洪水影响下水库水质变化特征及超标风险研究 ——以碧流河水库为例

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洪水是对人类社会影响最为严重的自然灾害的之一,受全球气候变化的影响,洪水发生频率呈增加趋势,对社会经济发展和人类生产生活构成巨大的威胁:同时,洪水也是地表水资源的重要组成部分,在控制风险的前提下合理利用洪水资源可以缓解流域水资源短缺的问题。洪水过程的“水量”风险受到人们的高度重视,而“水质”问题同样不容忽视。水库是流域内调蓄洪水的控制性水利工程,同时也是重要的城市水源地,由于洪水过程污染物的大量输入,水库容易出现水质变差、污染物累积等问题,影响水库的兴利效益。由于洪水期水库以防洪为主要任务,长期以来对水质的问题关注较少。因此,本文针对洪水影响下水库的水质问题进行系统研究,以大连市水源地碧流河水库流域为研究区域,利用水文、水质监测数据分析了洪水影响下水库水质的变化特征,构建流域、水库不同尺度的模型联合模拟了洪水期降雨径流驱动下营养盐从流域到水库的运移过程以及在水库的累积效应,在此基础上进一步识别了洪水期水库主要污染源并对不同水质参数的超标风险进行了评估,最后针对洪水期水库存在的水质问题提出相应的控制对策,为洪水影响下水库水环境保护及供水安全提供技术支撑。本文主要研究内容与结论如下:(1)针对洪水期间水库水质下降的问题,利用标准化径流指数、改进的旱涝急转指数和可变模糊识别模型综合分析了洪水及其前期水文条件对碧流河水库水质的影响。入库河流水质监测结果表明,洪水过程河流水体浊度、高锰酸盐指数、氨氮等指标升高明显;典型场次洪水前后水库水质的监测结果表明,碧流河水库高锰酸盐指数、氨氮、总磷、粪大肠菌群以及六价铬等指标洪水过后具有明显的上升趋势。利用可变模糊识别模型对洪水前后水库水质进行评价,结果表明洪水过后水质等级由2.23下降为2.35(p<0.01),整体呈变差的趋势;利用标准化径流指数、改进的旱涝急转指数分析了洪水前期水文条件及旱涝演变特征对水库水质的影响,其中前期偏旱条件下水质等级由2.22下降为2.47(p<0.05),大于前期正常或偏涝条件下的水质下降幅度;旱涝急转条件下水质等级由2.11下降为2.34(p<0.01),非旱涝急转条件下水质变化趋势不显著;而前期干旱及旱涝急转联合影响下水质等级由2.00下降为2.37(p<0.05),下降幅度最大。这说明,前期干旱过程污染物的累积以及旱涝急转条件下洪水的冲刷作用是造成碧流河水库水质变差的主要原因。(2)为了进一步分析洪水期水库水质的变化过程,以总氮、总磷为代表性指标,构建了 SWAT模型和EFDC模型进行联合模拟,深入探讨了洪水期降雨径流过程污染物从流域到水库的运移特征以及在水库的累积效应。结果表明,洪水期间入库营养盐主要来自碧流河、蛤蜊河和八家河,占入库河流总氮、总磷负荷的88.44%和78.89%,高负荷区域主要位于河流两岸的农田和居民用地;洪水期间输入水库的营养盐存在明显的空间分布差异,水质波动幅度从入库口至坝址处逐渐减小,并且只有较大洪水才能够对坝址处水质产生明显的影响,而水库地形能够减少入库洪水对坝址处水质的影响。研究时段内三次洪水过程约有1174 t总氮和114 t总磷滞留在水库,分别占洪水期间入库总负荷的27.33%和78.65%,总体上呈累积的状态,并且总磷的累积效应大于总氮的累积效应。受水库泄洪的影响,不同场次洪水水库的水体滞留时间存在较大差异,营养盐的滞留率随着水体滞留时间的增加而升高。营养盐浓度的空间分布特征以及水体滞留时间是影响洪水期间水库营养盐累积的关键因素。(3)在洪水影响下水库水质变化特征研究的基础上,针对洪水期污染源复杂及超标风险难以定量评估的问题,利用PCA/FA-APCS-MLR模型对洪水期水库主要污染源进行了识别,然后根据污染源特征构建了贝叶斯网络模型BNs,量化分析了洪水期水库水质超标风险。污染源解析结果表明,碧流河水库洪水期总氮为主要超标参数,总磷、粪大肠菌群、六价铬等指标的超标风险相对较低,农业非点源污染是洪水期碧流河水库主要污染源,对总氮、总磷、粪大肠菌群和浊度的贡献率分别达到了 53.20%、48.41%、68.06%和72.69%;在此基础上对水文要素驱动下的水质超标风险进行了评估,结果表明随着降雨径流强度的增加,总氮、总磷、粪大肠菌群、六价铬的超标风险由91.00%、4.30%、3.51%和 1.85%上升为 95.83%、25.98%、12.53%和 7.34%,浊度大于 30NTU 的概率也由4.80%上升为18.23%,整体上呈增加的趋势。根据以上的研究结论,结合洪水期碧流河水库存在的水质问题,分别从流域、水库以及综合管理角度提出了相应的控制对策,通过控制洪水及旱涝急转过程流域污染物的输出、减少入库污染物的滞留与累积、构建洪水过程水质风险综合管理系统、完善跨行政区划流域水环境管理条例、基于水量水质特征高效利用洪水资源等措施来保障水库水质安全。
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