基于電導(dǎo)率的米山水庫(kù)水質(zhì)演變分析

張明芳， 吳 英， 李 瑋， 徐艷會(huì)， 李沛沛， 黃林顯

(1. 威海市水文中心， 山東 威海 264209； 2. 濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250022)

南水北調(diào)東線膠東調(diào)水工程是緩解山東省膠東地區(qū)水資源供需矛盾、支撐地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的大型調(diào)水工程。2014—2019年，位于膠東地區(qū)的威海市遭遇持續(xù)干旱年，城市用水危機(jī)日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅人民生活及經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。山東省水利廳及威海市水利局提供的數(shù)據(jù)顯示，威海市年外調(diào)水量指標(biāo)為黃河水和長(zhǎng)江水共計(jì)10 200萬(wàn)m3， 為威海市供水安全保障發(fā)揮重要作用。米山水庫(kù)作為膠東調(diào)水工程末端調(diào)蓄水庫(kù)，承擔(dān)著威海市區(qū)和文登區(qū)的供水任務(wù)，其水質(zhì)關(guān)系到城市供水安全和區(qū)域水生態(tài)穩(wěn)定。

目前關(guān)于區(qū)域大規(guī)模調(diào)水的水質(zhì)演變及其影響的研究多關(guān)注《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[1]中的溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和氨氮(NH3-N)等主要指標(biāo)[2-3]，以及氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽[4-5]，而對(duì)水體電導(dǎo)率作為指標(biāo)的研究指示意義關(guān)注較少。水的電導(dǎo)率是表征液態(tài)水傳導(dǎo)電流的能力強(qiáng)弱的一個(gè)測(cè)量值[6]。當(dāng)水中電解質(zhì)較少時(shí)，其電導(dǎo)率值與所含離子濃度呈比例關(guān)系，通常純水的電導(dǎo)率很小，當(dāng)水中含有無(wú)機(jī)酸、堿、鹽或有機(jī)帶電膠體時(shí)，電導(dǎo)率增大。測(cè)定水樣的電導(dǎo)率值可在短時(shí)間內(nèi)間接推測(cè)水中帶電荷物質(zhì)的總濃度。

水體電導(dǎo)率由溶解在水體的離子濃度、種類和水溫等決定，受多種因素的綜合影響，是水質(zhì)分析中反映水體污染情況的一個(gè)重要指標(biāo)。電導(dǎo)率是目前可實(shí)現(xiàn)電極式連續(xù)監(jiān)測(cè)且數(shù)據(jù)精度較高的水質(zhì)指標(biāo)，適用于湖庫(kù)生態(tài)環(huán)境連續(xù)監(jiān)測(cè)及變化趨勢(shì)分析，對(duì)區(qū)域水量-水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控相關(guān)決策和科學(xué)研究具有重要的參考價(jià)值[5]。本文中選擇米山水庫(kù)流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在長(zhǎng)系列水文及水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，分析水庫(kù)水體電導(dǎo)率的年際及年內(nèi)變化趨勢(shì)，判斷水庫(kù)水源地水質(zhì)穩(wěn)定性；通過(guò)對(duì)水體電導(dǎo)率與其他水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)、降水量、外調(diào)水量及水質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行分析，進(jìn)一步討論米山水庫(kù)水質(zhì)演變的主要影響因素，深入研究區(qū)域大規(guī)模調(diào)水工程對(duì)威海市區(qū)城市供水水源地水質(zhì)的影響方式及其程度，以期為多水源調(diào)配背景下的城市水安全保障管理提供借鑒和參考。

1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

米山水庫(kù)位于山東省威海市文登區(qū)米山鎮(zhèn)，母豬河上游，是以防洪、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電等綜合利用的大(二)型水庫(kù)，控制流域面積為440 km2。該水庫(kù)于1958年10月動(dòng)工興建，1960年2月竣工，2013年10月—2014年12月，通過(guò)抬田方式完成了水庫(kù)增容工程。根據(jù)《南水北調(diào)東線第一期工程山東省威海市續(xù)建配套工程(威海市米山水庫(kù)增容工程)可行性研究報(bào)告》，增容工程后的米山水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)到2.98×108m3，校核水位34.25 m，興利水位30.00 m， 興利庫(kù)容1.44×108m3，死水位19.70 m，死庫(kù)容5.07×106m3。

米山水庫(kù)自1986年開(kāi)始向城市供水，目前是威海市環(huán)翠區(qū)和文登區(qū)共用的最大城市供水水源地。2014—2019年，威海地區(qū)持續(xù)干旱，至2015年12月21日，米山水庫(kù)蓄水量只有7.70×106m3。2015年12月22日，南水北調(diào)東線黃河水入威開(kāi)始通水；2016年3月10日，又首次調(diào)引長(zhǎng)江水，威海市實(shí)現(xiàn)了當(dāng)?shù)厮c黃河水、長(zhǎng)江水的多水源聯(lián)合調(diào)度。因黃河打漁張引水口工程改擴(kuò)建，自2017年2月18日起，向膠東地區(qū)供水水源全部切換為長(zhǎng)江水，一直持續(xù)至2020年。

根據(jù)米山水庫(kù)流域水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)整編后的降水和徑流等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析[7]，研究區(qū)降水量主要集中在6—9月，其中7—8月尤為集中，汛期6—9月降水量約占全年的70%。米山水庫(kù)流域降水量、徑流量的年際變化幅度較大，存在著明顯的豐、枯交錯(cuò)以及連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年現(xiàn)象，1960—1980年整體為豐水期，1980—2003年整體為枯水期，2003—2013年又轉(zhuǎn)為豐水期，2013—2019年轉(zhuǎn)為枯水期，并且在每一個(gè)豐水期或枯水期內(nèi)都有若干個(gè)較小的豐水或枯水期的波動(dòng)段。根據(jù)1960—2019年長(zhǎng)系列資料分析，連續(xù)豐水段有3個(gè)，分別是1960—1966、1973—1976、 2010—2012年；連續(xù)枯水段有7個(gè)，分別是1967—1969、1980—1984、1986—1989、1991—1993、1995—1997、1999—2002、 2013—2019年。

根據(jù)長(zhǎng)系列水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，米山水庫(kù)天然水體屬于低礦化度、低硬度水的重碳酸鹽鎂質(zhì)水。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)采用單指標(biāo)評(píng)價(jià)，米山水庫(kù)多年來(lái)水質(zhì)總體評(píng)價(jià)達(dá)到地表水Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量(COD)符合Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其他各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均符合Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。米山水庫(kù)上游支流共計(jì)7個(gè)水質(zhì)斷面，均符合Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

1.2.1 米山水庫(kù)流域降水量

米山水庫(kù)于1959年6月設(shè)立米山水文站，水庫(kù)流域內(nèi)有7處國(guó)家雨量站，其中米山水文站、桃花峴站、昆崳山頂站、汪疃站為常年站(全年觀測(cè))，界石站、閆家泊子站、上夼站為汛期站(5—9月觀測(cè))。米山水庫(kù)流域及雨量站點(diǎn)位置如圖1所示。降水量監(jiān)測(cè)5—10月采用翻斗式自記雨量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，雨量計(jì)翻斗分辨率為0.5 mm，采樣周期為5 min；其余時(shí)段(含降雪)采用人工觀測(cè)日雨量。米山水庫(kù)流域1960—2019年多年平均降水量為811.7 mm，歷年降水量數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 米山水庫(kù)流域及雨量站分布示意圖

圖2 米山水庫(kù)流域1960—2019年降水量統(tǒng)計(jì)

1.2.2 外調(diào)水量

根據(jù)山東省膠東調(diào)水局威海分局提供的數(shù)據(jù)，威海市自2015年12月22日開(kāi)始實(shí)施膠東調(diào)水以來(lái)， 2015—2020年的年調(diào)水量分別是3.0×105、 6.934×107、 6.659×107、 5.921×107、 9.250×107、 6.613×107m3。米山水庫(kù)2015—2020年的逐月調(diào)水量如表1所示。

表1 米山水庫(kù)2015—2020年逐月調(diào)水量統(tǒng)計(jì)表 104 m3

1.2.3 水質(zhì)指標(biāo)

選擇水體電導(dǎo)率、硫酸鹽、氯化物等部分水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、使用儀器及監(jiān)測(cè)頻次如表2所示。

表2 部分水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法統(tǒng)計(jì)表

2 結(jié)果與討論

2.1 水體電導(dǎo)率變化趨勢(shì)

根據(jù)米山水庫(kù)1987—2019年水體電導(dǎo)率檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到逐月電導(dǎo)率變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖可知，1987—2015年，米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率基本維持在200～400 μS/cm，平均值為335 μS/cm，表明多年來(lái)水體中的離子含量變化相對(duì)穩(wěn)定； 自從2015年12月22日開(kāi)始啟動(dòng)膠東調(diào)水后，受外調(diào)水的影響，2016—2019年水體平均電導(dǎo)率相較于1987—2015年的增大了1.56倍，數(shù)值增大到858 μS/cm。

圖3 1987—2019年米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率的變化

2.2 水體電導(dǎo)率影響因素

2.2.1 電導(dǎo)率與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

根據(jù)2015年(膠東調(diào)水前)與2018年(膠東調(diào)水后)米山水庫(kù)的年均值水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。由表可明顯看出：隨著水體電導(dǎo)率的變化，2018年米山水庫(kù)中的鉀、 鈉、 鈣、 氯化物、 硫酸鹽、 重碳酸鹽等指標(biāo)含量與2015年均值相比都有較大幅度的增長(zhǎng)，其中鈉、 硫酸鹽和氯化物增幅都超過(guò)200%，因此選擇氯化物和硫酸鹽濃度進(jìn)一步分析其與水體電導(dǎo)率變化的關(guān)系。

表3 膠東調(diào)水前(2015年)、后(2018年)米山水庫(kù)水質(zhì)部分指標(biāo)年均數(shù)值

2012—2019年米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率與氯化物、硫酸鹽逐月比較如圖4所示。由圖可以看出，2016年調(diào)水后，水體電導(dǎo)率與氯化物和硫酸鹽濃度明顯增大，且變化趨勢(shì)相對(duì)一致。從以上分析可以看出，電導(dǎo)率增大，對(duì)應(yīng)著水體中的礦物質(zhì)濃度含量增大。

圖4 2012—2019年米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率與氯化物、硫酸鹽的逐月濃度

根據(jù)2012—2019年威海市年度區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告中水體逐月水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析出氯化物、硫酸鹽、鈉等水質(zhì)指標(biāo)與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)(顯著性水平p<0.05)，相關(guān)系數(shù)的平方R2分別為0.961、0.957、 0.927，相關(guān)性分析結(jié)果如圖5(a)—(c)所示。

2.2.2 電導(dǎo)率與降水的關(guān)系

1)年際變化分析。 1987—2015年降水量與米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率年均值的比較如圖6所示。 由圖可以看出， 最小年降水量對(duì)應(yīng)水庫(kù)水體最大電導(dǎo)率年均值。 1999年降水量為360.6 mm， 電導(dǎo)率達(dá)到347 μS/cm， 為歷年最大值； 1990年降水量為1 180.9 mm， 電導(dǎo)率為232 μS/cm， 為歷年最小值。 可見(jiàn)， 降水對(duì)水體電導(dǎo)率的稀釋作用在年際水平較為明顯。

2)逐月變化分析。2012—2015年米山水庫(kù)逐月水體電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與降水量的對(duì)比如圖7所示。由圖可以看出：電導(dǎo)率年內(nèi)呈現(xiàn)明顯上升和回落的周期性變化；降水量集中的汛期，電導(dǎo)率也出現(xiàn)最大值。電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)的月份和降水量出現(xiàn)最大的月份相同或者相差一個(gè)月，即降水量較大的月份，電導(dǎo)率會(huì)在當(dāng)月或下個(gè)月有瞬時(shí)的增大，隨后逐月下降，伴隨小幅變化。通常，水體電導(dǎo)率的取樣監(jiān)測(cè)時(shí)間一般在每月上旬(正常為每月10日)，用以代表整個(gè)月的水質(zhì)，而降水量是整個(gè)月降水的總和，如果當(dāng)月取樣時(shí)上旬沒(méi)有降水，降水主要集中在中下旬，則強(qiáng)降水對(duì)水體電導(dǎo)率的影響就會(huì)在下個(gè)月體現(xiàn)出來(lái)。

另一方面，膠東調(diào)水干線沿途河流、湖泊眾多，水網(wǎng)復(fù)雜，大部分支流會(huì)遭受一定的點(diǎn)源、面源污染[11]。有研究測(cè)算表明，淮河流域南水北調(diào)東線工程沿線的農(nóng)業(yè)面源污染入河量分別為5 d生化需氧量(BOD5)約3.6×104t/a， COD約9.0×104t/a， 總氮約1.4×104t/a， 氨氮約0.14×104t/a，且70%集中在汛期[12]，這可能是造成汛期水質(zhì)劣于非汛期的原因。本研究中，進(jìn)入米山水庫(kù)的初雨徑流(一般是7月份)會(huì)攜帶大量營(yíng)養(yǎng)鹽等，產(chǎn)生的污染使水庫(kù)水體中的離子含量增多，電導(dǎo)率增大；降水使水庫(kù)蓄水量增大，離子濃度得到稀釋，同時(shí)水體自凈作用使水體中的離子濃度減少，電導(dǎo)率開(kāi)始減小。

2.2.3 電導(dǎo)率與調(diào)水關(guān)系分析

1)客水水質(zhì)。2016年1月—2020年7月客水(2017年2月18日以前是黃河水，之后是長(zhǎng)江水)與米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖8所示。由圖可見(jiàn)，客水的電導(dǎo)率值明顯高于米山水庫(kù)的，且呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)，說(shuō)明米山水庫(kù)水質(zhì)受外調(diào)水影響顯著。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，客水的電導(dǎo)率呈現(xiàn)周期性變化，每年1月開(kāi)始有不同程度的增大，在汛期停止調(diào)水前客水的電導(dǎo)率達(dá)到最大值。從2020年1—5月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，1月份客水電導(dǎo)率為886 μS/cm，6月份升高至1 479 μS/cm，其他年份也出現(xiàn)同樣的變化趨勢(shì)。另外，2017年供水水源全部為長(zhǎng)江水后，客水的電導(dǎo)率峰值明顯降低。

圖8 客水與米山水庫(kù)水體的電導(dǎo)率對(duì)比

2)調(diào)水量及調(diào)水周期。2016—2019年米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率和調(diào)水量逐月變化如圖9所示。由圖可知，從2016年1月份開(kāi)始，隨著客水不斷進(jìn)入米山水庫(kù)，加大了水庫(kù)水體置換力度，電導(dǎo)率不斷增大，由2016年1月的336 μS/cm增大至2017年8月的1 499 μS/cm，呈現(xiàn)明顯的周期變化，每年都有汛期回落、非汛期上升的過(guò)程。

圖9 2016—2019年米山水庫(kù)電導(dǎo)率和調(diào)水量逐月變化

從時(shí)間上可以看出，這與米山水庫(kù)調(diào)水時(shí)間基本吻合，即一般調(diào)水期是非汛期為主(每年的11月到來(lái)年8月)，此時(shí)段水庫(kù)電導(dǎo)率增大，停止調(diào)水時(shí)電導(dǎo)率回落。從2016—2019年4年中電導(dǎo)率極值出現(xiàn)的時(shí)間看， 2016年8月、 2017年8月、 2018年5月、 2019年6月這4個(gè)月的水體電導(dǎo)率分別達(dá)到1 181、1 499、1 284、1 096 μS /cm， 2016、 2017、2019年電導(dǎo)率極值都出現(xiàn)在停止調(diào)水的上個(gè)月。從圖中也可以看出，停止調(diào)水后，加之當(dāng)?shù)亟邓肯♂屪饔靡约叭霂?kù)徑流水質(zhì)等因素綜合影響，導(dǎo)致電導(dǎo)率有不同程度的減小。

另外，水體電導(dǎo)率變化的波動(dòng)性比調(diào)水量變化的大，即調(diào)水量變化幅度不大或停止調(diào)水時(shí)，電導(dǎo)率還在持續(xù)變化，主要原因可能是客水水質(zhì)的季節(jié)性波動(dòng)，以及當(dāng)?shù)亟邓南♂屪饔镁C合影響。

根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)演變趨勢(shì)分析結(jié)果， 大部分水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)出南低北高的特點(diǎn)， 但是受調(diào)水沿線潛在污染源的影響， 水質(zhì)時(shí)空分布特征復(fù)雜， 對(duì)受水區(qū)的水質(zhì)影響也呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化[13]。 通過(guò)上述分析可以看出， 本文中的膠東調(diào)水工程的情況與此相似， 受水區(qū)米山水庫(kù)水質(zhì)受降水量、 客水水質(zhì)、 調(diào)水周期及調(diào)水量的綜合影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1)米山水庫(kù)1985—2015年水體電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，電導(dǎo)率基本穩(wěn)定。受膠東調(diào)水的影響， 2016—2019年米山水庫(kù)水體平均電導(dǎo)率相較于1985—2015年增大了1.56倍，達(dá)到858 μS/cm。 水體氯化物、 硫酸鹽、 鈉的濃度及主要帶電離子綜合濃度也明顯增大， 且與電導(dǎo)率變化趨勢(shì)一致。

2)米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率年內(nèi)呈現(xiàn)明顯上升和回落的周期性變化。在汛期強(qiáng)降水形成的初雨徑流影響下，水體電導(dǎo)率明顯增大，隨后受水體自凈作用及一定時(shí)段內(nèi)的稀釋作用等綜合影響，電導(dǎo)率逐漸減小。從年際變化來(lái)看，最小年降水量對(duì)應(yīng)水庫(kù)水體最大電導(dǎo)率年均值。

3)2016年膠東調(diào)水工程實(shí)施后，米山水庫(kù)水體電導(dǎo)率明顯增大，并且與外來(lái)調(diào)水量、客水水質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，變化趨勢(shì)一致。停止調(diào)水后，水體電導(dǎo)率發(fā)生回落，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。總之，水源地水體電導(dǎo)率一方面可以作為總體水質(zhì)狀況的判斷指標(biāo)，另一方面也是區(qū)域大規(guī)模調(diào)水影響下，水源地水質(zhì)穩(wěn)定性的重要表征。