、 丹两库并列的特殊形状， 使水 质状况分布极不均匀。采用单因子评价法， 对于丹江口 水库来说存在一定的不足之处， 比如， 污染因 子的代表性是否合理?以及超标后， 它所污染的水体是多少?污染源的大概位置在何处?都无法直 接判断。为此， 本文提出了适合丹江口 水库特点的水质与水量结合评价方案， 此法不但可以全面了解 水库水质状况及其分布， 而且还可利用该平价法的原理来进行水质预报和指导水质监测等。 2 丹江口水库水质与水量结合评价方法 2 . 1 丹江口 水库水量和水质监测现状 河流水体的污染是由水体的量和水体中所含污染因子的种类及其含量所决定。因此， 水量和污 染物的含量是构成水质状况的两大要素， 两要素的资料收集是靠水文测验和水质监测来获得。因此， 科学、 合理的水量和水质监测是做好水质状况评价的基础。 2 . 1 . 1 水量监测状况 丹江口 水库水量的动态监测， 是由以汉江干流为主干、 较大支流为枝线和在水库的泄、 调水口布 置的国家水文站网来完成。从降水量、 蒸发量到人出库径流量和水库蓄水量， 以及泥沙输移量， 都有 一套完善的监测、 分析和计算方法及相应的标准规范。水量监测系统比较完善， 测验手段也比较先 基金项目: 国家重点基础发展计划( 9 7 3 计划) 资助. 编号: 2 0 0 3 C B 4 1 5 2 0 5 歌 1 6 ;水 文 水 资 源 新 技 术 应 用 进。 从2 0 0 5 年7 月1 日 起， 在长江水系( 包括汉江流域在内) 共1 1 8 站实施了水位、 降雨量自 动报汛。 从测站至分中 心至流域中 心至国家防总的整个运行系统中， 实现2 0 分钟由测站报汛到流域中心， 3 0 分钟报汛到国家防总。目 前， 负责丹江口水库水文测验的长江委水文局汉江水文水资源勘测局正在 开展利用A D C P 多谱勒流速仪进行在线测流实施方案研究。在线测流是一种既能达到监测流量的实 际过程， 又是实现水文信息化和水文现代化的 重要手段。在不久的将来， 在丹江口 水库水源区将实现 流量自 动测报。如此先进的水文测验设施， 使整个库区流域基本上实现了能收集逐时水文资料的能 力， 这为全面收集水量资料和精确预报水情奠定了基础。 2 . 1 . 2 水质监测和评价状况 丹江口 水库的水质由长江水利委员会所属的水文部门、 地方水文部门和地方环保部门多家监测。 水质监测执行 水环境监测规范 ( S L 2 1 9 -9 8 ) ， 采用设固定断面定期取样， 进行监控。 取样分析频次 一般为: 主要断面每月一次， 次要或参考断面每两月一次。检测项目 有: 水温、 P H值、 电导率、 悬浮物、 溶解氧、 高锰酸盐指数、 五日 生化需氧量、 氟化物、 硫酸根、 重碳酸根、 总硬度、 矿化度、 氨氮、 亚硝酸盐 氮、 硝酸盐氮、 总氮、 总磷、 挥发酚、 氰化物、 砷、 汞、 六价铬、 溶解性铁、 铜、 锅、 铅、 石油类和大肠菌群等 2 8 项。近几年来， 水质分析和监测手段得到了空前发展， 冷原子吸收、 红外色谱仪等先进仪器得到应 用， 水质监测发展的方向是在线自动监测。水质在线自 动监测系统是一套以在线自 动分析仪器为核 心， 运用现代传感器技术、 自动测量技术、 自 动控制技术、 计算机应用技术以及相关的专用分析软件和 通讯网络所组成的一个综合性的在线自 动监测体系。一套完整的水质自 动监测系统， 能连续、 及时、 准确地监测目 标水域的水质及其变化状况。中心控制室可随时取得各子站的实时监测数据， 统计、 处 理监测数据， 可打印输出各种监测、 统计报告及图表( 棒状图、 曲 线图、 多轨迹图、 对比图等) ， 并可输人 中心数据库或上网。实施水质自 动监测， 可以实现水质的实时连续监测和远程监控， 达到及时掌握主 要流域重点断面水体的水质状况、 预警预报重大或流域性水质污染事故、 解决跨行政区域的水污染事 故纠纷、 监督总量控制制度落实情况、 排放达标情况等目的。 汉江水文水资源勘测局， 在丹江口库区神定河下游和取水口陶岔各设置一个水质在线自动监测 站， 可对水温、 P H值、 浊度、 溶解度等进行自 动测试。这些数据将通过网 络或海事卫星传到长江委， 有 关人员对其进行分析后， 就可及时监测到水源地的水质好坏。一次监测完成， 仅需 1 小时。但所有因 子项目 实施在线监测， 还需作进一步的研究和开发。 丹江口 水库的水质评价， 目 前所执行的规范是 地表水环境质量标准 ( G B 3 8 3 8 -2 0 0 2 ) 作为现状 评价标准， 采用单因子法评价监测断面的水质情况。水质状况没有与监测断面代表的水量相关联。 2 . 2 丹江口 水库水质与水量结合评价方法 目 前， 丹江口 水库所采用的单因子法评价方法， 只单方面地考虑了污染因子的含量， 这往往会给 人们造成误解， 即当某一监测断面某项污染因子超标就认为整个库区都受到影响。比如， 库心断面 ( 也就是坝前断面) 常监测到总磷、 总氮为W类， 人们就认为整个库区水体达到了W类， 就会担心水体 会出现富营养化而影响中线调水。事实上， 丹江口水库是一个集水面积宽广的特大型水库， 不同区域 水质状况不同， 采用某一段面监测的 结果来评价水库整个水体的水质状况， 明显存在代表性不确定的 问题。由上所述， 水质污染是由于河流水体中有污染物造成的， 污染物质随水而来， 也随水而去， 或降 解， 或挥发， 或沉淀， 相同时间内相同的污染物质的输移总量， 在大水体或大流量的条件下污染物浓度 低， 在小水体或小流量的条件下污染物浓度高， 反之亦然。水库的水量和污染物的质量是共同决定水 质污染现状的两大因素， 水量和水质是一个不可分割的 统一体， 而水库的水质状况在很大程度上决定 于水库蓄水量的大小。因此， 在对丹江口 水库水质进行科学评价时， 不但要应考虑到污染物的含量， 而且还应考虑到污染所代表水体的量， 即把水质与水量结合起来进行评价。水质与水量结合评价， 就 是力求评价水体中各类被污染的水量及其占 被评价总水量的百分比 。此法既适合于丹江口 水库特 性、 又能反映水库实际水质状态。 2 . 2 . 1 丹江口 水库水质与水量结合评价方案 中 国 水 利 学 会2 0 0 6 学 术 年 会 纂 璐 丹江口 水库的库区形态和人库径流分布， 使得水库中不同区域的水质状况差异较大， 但其具有相 对独立的区域分布特点。在对该水库采用水质与水量结合评价时， 可把水库看作一个整体， 再根据水 库的形态、 人库河流和污染源的分布特点， 把库区分成若干相对独立的部分单元体。然后由单元体水 体量占 整个水库水体量的百分数和水质类别共同表示水质状况。 图1 丹江口水库平面图 2 . 2 . 2 区域性单元水体划分 单元水体的划分原则为: 单元水体的水质监测断面具有代表性， 能独立控制汇人单元水体的污染 源， 水量的监测有水文测站作控制， 能满足期间进行水质与水量的同时段平衡计算。根据上述原则， 丹江口 水库可分为三个部分单元。第一部分单元为白 河水文站测验断面至油坊沟水文站测验断面之 间的水体， 水质监测断面为白河水文站测验断面， 水量控制测验断面为白河、 黄龙和油坊沟三个水文 站的测验断面; 第二部分单元为油坊沟水文站测验断面至丹江大坝之间汉江库区的水体， 水质监测断 面为坝前断面， 水量控制测验断面为油坊沟、 黄家港水文站测验断面; 第三部分单元为荆紫关水文站 至丹江大坝之间的丹江库区 水体， 水质监 测断面为陶岔断面， 水量控制测验断面为荆紫关、 江湾、 西峡 和陶岔水文站测验断面。 2 . 2 . 3 水质与水量结合评价 单元水体划分之后， 按单元水体充分收集汇人库区河流和库区内的全部水质与水量资料。水质 资料为逐次实测资料， 水量资料为逐时段水量资料或相应水位对应的库容资料。然后， 采取水量与水 质时段平衡的方法进行水质评价。 水质与水量结合评价方法可以用下式标示: 、.产、.产 .盈， J、2、 = f ( B , L ) ; 二 李 、 10 0 % I v , x 1 0 0 % K-F - 式中: 为水库水质状况( 由水量和水质类别两个因数组成) ; B为部分水体占整个水体的百分 数( %) ; L为水质类别( I , U , . . . ) ; v i 为部分单元水体体积( m 3 ) ; V 为评价总水体的 体积( m 3m) 。 此公式的含义为水库水质状况是单元水体占 总水体的百分含量和水质类别的 状态函数。既水质 的状况是由水量和污染物含量两种因素共同决定。 孰 1 8 飞水 文 水 资 源 新 技 术 应 用 3 丹江口水库水质与水量结合评价方法实例 丹江口水库水质与水量结合评价结果见表t o 表 1丹江口水库水质与水，结合评价结果 单元体编号污染因子水质类别单元水体体积单元水体百分比评价结果G备注 I 粪大肠菌群W8 . 0 x 1 0 8 4 . 8 W, 4 . 8 % 库区相应 水位1 5 6 . 7 m II总氮W8 . 6 x1 0 95 1 . 2 I V , 5 1 . 2 % 班总磷m7 . 4 x 1 0 94 4 . 0 U , 4 4 . 0 % 表1 中， 水质的类别应有单元体流出断面污染因子含量决定。水体的体积分两种情况确定， ( 1 ) 在长年回 水区内的水体， 可利用相应水位与库容关系曲线， 由相应水位查得相应库容。n、 1单元体 为常年回 水区， 两者占 常年回 水区总水体的比例分别为5 3 . 9 %和4 6 . 1 %0 ( 2 ) 对于处于变动回 水区 的第 I 单元水体， 由于该单元体中， 有一部分处于天然河道， 水体计算比较复杂。既可以根据出库断 面的逐时段( 或非逐时段) 流量进行计算。 逐时段流量计算公式为: V = : E口 ( 3 ) 式中: : 为单元水体最上游断面水提到出口 断面的 传播时间; Q 为单元水体出口 断面的时段流量。 非逐时段流量计算公式为: V = 艺Q i ，( 4 ) 式 中 : : 为 时 段 流 对 应 的 时 间 ， 满 足艺 t i = : 。 也可以根据上下游断面水位与相应河道容积关系曲线查得。其表达式为: V = .f ( H . , H i )( 5 ) 式中: H 。 为上游断面水位; H t 为下游断面 水位。 4 丹江口水库水质与水量结合的评价方法的评价 ( 1 ) 水质与水量结合评价可以比较全面了解库区水质状态。由表1 可以直接的了解到， 整个水库 分为三个单元体， 以及各单元体的水质类别和其水体所占整个水体的百分比， 并对水库的水质状况有 了一个整体的、 全方位的认识。还可以看出， 某种污染因子所来源于或分解于的单元水体。 ( 2 ) 在利用水质与水量结合评价水质状况的同时还可以 计算出 丹江口 水库三个重要环境指标: 一 是人库污染物各项因子的总量; 二是水库对污染物的承载力; 三是水库的水量平衡。 ( 3 ) 利用水质与水量结合评价方法原理可以预报未来的水质状况。人们希望能做到随时了解和 预知水体中 水质状况及其变化的总过程， 特别是对于饮用水。南水北调中线工程竣工运行后， 随时了 解和预知水源地丹江口 水库水质的变化状况就显得更加重要和迫切， 而按照目 前 水环境监测规 范 ( S L 2 1 9 -9 8 ) 规定的水质监测次数， 对水质的变化趋势预报则是难以做到的。根据人库水量具有 可预报性和给定流域排污具有相对稳定性特点， 可对丹江口水库未来水质状况变化趋势进行预报。 其具体的做法为: 由 观测的降水和径流资料， 根据水文预报原理， 演算出未来人库径流量; 假定预报期 的排污量为稳定状态， 根据去年同期排污量和利用上月份的排污量进行修正后计算出预报期排污量。 最后根据演算的人库径流量和计算的排污量预报出未来的水质状况。具体预报