黃浦江上游感潮水文條件對(duì)金澤水源地原水水質(zhì)影響

宋一超，王先云，張翼飛，侯偉昳，張 午

(1.上海城投原水有限公司，上海 200125；2.上海城市水資源開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082)

感潮河段是指入海河流受潮汐作用影響的一段河流。感潮段的水流在月球引潮力作用下，發(fā)生漲、落潮周期性的變化。感潮河段既受上游內(nèi)陸河段來(lái)水的影響，又受河口潮汐周期性變化的作用，致使水流的流向、流速、流量經(jīng)常發(fā)生劇烈變化，從而造成水質(zhì)問(wèn)題的復(fù)雜性[1]。

上海市黃浦江上游是繼長(zhǎng)江水源后又一重要的城市水源，是形成上海市“兩江并舉、多源互補(bǔ)”總體原水布局的重要組成部分，承擔(dān)了向上海市部分市區(qū)和青浦、松江、金山、奉賢等郊區(qū)水廠的原水供應(yīng)[2]。太浦河金澤段為黃浦江上游飲用水水源取水口所在，水位變化受長(zhǎng)江口潮汐和太湖下瀉徑流影響，是一條中等強(qiáng)度的感潮河流，其水質(zhì)優(yōu)劣直接影響金澤水源水質(zhì)。如圖1所示，為更好地了解飲用水水源取水口水質(zhì)的變化特征，進(jìn)一步提高上海市供水保障能力，本文以距離金澤較近的上海佘山港口潮汐時(shí)間為參考，以2018年9月—2019年7月每月大小潮日期為時(shí)間點(diǎn)，對(duì)上海黃浦江水源取水口太浦河金澤段不同潮汐條件下各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，比較太浦河金澤在不同潮汐條件下的水質(zhì)差異，了解感潮作用對(duì)飲用水水源取水口的水質(zhì)影響，為金澤水源地取水方案優(yōu)化完善等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

圖1 金澤和佘山港方位Fig.1 Location of Jinze and Sheshan Port

1 指標(biāo)與方法

文中主要涉及渾濁度、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總有機(jī)碳(TOC)、銻共8項(xiàng)指標(biāo)，所有指標(biāo)均源于水質(zhì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

TN采用過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法(島津，TNP-4110)，TP采用堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法(島津，TNP-4110)，氨氮采用水楊酸分光光度法(島津，NHN-4210)，CODMn采用酸式高錳酸鉀法(科澤，K301)，TOC采用催化氧化燃燒非分散紅外(NDIR)CO2氣體檢測(cè)法(島津，TOC-4200)，銻采用ICP-MS法(譜育，SUPEC7000)，渾濁度采用90°紅外光散射法(YSI，EXO2)，DO濃度采用熒光壽命法(YSI，EXO2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大小潮太浦河金澤水位

調(diào)研周期內(nèi)佘山港每月大小潮日期太浦河金澤水位變化如圖2所示。以當(dāng)日最高水位與最低水位差值為當(dāng)日最大水位差，結(jié)果顯示：小潮最大水位差為14～31 cm，大潮最大水位差為30～45 cm，大小潮日最大水位差相差6～24 cm。對(duì)每月大小潮日最大水位差進(jìn)行成對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：大小潮日最大水位差存在極顯著差異(n=10，t=4.744，p=0.000)，即大潮最大水位差極顯著大于小潮最大水位差，且大潮日太浦河水位波動(dòng)性極顯著大于小潮日。水位分析結(jié)果可以佐證，選擇佘山港大小潮日作為太浦河金澤的大小潮參考日期，可以反映太浦河金澤段感潮作用下的水位變化及水體波動(dòng)性。

圖2 2018年9月—2019年7月太浦河金澤大小潮水位Fig.2 Water Level of Jinze Section of Taipu River during Spring and Neap Tides during Sept 2018 to July 2019

另外，一般來(lái)說(shuō)，大潮日期太浦河水位高于小潮日期，但由于太浦河為開(kāi)放性河流，太湖下瀉等上游來(lái)水引起的水量變化也會(huì)影響水位，且太浦河本身為中等強(qiáng)度感潮河流，導(dǎo)致個(gè)別月份如9月、1月大小潮最大水位較接近，具體情況有待進(jìn)一步深入研究。

2.2 大小潮對(duì)水質(zhì)影響

2.2.1 渾濁度和溶解氧

如圖3所示，渾濁度在13～80 NTU變化，主要集中在20～35 NTU，平均為24.2 NTU，不同時(shí)間渾濁度呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。分別對(duì)每月大小潮日渾濁度進(jìn)行雙樣本平均值t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：1月大小潮日渾濁度不存在顯著差異(n=23，t=0.584，p=0.667)，9月—10月、4月、6月大潮日渾濁度極顯著低于小潮日(n均為23，t=3.764、4.562、4.853、6.532，p均為0.000)，3月大潮日渾濁度顯著低于小潮日(n=23，t=1.857，p=0.028)，11月—12月、2月、5月大潮日渾濁度極顯著高于小潮日(n均為23，t=7.439、6.540、3.986、4.367，p均為0.000)，7月大潮日渾濁度顯著高于小潮日(n=23，t=1.276，p=0.011)。綜上，大潮日渾濁度平均值小于等于小潮日的月份占比達(dá)54.5%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為45.5%，大潮日高于小潮日的月份占比45.4%，說(shuō)明大潮對(duì)太浦河金澤水體渾濁度的影響與小潮對(duì)渾濁度的影響差別不大。

圖3 大小潮日渾濁度和溶解氧變化Fig.3 Variation of Turbidity and Dissolved Oxygen during Spring and Neap Tides

DO濃度在3.5～10.45 mg/L變化，平均為7.44 mg/L，不同時(shí)間DO濃度呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。分別對(duì)每月大小潮日DO濃度進(jìn)行雙樣本平均值t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：9月、11月、1月—4月、7月大潮日DO極顯著高于小潮日，10月、12月、5月—6月大潮日DO極顯著低于小潮日(n均為23，t=3.890、5.290、4.698、4.268，p均為0.000)。其中，大潮日DO高于小潮日的月份占比達(dá)63.6%，大潮日低于小潮日的月份占比為36.4%，說(shuō)明大潮整體上利于太浦河金澤DO濃度的升高。

2.2.2 氮和磷

如表4所示，金澤氨氮濃度在0.15～0.46 mg/L變化，平均為0.29 mg/L，不同時(shí)間氨氮濃度呈現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)變化。雙樣本平均值t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：9月、1月—2月大小潮日氨氮濃度不存在顯著差異(n均為23，t=0.357、0.224、1.424，p=0.717、0.563、0.094)，12月、6月—7月大潮日極顯著低于小潮日(n均為23，t=3.785、4.852、5.657，p均為0.000)，10月—11月、3月—5月大潮日極顯著高于小潮日。綜上，大潮日氨氮平均值小于等于小潮日的月份占比為54.5%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為27.3%，大潮日高于小潮日的月份占比為45.5%，說(shuō)明大潮整體不利于氨氮的降低。

TN濃度在0.53～3.20 mg/L變化，平均為1.84 mg/L，不同時(shí)間TN濃度呈現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)變化。雙樣本平均值t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：2月、5月大小潮日TN不存在顯著性差異(n均為23，t=0.856、0.428，p=0.188、0.538)，9月—12月、1月、3月—4月、6月大潮日TN極顯著低于小潮日，7月大潮日顯著高于小潮日(n=23，t=5.725，p=0.000)。綜上，大潮日TN濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為90.9%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為72.7%，大潮日高于小潮日的月份占比為9.1%，說(shuō)明大潮整體上利于太浦河金澤TN濃度的降低。

圖4 大小潮氮磷濃度變化Fig.4 Variation of Nitrogen and Phosphorus Concentration during Spring and Neap Tides

圖5 高錳酸鹽指數(shù)和總有機(jī)碳濃度分布情況Fig.5 Differences of Permanganate Index and Total Organic Carbon Concentration during Spring and Neap Tides

TP濃度在0.04～0.24 mg/L變化，平均為0.13 mg/L，不同時(shí)間TP呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。雙樣本平均值t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：11月、1月、6月大小潮日TP濃度平均值不存在顯著差異(n均為23，t=0.128、0.285、1.452，p=0.942、0.861、0.088)，9月—10月、3月—4月大潮日極顯著低于小潮日，2月大潮日顯著低于小潮日(n=23，t=1.714，p=0.050)，12月、5月大潮日極顯著高于小潮日(n均為23，t=10.457、5.427，p均為0.000)，7月大潮日顯著高于小潮日。綜上，大潮日TP濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為72.7%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為45.5%，大潮日高于小潮日的月份占比為18.2%，說(shuō)明大潮整體上利于太浦河金澤TP濃度的降低。

2.2.3 高錳酸鹽指數(shù)和總有機(jī)碳

如表5所示，CODMn在0.51～7.30 mg/L變化，平均為4.01 mg/L，不同時(shí)間CODMn呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。雙樣本平均值t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：9月、3月、5月大小潮日CODMn平均值不存在顯著差異(n均為23，t=0.865、0.253、0.425，p=0.210、0.580、0.350)，10月—12月、4月、6月大潮日顯著低于小潮日，1月、2月、7月大潮日極顯著高于小潮日(n均為23，t=2.915、2.956、3.560，p均為0.000)。綜上，大潮日CODMn平均值小于等于小潮日的月份占比為72.7%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為45.5%，大潮日高于小潮日的月份占比為27.3%，說(shuō)明大潮整體上利于太浦河金澤CODMn的降低。

TOC在3.48～7.34 mg/L變化，平均為4.40 mg/L，不同時(shí)間TOC呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。雙樣本平均值t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：9月、11月、2月—3月大小潮日TOC濃度平均值不存在顯著差異，10月、12月、1月、5月大潮日極顯著低于低潮日，4月、6月大潮日顯著低于小潮日，7月大潮日極顯著高于小潮日(n=23，t=4.238，p=0.000)。綜上，大潮日TOC濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為90.9%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為54.5%，大潮日高于小潮日的月份占比為9.1%，說(shuō)明大潮整體上利于太浦河金澤TOC濃度的降低。

2.2.4 銻

如表6所示，銻濃度在1.46～3.23 μg/L變化，平均為2.15 μg/L，不同時(shí)間銻濃度波動(dòng)性變化，無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象。雙樣本平均值t檢驗(yàn)結(jié)果顯示：10月、3月大小潮日銻濃度平均值不存在顯著差異，9月、1月、4月、6月大潮日極顯著低于低潮日，11月—12月、2月、7月大潮日極顯著高于小潮日，5月大潮日顯著高于小潮日。綜上，大潮日銻濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為54.5%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為36.4%，大潮日大于小潮日月份占比為45.5%，說(shuō)明大潮對(duì)太浦河金澤銻濃度無(wú)明顯影響。

圖6 銻濃度分布情況Fig.6 Differences of Antimony Concentration during Spring and Neap Tides

2.3 漲落潮對(duì)水質(zhì)影響

如圖7～圖9所示，以每日最高潮位和最低潮位時(shí)刻代表漲落潮時(shí)刻，比較關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)：渾濁度、DO、氨氮、CODMn、TN、TP、TOC、銻，分析漲落潮對(duì)太浦河金澤水質(zhì)影響。對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)漲落潮時(shí)濃度進(jìn)行成對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，漲落潮時(shí)渾濁度存在極顯著差異(n=43，t=3.298，p=0.000)。漲潮時(shí)渾濁度較落潮時(shí)高3.1 NTU，因此，可以認(rèn)為漲潮可能會(huì)導(dǎo)致太浦河金澤渾濁度升高。DO、氨氮、TN、TP、CODMn、TOC、銻濃度差異均未達(dá)顯著水平，說(shuō)明漲落潮對(duì)這些指標(biāo)的濃度變化無(wú)明顯影響。

圖7 漲落潮時(shí)渾濁度和溶解氧濃度分布Fig.7 Differences of Turbidity and Dissolved Oxygen during Ebb and Flow of Tides

圖8 漲落潮時(shí)氮磷濃度分布情況Fig.8 Differences of Nitrogen and Phosphorus during Ebb and Flow of Tide

圖9 漲落潮時(shí)高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、銻濃度分布情況Fig.9 Differences of Permanganate Index, Antimony and Total Organic Carbon Concentration during Ebb and Flow of Tide

3 討論

太浦河位于太湖流域下游陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)之間，水量水質(zhì)受太湖來(lái)水、兩岸支流匯入及黃浦江潮水上溯影響。由于短時(shí)間內(nèi)上游來(lái)水水量未發(fā)生明顯變化，可認(rèn)為各大小潮日期的水位差主要源于感潮作用的存在。本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太浦河金澤段每月對(duì)應(yīng)大小潮日期最大水位差相差6～24 cm，存在極顯著差異，進(jìn)一步佐證了太浦河金澤段確實(shí)存在感潮作用。感潮作用一方面會(huì)通過(guò)倒灌引起河道水位水量變化，另一方面不同的潮差也會(huì)影響水體的波動(dòng)性、水文條件等，從而對(duì)DO、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽等水質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生影響。

太浦河為溝通太湖和黃浦江的人工河道，黃浦江通過(guò)吳淞口與長(zhǎng)江口相通；但太浦河?xùn)|端并非直接與黃浦江相通，而是先與攔路港、紅旗塘匯合形成橫潦涇，再與大泖港匯合流入黃浦江。因此，推測(cè)太浦河金澤段感潮作用中的倒灌潮水來(lái)源于東海、長(zhǎng)江、黃浦江、大泖港、紅旗塘、攔路港等的混合水體。車越等[3]對(duì)黃浦江上游來(lái)水對(duì)黃浦江松浦大橋水源地水質(zhì)關(guān)聯(lián)性分析指出，黃浦江松浦大橋水質(zhì)主要受大泖港影響，其次是紅旗塘，而受太浦河、攔路港影響較小，且黃浦江松浦大橋水質(zhì)明顯劣于太浦河。吳新華等[4]認(rèn)為，感潮河道內(nèi)潮流倒灌與下瀉徑流的相互作用，短時(shí)間內(nèi)可影響到污染負(fù)荷的遷移和水體自凈能力的變化，滯留量的大小決定上溯潮流對(duì)水質(zhì)的影響程度，大潮時(shí)滯留量明顯高于小潮。本文分析結(jié)果顯示，大潮整體上利于太浦河金澤氮磷、有機(jī)物、DO等水質(zhì)指標(biāo)的提升。吳新華等[4]也曾經(jīng)分析黃浦江米市渡感潮條件下的水質(zhì)影響，結(jié)果同樣顯示米市渡大潮時(shí)水質(zhì)優(yōu)于小潮，而黃浦江本身的水質(zhì)劣于太浦河。因此可推測(cè)，大潮時(shí)倒灌潮水滯留可能帶來(lái)相對(duì)清潔的水源如長(zhǎng)江水，從而對(duì)黃浦江水體產(chǎn)生了有效的稀釋和水質(zhì)提升作用，進(jìn)而提升了太浦河金澤水質(zhì)。

其他關(guān)于感潮對(duì)水質(zhì)影響的研究多有報(bào)道，如李振國(guó)等[5]發(fā)現(xiàn)，潮汐可一定程度減輕鎮(zhèn)江內(nèi)江的污染；陳奇良等[6]認(rèn)為，長(zhǎng)江某感潮河道內(nèi)落潮流污染帶長(zhǎng)度大于漲潮流；薛聯(lián)青等[7]提出利用潮汐改善水環(huán)境，解決了城區(qū)河道沖污難題。吳青梅等[8]認(rèn)為，漲潮對(duì)水體污染物濃度變化的影響除了體現(xiàn)在水容量增加的稀釋作用外，潮汐形成的高水位還可以改善DO、BOD、氨氮和TN的可生化性。本文發(fā)現(xiàn)，大潮不利于氨氮濃度的降低，可能與氮存在形式不同有關(guān)，如廣東河涌氨氮濃度為7.76 mg/L，占總氮的80%，而太浦河金澤氨氮僅為0.2～0.4 mg/L，只占總氮的17%，較低的氨氮本底可能會(huì)抑制氨氮的可生化性。文中漲落潮的時(shí)間選擇是每個(gè)月大潮日期的最高水位時(shí)刻和最低水位時(shí)刻，即在一個(gè)潮汐周期內(nèi)對(duì)比分析漲落潮對(duì)水質(zhì)的影響。漲潮時(shí)水體波動(dòng)性大于落潮，對(duì)水體的擾動(dòng)作用較強(qiáng)，導(dǎo)致渾濁度輕微升高，但一個(gè)潮汐周期內(nèi)的潮漲潮落對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)無(wú)明顯影響。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)黃浦江上游水源地取水口太浦河金澤段不同潮汐條件對(duì)水質(zhì)的影響進(jìn)行了分析討論，得出結(jié)論：大潮利于太浦河金澤取水口水質(zhì)提升；漲落潮對(duì)太浦河金澤取水口水質(zhì)無(wú)顯著影響。