巨 拓，黃廷林，馬衛(wèi)星，周子振

(西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，西安 710055)

穩(wěn)定分層水庫水質的季節(jié)性變化特征及揚水曝氣水質改善*

巨 拓，黃廷林，馬衛(wèi)星，周子振**

(西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，西安 710055)

為了解深水型水庫水體的熱分層結構、水質特征及揚水曝氣系統對水質的改善情況，對水溫、溶解氧、pH、葉綠素a、營養(yǎng)鹽、溶解性有機碳濃度等水質指標進行為期一年的監(jiān)測，探討各項指標的季節(jié)性變化規(guī)律.結果表明，黑河水庫水體呈單循環(huán)混合模式，在3-10月形成自然熱分層，水體的熱分層導致相應水庫水質明顯分層.黑河水庫為偏堿性水體，葉綠素a、總磷、總氮、銨態(tài)氮和溶解性有機碳濃度平均值分別為2.21μg/L、0.022mg/L、1.32mg/L、0.20mg/L和2.93mg/L，表明黑河水庫處于中-富營養(yǎng)狀態(tài).熱分層期底部水體溶解氧濃度在0～7.9mg/L之間，平均值為2.9mg/L，氮磷質量比在41～100之間，表明黑河水庫是一個底部季節(jié)性缺氧、高營養(yǎng)鹽型水庫.在水庫自然熱分層末期，應用揚水曝氣技術，不僅改善了底部水體的厭氧/缺氧環(huán)境，抑制了厭氧/缺氧條件下內源污染物的釋放和藻類的增殖，而且還使得水庫水體提前混合，實現了強制混合與水體自然混合過程的有機銜接，延長了水質持續(xù)改善的作用時效，有效地改善了水環(huán)境，保障了安全供水.

深水型水庫；熱分層；揚水曝氣；提前混合；水質改善；黑河水庫

通常水庫的建成會對其原有水質生態(tài)系統產生諸多影響[1]，改變天然河道的演變規(guī)律，使水環(huán)境系統出現類似于湖泊的“湖沼學反應”[2]，并引發(fā)河流水文情勢、水生生態(tài)、水動力、地貌及水質等各方面的環(huán)境影響，水體熱分層現象就是其中較為突出的問題之一.水體熱分層泛指在同一水體中因冷、熱水體密度差異所導致的水體物理分層過程，其主要表征為垂向水溫梯度變化的不均勻.學者們將水體穩(wěn)定熱分層時的結構定義為典型的“三層式”水溫分布模型[3]，即沿水深從上向下依次劃分為溫變層、溫躍層和等溫層.

隨著熱分層效應日漸突出，水質周期性污染變得愈加嚴峻，如何高效、合理、可持續(xù)地對水質進行改善顯得尤為重要，水質原位修復技術作為一項重要的水質改善手段得以應用.目前，國外常用的水質原位修復技術有：同溫層曝氣技術[4]、氣泡混合技術[5]和揚水筒混合技術[6].其中，同溫層曝氣技術(亦稱深水曝氣技術)可直接對下層水體充氧，但不能破壞水體分層結構.國外對于深水曝氣應用較多，且取得了良好的效果，如德國Wahnbach水庫[7]、澳大利亞Barossa水庫、美國Prince湖和Western Branch湖[8].氣泡混合技術具有氣泡與水接觸面積大、直接充氧效率高等優(yōu)點，在荷蘭Nieuwe Meer湖[9]、英國Hanning-field水庫[10]都有應用，但混合能力相對有限，在深水型湖庫中應用難度很大.揚水筒混合技術主要通過混合上、下水層破壞水體分層結構，但不具備直接充氧功能，已被日本釜房水庫、韓國Daechung湖[11]等湖庫采用.國內應用較多的是生物接觸氧化法[12]，但其工藝復雜、投資較大.本研究通過比較當前國內外水質原位修復技術，結合黑河水庫實際水質污染現狀與水文、水動力特性，認為同時具有混合充氧、抑制底泥污染物釋放和藻類生長等功能的揚水曝氣技術[13-14]，是有效改善黑河水庫水質的首選工程措施.

黑河水庫位于陜西省西安市周至縣馬召鎮(zhèn)南黑河峪口以上約1.5km處，距西安市86km，最大水深為106m，屬深水型峽谷水庫，地處中溫帶，具有典型的溫帶峽谷型水庫的特征[15-17].目前，國內對熱分層效應與內源污染物釋放、水環(huán)境質量特征及藻類遷移分布的相關性等方面的研究尚有不足，現有研究多集中在水溫分布的預測模擬[18-19]、簡單物化因子的時空分布[20]及對下游河道的水質影響方面[21].如何有效降低內源污染負荷和改善水庫水質，是水庫目前面臨的最大問題.本研究以黑河水庫為研究對象，考察該水庫目前的水環(huán)境質量現狀、水體熱分層結構特征及熱分層效應[22-23]，探討揚水曝氣系統對水庫水質的可能影響[24-25]，為水庫水質的管理提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 黑河水庫概況及水文特征

1.1.1 水庫概況 黑河水庫是一項以城市供水為主，兼有農灌、發(fā)電、防洪等綜合利用的大(二)型水利工程.樞紐由攔河壩、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、壩后電站及古河道防滲工程等建筑物組成.壩高130m，壩頂高程600m，壩頂長度422m，寬度11m，壩址控制流域面積1481km2，最大庫容2×108m3，有效庫容1.77×108m3，主庫區(qū)最大水域面積4.68km2，水面寬度240～680m，庫盆寬度50～200m，平均水深70～90m，最大水深106m，庫底最小高程488.5m.正常高水位594.0m，汛限水位593.0m，每年向西安市供水3.05×108m3，日平均供水量為76.0×104m3，是目前西安市引水工程的主要水源，其水質的優(yōu)劣直接影響著西安市民的用水安全.

1.1.2 水庫水文特征 2013年3月-2014年2月期間，水庫最低水位出現在2013年5月3日，為545.2m(黃海高程)；最高水位出現在2013年7月28日，為591.18m；水庫區(qū)域平均面降雨量在0.3～244mm之間，降雨量最大值出現在7月，最小值出現在12月；豐水期水位較高，枯水期水位相對較低；日平均入庫流量在2013年12月最低，為2.7m3/s；最大值出現在2013年7月，為460m3/s.黑河水庫每月的入庫流量與降雨量具有相似的趨勢.需要說明的是，汛期降雨多為暴雨，且持續(xù)時間長，致使流域內暴雨徑流量急劇增大，沖刷大量泥沙、腐殖質等污染物進入水庫，造成水質短期內的惡化.

1.2 揚水曝氣器介紹

圖1 黑河水庫主庫區(qū)采樣點及揚水曝氣器布置點Fig.1 The sampling sites and layout of water-lifting aerators in Heihe Reservoir

圖2 黑河水庫上游采樣點Fig.2 The sampling sites in the upstream of Heihe Reservoir

為控制熱分層期底部水體中溶解氧(DO)的過度消耗所導致的水質惡化，需采取有效措施促進底部水體中DO的更新.最為直接的方法就是在熱分層期采用適當方法增加水體中的DO，延遲熱分層的形成或縮短分層期的持續(xù)時間，減緩其對底部水體中DO的消耗.揚水曝氣技術是一種直接且有效的方法，其通過揚水曝氣器以壓縮空氣為動力，壓縮空氣連續(xù)地通入環(huán)形空氣釋放管，由管道微孔向曝氣室釋放氣泡，從而向水體充氧.充氧水流從回流室返回到下層水體，充氧后的尾氣收集在氣室中.

表1 多功能水質監(jiān)測儀Hydrolab DS5的監(jiān)測原理與探頭傳感器參數

當氣體充滿氣室后，瞬間向上升筒釋放并形成大的氣彈.氣彈迅速上浮，形成了上升的活塞流，推動上升筒中的水體加速上升，直至氣彈沖出上升筒出口.隨后，上升筒中的水流在慣性作用下繼續(xù)上升，直至下一個氣彈形成.上升筒不斷從下端吸入水體輸送到表層，被提升的底層水與表層水混合后向四周擴散，形成了上、下水層間的循環(huán)混合，不僅增加了水體DO濃度，而且提升了垂向水體的流動性和交換性，擾亂了水體的密度層，破壞了水體分層結構.黑河水庫揚水曝氣器是結合水庫實際蓄水狀況與水動力特性，在原普通淹沒式揚水曝氣器的基礎上改進而來，布置于黑河水庫大壩前1.1km范圍內，共8臺，間距250～300m，呈梅花形分布(圖1).

1.3 水樣采集點

1.3.1 主庫區(qū)水樣采集點 結合主庫區(qū)地形和徑流特點，在黑河水庫主庫區(qū)設置S1、S2、S3、S4 4個采樣點(圖1)，其中前3個采樣點分別位于水庫不同水深處的原河道主流區(qū)，S4樣點正對于泄洪塔附近.這4個點既能反映主庫區(qū)不同地點、不同深度水質的變化情況，又能反映暴雨徑流對主庫區(qū)水質的影響.S1點位正對飲水塔附近，進行逐月多次采樣，每個采樣點在上部(水下0.5m)、底部(底泥上0.5m)及水深每隔10m處取樣，采用有機玻璃垂向直立式采樣器.水位和入庫流量等數據由水庫管理站提供.

1.3.2 水庫上游水樣采集點 黑河流域森林茂密、植被豐富，具有良好的水源涵養(yǎng)作用，且上游沿線地區(qū)無工礦企業(yè)及工業(yè)污染；村鎮(zhèn)散落，居民較少，排放的生活污水較少.根據黑河水庫上游河道水力特點，在水流平緩、沖刷作用較弱的地方選取7個代表性斷面，每個斷面的采樣點設置在中弘線上(圖2).

1.4 數據處理方法與樣品分析方法

主庫區(qū)水質研究采用正對于飲水塔附近的S1點的數據，并對上游7個采樣點(CS3～CS9)的數據進行分析，研究其對主庫區(qū)水質變化的影響.數據處理如下：① 將每月多次采集水樣的水質數據取平均值，作為本月的水質數據；② 將各月各指標的數據采用SPSS軟件進行統計分析.

2 結果與討論

2.1 水溫的季節(jié)變化與垂直分層

隨著4月份氣溫的回升，黑河水庫表層水溫升高，密度減小，而底部水溫仍然維持在原有狀態(tài)，密度較大，上、底部水體密度存在顯著差異，導致水庫形成熱分層，從而阻礙了上、底部水體間的物質混合交換[27].黑河水庫屬深水型水庫，30m以上水溫年際變化較大，上部水溫全年在6.4～25.9℃范圍內變化，底部水溫則變幅較小(圖3).3-10月熱分層期，黑河水庫水溫保持“上高下低”的分層結構，上、底部溫差在2.6～14.3℃之間，8月份水體分層最穩(wěn)定，形成了深度為20m、溫差為14.3℃的溫躍層[28]；9月份后，由于揚水曝氣系統的提水混合作用，使得水庫水體提前開始混合，上、底部水體溫差逐漸減??；至10月末，整個水體完全混合，溫躍層消失，混合后水溫也提高至17℃左右.黑河水庫水體全年呈現單循環(huán)混合模式，顯然這種分層結構與亞熱帶水庫分層具有相似性，同時區(qū)別于其他地區(qū)的雙混合型或全年穩(wěn)定分層的水庫[29].

2.2 DO濃度的季節(jié)變化與垂直分層

黑河水庫水體DO濃度大小取決于復氧與耗氧過程的相對強弱，同時受水溫、水質、水動力及氧分壓等環(huán)境因素的綜合影響[30].熱分層期，DO濃度沿水深整體呈“上高下低”的趨勢分布(圖3)，這是由于表層水體在大氣復氧和藻類光合作用的雙重作用下，DO濃度接近當地氣候件下的飽和DO濃度.隨著水深的增加及溫度梯度的存在，氧傳質及光合產氧作用逐漸降低，而水體又不斷耗氧，DO濃度隨之降低；越接近水庫底部，氧傳質過程越受阻，加之水體及沉積物中有機質礦化降解不斷耗氧，DO濃度越低，使庫底出現缺氧或厭氧環(huán)境.黑河水庫揚水曝氣系統運行后，底部水體DO濃度明顯提高.

2.3 pH值的季節(jié)變化與垂直分層

2.4 Chl.a濃度的季節(jié)變化與垂直分層

水體中的Chl.a濃度水平在一定程度上反映了水中藻類數量，并且與藻類的生長活動、水體透明度、營養(yǎng)鹽水平以及其自身懸浮特征有著密切關系[31].在連續(xù)一年的監(jiān)測中，黑河水庫上部水體Chl.a濃度在0.35～7.09μg/L之間，最低值出現在3月，最高值出現在8月，整體處于較高水平，而中部和底部水體Chl.a濃度則較低.5-8月，上部水體Chl.a濃度都處在5μg/L以上，豐水期其濃度明顯高于枯水期(圖3)，表明5-8月黑河水庫水體處于富營養(yǎng)狀態(tài).熱分層期，上、中、底部水體Chl.a濃度差異極顯著(P<0.01)，而混合期則差異不大(P>0.05)，在混合期，氮、磷營養(yǎng)鹽濃度較高，但Chl.a濃度卻處于較低水平，可能受這一時期水溫較低的影響.

圖3 黑河水庫S1點位水溫、DO、pH值和Chl.a濃度的時空分布Fig.3 Spatial and temporal distribution of water temperature, DO, pH and chlorophyll-a concentration in the water column of S1 site of Heihe Reservoir

2.5 水體氮、磷、有機物濃度及濁度的季節(jié)變化與垂直分層

2013年3月-2014年2月，黑河水庫上部水體TP濃度變幅為0.004～0.032mg/L，年均值為0.014mg/L；中部水體TP濃度變幅為0.005～0.034mg/L，年均值為0.020mg/L；底部水體TP濃度變幅為0.008～0.052mg/L，年均值為0.031mg/L(圖4).總體上，黑河水庫TP濃度處于較低水平.熱分層期，底部水體TP濃度在3月份最低，為0.008mg/L；但隨著庫底季節(jié)性缺氧的出現，沉積物附近氧化還原電位降低，不同形態(tài)的磷不斷轉化釋放進入上覆水中，使得底部水體TP濃度迅速增大，極大值出現在5月和7月，分別為0.050和0.052mg/L.水體混合后底部水體DO濃度增加，磷釋放受到抑制.

圖4 黑河水庫S1點位水體TP、TN、-N和DOC濃度的時空分布Fig.4 Spatial and temporal distribution of TP, TN,-N and DOC concentrations in the water column of S1 site of Heihe Reservoir

表2 2013年7月23日黑河水庫上游水、雨水與主庫區(qū)水質對比

2.6 揚水曝氣技術對水體熱分層結構及DO濃度的影響

2.6.1 混合效果 水溫是反映揚水曝氣器混合效果的重要指標之一.通過水溫變化可以反映黑河水庫揚水曝氣器的混合效果(圖5).揚水曝氣系統運行前水體保持穩(wěn)定的分層結構，上、下層水溫差約為12℃.隨著揚水曝氣系統的持續(xù)運行，垂向熱分層結構產生了較大程度的擾動，一方面降低了表層水體溫度，另一方面迫使溫躍層位置不斷下遷，范圍壓縮，溫差減小，等溫層范圍不斷縮小，溫變層范圍不斷擴大，且上、下層水體逐漸趨于均溫化，水體混合效果顯著.

2.6.2 充氧效果 揚水曝氣系統開始運行前，底部水體DO濃度已降至0.1mg/L，DO濃度上高下低的分布趨勢很顯著；運行至第15d，底部水體DO濃度就已回升至6.0mg/L以上(圖5)；隨著揚水曝氣系統的持續(xù)運行，DO濃度沿水深的垂向梯度大大減小，滯水層DO濃度大幅度提高，兩者存在正相關性(r=0.591，YDO=5.454+0.147X運行時間)；運行末期，滯水層DO平均濃度較運行前升高了1.5倍，且上、下層水體DO濃度基本趨于一致.水體充氧效果顯著(P<0.01).

圖5 黑河水庫S1點位水體溫度和DO濃度的垂向分布Fig.5 The vertical distribution of water temperature and DO concentration in the water column of S1 site of Heihe Reservoir

2.7 揚水曝氣技術對水質改善效果的影響

2.7.1 對沉積物中污染物釋放的抑制 夏、秋季，黑河水庫底部水體DO濃度通常會降至2mg/L以下，使沉積物中氮、磷、鐵、錳等污染物大量釋放并向上覆水體中擴散，導致水庫水質季節(jié)性污染.提高水體中DO濃度可以有效地控制底泥中污染物的釋放.

揚水曝氣系統運行前，黑河水庫底部水體TP濃度為0.042mg/L；隨著揚水曝氣系統的持續(xù)運行，中、下部水體TP濃度逐漸降低；運行至第25d，底部水體TP濃度降至0.023mg/L，垂向水體TP平均濃度為0.016mg/L；運行40d后，水體已完全混合，底部和垂向水體TP濃度趨于一致，維持在0.010mg/L左右，較系統運行前底部TP濃度削減了76%，達到國家地表水環(huán)境質量標準Ⅱ類限值(0.025mg/L)要求.揚水曝氣系統對TP的抑制效果顯著(r=-0.840，P<0.01)(圖6).

揚水曝氣系統運行前，黑河水庫水體中Fe濃度最大值高達0.67mg/L，超過國家地表水環(huán)境質量標準Ⅱ類限值(0.3mg/L)1倍以上；在揚水曝氣系統運行過程中，中、下部水體的Fe濃度逐漸降低；運行至第25d，底部水體Fe濃度降至0.27mg/L，垂向水體Fe平均濃度為0.18mg/L；運行40d后，底部水體Fe濃度降至0.15mg/L，垂向水體Fe平均濃度為0.14mg/L，且上、下層水體Fe濃度趨于一致,垂向平均削減率達到86%.揚水曝氣系統對Fe的抑制效果顯著(r=-0.908，P<0.01)(圖6).

揚水曝氣系統運行前后，黑河水庫中錳濃度一直低于最低檢測限值0.05mg/L.

圖6 黑河水庫S1點位水體TP、-N和Fe濃度的垂向分布及相關性Fig.6 The vertical distribution and correlations of TP,-N and Fe concentrations in the water column of S1 site of Heihe Reservoir

2.7.2 對藻類生長的抑制 黑河水庫中藻類豐度與Chl.a濃度的變化趨勢基本一致(圖7).揚水曝氣運行前，藻類豐度與Chl.a濃度最大值均出現在0～5m之間水體中，5m以下水體中，藻類豐度與Chl.a濃度隨著水深的增加而降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，符合中溫帶深水型水庫藻類正常分布狀態(tài).運行初期，0～5m之間水體的藻類豐度與Chl.a濃度不斷減小，10m以下水體的藻類豐度與Chl.a濃度相比運行前增加，主要原因是揚水曝氣的充氣混合作用將上部水體中的藻類輸送到中、下部水體中；隨著揚水曝氣系統持續(xù)運行，不斷被輸送到下部水體的藻類光合作用受到抑制，逐漸衰亡，整個水體中藻類豐度不斷降低.揚水曝氣系統對藻類抑制效果顯著(r=-0.835，P<0.01).

圖7 黑河水庫S1點位水體中藻類豐度及Chl.a濃度的垂向分布Fig.7 The vertical distribution of algae abundance and chlorophyll-a concentration in the water column of S1 site of Heihe Reservoir

3 結論

對黑河水庫全年水質的理化指標分析表明，黑河水庫是一個底部季節(jié)性缺氧、高營養(yǎng)鹽型水庫，水體整體處于中-富營養(yǎng)狀態(tài).全年水體呈單循環(huán)混合模式，在3-10月形成熱分層，水體熱分層導致水庫水質的分層.

水體分層限制了垂向水層間氧的傳質交換，加上水體和底泥的雙重耗氧，致使底部水體DO濃度銳減，造成沉積物中營養(yǎng)鹽釋放進入上覆水，底層水體污染負荷大幅升高，在水體自然混合期，導致水庫水質污染.

黑河水庫熱分層末期，揚水曝氣系統通過混合充氧增加水體DO濃度，增強垂向水體的流動性和交換性，破壞水體分層，使水體提前混合，延長水質持續(xù)改善的作用時效.

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Characteristics of seasonal variation and water-lifting aerator improvement of water quality in a steady stratified reservoir

JU Tuo, HUANG Tinglin, MA Weixing & ZHOU Zizhen

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,P.R.China)

In order to understand the thermal stratification, the characteristics of the water quality and the application of water-lifting aerator system in the deep reservoir, water temperature, dissolved oxygen, pH, chlorophyll-a, nutrient and dissolved organic carbon(DOC) were monitored in a whole year. The results showed that Heihe Reservoir belonged to single hybrid mode, and the natural thermal stratification period was from March to October. The thermal stratification led water quality stratifications. The chlorophyll-a, total phosphorus, total nitrogen, ammonium nitrogen and DOC average concentrations were 2.21μg/L, 0.022mg/L, 1.32mg/L, 0.20mg/L and 2.93mg/L, respectively, which showed that Heihe Reservoir was mesotrophic. In the thermal stratification period, the dissolved oxygen in the underlying water ranged from 0mg/L to 7.9mg/L, with an average of 2.9mg/L, and the ratio of N/P was between 41 and 100, which showed that Heihe Reservoir had a seasonal hypoxia, with high nutrient concentrations. In the end of natural thermal stratification period, the application of water-lifting aerator technology can not only improve the bottom anaerobic/anoxic environment, and reduce the release of endogenous pollutants and the proliferation of algae, but also enhance the water mixture.

Deep reservoir; thermal stratification; water-lifting aerator; mixed in advance; improvement of water quality; Heihe Reservoir

*國家自然科學基金項目(51478378，50830303)資助.2014-10-11收稿；2015-02-05收修改稿.巨拓(1988～)，男，碩士研究生；E-mail：jutuo1988@163.com.

J.LakeSci.(湖泊科學)， 2015， 27(5)： 819-828

DOI 10.18307/2015.0508

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：huangtinglin@xauat.edu.cn.