杨艳红 王 欣 白 璇

(北京市官厅水库管理处，河北 张家口 075441)

水库水质一直都是饮用水安全关注的重点问题，研究其时空变化特征、周期规律及影响因素，对了解水资源特性、开发利用水资源具有重要意义[1]。官厅水库是永定河流域防洪安全和生态调度的控制性枢纽，是北京的重要战略水源地，也是实现永定河全流域生态治理目标最重要的生态节点[2-3]。

官厅水库位于河北省怀来县和北京市延庆区境内妫水河与永定河交汇处，总库容41.60亿m3，永定河流域控制面积4.34万km2，主要入库支流包括洋河、桑干河、妫水河，上游来水变化对其水质水量有着重要影响。20世纪五六十年代，官厅水库水质良好，是京西工业区主要的供水水源和京西居民饮用水重要的来源[4]，之后水库上游地区工农业快速发展，农业灌溉退水、畜禽养殖排污及沿河工业与城镇居民生活污水的排放致使水质恶化，到80年代末期，库区水质已达不到生活饮用水水源地标准，于1997年被迫退出北京市饮用水供应系统。为改善流域水生态环境，2001年国务院批复了《21世纪初期(2001—2005年)首都水资源可持续利用规划》，相继开展了“官厅水库流域水质改善总体技术方案研究”“官厅水库流域水质改善关键技术研究”和“中德合作官厅水库流域水生态环境综合治理示范工程”。此外，从2003年开始，洋河水库、桑干河册田水库向官厅水库集中输水，以缓解首都水资源短缺的形势，官厅水库于2007年恢复成为北京市备用水源地。《北京城市总体规划(2016—2035年)》明确提出，有序实施官厅水库、永定河流域生态修复，到2035年恢复官厅水库饮用水源功能。根据《永定河综合治理与生态修复方案》，官厅水库建设了八号桥水质净化湿地和妫水河入库口水质净化湿地，结合官厅水库水源保护工程，控制周边地区污染物输入，减少农业面源污染，促进库区生态修复；并利用万家寨引黄北干线向永定河应急补水，改善流域水生态状况[5]。2019年官厅水库实测入库水量为3.42亿m3，其中，妫水河东大桥水文站入库水量0.34亿m3，永定河八号桥水文站入库水量3.08亿m3，其中黄河水占八号桥水文站入库水量的51%，占总实测入库水量的46%。2020年官厅水库实测入库水量为2.65亿m3，其中，妫水河东大桥水文站入库水量0.33亿m3，永定河八号桥水文站入库水量2.32亿m3，其中黄河水占八号桥水文站入库水量的22%，占总实测入库水量的20%。

1 数据与方法

1.1 研究范围

官厅水库水质监测断面见图1。延庆桥为妫水河入库代表站，八号桥为桑干河与洋河汇入永定河后的入库控制站，河口为永定河河口代表站，永1008东和永1000为永定河库区监测断面，妫1018+1、妫大桥为妫水河库区监测断面，坝后为出库控制站。桑干河和洋河来水均从八号桥断面沿程经河口进入官厅水库。水质监测数据来自北京市官厅水库管理处。

1.2 研究方法

1.2.1 水质评价

本文研究期内各水质指标所处级别根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)判断确定，延庆桥、西湖橡胶坝、八号桥和坝后断面具有河道特征，总磷的评价按照河流标准进行，其余断面均按照湖、库标准进行评价。评价依据《地表水环境质量评价办法》(试行)进行，水质类别评价根据每年12次监测数据的算术平均值与水质标准限制对比进行，总氮不参评。

图1 官厅水库监测断面

1.2.2 污染物通量计算方法

官厅水库常规水质监测频率为每月1次，官厅水库八号桥断面污染物年通量计算公式为

式中：N为污染物年通量,t；Ci为每月监测点位的平均污染物浓度,mg/L；Qi为每月监测点位的入库水量,亿m3。

1.2.3 数据分析

官厅水库水质时空聚类采用组间连接法、平方欧氏距离计算各断面水质的相似性，距离数值表示各断面水质的相似度，数值越大，各断面水质差异越大[8]。系统聚类分析、库区水质沿程变化及八号桥断面污染物年通量计算等通过IBM SPSS 19和OriginPro 9实现。

2 结果与分析

2.1 官厅水库水质时空聚类分析

2.1.1 水质空间聚类

官厅水库空间聚类采用2015—2020年各断面各水质指标6年的均值进行分析，聚类结果见图2。由图2可知在距离值为25处分为两组，空间聚类组Ⅰ：延庆桥、西湖橡胶坝、八号桥；空间聚类组Ⅱ：妫1018+1、妫大桥、河口、永1008东、永1000、坝后。表明官厅水库入库水质与库区水质、坝后水质具有空间差异性。

图2 官厅水库水质空间聚类

2.1.2 不同空间聚类基础上的年际聚类

图3 官厅水库水质空间聚类基础上的年际聚类

聚类分析是一种探索性研究方法，根据聚类结果解释各个断面6年来的水质相似性，具体分为3组或者5组，均根据聚类图可见大类确定。在结合上述空间聚类分组的基础上分别对聚类组Ⅰ、聚类组Ⅱ进行年际聚类，采用2015—2020年各断面、各水质指标年均值进行分析，聚类结果见图3。空间聚类组Ⅰ(延庆桥、西湖橡胶坝、八号桥)在距离值20处分为三组：2015—2016年延庆桥和西湖橡胶坝两个断面水质为一组；2017—2020年延庆桥和西湖橡胶坝两个断面水质为一组；2015—2020年八号桥断面水质为一组。其中延庆桥和西湖橡胶坝两个断面水质聚类呈现年际变化，与延庆区水污染治理有关；八号桥入库断面水质变化以两年为时间节点，2019—2020年聚为一组，与引黄生态补水相关性很大。空间聚类组Ⅱ(妫1018+1、妫大桥、河口、永1008东、永1000、坝后)在距离值为5处分为四组：2015年河口断面水质单独一组；2016—2017年河口断面水质为一组；2015—2020年坝后水质为一组；其他年份各断面水质为一组。除2015—2017年河口断面外，库区各断面水质未表现出明显的时空差异，可能是相对入库水量来说库区蓄水量较大，见表1，且上游来水水质和库区水质无显著差别，见表2，对库区水质影响相对较小；坝后断面水质主要受开闸补水、非补水期间坝后渗流等因素影响，使年际污染物相似度改变。

表1 官厅水库水量

2.2 八号桥入库断面水质及污染物年通量变化

2.2.1 八号桥入库断面水质变化

在TN不参评的情况下，八号桥断面水质2015年、2018年符合地表水Ⅳ类标准，2016年符合地表水Ⅴ类标准，2017年、2019—2020年符合地表水Ⅲ类标准，水质变化见图4。

图4 2015—2020年八号桥断面污染物浓度变化情况

2.2.2 八号桥入库断面污染物年通量变化

2.3 引黄生态补水对库区水质的影响

2.3.1 官厅水库水质现状

流域上游来水水量及水质、区间污染源及河流湿地等自净作用是影响官厅水库入流的主要原因[11]。官厅水库各断面2015—2020年水质类别见表3。由表3可知，官厅水库延庆桥断面水质从2015—2017年的Ⅳ类变为2018—2020年的Ⅲ类；西湖橡胶坝断面除2020年水质为Ⅳ类外，2015—2019年水质类别均与延庆桥断面相同；八号桥入库断面水质呈逐年波动性好转，2019年引黄生态补水以来入库水质均为Ⅲ类；河口断面除2015年水质为Ⅴ类外，2016—2020年水质类别均为Ⅳ类；妫水河库区和永定河库区断面水质均为Ⅳ类，尚未显现引黄生态补水的显著影响；坝后断面水质较好，除2019年外均为Ⅱ类水质。

图5 2015—2020年八号桥断面污染物年通量变化情况

表2 八号桥入库断面污染物年通量特征值 单位：t

表3 官厅水库各断面2015—2020年水质类别

2.3.2 官厅水库有机污染物沿程变化

化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(CODMn)和五日生化需氧量(BOD5)是检测水体中有机物含量的重要指标。官厅水库库区断面除2015年和2020年COD处于Ⅳ类标准外，以上3个指标其他年份均处于Ⅲ类水标准。由图6(a)、图6(b)可知，延庆桥断面2018—2020年COD和CODMn浓度明显小于2015—2017年，2018—2020年来水行至西湖橡胶坝、妫1801+1断面时COD和CODMn沿程浓度升高，至妫大桥断面浓度稍有降低。河口断面与八号桥断面相比，受入库口缓流水体富营养化影响，COD和CODMn浓度升高，除2016年和2018年外，永1008东断面COD浓度均有所升高，至永1000断面呈下降趋势；CODMn浓度变化稍有不同，从河口至永1008东断面CODMn浓度呈下降趋势，至永1000断面进一步降低。坝后有机污染削减显著，COD和CODMn浓度下降至地表水Ⅰ～Ⅱ类标准，比永1000断面分别降低了(25.62±10.66)%、(54.53±18.45)%，这与非补水期间的渗流影响有关。由图6(c)可知，除2016—2020年延庆桥、八号桥两个入库断面及西湖橡胶坝的BOD5基本处于Ⅲ～Ⅳ类标准外，库区各断面BOD5均维持在地表水Ⅰ～Ⅱ类标准；2017—2020年妫1018+1与西湖橡胶坝相比、河口与八号桥相比，BOD5浓度均显著降低，原因是河水进入库区后，水体在库区内有一定的水力停留时间，可生物降解的有机物在微生物作用下进行降解。官厅水库有机污染物沿程变化表明2019—2020年引黄生态补水对库区有机物变化未见特别明显影响。

图6 2015—2020年官厅水库有机污染物沿程变化情况

2.3.3 官厅水库氮元素沿程变化

图7 2015—2020年官厅水库氮元素沿程变化情况

2.3.4 官厅水库TP沿程变化

延庆桥、西湖橡胶坝、八号桥断面和坝后断面具有河道特征，TP按照河流标准进行评价。2015—2020年官厅水库TP沿程变化情况见图8。由图8可知，2015—2016年永定河、妫水河上游来水TP浓度偏高，延庆桥、西湖橡胶坝、八号桥断面为劣Ⅴ类，2017—2020年其他断面TP浓度均在Ⅲ类以上，入库水质越来越好。除2016年外，妫水河库区和永定河库区TP浓度均为Ⅲ类标准，坝后出水TP浓度根据河道标准限值评价为Ⅰ～Ⅱ类。

图8 2015—2020年官厅水库TP沿程变化情况(湖、库标准)

3 结 语