1 引言
閘壩是輔助人類開發管理水資源的重要工具，其使用歷史一直可以追溯至五千年以前.目前，我國的一些河流由于閘壩眾多，受人類影響十分強烈，其自然屬性已非常微弱，特別是對于人口密度較大、生產生活相對集中、水質污染較嚴重的流域(如淮河流域)，閘壩對河流水環境和生態的影響越來越大.如果閘壩(或水庫)調度不當，常常會導致突發性污染事故發生，破壞河流生態環境，影響當地居民的正常生活和生產.因此，研究閘壩調度對污染河流水環境的影響，有利于提高管理者調度閘壩的水平，減少水災害事故的發生，為人水共處提供和諧的環境.
國際上，人們對于閘壩影響的認識主要經歷了兩個階段：一是20世紀60—90年代，對于閘壩的研究側重于對物質能量傳輸、河道結構和指示生物種群影響等方面;二是21世紀以后，許多專家學者對如何通過調度管理使閘壩發揮更多的積極作用，避免其負面影響有了更深刻的認識.隨著閘壩對河流水質影響程度的增加，國內外學者對此開展了大量的研究.國外學者從閘壩對河流流量、河道結構、水環境容量、水生物種和生態系統多樣性的影響等方面進行了分析研究，同時也研究了利用數值模擬技術分析閘壩對河流水環境的影響.國內學者則在模型研究、閘壩調度影響、實驗研究等方面開展了一系列的工作.在模型研究方面，多是在已有閘壩河道水質模型的基礎上，考慮不同的影響因素，如蓄水量的變化、水質沿程變化，提出了新的閘壩河道水質模型;也有在研制水閘調度影響模型的基礎上，對不同情景進行模擬計算，進而評估水閘調度對河流水質變化的影響;亦有利用較為成熟的水文模型(如SWAT水文模型)，結合一定的水量水質模型，分析閘壩開啟污水下泄對下游水質的影響.在閘壩調度影響方面，曾有學者根據揚州古運河瓜洲閘的實際運行狀況，在此基礎上對古運河的水質進行預測，較好地反映了閘壩的不同運行方式對污染物在河道中稀釋、擴散和運動的影響.在實驗研究方面，國內學者既進行了模型實驗研究又開展了現場實驗研究.模型實驗方面，主要是利用明渠水槽模擬河段，設置上游水閘，模擬分析不同的水流、不同的閘門開啟條件下，閘門運行對水流情勢和污染物遷移轉化的影響;在現場實驗方面開展的研究較少，但也有學者曾在沙潁河槐店閘進行了現場實驗，研究了槐店閘不同調度方式下的水體和底泥污染物變化規律.
閘壩調度對于處理現有河道污染問題發揮著重要的作用，但閘壩調度對河道污染的影響仍然存在一些科學問題沒有解決，特別是缺乏相應的現場實驗研究.例如，閘門調度方式對河道污染物沿程分布的影響?污染物在底泥、水、懸浮物等不同介質之間的轉化情況?本文在前期研究及2010年兩次現場實驗的基礎上，設計并開展了一次系統的閘壩調度對污染河流水環境影響綜合現場實驗，與前兩次現場實驗相比增設了懸浮物濃度、藻類等監測指標，研究槐店閘閘門不同調度方式下的水體、懸浮物和底泥污染物變化規律，這對進一步開展閘壩調度綜合實驗，構建閘壩作用下河流水環境模型，分析閘壩作用規律，實施閘壩科學調度都具有重要的指導作用.
2 實驗設計及過程
2.1 實驗目的及實驗場地選擇
本次實驗目的在于調查分析閘壩調度對閘控河段水流情勢的影響作用，收集不同調度方式下的水動力特征參數;監測閘壩在各種運行情況下的水質濃度時空分布過程，研究污染物在水體、懸浮物、底泥等不同載體之間的轉化規律;提出閘壩調度對水環境的作用機理，分析在不同調度方式下的污染物轉化驅動機制.
沙潁河作為淮河的典型支流，具有流域內閘壩眾多、水污染事故多發、防洪防污矛盾突出等顯著特點，同時其也是淮河流域污染最為嚴重的一條支流，廢污水量和COD的排放量分別占淮河干流的40%以上，被稱為淮河水質好壞的“晴雨表”.而槐店閘在沙潁河流域處于一個十分重要的位置，對于沙潁河流域的防洪防污聯合調度具有重要作用，被形象地稱為沙潁河出境水質好壞的“晴雨表”.通過前期研究的實地考察發現，槐店閘的結構、槐店閘上下游河段周圍的水力學條件、水環境狀況等適宜開展閘壩調控影響實驗，同時，在槐店閘已開展過兩次閘壩調度影響現場實驗，為了保持實驗研究工作的延續性，本次實驗場地仍選在沈丘縣槐店閘.
沙潁河槐店閘位于河南省周口市沈丘縣槐店鎮，上距周口市60 km，下距豫皖邊界34 km，控制流域面積28150 km2.淺孔閘(18孔，每孔寬6 m)于1959年興建，深孔閘(5孔，每孔寬10 m)于1969年興建.深、淺孔兩閘設計防洪流量為20年一遇(3200 m3 · s-1)，校核防洪流量為200年一遇(3500 m3 · s-1).設計灌溉面積達6.6萬hm2，正常灌溉水位38.50~39.50 m，最高灌溉水位40.00 m，正常蓄水量為3000萬m3~3700萬m3，最大蓄水量為4500萬m3.槐店閘主要由淺孔閘、深孔閘、船閘三部分組成，淺孔閘長期保持小流量下泄，深孔閘只在洪水期供泄洪使用，船閘為正常通航使用.水流受到閘門的阻擋，閘前流速小，有利于污染物的沉降;閘后有消能、曝氣工程，有利于污染物的混合與降解.
2.2 實驗方案設計
實驗方案設計主要內容：①依據槐店閘的允許調度能力，設定不同的閘壩調度方式;②確定實驗范圍，布設監測斷面和監測點;③設計具體的實驗操作方法，包括水體樣品、上層覆水樣品、底泥樣品的采集及保存方法，岸邊監測、室內檢測等方法，以及水深、流速等測量方法;④監測槐店閘淺孔閘在不同調度方式下的水體、懸浮物和底泥污染物濃度時空分布過程、分析閘壩調度對污染物濃度變化的作用機理.
實驗研究范圍包括自槐店閘閘上公路橋至下游槐店水文站控制斷面的河道，監測范圍達2300 m.實驗中沿用前兩次實驗布設的斷面(略有調整)，共設置5個監測斷面(Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ)、5個監測點(1#、5#、7#、12#、13#)，進行7次系統采樣，共采集28個水樣、3個底泥樣和4個上層覆水樣.現場對每個水樣進行pH值和水溫測定，對部分水樣進行氨氮(NH3-N)和化學需氧量(CODCr)檢測，同時利用HACH水質監測組件和Hydrolab DS5藻類自動監測儀器對閘上下游水質進行了監測.監測的采樣斷面及采樣點布設情況如圖 1所示.
圖 1 現場實驗中采樣斷面及采樣點布設示意圖
2.3 實驗監測取樣過程
2013年4月5—8日，在槐店閘實驗現場進行實驗.按照實驗設計及計劃，將實驗團隊分成了閘上監測組、閘下監測組、岸邊監測組和室內檢測組4組，每組使用不同的監測設備，承擔不同的監測任務.閘上監測組的監測區域主要在槐店閘上游Ⅰ斷面(槐店閘閘上公路橋以上數十米、排污口以下數米處)和Ⅳ斷面(閘前10~20 m)之間，監測項目包括水體取樣(表層水和上層覆水取樣)、底泥取樣和水動力指標監測.閘下監測組的監測區域為Ⅵ斷面(閘后河流匯合前5 m處)和Ⅶ斷面(閘下水文站斷面處)之間，現場監測過程中，先由閘上監測組依次對Ⅰ斷面和Ⅳ斷面進行水質監測，再由閘下監測組依次對Ⅵ斷面和Ⅶ斷面進行水質監測，各斷面的水質監測之間有一定的時間間隔;監測項目包括水體取樣(表層水取樣)、底泥取樣和水動力指標監測.岸邊監測組分別在閘上左岸水文信息站處和閘下消力池左岸，對pH值、水溫、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、電導率和藻類(PCY)等進行監測.室內檢測組主要對取回的部分水樣進行檢測，檢測指標主要包括水體pH值、CODCr和NH3-N.具體實驗監測過程如表 1所示.
表 1 實驗監測取樣過程
2.4 實驗儀器與監測方法
實驗儀器：PHS-25型pH計、LGY-Ⅱ型智能流速儀、HSW-1000DIG型便攜式超聲波測深儀、溫度計、DR2800型CODCr檢測儀、PC-Ⅱ型便攜式氨氮測定儀、HACH水質監測組件、Hydrolab DS5儀器、自制抓斗式底泥采樣器、自制上層覆水采樣器、聚乙烯水壺、塑料袋等.
水樣監測：在現場利用流速儀、測深儀和溫度計對采樣點的流速、水深及水溫等參數進行監測，同時用聚乙烯水壺取相應監測點表層水樣，取樣深度為0~0.2 m.取樣后現場測定水樣的pH值、NH3-N濃度值和CODCr值，并統一送回實驗室進行水質分析，分析項目為高錳酸鹽指數(CODMn)、NH3-N、五日生化需氧量(BOD5)、硝酸鹽氮、總磷(TP)和總氮(TN)，分析方法參照《水和廢水監測分析方法》和水環境監測規范.此外，利用HACH水質監測儀器對水體中的DO、ORP、電導率、葉綠素a和藻類等指標進行監測.
底泥上清液監測：用自制抓斗式底泥采樣器采集河底沉積物的表層樣品，采樣深度為0~0.15 m，置于塑料袋中密封保存.取樣后取新鮮底泥100 g平鋪于燒杯底部，置于連續攪拌裝置上進行攪拌，攪拌的同時緩慢均勻加水500 mL.加水后持續攪拌30 min，攪拌后靜置1 h，取上清液，再測定CODMn、NH3-N、硝酸鹽氮、TP和TN，分析方法同上.
懸浮物監測：利用自制的上層覆水采樣器，獲取距離河底約0.15 m處的懸浮物樣品，置于聚乙烯水壺中密封保存.取樣完成后將樣品送至實驗室進行檢測，取500 mL水樣過濾，獲得相應的懸浮物含量，之后將過濾出的懸浮物溶于250 mL純水，并置于連續攪拌裝置上攪拌30 min，取上清液分析，測定懸浮物含量及其中CODMn、NH3-N、硝酸鹽氮、TP和TN等指標的含量，分析方法同上.
3 結果與分析
3.1 水質變化規律分析
為了進一步分析不同調度方式下各監測斷面污染物濃度的變化趨勢，選擇閘上干流(Ⅰ斷面)、閘上淺孔閘附近(Ⅳ斷面)、閘下三級消力坎末端(Ⅵ斷面)、閘下干流(Ⅶ斷面)4個代表性監測斷面，但受到現場條件和時間的限制，部分指標只監測了3個或2個斷面，在閘門不同調度方式下將各監測斷面監測的污染物濃度點繪在同一個圖中，實驗結果如圖 2所示.
圖 2 銳鈦礦TiO2不同調度方式下各污染物濃度變化情況
從圖 2中可以看出，實驗中各監測斷面的水質情況具有以下特點：①CODMn處于Ⅱ~Ⅲ類水水平，NH3-N濃度處于Ⅳ~劣Ⅴ類水水平，BOD5處于Ⅲ~Ⅳ類水水平，TP濃度處于Ⅲ類水水平，TN濃度處于劣Ⅴ類水水平，總體水質處于Ⅴ類水水平，水質僅能滿足河流沿岸的農業灌溉需求;②在多數調度方式下，CODMn在閘前持續上升，到閘門附近升至最高，閘門至三級消力坎末端斷面下降，三級消力坎末端至水文站斷面又逐漸上升，只有4孔70 cm調度方式的變化情況與之相反;多數調度方式下，NH3-N濃度的變化表現出與CODMn不同的變化趨勢，但調度方式8孔30 cm和0孔0 cm的變化情況與之相同;BOD5和TN濃度值受到閘壩調度方式的影響較小，變化率均在10%左右，而硝酸鹽氮和TP受到閘壩調度方式的影響較為明顯，如8孔30 cm調度方式情況下，硝酸鹽氮濃度有個明顯的升高過程，濃度值增加了1倍左右.同時，從圖 2中還可知，在4孔10 cm的調度方式下，水體中的NH3-N從Ⅰ斷面到Ⅶ斷面總體上呈下降趨勢，而硝酸鹽氮呈現逐步升高的趨勢.這主要由于水體中DO濃度較高，且pH值在7.7左右，有利于硝化作用的進行，促進了NH3-N向硝酸鹽氮的轉化，表明了在該調度方式下水體已經趨向自凈.因此，在本實驗條件下，槐店閘日常調度時可參照其調度方式運行.
在對河流中各監測斷面水體進行監測的同時，利用HACH水質監測儀器在河流岸邊對表層水體中的ORP、DO、電導率、葉綠素a和藻類等指標進行了監測，主要研究閘壩的不同調度方式對水體中藻類等指標的影響，各指標監測值隨調度方式的變化情況如圖 3所示.
圖 3 各監測指標隨調度方式的變化情況
從圖 3可知，ORP、電導率及藻類含量等指標在閘上和閘下具有相同的變化趨勢，但在數據變化程度及具體數值等方面略有不同.在各調度方式情況下，上下游監測點的ORP值相差不大，只有閘門全關調度方式下兩者相差較大，此時閘下水體呈現了還原性，不利于水體中有機物的分解.水體電導率能夠反映出水的導電性，水的導電性又能夠反映水體溶解性總固體濃度的大小，而溶解性總固體值表示水中溶解物雜質含量，其值越大，說明水中的雜質含量大，反之，雜質含量小.從電導率子圖可以看出，閘門小開度或關閉情況下，閘下水體經過閘壩調度的調節，水中雜質含量有個明顯減小的趨勢.由藻類含量子圖可知，在閘門大開度時(6孔50 cm和4孔70 cm)的情況下，閘上的藻類值要大于閘下的值，這可能是由于閘下的水流速度較大，不利于藻類的生存;而在閘門小開度甚至關閉時，閘下藻類監測值要大于閘上的值，造成這種現象的原因可能是閘下流速變小且水深較淺，更利于藻類的生存.
閘上和閘下DO和葉綠素a監測值的變化情況差別較大.DO的閘下數值要明顯大于閘上的數值，閘下DO濃度處于Ⅰ類水水平，而閘上DO濃度則是處于Ⅱ類水水平，這充分表明了閘壩調度對水體中DO濃度產生較大的影響，促進了水體中DO濃度的增加.而葉綠素a的變化過程同樣表明了閘壩調度對其也產生了較大影響，根據國內學者對營養狀況的劃分標準，閘上水體處于中-富營養狀態，而閘下水體則處于中-富營養~富營養狀態，在調度方式為4孔10 cm和閘門全關的情況下，閘下葉綠素a濃度值要明顯大于閘上濃度值，此時水體處于富營養狀態，這說明小流量和靜水情況下更利于葉綠素a的“生存”.
3.2 底泥變化規律分析
為了進一步了解閘壩調度對底泥產生的影響及底泥與水體的交換作用，在4月5日下午(閘壩調度方式為8孔30 cm)，對閘壩上下游的Ⅰ、Ⅳ和Ⅶ 3個斷面分別進行了底泥取樣，作為研究的背景值，各監測指標濃度值隨監測斷面變化情況如圖 4所示.
圖 4 底泥中各污染物濃度隨監測斷面的變化情況
由圖 4可知，硝酸鹽氮、TP和TN在閘壩前后河段經歷了先升高后下降的變化過程.造成這種現象的原因主要是：①水流由于受到閘門擋水作用的影響，流速逐漸變緩，水體中的泥沙等固體顆粒物發生沉淀;在來水水質較差時，水體中的污染物會隨著固體顆粒物一起沉積，進而造成閘前底泥中污染物含量的增加;②水體流經閘孔泄入閘后消力坎這一過程中，水流沖刷作用強烈，固體顆粒和污染物很難發生沉降，無需考慮底泥污染;③閘后三級消力坎至閘后干流范圍內，河流中心的流速最大，這一區域內污染物固體顆粒沉降速度較慢，底泥受污染的程度較閘前小很多.但是，CODMn和NH3-N濃度的變化情況明顯與上述過程不符，其在閘前河段有個明顯的下降趨勢.
3.3 懸浮物變化規律分析
本次實驗中，對閘上淺孔閘附近采樣點進行了懸浮物取樣，主要是為了分析不同閘壩調度方式下閘前懸浮物污染物含量的變化情況，分析閘壩對上層覆水的影響.在閘門不同開度的調度方式下將該監測點的各種污染物濃度點繪在同一個圖中，各監測指標濃度值隨調度方式的變化情況如圖 5所示.
圖 5 懸浮物含量及其中各指標濃度值隨調度方式的變化情況
由圖 5可知，雖然各監測指標隨著調度方式的改變，其變化趨勢出現了一定的波動，但整體上都呈現下降的趨勢.在8孔30 cm的調度方式下，懸浮物含量和污染物濃度值都比較大，但隨著調度方式的改變，閘門前后的流速和流量發生了變化，造成了懸浮物含量及其污染物濃度的變化，但部分污染物濃度最小值不是出現在閘門全關的調度方式下，而是出現在4孔70 cm的調度方式中，但此時懸浮物含量則要明顯大于閘門全關調度方式時的值.造成這種現象的原因可能是水流對懸浮物的擾動較大，加快了污染物的釋放，造成了懸浮物中的污染物濃度降低.
3.4 污染物在不同介質間的變化規律分析
在現場實驗監測過程中，為了分析污染物在不同介質之間的變化情況，對閘前受到閘壩調控影響最大的Ⅳ斷面分別進行了底泥、懸浮物和水體的取樣和監測，其污染物濃度變化情況如圖 6所示.在現狀調度方式(8孔30 cm)條件下，水體可能對底泥產生了沖刷，加速了底泥的再懸浮和污染物的釋放，進而造成了水體污染物含量增加.如圖 6所示，在Ⅳ斷面7#監測點除了監測指標TN和TP之外，其他指標濃度大小的順序為：懸浮物<底泥<水體，這就說明了水體的擾動能夠促進底泥和懸浮物中污染物的釋放，造成水體的二次污染.
圖 6 Ⅳ斷面不同樣品中污染物濃度變化情況
3.5 閘壩對污染物運移規律的影響分析
為了分析閘壩對污染物運移規律的影響，根據實驗中布設的監測斷面，將槐店閘上下游河段劃分為3個典型河段，對比分析了閘壩在不同調度方式下典型河段的水質變化情況.從前文分析結果可以看出，調整閘門開度以后，典型河段的水質變化情況出現了較大的差異，改變了原有污染物濃度的變化趨勢.受到閘壩泄水對底泥和懸浮物的擾動作用，能夠使吸附在固體顆粒上的污染物與水體發生物質交換，促進固體顆粒上的污染物向水體釋放，形成二次污染.根據本次實驗的監測過程和監測數據可知，底泥和懸浮物的二次污染主要受到以下兩方面因素的影響.具體參見污水寶商城資料或http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
3.5.1 流量
根據實驗監測結果，當河流流量較小(閘門開度較小或開啟的孔數少)時，即河流流速小于泥沙起動流速，河流底泥和懸浮物不易起動，河流底泥或懸浮物釋放污染物的速率較小，多以靜態釋放為主，且在一定流速范圍內，污染物的釋放速率不隨流速變化而改變;當閘壩下泄流量較大(閘門開度大或開啟的孔數多)時，即河流流速大于泥沙的起動流速，會造成底泥和懸浮物的劇烈擾動，加速其中污染物的釋放.正如圖 6中各監測結果所示，大流量條件下(8孔30 cm)能夠促進底泥和懸浮物中污染物的釋放.因此，槐店閘日常調度時應保持小開度(如實驗中的4孔10 cm)下泄水流.
3.5.2 水深
水深在一定程度上會影響水流的沖刷強度，在相同流量情況下，水深較大時，水流對河床的沖刷作用較小，底泥和懸浮物中污染物的釋放速率也較小;水深較小時，水流就會對河床產生沖刷，促進底泥的再懸浮，加速底泥和懸浮物中污染物的釋放，使水體二次污染的程度加重.正如圖 2監測結果所示，多數調度方式下，閘上Ⅳ斷面處的CODMn和NH3-N濃度值均大于Ⅰ斷面處的監測值，造成該現象的原因是由于閘前Ⅳ斷面處水深較小(5 m左右)，同流量條件下對底泥的沖刷要大于Ⅰ斷面(11 m左右)，加速了底泥和懸浮物中污染物的釋放;閘下Ⅵ斷面處的CODMn和NH3-N濃度值要小于Ⅶ斷面的濃度值，主要由于Ⅵ斷面水深小、流速大，水流對該處沖刷劇烈，底泥固體顆粒很難發生沉降，水體缺少了底泥中污染物的釋放，造成了該監測斷面濃度值較小.
4 結論
本文在淮河支流沙潁河上的槐店閘進行了閘壩調控水環境影響綜合實驗，監測了槐店閘在現狀調度方式和調度方式變化的情況下各監測斷面的水質、懸浮物和底泥污染物濃度，分析了不同閘門開度下閘壩調度對污染河流水質的影響，并探討了污染物在不同介質之間的變化情況.根據實驗結果分析可知：從各監測指標的變化趨勢來看，閘壩調度使各斷面水體中污染物濃度發生變化;隨著閘門調度方式的不同，各監測斷面污染負荷呈現不同的變化趨勢;閘壩調度和水質污染物濃度變化之間呈現了復雜的變化關系，這說明在研究污染負荷變化時，除了要考慮閘壩的調度方式之外，還應考慮上游來水來污情況和內源污染釋放等因素;底泥和懸浮物中污染物的釋放會受到流量和水深等因素的影響;部分監測點污染物濃度值變化情況與預計情況不太符合，需進一步開展相應的理論和數值模擬實驗研究.
