河流梯级开发大气质量（水电梯级开发背景下大渡河干流水质评价及水质分布特征研究）
河流梯级开发大气质量（水电梯级开发背景下大渡河干流水质评价及水质分布特征研究）国家自然科学基金项目(51879172);基金：作者简介：高建(1965—) 男，高级工程师，硕士，主要从事江河流域环境生态研究。E-mail:jian.gao.cq@chnenergy.com;*王健馨(1972—) 女，高级工程师，硕士，主要从事江河流域环境生态研究。E-mail:308320410@qq.com;
摘 要：
为研究水电梯级开发背景下的大渡河干流水环境现状，在大渡河干流上布置了20个水质监测断面，选取了21个水质监测项目，并收集了大渡河干流历史水质监测资料。水质评价除对每个断面采用单因子方法进行水质评价外，还对整个干流进行了河流综合水质评价。针对大渡河干流水环境监测存在的问题，提出了水环境自动监测体系建议方案。综合本次监测数据和历史监测资料进行分析。结果表明：(1)河流断面水质分析表明，大渡河干流历史监测断面水质达标率为75% 而本次现场调查断面水质达标率为85% 与历史水质状况相比有一定改善；(2)河流综合水质评价表明，大渡河干流历史监测水质数据的Ⅰ—Ⅲ类比例为75% 河流历史总体水质状况为良好；而本次现场调查的各水质监测断面水环境质量总体较好，Ⅰ—Ⅲ类比例100% 无劣Ⅴ类，河流现状总体水质状况为优，水电站建设和运行没有引起大渡河干流水质变差。研究成果可以实现水质信息在线查询和共享，保障大渡河流域水环境安全，为大渡河流域水生态修复和可持续发展提供科学依据。
关键词:
大渡河; 水电梯级开发; 单因子评价法; 水质自动监测体系; 水质评价; 水 环境; 水电站；
作者简介：
高建(1965—) 男，高级工程师，硕士，主要从事江河流域环境生态研究。E-mail:jian.gao.cq@chnenergy.com;
*王健馨(1972—) 女，高级工程师，硕士，主要从事江河流域环境生态研究。E-mail:308320410@qq.com;
基金：
国家自然科学基金项目(51879172);
引用：
高建 姚福明 雷晓辉 等. 水电梯级开发背景下大渡河干流水质评价及水质分布特征研究[J]. 水利水电技术(中英文) 2021 52(10): 133- 145.
GAO Jian YAO Fuming LEI Xiaohui et al. Study on water quality evaluation and water quality distribution characteristics of main stream of Daduhe River under background of cascade hydropower development[J]. Water Resources and Hydropower Engineering 2021 52(10): 133- 145.
0 引 言
众多水电站工程的运行投产对河流的自然属性产生了强烈的干扰，水电梯级开发背景下的河流水环境问题也日益凸显。我国从上世纪80年代开始，就提出了流域梯级水电开发的能源战略，将梯级水电开发推向了高潮，建立了包括大渡河流域在内的水电流域梯级滚动开发十三大水电基地。目前，水库大坝在我国河流中广泛存在，根据最新的全国水利发展统计公报显示，截止2019年底，全国已建成各类水库98 112座，其中：大型水库744座，中型水库3 978座。西南地区水能资源十分丰富，是全国水电开发中心，大渡河流域是水电梯级开发最集中的区域之一，在推动地方经济社会发展方面发挥着重大作用。水电梯级开发将使天然河流从急流河道型向静水型转变，河流流速减缓，流域内的水域面积增加，水体更新周期和污染物在库区停留时间变长。河流水体污染物主要来源于工业废水、农业径流、生活污水等，而由于大坝的多级拦截，河流水体中的污染物易沉积于库底，库区水质存在再生污染的隐患。另外，水电梯级开发会影响河流水体污染物向下游输移，是河道水质改变和库区水体富营养化的主要原因。
水环境质量评价与分析可为流域的水环境质量管理和治理提供决策支持和管理指导。世界各国在20世纪60年代中期开始开展环境质量评价工作，而我国水环境质量评价工作始于1973年。水质评价工作发展至今，全球的环境科学科研人员依据各国的生产力发展水平和环境质量需求开发了众多评价方法 一般可以分为确定性与不确定性两大类。确定性方法主要有单因子评价法和综合指数评价法等，其中单因子评价法因其计算简单、便于操作，为人们所广泛采用。不确定性方法主要包括模糊综合评价法、人工神经网络法和灰色理论法等 在水环境评价领域，这些方法得到了迅速发展，是考虑了地表水环境不确定性的综合性评价方法。从已有的研究成果来看，确定性方法更直观反映水环境问题，其中单因子评价法已成为水环境质量评价的一种常用方法，是《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)水质评价方法中明确要求的一种定性研究水质的有效方法。
大渡河为典型的山区河流，是岷江最大的支流，其水力资源理论蕴藏量很大，干流足木足河汇口以下至乐山段技术可开发装机容量占整个流域的79%。根据大渡河干流规划，1965年开始兴建龚嘴水电站，1971年建成发电，后续猴子岩水电站、大岗山水电站、瀑布沟水电站、深溪沟水电站、枕头坝水电站、沙坪水电站、铜街子水电站、安谷水电站、沙湾水电站等陆续在干流建成发电。过去大渡河干流水环境质量调查，主要基于单个水电站，其采样方法、监测指标、监测时段及实验室分析方法等均不统一，因此，其水质监测数据没有可比性，且难以反应整个干流的水质状况。为科学客观评价大渡河干流水质状况，迫切需对整个大渡河干流从上游至下游统一布设监测断面，并统一水质检测因子和评价方法。
针对大渡河干流现有的水环境监测存在的问题，创新地提出了在大渡河干流构建水质自动在线监测体系，有利于提高大渡河干流水环境监测质量 可为大渡河干流梯级电站生态调度决策提供及时、准确的水环境信息。对水质自动监测而言，其监测数据具有实时性、连续性、稳定性等优点 更能及时对水质进行客观准确的监测 能够及时预警水环境问题 已经逐步成为水质监测的发展趋势和方向。大渡河流域目前的水质监测方法一般是通过人工采集、人工检测来完成，这样操作耗时且效率低下 监测成本高、周期长。而在大渡河流域实时水质自动监测能显著减轻工作人员的负担，显著提高水质监测效率 降低监测成本。这对大渡河干流的水环境污染防治工作具有很大的现实意义，有利于大渡河干流水质信息的集中高效管理，提高快速治理大渡河污染水质的能力，有利于实现河流水环境监测及预测管理的科学化和规范化。
1 研究区概况及研究方法1.1 研究区概况
大渡河流域位于青藏高原东南边缘向四川盆地西部的过渡地带，发源于青海省阿尼玛卿山脉的果洛山南麓，地理位置在东经99°42′至103°48′、北纬28°15′至33°33′之间。大渡河流域涉及青海、四川两省7个市(州) 31个县。上源足木足河经阿坝县于马尔康县境接纳梭磨河、绰斯甲河后称大金川，向南流经金川县、丹巴县，于丹巴县城东接纳小金川后始称大渡河，再经泸定县、石棉县转向东流，经汉源县、峨边县，于乐山市城南注入岷江，全长1 062 km 流域面积7. 77万km2 流域面积90%的地区为四川省所辖，多年平均流量1 510 m3/s 是长江流域岷江水系最大的支流。大渡河的主要支流有梭磨河、绰斯甲河、革什扎河、小金川、南桠河、流沙河、青衣江等，流域内径流主要由降雨补给。流域上游上段冬冷夏凉，全年少雨的高原山地气候，年降水量500～750 mm 以降雪为主，积雪期可达5个月。其余地区属季风气候，一般具冬暖、夏热、湿润多雨的特征，年降水量1 000 mm 泸定、石棉右岸地区1 200～1 500 mm 下游部分地区可到1 400～1 900 mm。大渡河流域经纬度跨度较大，海拔高度差异大，具有较复杂的地势地形，气候差异很大。按气候区划，流域上游属川西高原气候区，中下游属四川盆地亚热带湿润气候区。大渡河干流水电规划以发电为主，同时兼顾下游防洪、供水和航运等功能 规划采用27级开发，目前猴子岩、长河坝、黄金坪、泸定、大岗山、龙头石、瀑布沟、深溪沟、枕头坝一级、沙坪二级、龚嘴、铜街子、沙湾、安谷等水电站已建成，双江口、金川、硬梁包等水电站正在建设。
1.2 大渡河干流水体采样断面与项目
过去大渡河干流水质调查，主要局限于单个水电站，由于没有统一的采样方法、监测指标、实验室分析方法等，其分析成果仅能反映单个水电站的地表水环境质量，难以对整个大渡河干流的水质进行客观评价。为研究大渡河干流水环境现状，于2020年9月下旬进行了现场采样，在大渡河干流从上游至下游布置了20个水质监测断面，且水质监测因子均统一为21个常规项目，首次全面科学地调研了整个大渡河干流的水环境状况。本研究首次针对大渡河干流从上游到下游的水质调查，基于一致的监测方法、监测指标和实验室分析方法等，采用单因子评价法等，并结合本次水质监测数据同大渡河干流历史水质监测数据进行对比，以分析大渡河干流水电梯级开发对大渡河水环境的影响。采样断面平面位置如图1所示，各断面的位置信息及监测项目如表1所列。水样实验室分析送成都大汇低碳环保科技有限公司环境检测中心进行检测。
图1 大渡河干流采样断面位置
大渡河干流历史水质监测资料，主要是收集了干流部分水电站开展的相关监测资料 在各电站工程河段布设的监测断面，各断面位置信息如表2所列。
1.3 大渡河干流水质评价标准和方法
1.3.1 水质评价标准
评价标准采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)(见表3)进行评价，单因子法评价时结合大渡河干流的水域功能区划，对于上游足木足河，双江口水电站和金川水电站的相关监测断面采用Ⅱ类水标准，其余断面均采用Ⅲ类水标准。
1.3.2 大渡河干流断面水质评价方法
水质评价主要依据《地表水环境质量评价办法》进行评价，各监测断面采用单因子评价法。单因子评价法计算简便且能直观反映水中的主要污染因子，其评价公式如式(1)—式(5)所示，即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定。其数学公式如下。
一般水质因子
式中，Pi为水质的污染物i的单因子指数；Ci为污染物i的实测浓度；Si为污染物i的环境质量标准，选用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类或Ⅲ类标准。
溶解氧(DO)
式中，SDO j为DO的标准指数；DOf为某水温、气压条件下的饱和溶解氧浓度(mg/L) 计算公式常采用DOf=468/(31.6 T) T为水温(℃);DOj为溶解氧实测值(mg/L);DOs为溶解氧的水质评价标准限值(mg/L)。
pH值
式中，SpH j为pH值的标准指数；pHj为pH值实测值(mg/L);pHsd为地表水质标准中规定的pH值下限(mg/L);pHsu为地表水质标准中规定的pH值上限(mg/L)。
当各项参数的标准指数≤1时，表明该参数满足相应的水质标准，当各项参数的标准指数>1时，则不能满足，标准指数越大，代表的环境质量越差。
1.3.3 大渡河干流水质综合评价方法
依据地表水环境质量评价办法，当河流(流域)的断面总数少于5个时，计算河流所有断面各评价指标浓度算术平均值，然后按照“断面水质评价”方法评价；当河流(流域)的断面总数在5个以上时，采用断面水质类别比例法，即根据评价河流、流域(水系)中各水质类别断面数占河流(流域)所有评价断面总数百分比来评价其水质状况。河流水质类别比例与水质定型评价分级的对应关系如表4所列。
2.1 大渡河干流水质历史回顾分析
2.1.1 大渡河干流断面水质历史回顾分析
本次收集到了大渡河干流共8个水电站的相关地表水监测资料，因数据量太大，限于本文篇幅所限，此处仅列出了双江口水电站的地表水历史监测资料(见表5) 选用单因子评价法按相应的评价标准对收集到的历史监测数据进行大渡河干流历史断面水质评价，评价结果如表6所列。结果表明，历史水质监测不达标的断面主要集中大岗山和瀑布沟水电站工程河段。大岗山水电站水质监测断面得妥镇上游1 km超标的因子为石油类、得妥镇下游1 km超标的因子为总磷、石油类，落井沟下游500 m和坝址上游500 m断面超标的因子为石油类，坝址下游500 m超标的因子为总氮、石油类，挖角乡政府断面超标的因子为总氮、石油类。超标的原因可能是当时上游得妥镇的生活污水排放污染所致。石油类指标在监测时间内的绝大部分断面都出现超标情况瀑布沟水电站水质监测断面超标的断面为汉源县下游、坝址，其中总铅、总镉都超出标准。总铅、总镉含量较高与当时工程区铅、锌等金属矿藏出露，石、土壤相应化学元素背景值高及沿河矿产品洗选、加工企业多有分布且含铅、镉废水未达标排放密切相关；总氮、总磷超标系受沿河城镇生活污水与农田径流污染所致。
2.1.2 大渡河干流水质历史综合回顾分析
根据地表水环境质量评价办法，收集到的大渡河干流地表水历史监测断面总数在5个以上时，根据断面水质类别比例法来评价其综合水质状况(见表4)。根据大渡河干流地表水历史监测数据和断面水质评价结果(见表5和表6) 共有32个监测断面，其中达标的有24个，不达标的断面有8个，Ⅰ—Ⅲ类水质比例为75% 无劣Ⅴ类水质，属于表4中“75%≤Ⅰ—Ⅲ类水水质比例<90%”的水质类别比例，据此判断大渡河干流历史总体水质状况为良好。
2.2 大渡河干流水质现状分析
2.2.1 大渡河干流断面水质现状分析
根据2020年9月下旬的实地采样得到的各断面监测结果(见表6) 依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002) 结合本次采样的实际情况，选取21个项目作为评价因子，对大渡河干流20个断面的水质进行评价。
根据2020年9月地表水水质采样分析数据(见表7) 选用单因子评价法按相应的评价标准计算得到大渡河干流上各水质监测断面的评价指数，如图2所示。
图2 2020年9月大渡河干流各监测断面地表水水质评价指数结果
地表水单因子法评价计算结果表明，大渡河干流地表水水质现状总体较好，具体情况如下：足木足河断面的铅、粪大肠菌群指标达到了Ⅲ类标准，其余指标均达到了Ⅱ类标准；双江口坝址下游断面的主要水质监测指标均达到了Ⅱ类标准，仅五日生化需氧量为Ⅲ类标准；金川坝址下游断面的总氮和五日生化需氧量指标达到了Ⅲ类标准，其余评价因子均达到了Ⅱ类标准；猴子岩坝址上、下游断面各项评价项目均达到了Ⅲ类标准；大岗山坝址上、下游断面的各项水质指标均达到了Ⅱ类标准；瀑布沟坝址各项评价项目在上游断面均达到了Ⅲ类标准，在下游断面均达到了Ⅱ类标准；深溪沟、枕头坝、沙坪二级、龚嘴和铜街子坝址上、下游断面以及大渡河干流下游末端断面的各项评价因子均达到了Ⅲ类标准。
2.2.2 大渡河干流水质综合现状分析
根据地表水环境质量评价办法，本次2020年9月大渡河干流地表水现场监测断面总数为20个，断面总数在5个断面以上，应使用断面水质类别比例法来评价其综合水质现状(见表4)。根据大渡河干流地表水现状监测的成果，20个监测断面水质类别均达到Ⅱ类或Ⅲ类(见表8) Ⅰ—Ⅲ类水水质比例为100%(≥90%) 据此判断大渡河干流目前总体水质状况为优。
3.1 大渡河干流实地调研发现水环境质量存在的隐患
2020年9月下旬，在对大渡河干流进行实地调研过程中，发现了一些与水环境相关的问题，主要表现在：(1)在大渡河流域沿岸，河道边堆放了较多的弃渣，且未采取有效的挡护措施，这种临河库不规范堆放的弃渣场，会对河库水质带来一定的险患；(2)多数水电站坝前及大渡河的部分支流，发现了大量漂浮垃圾，本次还没有进一步对水面下水流携带的悬浮垃圾进行排查，这些垃圾将对河库水质带来不利影响；(3)大渡河流域多数地段在汛期会发生不同程度的山洪泥石流灾害，如2020年8月30日在尼日河(大渡河的一级支流) 的甘洛县苏雄镇阿兹觉村河段，发生了大规模的泥石流灾害，尼日河主河段淤积严重，根据现场初步估算，在主河道的泥石流淤积量达50万m3以上，水流带动泥砂石进入尼日河汇口及下游。泥石流夹带大量的泥砂石进入河库，对大渡河干流水环境带来不利影响。
3.2 大渡河干流地表水水质监测存在的问题
截至目前大渡河流域的水环境监测，多限于人工采集水样送实验室分析，自动化程度不高，现有的监测数据价值难以体现。流域目前的水环境监测体系存在的问题具体表现为：(1)缺少大渡河干流水电站排水污染源的监测；(2)各水电站的监测项目、方法和频率不统一，相关的水电站之间没有建立数据共享，不同水电站的水质监测数据无法进行综合分析和对比；(3)大渡河流域属多家水电企业共同经营管理，致使大渡河干流的水环境统一监测管理有一定的难度；(4)人工采集水样再送达实验室分析送样时间长，难以针对突发的水体污染事件做出及时响应，这无疑不利于突发性的水体污染事件得到及时处理。
4 大渡河干流地表水自动监测初步构想为了确保环境的可持续性，拥有有效的水质监测体系至关重要。针对大渡河干流现有的水环境监测存在的问题，创新地提出了在大渡河干流构建水质自动在线监测体系。水质自动监测相比于将水样送至实验室分析有较多的优势，且在我国地表水水质监测中得到了有效的应用 构建科学可实施的大渡河水质自动在线监测体系，一方面可以为大渡河生态调度决策提供及时、准确的水环境基础数据，另一方面也可为有效处理突发性水污染事件，保障水安全提供强有力的理论与技术支撑。具体水质自动监测方案如下：
首先在大渡河干流选择一个代表性水电站进行水质自动监测试点。经现场调研，建议以瀑布沟水电站作为代表，分别位于回水的最末端上游、水库回水区中部(代表水库库中区)、水库大坝上游(距水库大坝100 m左右处)和坝后的适宜位置设置自动监测断面，断面布设如图3所示。如果代表水电站安装的水环境自动监测设备运行效果好，则在大渡河干流其它已运行水电站均布设水环境自动监测断面，对大渡河干流进行全面水质自动监测。
图3 大渡河干流典型水电站的水质自动监测断面布置示意
依据具体断面的监测目的及大渡河干流水质特点来确定监测项目，地表水质监测通常选择水质常规参数(水温、pH值、溶解氧、电导率及浊度)、有机物综合指标(高锰酸盐指数、总有机碳)及氨氮，水库河段水质监测增加总氮、总磷和叶绿素a。根据具体河段的污染特征还可增加监测项目。监测频次可以根据监测仪器对每个样品的分析周期来确定，最低监测频次须满足环境管理和水质分析的需要。在污染事故阶段或水质有明显变化期间可设置较高的监测频率；在以上条件允许时，还需充分考虑水质自动监测站运行的实用性和经济性，尽量降低运行费用。根据水质自动监测系统实际运行情况，监测频次建议设置为每4 h监测一次，当发现水质状况明显变化或发生污染事故期间，应将监测频率调整为每小时一次。能连续监测的项目(如水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度等)可实时采集数据。
5 结果讨论5.1 大渡河干流地表水水质未因水电梯级开发而变差
为了对大渡河干流地表水水质进行科学客观的评价，于2020年9月下旬对大渡河干流从上游至下游布设了20个采样断面，采取统一的采样方法、监测指标、实验室分析方法等，首次对大渡河干流水环境进行全面系统调查。本研究在进行单因子法评价时结合大渡河干流的水域功能区划，以所有评价项目中最差的单项结果所对应的类别作为水质结果，评价过程虽较为严苛，但非常直观地反映出水域是否满足功能要求。各断面水质达标情况中仅有足木足河、双江口坝址下游和金川坝址下游断面少数水质指标不达标，这些断面中超标的指标主要是粪大肠菌群和BOD5等，但是均满足Ⅲ类水质要求。分析认为，相应监测断面上游流经多个集镇和村庄，超标与周边农村和集镇生活污水直接排放有关，而其余各监测断面水质均符合标准。
采用流域水质综合评价方法可得出大渡河干流水质总体状况，结果显示：Ⅰ—Ⅲ类水质比例100% 无劣Ⅴ类，水质状况为优，将本次评价结果和历史水质情况对比分析，历史水质情况中Ⅰ—Ⅲ类水质比例为75% 水质状况为良好，本次水质评价结果较历史情况有了一定的改善，总体水质由良好转为优。本研究选取的20个监测断面，在建水电站涉及双江口和金川两个水电站，另外，其余监测断面均为已建水电站。总体而言，各监测断面水质总体较好，均为Ⅱ类水质或Ⅲ类水质，总体上大渡河干流各水质监测断面水环境质量较好，干流综合水质状况为优，在建水电站施工期和已经投产发电水电站运行期的环保措施落实到位，表明水电站的建设和运行没有引起大渡河干流水质变差。
5.2 大渡河流域水环境综合治理有待进一步强化
由于大渡河流域涉及青海和四川两个省份，仅四川省境内就涉及甘孜州、阿坝州、凉山州、雅安市、乐山市等地区，流域内各区域、各部门在水环境治理、水资源开发利用、生态环境保护等方面的目标与要求不同，难以协调管理。大渡河流域水环境现代管理体制、机制、制度建设等尚待建立与完善。
另外，在大渡河干流的水电梯级开发，涉及多家水电开发企业，如干流(四川境内)规划建设27级水电站，虽然是由国能大渡河流域水电开发有限公司为主对其水电资源实施开发，但是还有其它水电开发企业对大渡河干流水电资源进行开发，这无疑会影响大渡河流域的水环境及生态环境综合治理工作。由水电开发企业共同组成统一的大渡河干流水环境综合整治体系机构等尚待建立。
5.3 大渡河流域水环境现代化监管水平有待提高
当前大渡河流域(包括干流)水环境监管主要依靠传统手段，而水质自动监测技术、5 G、物联网、卫星遥感、互联网 、大数据等先进信息技术应用很少。流域水环境治理能力和管理支撑的专业人员规模不足、设备缺乏、队伍素质有待提升。水环境监测网络覆盖不足，软件与硬件亟待加强，水环境监管基础薄弱，水环境监管和突发水污染事件应急响应体系亟待完善。
另外，大渡河干流水电梯级开发形成的高坝，如双江口水库设计最大坝高达314 m 水电站运行发电后，其水库水体内部易形成上层清、下层浑、底层淤的水质分布格局；相比梯级水电开发前，水体污染物向下游及库底的输移规律也将改变。以往大渡河干流水质监测集中于表层，难以客观掌握水库水质污染分布，针对这一问题，应积极探索库区水质动态分层(包括水体上层、中层、下层及沉积物)监测方案。
6 结 论(1)通过对比大渡河干流2020年9月的水质监测数据和收集到的历史监测数据，分析表明，大渡河干流地表水水质类别Ⅰ—Ⅲ类比例为100% 总体上当前水质总体较好，水电梯级开发建设未使干流水质变差。
(2)实地调研发现大渡河干流河库两岸存在不规范堆现象，大坝前大量的漂浮垃圾，汛期的山洪泥石流灾害携带大量的泥砂石进入河流等问题，均会对河流水质产生不利影响。大渡流域水环境综合治理，必须科学逐步排除这些隐患。
(3)当前大渡河干流的水质监测，多为人工采集水样再送至实验室分析，且监测项目、方法和频率不一致，监测数据不共享。基于此，大渡河水质自动在线监测体系急需构建。另外，大渡河水电资源由国能大渡河流域水电开发有限公司等多家企业共同开发，多家水电企业组成的大渡河流域水环境综合整治体系机构尚待建立。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
