流量和含沙量對水質(zhì)參數(shù)影響分析

流量和含沙量對水質(zhì)參數(shù)影響分析石偉，王光謙

(清華大學(xué)水利水電工程系)摘要：為了研究近年來黃河下游水環(huán)境容量萎縮的內(nèi)在機(jī)理，本文用流量級頻率分析的方法，對1982?1984年黃河下游花園口、濼口水文站實(shí)測水質(zhì)分析成果表中的耗氧量、溶解氧及其相應(yīng)流量進(jìn)行了分析，得到在平灘流量下黃河下游河道對污染物輸運(yùn)能力最強(qiáng)，而且此時(shí)其水環(huán)境容量也最大的結(jié)論。隨著花園口、濼口水文站平灘流量由1958年的8000m3/s和9200m3/s降至1999年的4000m3/s和3000m3/s，黃河下游水環(huán)境容量萎縮是必然的。本文又通過統(tǒng)計(jì)分析得知含沙量對黃河下游水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的耗氧量及溶解氧量影響不大。關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量；平灘流量；黃河下游基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(G19990436)；清華大學(xué)“985”校級重點(diǎn)科研項(xiàng)目軟課題作者簡介：石偉(1967-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士研究生，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)。近年來，在人類大量引水、降水偏枯［1，2］等人為和自然因素作用下，黃河下游的來流明顯減少，不僅表現(xiàn)出斷流、洪水頻繁、河道萎縮、主槽淤積、“小水大災(zāi)”［3，4］等水沙過程的變異，而且呈現(xiàn)出水環(huán)境容量萎縮、水體自凈能力下降、水質(zhì)惡化［3］，1996年山東黃河有1/4的時(shí)間是超標(biāo)水，1997年上升為1/2，1998年再度上升為近3/4，污染形勢極為嚴(yán)峻［5］。河流是污染物遷移載體，污染物是借助于河流中的水流和泥沙來輸運(yùn)的。黃河來流流量的大小影響著河流攜帶污染物的能力，影響著河流的水環(huán)境容量及其自凈能力，夏軍等人已證實(shí)增加來水量可以改善河段水環(huán)境容量［6］。進(jìn)入黃河的泥沙，給黃河造成一定污染，同時(shí)由于其組成含有相當(dāng)數(shù)量的粘土礦物、無機(jī)膠體和一定數(shù)量的有機(jī)膠體、有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體，對排入黃河的種類繁多的污染物具有顯著的吸附作用，從而表現(xiàn)出凈化水質(zhì)的效應(yīng)，高傳德等人通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到渾水高錳酸鉀指數(shù)與其含沙量呈正相關(guān)［7］。本文首次采用流量級頻率分析的方法研究流量對黃河下游耗氧量和溶解氧的影響，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法分析含沙量對其耗氧量和溶解氧的影響，是對黃河下游水沙變化對其水質(zhì)影響機(jī)理的初步探索。水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)的選取耗氧量(COD)是指在一定氧化條件下，以一定的氧化劑氧化水或泥沙中還原性物質(zhì)所消耗的氧化劑量。它可以作為水體有機(jī)物相對含量的指標(biāo)，常用作反映水質(zhì)污染程度的參數(shù)［7］。溶解氧是水中溶解態(tài)氧的濃度，是衡量水質(zhì)好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。維持良好水質(zhì)感官性狀、水體的自凈作用以及水生生物的生存需要有氧［8，9］。本文選取了1982?1984年花園口、濼口水文站實(shí)測水質(zhì)分析成果表中的耗氧量、溶解氧及其相應(yīng)的流量進(jìn)行分析，含沙量在有相應(yīng)時(shí)段洪水水文要素摘錄表時(shí)用相應(yīng)時(shí)間、相應(yīng)流量的含沙量，若無相應(yīng)時(shí)段洪水文要素摘錄表則用相應(yīng)的日平均含沙量。耗氧量和溶解氧量流量級頻率分析2.1耗氧量和溶解氧量流量級頻率分析方法Wolman和Miller在1960年給出了河流有效流量的各級流量頻率分析的計(jì)算方法［10?13］：假設(shè)河流流量頻率服從對數(shù)正態(tài)分布，輸沙率作為流量功函數(shù)，則輸沙效率即流量出現(xiàn)頻率與輸沙率乘積最大處的流量值為輸沙的有效流量，就長時(shí)期內(nèi)河流輸沙量而言在該流量處最大［11?13］。本文借用此方法，假設(shè)河流流量頻率服從對數(shù)正態(tài)分布，耗氧效率即流量出現(xiàn)頻率與流量和耗氧量乘積最大處的流量值是長時(shí)期內(nèi)河流耗氧量最大的流量，此分析方法作為耗氧量的流量級頻率分析。如果將上述耗氧量換為溶解氧量，則是溶解氧的流量級頻率分析。2.2耗氧量和溶解氧量流量級頻率分析結(jié)果圖1為花園口、濼口水文站1982?1984年各級流量耗氧效率(即流量出現(xiàn)頻率與流量和耗氧量乘積)、各級流量溶解氧效率(即流量出現(xiàn)頻率與流量和溶解氧量乘積)，均以1000m3/s分級。從圖中可以看到，花園口、濼口水文站在1982?1984年相應(yīng)于耗氧效率(即流量出現(xiàn)頻率與流量和耗氧量乘積)、溶解氧效率(即流量出現(xiàn)頻率與流量和溶解氧量乘積)最大處的流量分別為：6348m3/s、5640?6348m3/s,二者基本相當(dāng)；它們出現(xiàn)的天數(shù)均占總測量天數(shù)的7%.對照圖2可以看到，花園口、濼口水文站在1982?1984年相應(yīng)于耗氧效率和溶解氧效率最大處的流量6348m3/s和5640?6348m3/s與累計(jì)耗氧率及其累計(jì)溶解氧率曲線由陡變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)6460m3/s在數(shù)值上相近。也就是說，相應(yīng)于耗氧效率和溶解氧效率最大處的流量也是黃河下游輸送污染物最經(jīng)濟(jì)的流量。事實(shí)上，相應(yīng)于耗氧效率和溶解氧效率最大處的流量6348m3/s和5640?6348m3/s與該時(shí)段花園口、濼口水文站的平灘流量相當(dāng)。根據(jù)明渠流連續(xù)方程Q=UBH(1)式中：U為斷面平均流速(m/s),B為河面寬度(m),H為水深(m).根據(jù)方程(1),在平灘流量之下，當(dāng)水深H和斷面平均流速U隨流量增大而增大時(shí)，河流寬度B保持不變a,因而B/H減小。當(dāng)水流漫灘以后，由于灘地糙率比主槽糙率大好幾倍，因而隨著水位繼續(xù)上漲，主槽和全斷面的流速反而有所下降，當(dāng)灘地水深約為主槽平均水深的35%時(shí)，斷面流速達(dá)到最低值，自此以后，又隨著水位的抬高而不斷加大［10］。所以，相應(yīng)的河道輸運(yùn)污染物能力在平灘流量之下隨著流量的增加而增大，直至平灘流量時(shí)達(dá)到最大，在流量超過平灘流量以后，隨著主槽和全斷面流速的降低，輸運(yùn)污染物能力反而下降。004-32ID..劇欄】-:■-蠱定汨憶山細(xì)耶l：w20UU0泓#7(『丿訂rlflCH)4-32ID..劇欄】-:■-蠱定汨憶山細(xì)耶l：w20UU0泓#7(『丿訂rlflCH)加帕怖畑熬(I腫沆曲W?\］—肌飾秫譏串—贓惟局卡花園口、濼口水文站累計(jì)耗氧率及其累計(jì)溶解氧率與流量關(guān)系時(shí)間花園口濼口圖1花園口、濼口水文站各級流量耗氧效率及其溶解氧效率由于黃河下游河道在平灘流量下不僅對污染物輸運(yùn)能力最大，而且此時(shí)河道中的溶解氧也最多，因此在平灘流量下黃河下游河道的水環(huán)境容量為最大。在平灘流量時(shí)不僅輸沙量最大［10］，而且輸送污染物量也最大，為我們估算黃河下游生態(tài)需水量提供了依據(jù)，即根據(jù)平灘流量估算的黃河下游用水量不僅是輸沙最經(jīng)濟(jì)的水量，也是輸送污染物最經(jīng)濟(jì)的水量。2.3黃河下游水環(huán)境容量萎縮的原因從表1可以看到，從1958年到1999年花園口和濼口水文站的平灘流量經(jīng)歷了由大到小到大又到小的過程［4］。1958年黃河下游為基本未受人類影響的自然狀態(tài)，此時(shí)平灘流量較大，花園口和濼口分別為8000ms/s和9200ms/s；1964年在三門峽水庫的沖刷作用下，花園口平灘流量增大，為9000m3/s；1973年在三門峽水庫滯洪排沙作用下，黃河下游平灘流量急劇減小，花園口和濼口的平灘流量降為3500m3/s和3100m3/s；1985年由于豐水少沙，黃河下游河道沖刷，平灘流量上升，花園口和濼口的平灘流量又上升為6900m3/s和6000m3/s；1985年以后，由于人為、自然等因素的作用，黃河下游來水來沙條件改變，河道嚴(yán)重萎縮，主槽淤積嚴(yán)重，平灘流量下降，花園口、濼口水文站平灘流量變?yōu)?000m3/s和3000m3/s.由于在平灘流量下黃河下游河道的水環(huán)境容量為最大，所以隨著平灘流量的上述變化，水環(huán)境容量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。1985年以后，由于人類大量引水、降水偏枯等原因，黃河下游斷流頻繁，不僅使黃河下游的河床演變過程發(fā)生改變，河道萎縮、“小水大災(zāi)”、洪水頻繁，而且也大大降低了其輸運(yùn)污染物的能力以及溶解氧的能力，表現(xiàn)為水環(huán)境容量萎縮、水質(zhì)明顯下降。與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加，黃河流域廢污水排放量與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70年代后期年排放廢污水18.5億t，80年代初為21.7億t，90年代初已達(dá)32.6億t，10年間增加50%以上［6］。與此相應(yīng)，黃河下游必然污染情況越來越嚴(yán)重。表1典型年份花園口、濼口水文站平灘流量變化(m3/s)1958年汛后800092001964年汛后900035001973年汛前350031001985年汛前1985年汛前1999年汛前6900600069006000300040003000含沙量對耗氧量和溶解氧量的影響分析考慮到耗氧量和溶解氧量與含沙量是同一個(gè)量綱，我們將花園口、濼口水文站1982?1984年實(shí)測水質(zhì)分析成果表中的耗氧量（單位：mg/1）和溶解氧量（單位：mg/1）分別乘以1000后再分別除以含沙量（單位：kg/m3）得到兩個(gè)無量綱的量，將這兩個(gè)分別與耗氧量和溶解氧量有關(guān)的無量綱的量作為縱軸，均以含沙量為橫軸作圖，得到圖3和圖4.在圖3中我們點(diǎn)繪了雙曲線在第一象限的一支，其常數(shù)為1982?1984年花園口、濼口水文站所有實(shí)測耗氧量的算數(shù)平均值（約為1.46）乘以1000，橫軸和縱軸同上所述；在圖4中我們同樣點(diǎn)繪了雙曲線在第一象限的一支，其常數(shù)為相應(yīng)溶解氧量的算數(shù)平均值（約為8.15）乘以1000，橫軸和縱軸同上所述。從圖3和圖4中可以看出，實(shí)測點(diǎn)與雙曲線吻合得很好，也就是說，耗氧量和溶解氧量可以看作是個(gè)常數(shù)，約等于其實(shí)測數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，而與含沙量無關(guān)。究其原因，與耗氧量的測定方法不無關(guān)系，因?yàn)槎嗄陙睃S河上都是用去除泥沙后的清水測定耗氧量［7］，只代表了黃河水溶液中耗氧物質(zhì)的含量。事實(shí)上，黃河水體中的泥沙吸附著大量的污染物，其吸附量必然與含沙量有關(guān)，也必然隨著吸附量達(dá)到飽和而使水體受到二次污染。由于缺乏渾水的資料［7］，限制了我們對耗氧量和溶解氧量與含沙量關(guān)系的更深入的認(rèn)識(shí)。monwf-X〔K2赫、：ariwmtiOUOU60000■50U0U20OWJflzi?f-X〔K2赫、：ariwmtiOUOU60000■50U0U20OWJflzi?3Ui!O聞汁出ffl/?>k'V-)(kE/ra')3花園口、濼口水文站耗氧量與含沙量之比3花園口、濼口水文站耗氧量與含沙量之比（乘以1000）與含沙量的關(guān)系圖4花園口、濼口水文站溶解氧量與含沙量之

比（乘以1000）與含沙量的關(guān)系4結(jié)論本文通過對黃河下游花園口、濼口水文站1982?1985年實(shí)測水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的各級流量頻率分析，得到黃河下游河道在平灘流量下對污染物輸運(yùn)能力最大，此時(shí)河道中的溶解氧也最多，也就是說，在平灘流量下黃河下游河道的水環(huán)境容量最大。這一研究豐富和發(fā)展了前人的研究，即河流在平灘流量時(shí)不僅輸沙能力最大［10］，而且輸運(yùn)污染物能力也最大。黃河下游水環(huán)境容量萎縮是平灘流量降低的必然結(jié)果。同時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)分析得知含沙量對黃河下游水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的耗氧量及溶解氧量影響不大，即黃河下游水體水溶液的耗氧量和溶解氧基本不變。參考文獻(xiàn)：［1］許炯心。人為季節(jié)性河流的初步研究J］。地理研究，2000,19(3)：234-242.［2］劉昌明，成立。黃河干流下游斷流的徑流序列分析［J］。地理學(xué)報(bào)，2000,55(3)：257-265.［3］常炳炎，薛松貴，張會(huì)言，等。黃河流域水資源合理分配和優(yōu)化調(diào)度［M］。鄭州：黃河水利出版社，1998.［4］申冠卿，張曉華，李勇，等。1986年以來黃河下游水沙變化及河道演變分析［J］。人民黃河,2000，22(9)：10-11，16.［5］蘇國良。黃河山東段水污染狀況分析［J］。山東環(huán)境，1999(3)：44-45.［6］席家治，常炳炎，高傳德。黃河水資源［M］。鄭州：黃河水利出版社，1996.［7］高傳德，崔樹彬，李鈺洪。水質(zhì)參數(shù)與含沙量相關(guān)統(tǒng)計(jì)模式及其應(yīng)用［J］。人民黃河，1986(2)：11-13.［8］夏軍。區(qū)域水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)多級關(guān)聯(lián)評估理論與應(yīng)用［M］。武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.［9］都昌杰，褚新生。環(huán)境監(jiān)測水質(zhì)分析基礎(chǔ)［M］。哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1985.［10］錢寧，張仁，周志德。河床演變學(xué)［M］o北京：科學(xué)出版社，1987.［11］WolmanMG,MillerJP.Magnitudeandfrequencyofforcesingeomorphicproc