大寧調(diào)壓池水質(zhì)評價及分析

王昕然

(北京市朝陽區(qū)通惠河水務(wù)管理所，北京 100025)

0 引 言

南水北調(diào)中線工程建成通水，增加了北京水資源總量，提高了城市供水安全保障率，改善了居民用水條件，在顯著改變首都水源保障格局和供水格局的同時，也為北京贏得了寶貴的水資源涵養(yǎng)期[1]。

南水北調(diào)中線干線工程從丹江口水庫引水，向北穿過黃河，經(jīng)河北省進(jìn)入北京，終點為團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池，全長1 267 km[2]。先期完成京石段應(yīng)急供水工程[3]，2008年起由河北黃壁莊、崗南、王快及安各莊水庫向北京應(yīng)急供水，至2014年4月累計供水16.06億m3。2014年12月起江水進(jìn)京，至2018年5月，進(jìn)京江水累計超過34億m3。

南水北調(diào)中線北京段工程由惠南莊泵站工程、北拒馬河暗渠工程、PCCP管道工程、西甘池隧洞和崇青隧洞工程、大寧調(diào)壓池工程、永定河倒虹吸工程、盧溝橋暗涵工程、西四環(huán)暗涵工程、團(tuán)城湖明渠工程等10余個單位工程組成[4]。其中，大寧調(diào)壓池是南水北調(diào)中線北京段的重要調(diào)節(jié)建筑物，主要作用是調(diào)節(jié)供水水位、供水流量，承擔(dān)進(jìn)城段和南干渠段輸水工程的分水任務(wù)，是南水進(jìn)京后首個能見水面的工程，其水質(zhì)狀況直接反映了進(jìn)京南水的水質(zhì)優(yōu)劣，對大寧調(diào)壓池的水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和科學(xué)評價，能及時掌握進(jìn)京南水的水質(zhì)狀況，對加強南水北調(diào)工程水質(zhì)保護(hù)，提高北京城市供水安全保障率有著重要意義(見圖1)。

圖1 惠南莊泵站-大寧調(diào)壓池工程示意圖

1 研究區(qū)概況

大寧調(diào)壓池工程高16.20 m，總?cè)莘e7.86萬m3，調(diào)蓄容量2.73萬m3，設(shè)計水位57.28 m，加大流量水位60.00 m，池底高程46.80 m，設(shè)5個出水口，其中2孔通往團(tuán)城湖，2孔通往南干渠，1孔通往大寧調(diào)蓄水庫[5]。調(diào)壓池整體布局取“天圓地方”寓意[6]，中間為鋼筋混凝土圓池，內(nèi)徑81.00 m，池外圍為正方形臺地(見圖2)。

圖2 大寧調(diào)壓池平面圖

2 研究方法

2.1 樣品的采集、選取與分析

大寧調(diào)壓池的水質(zhì)監(jiān)測工作由北京市南水北調(diào)水質(zhì)監(jiān)測中心負(fù)責(zé)，自2008年應(yīng)急通水后連續(xù)監(jiān)測至今(部分月份因停水檢修等原因停測)。根據(jù)大寧調(diào)壓池水面特點，選取池中略靠閘門處作為取水監(jiān)測點位(圖2)，監(jiān)測頻次為每月1次，汛期加密。采用便攜式多功能水質(zhì)速測儀測量常規(guī)物理指標(biāo)水溫、pH值以及耗氧指標(biāo)溶解氧，采用實驗室分析無機物指標(biāo)如氟離子、氰化物、氯離子、硫化物、硫酸鹽、汞，有機物指標(biāo)如揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑，耗氧指標(biāo)如高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量，營養(yǎng)鹽指標(biāo)如氨氮、硝氮、總氮、總磷，金屬離子指標(biāo)如鐵、錳、銅、鋅、硒、砷、鎘、六價鉻、鉛和生物學(xué)指標(biāo)糞大腸菌群共計28項，水質(zhì)分析和監(jiān)測嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)分析監(jiān)測方法進(jìn)行。其中，氟離子、氰化物、氯離子等指標(biāo)15項，在幾年監(jiān)測中均低于檢出限，不再進(jìn)行統(tǒng)計分析。還有部分監(jiān)測指標(biāo)的數(shù)據(jù)不連續(xù)，不進(jìn)行分析評價。本研究選取pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷6項指標(biāo)進(jìn)行分析和評價。

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)的處理與評價

選取的6項指標(biāo)采用每月監(jiān)測值進(jìn)行分析，一月多次監(jiān)測的取平均值。采用Excel 2007軟件對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，對低于檢出限的部分?jǐn)?shù)據(jù)，用1/2檢出限代替。采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評價，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[7]確定水質(zhì)類別。采用綜合污染指數(shù)法對各污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析[8]，計算方法如公式(1)、(2)：

Pi=Ci/C0

(1)

(當(dāng)污染指標(biāo)為溶解氧時：Pi=C0/Ci)

(2)

式中：Ci為某評價指標(biāo)監(jiān)測濃度值，mg/L；C0為某評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；i為評價指標(biāo)個數(shù)，i=1，2，3，……，n；Pi為第i項指標(biāo)的污染分指數(shù)；P為平均綜合污染指數(shù)；本研究C0取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類限值為標(biāo)準(zhǔn)值；綜合污染指數(shù)水質(zhì)分級見表1。

表1 綜合污染指數(shù)對應(yīng)水質(zhì)分級

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)指標(biāo)特征

2009～2017年大寧調(diào)壓池全年pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷的含量變化如圖3所示。pH值變化范圍為7.10～8.85，總體呈弱堿性；溶解氧含量變化范圍為5.73～17.40 mg/L，除2011年8月外，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；高錳酸鹽指數(shù)含量變化范圍為0.80～4.30 mg/L，除2011年7月外，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；氨氮含量變化范圍為0.012 5～0.256 mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；總氮含量變化范圍為0.50～4.56 mg/L，2015年之前總氮含量超標(biāo)較多，2015年之后總氮含量基本處在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)和Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)之間，改善明顯；總磷含量變化范圍為0.005～0.095 mg/L，除2011年4、6、7月外，均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，除2009年2、5、8、9月，2010年4月，2014年1、6、11、12月，2017年6月，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 水質(zhì)綜合評價

2009～2017年大寧調(diào)壓池水質(zhì)綜合評價結(jié)果如表2所示。主要污染指標(biāo)為總氮，2015年以前綜合污染指標(biāo)均大于1，2015年以后明顯改善；氨氮為清潔指標(biāo)；溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)在較清潔或輕污染水平浮動；總磷指標(biāo)變動較大，2011年為中污染指標(biāo)，其余年份為清潔、較清潔或輕污染指標(biāo)。

3.3 水質(zhì)指標(biāo)波動原因分析

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》[9]，總氮不參加水質(zhì)綜合評價，2009～2017年大寧調(diào)壓池水質(zhì)狀況基本良好，在部分月份發(fā)生了水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)。大寧調(diào)壓池是一個流動的水池，水交換很快，水質(zhì)不易惡化；由于南水北調(diào)中線干線水質(zhì)保護(hù)措施較為完善，進(jìn)入北京后采用地下管道輸水，基本排除了外源污染引起的水質(zhì)破壞，大寧調(diào)壓池水質(zhì)直接反映了上游來水的水質(zhì)變化情況，應(yīng)當(dāng)從水源變化、水源切換等角度分析水質(zhì)指標(biāo)波動的原因。大寧調(diào)壓池水源變化情況見表3。

圖3 大寧調(diào)壓池2009～2017年部分指標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

表2 大寧調(diào)壓池各指標(biāo)污染指數(shù)

表3 大寧調(diào)壓池水源變化情況

2011年8月，溶解氧指標(biāo)超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值；2011年7月，高錳酸鹽指數(shù)超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值；2011年4、6、7月，總磷含量超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，2009年2、5、8、9月，2010年4月，2014年1、6、11、12月，2017年6月，總磷含量超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值；總氮含量在2015年之后明顯改善。

(1)小流量輸水導(dǎo)致的水質(zhì)超標(biāo)。結(jié)合表3分析，2011年的6、7、8月，溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷等指標(biāo)均出現(xiàn)了超標(biāo)，此時正處在張坊小流量引水過程中，輸水流量0.25～0.50 m3/s，管道水量小、流速慢，又處在溫度較高的夏季，引起管道內(nèi)水質(zhì)下降，加速水體中磷的沉降和吸附，造成大寧調(diào)壓池的水質(zhì)變壞。

(2)水源切換及管道檢修導(dǎo)致的水質(zhì)超標(biāo)。水體中的磷常以磷酸鹽的形式沉降和吸附在顆粒物上[10]，在管道流速降低，流量減小時逐漸沉積，在管道恢復(fù)大流量輸水時會迅速隨水運動，影響下游水質(zhì)。因此，水源切換前后可能發(fā)生部分水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)的情況。2009年8、9月，2010年4月，2011年4月，2014年6、11、12月，2017年6月均處在水源切換前后或管道排空檢修節(jié)點，因而發(fā)生了總磷指標(biāo)超標(biāo)。

(3)水源水質(zhì)變化導(dǎo)致的水質(zhì)超標(biāo)。河北四庫水源，尤其是崗南[11]、黃壁莊水庫[12]的水質(zhì)狀況較差，大寧調(diào)壓池2009年2、5月，2014年1月，總磷指標(biāo)超標(biāo)也與水源水質(zhì)有一定關(guān)系?？偟笜?biāo)在切換到丹江口水庫水源后明顯改善，說明丹江口水庫水質(zhì)優(yōu)于河北四庫水源水質(zhì)。

不同于亦莊調(diào)節(jié)池[13]和團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池，大寧調(diào)壓池水體常年流動，富營養(yǎng)化的威脅較小，且有研究表明[14]，采用生物操縱的手段能夠有效和迅速的影響水體中的總磷含量，消除區(qū)域水質(zhì)安全威脅，因而，可以在調(diào)壓池水體中磷指標(biāo)發(fā)生突變時，適量的投放鰱、鳙魚苗，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

4 結(jié)論與建議

(1)大寧調(diào)壓池水體呈弱堿性，總氮、總磷為其水質(zhì)的主要影響因子，除2011年外，水質(zhì)均達(dá)到Ⅲ類水及以上標(biāo)準(zhǔn)。

(2)采用水質(zhì)綜合評價方法，水體狀況年度差異較大，部分年份因水源切換影響了水質(zhì)水平，南水進(jìn)京后水體趨于較清潔程度。

(3)上游來水水質(zhì)是決定大寧調(diào)壓池水質(zhì)狀況的主要因素，水源切換及管道檢修前后是引起大寧調(diào)壓池水質(zhì)指標(biāo)降低的關(guān)鍵節(jié)點，應(yīng)當(dāng)在這個時段加密監(jiān)測，隨時關(guān)注水質(zhì)變化情況，及時采取應(yīng)對措施。

(4)小流量、低流速的引水容易造成水質(zhì)破壞，高溫的夏季又是北京城市用水高峰期，應(yīng)當(dāng)在此期間加強南水北調(diào)工程保護(hù)，加密巡查、監(jiān)測，以保障北京城市供水安全。

(5)大寧調(diào)壓池水體趨于惡化時，可采用生物操縱的手段迅速消除水質(zhì)安全威脅。