作者：肖新宗 郭芳 贾庆林 刘信勇 王超
 

摘要：自净过程是影响河湖水体水质变化的重要因素，污染物降解系数是决定水体自净能力的关键参数。定量分析长距离输水过程中渠道本身的自净作用，对于认识总干渠水质变化过程，区分其他外源因素对水质变化的影响都有着重要意义。以高锰酸盐指数和氨氮为研究对象，采用室内实验模拟的方法测定了南水北调中线输水总干渠典型断面的污染物降解系数，并将模拟的自净衰减过程与水质实际变化过程进行对比。结果显示：① 总干渠污染物降解系数k相对天然河流处于较低水平，陶岔断面k_CODMn为0.055 d^-1，k_NH3-N为0.003 d^-1，郑湾断面k_CODMn为0.049 d^-1，k_NH3-N为0.003 d^-1，大安舍断面k_CODMn为0.032 d^-1，k_NH3-N为0.009 d^-1；考虑到高锰酸盐指数实际组分复杂，渠道降解系数较模拟结果可能更低。② 模拟的自净衰减过程受温度、流速的影响较大，不同条件下总干渠高锰酸盐指数将从1.8 mg/L下降至0.228～1.042 mg/L，氨氮浓度将从0.034 mg/L下降至0.026～0.030 mg/L。由于存在藻源性、大气沉降和坡面径流等外源输入增量，总干渠沿程实测高锰酸盐指数介于1.8～2.4 mg/L之间（2019年），基本维持稳定；氨氮浓度介于0.029～0.096 mg/L之间（2019年），有升高趋势。理想条件下，自净作用最大能够消减高锰酸盐指数增量的81.81%，消减氨氮增量的30.37%。研究成果可为深入认识南水北调中线总干渠输水过程中水质沿程变化提供参考。

关 键 词：污染物降解；自净过程；高锰酸盐指数；氨氮；降解系数；模拟实验；南水北调中线总干渠

中图法分类号：TV68；X52

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.007

0 引 言

南水北调中线工程是华北地区的重要水资源战略配置工程，水质安全决定了工程成败^［1］。中线工程总干渠全长1 432 km，长距离输水过程中，渠道本身的自净作用是影响渠道水质的重要因素。定量分析总干渠水质指标的自净过程，对于认识总干渠水质变化过程，区分其他外源因素对水质变化的影响有重要的意义。

污染物降解系数是决定水体自净能力的关键参数，国内外学者对河流污染物降解系数开展了大量研究。如陈炎等在多闸坝河流上，利用枯水期断面多年的氨氮同步监测资料估算出河南省境内淮河流域部分河流氨氮降解系数为0.080～0.340 d^-1［2］；王玲等通过现场追踪实验，测得滏阳河邯郸段不同水期的COD_Cr降解系数为0.270～0.437 d^-1［3］；游学静等采集闽江不同河段水样，利用室内实验模拟研究，得出闽江上游流域氨氮的平均降解系数为0.140～0.260 d^-1，中下游流域氨氮的平均降解系数为0.099～0.203 d^-1［4］。总体来看，已有的水体自净作用研究多针对长江、黄河等大流域或是天然水体的河流，对于南水北调中线总干渠这类大型人工输水渠道还没有系统的认识。虽然很多学者提出可以利用已有研究成果，根据地形、水文、水质等条件类比确定水体污染物降解系数^［5］，但人工渠道往往具有壁面硬化、生态系统稳定性差、微生物丰富度低等区别于天然河道的特点，可能造成总干渠水体污染物降解系数与天然河道具有较大的差异，相关经验值或者文献参考值可能难以准确反映总干渠水质指标的消减过程^［6］。

高锰酸盐指数和氨氮是河流水质监測以及水体自净研究的主要对象^［7-8］，本研究选择这两项基本指标，基于总干渠污染物的降解系数测定和自净过程分析，研究水体自净作用对高锰酸盐指数和氨氮沿程变化的影响，为深入认识南水北调中线总干渠输水过程中水质沿程变化提供参考。

1 研究区域概况

南水北调中线总干渠全长共计1 432 km，其中天津输水支线长156 km。总干渠渠首位于丹江口水库东岸的淅川县陶岔村，全线自流至渠尾北京市颐和园团城湖，地跨河南、河北、天津、北京4个省（直辖市），沿线无在线调节水库，具有自流输水和供水的优越条件，输水方式以明渠为主，局部采用管涵过水^［9］。为保障水质安全，工程设计通过立体交叉、封闭围栏、水源保护区，确立了中线工程三道防线。总干渠沿线还建立了日常监测体系，包括30个固定监测断面，断面位置布设见图1，其中河南省内16个，河北省内9个，北京市内2个，天津市3个，负责监测干渠沿线的常规水质指标。截至2023年8月，中线干线累计输水超过584亿m³，已成为京津冀豫地区的主力水源。

2 研究方法

2.1 样品采集

样品采样于2019年5月开展，分别于27个固定监测断面（天津市干线3个断面未采集）采集水样500 mL，并采用便携式水质仪（YSI，美国）测定水温、溶解氧和pH（表1）。将总干渠划分为前段（陶岔至郑湾）、中段（郑湾至大安舍）和尾段（大安舍至团城湖）3个区段，选取陶岔、郑湾、大安舍3个断面分别采集水样10 L，用于开展污染物降解系数测定室内模拟实验。上述样品均于4 ℃低温保存，送回实验室后立即测定高锰酸盐指数和氨氮。高锰酸盐指数的测定采用 GB 11892-89《水质 高锰酸盐指数的测定》，氨氮的测定采用GB 7479-87《水质 铵的测定 纳氏试剂比色法》。

2.2 降解系数测定

2.2.1 自净衰减过程模拟

总干渠污染物降解系数采用实验室模拟方法测定。室内培养方法如下：将水样转移到10 L的敞口玻璃容器中静置培养，先稳定培养3 d后再进行降解试验，培养温度为20 ℃。原水高锰酸盐指数和氨氮浓度均较低，直接培养难以分析水质指标的降解过程。因此通过添加葡萄糖和硫酸铵^［10-11］，调节高锰酸盐指数初始值拟定为15 mg/L，氨氮初始浓度拟定为4 mg/L。每隔1 d测定水体高锰酸盐指数和氨氮值，连续测定18 d。

2.2.2 降解系数拟合

对于水体中污染物浓度较低的降解过程，一般认为符合一级反应动力学模型^［12-13］，如式（1）所示：

C=C₀·exp（-kt）（1）

式中：C为t时刻污染指标浓度，mg/L；C₀为污染指标初始浓度，mg/L；k为降解系数，d^-1；t为污染物降解时间，d。

室内模拟实验为每隔1 d取样分析，由所得的浓度随时间变化绘制散点图，按照公式（1）对散点进行指数曲线拟合。散点图和拟合分析均在SPSS18.0中执行。

2.2.3 降解系数修正

实际水环境中，水流流动通过改变大气复氧过程和溶解氧的传输扩散过程影响污染物的降解速率，水流紊动越剧烈，水面与空气中的氧气交换速率越高，水体内部溶解氧的扩散和运输越快，污染物的降解速率越高^［14］。考虑到实验测定条件与实际水体的差异，对实验室测定下的降解系数进行水力及水温的修正，修正公式如式（2）所示^［15-16］：

式中：k_T为温度T对应的降解系数，d^-1；k_T0为温度T₀对应的降解系数，d^-1；θ为温度校正系数，研究探讨水温在10～30 ℃的情形，一般取值为1.045^［17］；v为渠段平均流速，m/s；h为渠段水深，m；a为河床活度系数，与河道坡度有关，由于干渠水力坡度较小，取值为0.03^［15］。

根据总干渠水温监测数据，各断面水温基本都在8～28 ℃之间，设置3个温度梯度（10，20，30 ℃）。总干渠运行以来输水流量、流速有所波动，各渠段由于分水，流速、水深也会有所变化。根据监测结果，2019年3月属于低流速输水期，2019年5月属于高流速输水期。因此以2019年3月和5月为例，将总干渠水深、流速分布设定低流速与高流速2个流速情景。按照总干渠水温和流速的变化设定6种不同的情景组合，对室内测得的降解系数进行修正。流速和流量分布如图2所示。

2.3 污染物沿程自净衰减过程

陶岔、郑湾和大安舍断面的室内降解系数分别代表3个区段内相应断面的室内降解系数，结合总干渠流速、水深分布，对其进行修正，结果如表2所列。

依据总干渠27个监测断面将总干渠视为26个渠段单元，各渠段单元的流速、降解系数取上游监测断面流速及降解系数。以陶岔断面的浓度为初始浓度，下游各断面的降解时间为上游所有渠段單元的累计过流时间，各渠段单元的过流时间由渠段单元长度除以对应流速所得。按照公式（1）模拟不同情景总干渠水体理想条件（没有外源输入）下的自净衰减过程，并绘制不同条件下水质指标的自净衰减趋势线。

2.4 自净作用对总干渠水质沿程变化的影响

将理想状态的衰减趋势与实际沿程浓度进行对比，分析自净过程对总干渠水质沿程变化的影响。由于采样监测工作在5月份开展，总干渠平均温度在20 ℃左右，故基于20 ℃高流速理想状态下的水体自净能力，对比总干渠有无自净作用时各水质指标沿程变化趋势。

将总干渠水质指标的沿程浓度变化视为渠首输入的本底浓度沿程增量以及水体自净三者综合作用的结果，如式（3）所示：

C=C_本底+ΔC_增量-ΔC_自净（3）

式中：C为水质指标实际监测浓度，mg/L；C_本底为水质指标本底浓度，即渠首陶岔断面的监测指标浓度，mg/L；ΔC_增量为水质指标渠道内源性增加和外界输入浓度，mg/L；ΔC_自净为水质指标自净消减浓度，即自净衰减曲线对应的浓度与初始浓度（渠首陶岔断面浓度）的差值，mg/L。

基于总干渠自净衰减曲线可以得到自净消减浓度ΔC_自净，因此可以基于式（3）计算增量浓度ΔC_增量。通过计算自净消减浓度占增量浓度比例ΔC_自净/ΔC_增量，定量分析自净作用对水质指标沿程变化的影响。

3 结果和讨论

3.1 高锰酸盐指数和氨氮降解系数

图3为陶岔、郑湾、大安舍3个断面培养水样的高锰酸盐指数和氨氮浓度变化情况。经过18 d的连续监测，高锰酸盐指数呈现出显著的衰减过程，其中陶岔断面由15.04 mg/L下降到5.41 mg/L，郑湾断面由14.48 mg/L下降到6.08 mg/L，大安舍断面由12.32 mg/L下降到7.09 mg/L。氨氮衰减幅度相对较小，其中陶岔断面由4.88 mg/L下降到4.45 mg/L，郑湾断面由4.05 mg/L下降到3.75 mg/L，大安舍断面由3.49 mg/L下降到3.02 mg/L。拟合结果显示，陶岔、郑湾、大安舍3个断面高锰酸盐指数降解系数k值分别为0.055 d^-1（p＜0.01）、0.049 d^-1（p＜0.01）、0.032 d^-1（p＜0.01），均为极其显著。氨氮降解系数k值分别为0.003 d^-1（p＜0.05）、0.003 d^-1（p＞0.05）、0.009 d^-1（p＜0.05），其中郑湾断面拟合k值统计结果不显著。相比高锰酸盐指数，总干渠水体对氨氮的自净作用很不明显，这可能是因为总干渠水体较为清洁，颗粒物较少，导致驱动氨氮自净的硝化细菌丰度不足，难以形成有效的氨氮自净效果^［18］。

表3为27个断面降解系数的修正结果。可以看出，总干渠在低温低流速条件下高锰酸盐指数的降解系数介于0.023～0.038 d^-1，氨氮的降解系数介于0.004～0.014 d^-1，高温高流速下高锰酸盐指数的降解系数介于0.054～0.090 d^-1，氨氮的降解系数介于0.009～0.021 d^-1。

与其他地区相比，中线总干渠水体高锰酸盐指数、氨氮降解系数相对较低。如郭儒等指出中国河流COD降解系数在0.009～0.470 d^-1之间，氨氮降解系数在0.105～0.350 d^-1之间^［7］；冯帅等测得太湖流域上游河网COD与氨氮的降解系数范围分别是0.021 6～0.197 4 d^-1和0.015 2～0.312 3 d^-1［19］。总干渠污染物降解系数较低，主要原因可能是渠底和边坡均采取硬化措施，土壤基质缺失导致难以形成完善的附着生物和底栖生境，生物相趋于离散态，不利于自净能力的增强^［20-21］。此外，总干渠作为引用水水源地，水质已优于GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中的Ⅱ类水质标准^［22］，低浓度的营养盐使得水体中生物群落数量较少。

3.2 总干渠高锰酸盐指数和氨氮沿程自净衰减过程

不同水温和流速条件下，总干渠水体高锰酸盐指数和氨氮的自净衰减过程如图4所示。理想状态下，总干渠高锰酸盐指数将从陶岔断面的1.8 mg/L衰减到团城湖断面的0.228～1.042 mg/L，氨氮将从陶岔断面的0.034 mg/L衰减到团城湖断面的0.026～0.030 mg/L。可以看到，流速和水温对总干渠水质指标的自净衰减过程都有明显的影响，如30 ℃条件下，高流速和低流速的高锰酸盐指数自净衰减曲线最大能够相差0.308 mg/L；低流速条件下，10 ℃和30 ℃的高锰酸盐指数自净衰减曲线最大能够相差 0.500 mg/L。

可见冬季时由于气温降低，干渠水体自净能力会明显变弱^［23］；对比不同流速，发现流速变化对总干渠污染物降解系数影响较小，这与干渠水流均匀，溶解氧含量较高，流速不会成为污染物降解系数的限制因素^［24］相吻合，反而相同温度下，流速加快，过流时间变小，使得微生物的降解反应时间缩短，水体流至各断面时污染物自净消减值有所降低。

另外，考虑到本研究降解试验是通过添加容易被生物降解的葡萄糖从而改变高锰酸盐指数的浓度，而渠道有机物的实际组成可能更为复杂，通常含有一定比例的木质素等难降解的部分^［25］，因此实际的降解系数可能较模拟试验的计算结果偏小，自净衰减幅度较理想的衰减曲线偏小。

3.3 自净作用对总干渠高锰酸盐指数和氨氮沿程变化的影响

总干渠水质指标实际沿程浓度变化与自净衰减曲线的对比结果如图5所示。监测结果显示，总干渠沿程高锰酸盐指数基本保持稳定，平均浓度为1.93 mg/L，其中团城湖断面浓度达到最高，为2.4 mg/L。沿程氨氮浓度波动较大，其中河南省境内（陶岔至漳河北）相对稳定，平均浓度为0.036 mg/L，河北省境内（南营村至西黑山）出现峰值，最高达到0.096 mg/L，北京市境内（惠南庄和团城湖）有所下降，团城湖断面浓度为0.045 mg/L。高锰酸盐指数和氨氮的沿程监测浓度与自净衰减曲线都存在较大差异，表明渠道沿程产生了部分营养盐和还原性物质增量。研究表明：渠道藻类易于繁殖^［26］，藻类生长代谢产生的藻源性有机物对高锰酸盐指数有明显的影响^［27］；另外，大气干湿沉降、渠道坡面和桥面径流等因素形成的外源输入也会导致水质指标沿途波动^［28-30］，与理想状态出现偏差。若忽略水体自净作用，即断面实测浓度加上由渠首陶岔至相应断面的累计理想自净容量，总干渠高锰酸盐指数将呈沿程稳定上升的趋势，最高能够达到3.495 mg/L。但氨氮自净能力不显著，因此氨氮变化幅度不大。表4给出了各断面的自净消减浓度、增量浓度及自净消减占增量浓度比例的计算结果。理想条件下，水体通过自净作用最大能够使得高锰酸盐指数消减0.016～0.995 mg/L，占高锰酸盐指数增量的平均比例为81.81%；使得氨氮消减0.000 1～0.004 mg/L，占氨氮增量的平均比例为30.37%。总体来看，自净作用对高锰酸盐指数的浓度沿程变化影响较大，而对氨氮浓度的沿程变化影响相对较小。

4 结 论

（1）选取陶岔、郑湾、大安舍3个断面进行南水北调中线总干渠高锰酸盐指数和氨氮降解系数测定，并通过对其修正，得出总干渠前段高锰酸盐指数降解系数为0.038～0.090 d^-1，氨氮降解系数为0.004～0.009 d^-1；中段高锰酸盐指數降解系数为0.035～0.081 d^-1，氨氮降解系数为0.005～0.009 d^-1；尾段高锰酸盐指数降解系数为0.026～0.059 d^-1，氨氮降解系数为0.010～0.018 d^-1。

（2）在无增量的理想条件下，自净过程将使高锰酸盐指数明显衰减，由初始的1.8 mg/L降低到0.228 ～1.042 mg/L，其中高温（30 ℃）低流速条件下衰减幅度最大。氨氮自净衰减相对较弱，由初始的0.034 mg/L降低到0.026～0.030 mg/L，其中高温（30 ℃）低流速条件下衰减幅度最大。

（3）总干渠沿程实测高锰酸盐指数介于1.8～2.4 mg/L之间，基本维持稳定；氨氮浓度介于0.029～0.096 mg/L之间，有升高趋势。理想条件下，自净作用最大能够消减高锰酸盐指数增量的81.81%，消减氨氮增量的30.37%。

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（編辑：刘 媛）

Study on water self-purification process in main channel of Middle Route

of South-to-North Water Diversion Project

XIAO Xinzong¹，GUO Fang¹，JIA Qinglin^2，3，LIU Xinyong¹，WANG Chao^2，4

（1.China South to North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Beijing 100038，China；2.Yangtze River Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China；3.Baowu Water Technology Corporation Limited Shanxi Branch，Taiyuan 030021，China；4.Key Laboratory of Ecological Regulation of Non-point Source Pollution in Lake and Reservoir Water Sources，Changjiang Water Resources Commission，Changjiang，430051，China）

Abstract：The self-purification process is an important factor influencing changes in the water quality of rivers and lakes，and the degradation coefficient of pollutants is the key parameter determining the self-purification ability of water bodies.The quantitative analysis of the self-purification function of the channel in long-distance water transport is of great significance for understanding the water quality change process and distinguishing the influence of other external factors on the water quality change.Using permanganate index （COD_Mn）and ammonia nitrogen （NH₃-N）as the research subjects，the pollution degradation coefficients of typical sections of main canal of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project were determined using indoor experimental simulation methods，and the simulated self-purification decay process was compared with the actual water quality changes.The results showed that：① The pollution degradation coefficients for the main canal were relatively low compared to natural rivers.The degradation coefficients of COD_Mnof Taocha，Zhengwan and Daanshe were 0.055 d^-1，0.049 d^-1and 0.032 d^-1respectively，while the degradation coefficients of NH₃-N were 0.003 d^-1，0.003 d^-1and 0.009 d^-1respectively.Considering that the actual components of the permanganate index were complex，the channel degradation coefficient may be lower than the simulation results.② The simulated self-purification decay process was significantly influenced by temperature and flow rate.Under different conditions，the permanganate index in the main channel decreased from 1.8 mg/L to a range of 0.228 to 1.042 mg/L，while ammonia nitrogen concentration decreased from 0.034 mg/L to a range of 0.026 to 0.030 mg/L.Due to the external inputs from algae，atmospheric deposition，and surface runoff，the permanganate index along the main channel ranged between 1.8 to 2.4 mg/L （in 2019），remaining relatively stable；while ammonia nitrogen concentrations ranged from 0.029 to 0.096 mg/L （in 2019），showing an increasing trend.Under ideal conditions，the self-purification process can reduce the average proportion of changes in permanganate index and ammonia nitrogen by 81.81% and 30.37%，respectively.The research results can provide a reference for further understanding the changes of water quality along the main canal of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.

Key words：pollutant degradation；self-purification process；permanganate index；ammonia nitrogen；degradation coefficient；simulation experiment；main canal of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project