新疆哈密引水河道水质检测特征分析研究

姚 毅

(新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)

0 引言

河道地表水质受多因素影响，其水质特征不仅仅与地表径流有关[1-2]，还受河道工程运营流量、流速影响，研究河道内水质演化特征，对河流净污、蓄水调度等均具有重要意义。叶焰中等[4]、杨芬等[5]、孙许[6]利用水动力学模型理论，建立SWMM等水质模型，研究河流水质时空演化特征，评价水质富营养化影响变化，为河道水质改善提供重要基础依据。也有一些学者利用模型试验理论，在室内建立河道水流模型，研究不同工况下水质变化特征，为研究河道长期水质演化提供参照[7]。当然，根据河道工程不同流量工况等运营特征，可在特征断面上进行监测，分析水质检测数据，判断水力运营特征对水质状态影响变化[8-10]，从而评价水力特征的影响效应。本文根据哈密引水河道地表水质在不同流量、不同流速下监测变化，分析水质演化与流量、流速等水力特征联系性，进而为引水工程取水调度与净污等提供参考。

1 工程水质监测分析

1.1 工程概况

哈密地区位于新疆东部，境内水资源匮乏，其区域内水系如图1所示，供水来源主要来自于冰川融化及地表水利工程水资源调度，在哈密东部地区建设有地表引水工程，主要面向下游工、农业用水，年可提供水量超过300万 m3，该水量很大程度上取决于上游河道泄流量，设计引水渠最大流量为0.65 m3/s，沿线引水渠长度为6.5 km，渠道全断面均采用防渗衬砌结构形式，有效降低渗透坡降，提升渠坡整体渗流与静力稳定性，且坡面采用植物护坡，降低水土流失，减少渠道内水质受周围径流影响。哈密东部输水河道建设有多个围堰与泄水闸等水工设施，控制河道流量与渠道输水稳定性，最大泄水闸位于河道下游靠近渠首6.5 km处，设计最大泄流量为265 m3/s，此泄水闸重要作用体现在控制下游河道与上游蓄水库间的水力缓冲以及输水调度。该引水工程作为哈密东部河道重要地表取水设施，其采用组合提水泵作为动力源，最大限度控制水资源与用水量需求，特别是为规划年水资源配置中起着重要调节及峰、谷水资源调度作用。

图1 研究区水系图

根据对该河道引水工程分析得知，取水河道年径流量为655万 m3，区域内水质受上游冰川融化、中游人口活动及工业发展影响、下游受水力冲击作用影响，而其水质状态特征对下游取水工程水资源调度的安全性具有重要意义。分析河道径流及引水工程运营特征可知，设计最大日可供水量超过2.5万 m3，而上游蓄水库最大蓄水量为1 500万 m3，取水工程下游建设的农业输水灌渠全长有80km，可经上游水质处理，满足超过50万亩农田灌溉，而水处理厂的输水管道均采用双层式DN60PPCP输水通道，如图2所示。中转调压塔配置有水质过滤网及拦污栅，有效降低进入下游输水通道的杂质含量，监测表明调压塔上游泥沙含量最大为5.5 kg/ m3，经水质初步处理，可降低含沙量60%～75%，但不可忽视依靠水工设施的过滤，水质中有害化学矿物质的削弱作用并不显著。根据长期对河道内水质监测表明，向引水工程输送水源水质中COD含量平均值为22 g/L，TP浓度平均值为0.25 mg/L，但由于上游蓄水库泄流量受冰川融化影响，来水流量的差异性也导致了河道内氨氮含量差异性，波幅较大，其中监测所获得氨氮含量最大为1.35 mg/L。为探讨该地表引水河道内水质演化差异性，笔者针对性对该河道水质进行长期监测分析，研究不同流量、流速特征工况下河道水质特征影响。

1.2 监测试验

为分析不同水力特征下河道内水质演化特征，本文采用水质检测设备对上游河道内典型断面进行监测分析，且利用泄水闸不同开度下流量、流速工况分别研究水力特征参数影响下河道水质状态。所使用的水质监测设备如图3所示，分别为水质分析仪、电波流速仪。

从泄流闸实际运营状态下，引水工程调度水资源时常面临的流量工况分布为30～120 m3/s，故本文设定流量工况分别为30 m3/s、60 m3/s、90 m3/s、120 m3/s；而流速控制与上游冰川融化程度有关，根据调查得知其融化会引起河道内流速加快30%～60%，故流速工况分布在0.5～2 m/s，其流速工况分别设定为0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s，本文以不同水力特征工况下的水质特征开展演化分析，为引水工程下游水质处理提供基础依据。

图2 引水渠输水管道

图3 水质监测设备

2 不同流量下水质检测特征

2.1 pH值变化

根据对不同流量工况下河道内各断面上的pH值监测，本文以引水工程渠首与河道相接触断面处水质作为时空分析对象，图4为四个不同流量工况下渠首水质pH值变化特征。

从图4中可知，在时序效应上，pH值最大位于每年2月份，不同流量工况中均以该月份为各年中PH值最大，在流量30 m3/s工况中该月份pH值可达9.6，而在同一流量工况中4月、6月份的pH值较前者分别降低了16.9%、13.4%；在每年10月至12月，同一流量工况中该时间序列上水质PH值处于较稳定，而处于pH值较大波动位于4-6月，在流量30 m3/s工况中该时间序列段pH值最大波幅超过20%，即渠首处水质酸碱度与季节效应密切相关。季节效应本质上乃是降雨量的变化，当降雨强度较大，如春夏之交时，其水质中pH值受引水渠两边渗流活动及补水量影响[11,12]，对pH值的波动影响较大，而在较干旱月份，pH值处于较稳定，本文中所获得的数据表明该河段水流在6-8月酸碱中和效应较佳。

从流量参数影响河段内水质特征可知，流量60 m3/s、120 m3/s下各月中PH最大值较流量30 m3/s下分别减少了5.2%、18%，从pH峰值变化可知，流量每增大30 m3/s，其pH峰值较之减少6.4%，表明上游泄流量愈大，则下游渠首处水质被净化稀释程度愈高，水质可逐步由碱性至酸性演变。整体上看，在低流量30 m3/s工况中，全年各月份pH平均值为8.51，而流量增大至60 m3/s、90 m3/s后，全年pH平均值较之降低了6.3%、15.7%，随流量增大30 m3/s，其PH平均值可减小8.5%，此也印证了流量对水质酸碱度的中和效果。从流量影响各月份水质PH值差异性可知，流量增大，pH值降低效果最显著位于5月和8月，而在pH值平稳时间序列段中，流量对pH值的影响效应较弱，笔者认为，当流量效应耦合降雨径流效应后，流量增大，水质酸碱度中和效果更强。

图4 渠首水质pH值受流量影响变化特征

2.2 水质化学物特征参数

根据对典型流量工况中渠首处各月份的化学污染物含量监测，获得流量特征工况下水质污染物含量变化特征，如图5所示。从图中可知，上游泄流量增大，但并不影响化学污染物在渠首处时效变化，全年中化学污染物含量以2月最为显著，流量30 m3/s工况中该月COD含量可达69.8 mg/L，而相比之下在4月、6月中COD含量平均降低了15.6%、20.6%，该流量工况中COD含量分布为46.39～69.82 mg/L，各月间COD含量平均变幅为7.6%。与此同时氨氮含量相比之下，其变化趋势与COD变化特征有所相同，但差异性体现在氨氮含量在10-12月序列段内无稳定状态，波动性较显著，流量60 m3/s工况中该序列段内各月间氨氮含量平均波幅可达17.4%。分析表明，渠首水质中COD含量与氨氮含量在相同时间序列上具有峰值，但氨氮含量无显著平静时间序列段，此与氨氮含量不仅与水质变化有关，与渠首处周围空气环境亦有联系。

图5 水质污染物含量受流量影响变化特征

当流量增大后，全年中COD含量、氨氮含量变化态势基本一致，但差异性体现在各月份中量值，在流量30 m3/s工况中COD含量平静期平均为64.3 mg/L，而流量60 m3/s、120 m3/s工况中其平静期的COD含量平均值较前者分别降低了13.6%、46.4%，流量增大后，有助于裹挟更多污染物冲向下游及稀释沉降。氨氮含量受流量参数影响与COD含量具有相似性，流量30 m3/s工况中氨氮含量分布为1.47～2.27 mg/L，而流量60 m3/s、120 m3/s工况中各月氨氮含量较前者具有差幅10.3%～26.1%、56.1%～78.6%，特别以8月差距最显著。综合水质特征与流量工况关系，笔者认为，引水工程取水应重点放在泄流量较大的7-8月中，水质特征状态处于较理想。

3 不同流速下水质检测特征

3.1 pH值变化

同理，本文给出典型流速工况下全年各月渠首断面处水质pH值变化，相比流量特征工况对pH值影响效应，不同流速工况中，渠首水质pH值在各月的变化具有差异性，流速0.5 m/s工况下其峰、谷pH值分别位于2月、8月，达10.74、7.4，而流速为1.5 m/s工况中pH峰、谷值分别位于3月、8月，且量值也分别降低了10.4%、6.7%，表明流速增大，水质酸碱中和效果显著，且流速增大，可影响季节效应对pH值影响。本文监测获得流速0.5 m/s工况中全年pH值分布为7.4～10.74，平均值为9.19，而流速每增大0.5 m/s，全年各月pH值平均可降低8.6%，流速对水质pH值影响主要在其变化趋势上，而对量值的改变效应弱于流量特征参数。研究发现，流速愈大，本质上是水流冲击效应增强，其对水质中酸碱矿物的改变影响较小，但会影响季节降雨叠加下的径流效应，因而控制河道内泄流流速乃是控制引水渠首水质时序效应的关键[13]。详见图6。

图6 渠首水质pH值受流速影响变化特征

图7 水质污染物含量受流速影响变化特征

3.2 化学污染物变化

根据对不同流速工况下的化学污染物变化分析，获得渠首水质COD含量、氨氮含量与流速特征参数关系，如图7所示。从图中可知，不同流速工况中化学污染物含量变化具有显著差异性，在流速0.5 m/s工况中，其COD含量峰、谷值分别位于2月、7月，而流速增大后，COD含量峰、谷值均出现较大差异性改变，表明流速变化，化学污染物峰值分布时序效应受之影响，在流速0.5 m/s工况中，监测获得COD含量在各月平均值为47.19 mg/L，而流速每增大0.5 m/s，COD含量平均值降低12.3%，此与化学污染物在高流速下分布逐渐扩散化及稀释化，故而含量降低。当流速改变后，氨氮含量在各月中分布均有较大差异，如流速0.5 m/s工况中氨氮含量在10-12月中较为平稳，而流速在

1.5 m/s工况下该时间序列中具有较大波幅，虽量值上不及前者，但氨氮含量随时间变化特征显著增强；另一方面，氨氮含量各月平均值随流速亦具有平均降幅19.7%。综合认为，当流速变大后，水质中化学污染物含量在时间分布上具有较大改变，此时季节降雨、活跃径流等对水质污染物的影响效应均会受改变，即流速特征乃是改变水质污染物的时序效应的关键因素。

4 结语

本文主要获得以下四点结论：

(1)不同流量工况中pH值变化特征一致，同一流量中pH值最大位于2月，而10-12月pH值较稳定，其pH值时序效应受季节降雨影响；随流量增大30 m3/s，渠首pH平均值可减小8.5%。

(2)渠首水质COD含量与氨氮含量峰值位于同一相同时间序列上，但氨氮含量稳定序列段受环境影响较大；流量增大，化学污染物含量减小，特别是以8月最为显著，流量60 m3/s、120 m3/s工况中各月氨氮含量较流量30 m3/s下具有差幅10.3%～26.1%、56.1%～78.6%。

(3)不同流速下pH值变化态势及量值均有差异，流速增大，水质酸碱中和效果显著，每增大0.5 m/s，全年各月pH值平均可降低8.6%。

(4)流速增大，化学污染物含量分布时序效应均受影响，化学污染物含量峰、谷值所处时间节点均发生变化，且流速每增大0.5 m/s，COD含量及氨氮含量平均值降低12.3%、19.7%。