变化环境下洋河水库水质及蓄水变量相关性分析

(河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000)

随着秦皇岛市经济社会的发展，水资源供需矛盾日益凸显，《秦皇岛市水利发展“十三五”规划》中明确指出，2020年要以“一路双线、东西互济、三库联调、四区双水”的供水基本框架，构建多水源互补、丰枯调剂的供水安全网络。洋河水库是供水网络中主要地表水源地之一，设计总库容为3.86亿m3。近些年水质监测结果表明，水库富营养化问题时有发生，部分时间水质无法达到饮用水标准。

该问题已经引起诸多专家学者关注，早在2013年，孙耀恒等[1]就开展了AGP实验，探寻了水库富营养化成因；冯建社等[2]2014年针对污染现状进行了评价并提出了防治对策。此后李凤彬等[3]把重点放在了上游污染源调查分析上；陈平、李大鸣等[4-5]运用数值模拟方法研究了上游面源污染负荷的空间分布特征。上述研究成果为水质治理提供了重要参考。秦皇岛市近几年加大上游环保监管力度，组织编制了《洋河水源地安全保障达标建设实施方案》，2015年开始，县、市两级政府先后筹资兴建了雨花台、双望、富贵庄等多个污水处理厂并逐步开始运营。本文选取2014—2018年逐月水质评价数据，首次结合水温指标从水库蓄水变量相关性角度尝试分析了变化环境下洋河水库水质营养化情况。

1 研究区概况

1.1 水库自然地理状况

洋河水库位于抚宁区大湾子村北，水库控制流域面积为755km2，为洋河总流域面积的68%，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾防洪、发电、旅游等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。水库75%保证率可供水量为0.61亿m3，95%保证率可供水量为0.33亿m3。洋河水库为东北—西南走向不规则的狭长矩形区域，东西长约42.7km，南北宽约37.7km，地势东北高西南低，境内较大支流主要有东洋河、西洋河、迷雾河和麻姑营河。

1.2 改善水质所采取的工程措施

卢龙县内建设养殖小区49个(含附属设施)，实现畜禽集中养殖，污染物收集治理。实施甘薯淀粉粉浆水收集工程，建设粉浆水收集池187个。拟实施洋河水库一级保护区隔离防护工程。

西洋河上游流域建设污水处理厂6座，总处理规模11.55万m3/d，主要收集处理生活和生产污水以及河段污水，具体见表1。

表1 洋河上游污水处理厂建设情况

2 数据收集分析及评价方法

本文主要收集了2014—2018年逐月降水、气温系列整编资料，逐月洋河水库坝前水位及蓄水变量系列整编资料，逐月水质监测成果资料。

依据《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007)湖库营养状态评价标准及分级方法，主要采用总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a(Chl-a)、高锰酸盐指数(CODMn)、透明度(SD)指标，根据计算营养状态指数(EI)值确定水质营养化程度。20

图1 2014—2018年逐月水库富营养化情况

3 相关性分析研究

将2014—2018年每月蓄水变量数值及水温数据分别绘制折线图，并把相应月份的总磷、总氮值叠加，同叶绿素a指标也分别绘制折线图，见图2。

图2 2014—2018年逐月水库富营养化情况

通过图1、图2，可以较为明显地看出：

a.蓄水变量变化趋势和总磷、总氮及叶绿素a指标的变化趋势基本一致，主要表现在汛期6—8月及9月蓄水变量增加出现峰值时，总磷、总氮及叶绿素a指标均会随之增加，出现尖峰；当汛前4月、5月及6月蓄水变量减少出现波谷时，响应指标也逐渐减少，表现出波谷。

b.水温每年变化较为稳定，7—9月温度达到最高出现峰值，而叶绿素a指标也随之出现峰值。冬季温度较低情况下出现轻度富营养化的情况，主要是营养盐含量底值较高，即受上一年度累计量影响。如2015年12月出现轻度富营养化后，在无明显降雨因素情况下，营养盐量持续保持较高水平，至2016年1—4月，仍出现轻富营养化情况。同样，2016年11月营养盐含量较高也影响了2017年1—2月的水质。

c.纵向分析，2014—2018年轻度及中度富营养化发生月份呈现下降趋势，并且2018年总氮、总磷及叶绿素a指标值均呈现出下降趋势。

通过上述分析，蓄水变量增加，即水库来水时，相应总磷、总氮等因子随之变大，汇入水库后导致水库水质变差，这与之前学者研究成果吻合，说明汛期来水携带了大量污染因子。为进一步量化这种关联关系，选用灰色关联分析法(灰色关联分析法基于的是因素之间发展趋势的相似或相异程度，亦即“灰色关联度”，是衡量因素间关联程度的一种方法)，将2014—2018年每年蓄水变量数据、叶绿素a和总磷、总氮的叠加数据分别进行关联分析。蓄水变量关联度最好年份为2015年，达到0.64；最差年份为2016年，为0.36；5年平均值为0.48。叶绿素a关联度最好的年份是2017年，达到0.63；最差是2018年，为0.36；5年平均值为0.47。具体见表2、表3。

表2 2014—2018年蓄水变量和TP+TD关联度分析结果

表3 2014—2018年叶绿素a和TP+TD关联度分析结果

4 结论与建议

4.1 结论

本文分析了2014—2018年洋河水库水质监测结果，通过近5年水库富营养化情况及总磷、总氮指标分析，轻度及中度富营养化发生月份呈现下降趋势，并且2018年总氮、总磷及叶绿素a指标值也呈现出下降趋势，初步说明了近几年洋河水库上游规划建设的诸多工程措施以及市、县两级政府加大环保力度已初见成效。

通过分析，蓄水变量变化趋势和总磷、总氮及叶绿素a指标的变化趋势基本一致，主要表现在蓄水变量增加出现峰值与减少出现波谷时，总磷、总氮及叶绿素a指标响应指标也逐渐减少，表现出波谷。由灰色关联分析法得知，蓄水变量数据和总磷、总氮的叠加数据5年平均关联度为0.48，而叶绿素5年平均关联度为0.47，为中等程度相关。在上游污染源治理工作基础上，通过需水变量和水质之间的相关性分析，进而通过对水库蓄水量改变达到预防水质恶化和调节水质的目的，具有较重要的实际应用价值和意义。

4.2 建议

限于水质监测资料仅有月数据，在相关性分析过程中月度内的变化不能够被反映出来，且影响水质变化的因素较多，近几年降水量年际变幅较大，建议进一步开展相关研究和增加水质变化期间的数据监测频率，为后续研究提供基础参考。