近十年來青草沙水庫取水口水質(zhì)變化趨勢分析

朱宜平

關(guān)鍵詞：長江;青草沙水庫;取水口;水質(zhì)變化趨勢

0引言

長江口區(qū)域是我國最重要的經(jīng)濟(jì)、金融、科技和文化中心，人口密度大，優(yōu)質(zhì)原水需求量大.2011年6月青草沙水源地建成通水以來，平均每日供應(yīng)優(yōu)質(zhì)原水近500萬t，改變了上海市主要依靠黃浦江取水的歷史，成為上海市55%左右優(yōu)質(zhì)原水供應(yīng)地，對上海市供水水質(zhì)安全保障和城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.青草沙水源地是上海戰(zhàn)略水源地之一，各方對青草沙水源地水質(zhì)高度關(guān)注[1-3].青草沙水庫地處長江口南支北港，采用非咸潮期通過上游泵閘從長江江心取水、下游水閘向長江放水、輸水泵閘向上海市區(qū)供水的運(yùn)行模式，故庫內(nèi)水質(zhì)受取水口長江來水影響較大.

與此同時，近年來長江上、中、下游各類調(diào)控調(diào)蓄和調(diào)水等水利設(shè)施的建設(shè)，對流域水文水情造成了一定影響.周建軍等[4]研究表明，2003—2013年三峽水庫蓄水后長江入海泥沙（大通站）相比1990年前減少了72%;婁保鋒等[5]對長江干流2000年以來上中下游4個主要斷面分析表明，長江干流年輸沙量整體呈大幅下降趨勢.2016年以來，隨著“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”成為長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展基調(diào)以及《長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》正式印發(fā)實(shí)施，長江流域生態(tài)環(huán)境也在向好的方面發(fā)展.張昀哲等[6]對長江入海前最后一個控制斷面—徐六涇斷面的2009—2018年總氮（TN）、總磷（TP）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，TN和TP入海通量主要受上游來水影響，且年際有緩慢下降的趨勢.董文遜等[7]對長江干流12個主要水質(zhì)監(jiān)測控制斷面2008—2018年月度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，長江干流水質(zhì)在不斷好轉(zhuǎn)并呈現(xiàn)出持續(xù)好轉(zhuǎn)或逐漸穩(wěn)定的趨勢.陳善榮等[8]對長江干流水質(zhì)變化分析發(fā)現(xiàn)，2016年以來政府管理措施極大地改善了長江流域總體水質(zhì)，也促進(jìn)了長江干流水質(zhì)進(jìn)一步好轉(zhuǎn).

當(dāng)前有關(guān)長江口水質(zhì)變化趨勢的研究[9-11]多基于國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)、相關(guān)科學(xué)研究專項(xiàng)調(diào)查來開展，數(shù)據(jù)頻次為每月1次或數(shù)次.本文基于青草沙水庫自2010年以來取水口的高頻率日監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面分析了2010—2019年青草沙水庫取水口水質(zhì)變化趨勢，旨在系統(tǒng)了解青草沙水庫取水口水質(zhì)發(fā)展和長江口水質(zhì)變化趨勢，以期為青草沙水庫及其他長江口水源地長期運(yùn)行提供參考.

1材料和方法

1.1 研究區(qū)域

青草沙水庫取水口（31°29′28.34″N，121°32′45.69″E）位于長江北港（圖1），由取水閘門和取水泵站組成.非咸潮期水庫水位低于長江潮位時，采用水閘自流取水;咸潮期取水口鹽度未超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)且水庫水位高于長江潮位時，采用泵站引流取水.

該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月為冬季.

1.2 研究方法

水質(zhì)數(shù)據(jù)源于上海城投原水有限公司實(shí)驗(yàn)室.每日9點(diǎn)于取水口區(qū)域水深5m以內(nèi)利用水質(zhì)采樣器取水樣，垂向混合良好.其中，部分水樣采用便攜式儀器現(xiàn)場測定水溫、濁度、溶解氧（DO）、pH值和電導(dǎo)率指標(biāo)，剩余水樣存放在采樣瓶中，冷藏后于20min內(nèi)送至化驗(yàn)室對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，包括氨氮（NH4+-N）、氯化物、硝酸鹽氮（NO3–-N）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總磷（TP）、總硬度和永久硬度，樣本總量定為N，具體監(jiān)測方法見表1.

2結(jié)果與分析

2.1 年際變化趨勢

2010年以來，青草沙水源地取水口水溫、濁度、溶解氧、pH值、氨氮、硝酸鹽氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度、永久硬度、電導(dǎo)率、氯化物這12個指標(biāo)的年際變化情況如圖2所示.

2.1.1水溫

2010—2019年，水溫年際變化不大（圖2（a））.10年間，實(shí)測年內(nèi)最低水溫為3.8℃，最高為33.0℃（表2）.其中，青草沙水源地取水口水溫多處于10～25℃，占比56.1%;高于25℃和低于10℃的情況占比分別為25.5%和18.4%（N為3264）.取水口水溫變化較小有利于水庫水溫的穩(wěn)定.

2.1.2濁度

2010—2019年，濁度呈現(xiàn)比較明顯的年際差異（圖2（a））.10年間，實(shí)測年內(nèi)最小濁度為6NTU，最大濁度為460NTU（表3）.其中，2017—2019年中位值分別為43、46、40NTU，相較之前明顯偏低，表明這3年來水有變清的趨勢.10年間，取水口濁度多處于30～80NTU，占比62.2%;濁度為80NTU以上的占比19.5%（N為3270）.這表明青草沙水庫是來水濁度較高的水庫，水庫自凈過程中需要更注重水力停留時間.

2.1.3溶解氧

2010—2019年，溶解氧濃度總體較高且年際變化不大（圖2（b））.10年間，實(shí)測年內(nèi)最小濃度值為5.2mg/L，最大值為13.9mg/L（表4），來水溶解氧濃度沒有低于5.0mg/L（地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值）的情況，共測得8次為5.0～6.0mg/L（6.0mg/L為地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值），有81%（N為3263）超過了7.5mg/L（地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)限值），這說明因取水口水體流動性好、污染物少，溶解氧比較充足.

2.1.4pH值

2010—2019年，取水口的來水pH值總體偏高且年際變化不大（圖2（b））.10年間，實(shí)測年內(nèi)最小pH值為7.3，最大為8.7（表5）;pH值小于8.0的情況占比僅為8.6%（N為3268），尤其是2016—2019年，每年低于8.0的情況占比不足5%;而超過8.3的情況占比僅為6.9%;2015—2019年，每年高于8.3的情況占比也不足5%，這表明80%以上的上游來水的pH值穩(wěn)定在8.0～8.3.

2.1.5氨氮

2010—2019年，青草沙取水口氨氮濃度變化幅度在逐年縮小，年最大值也呈下降趨勢（圖2（c））.除2010年外，其余9年實(shí)測濃度最高值均在0.50mg/L（地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值）以下（表6）.10年間，取水口氨氮濃度在0.15mg/L以下（地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)限值）的天數(shù)占比86.6%（N為3264），特別是2016—2020年，0.15mg/L以下的天數(shù)高達(dá)同期樣本量的95.7%，說明2016年以來上游來水氨氮均處于較低濃度.

2.1.6硝酸鹽氮

2010—2019年，青草沙取水口的硝酸鹽氮濃度呈先增加后減少的趨勢，總體為1.2～2.0mg/L，占比70.8%（N為2966）（圖2（c））.2010—2014年，青草沙取水口的硝酸鹽氮濃度無論是最大值、中位值還是年均值均呈現(xiàn)上升趨勢，而2015年以后又整體呈現(xiàn)下降趨勢（表7）;特別是2019年的最大值、中位值以及年均值，均是過去10年中最低的，與長江干流的氨氮濃度[8-9]、徐六涇斷面的總氮濃度[6]年際均呈現(xiàn)下降趨勢的結(jié)果一致.

2.1.7總磷

2010—2019年，青草沙取水口的總磷濃度大體呈減少趨勢，為0.01～0.34mg/L（圖2（c））.其中，監(jiān)測值在0.1mg/L以下（地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值）的約占24.6%（N為2758）;0.1～0.2mg/L（地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值）的約占70%（N為2758）.與硝酸鹽氮類似地，2012—2014年的總磷濃度無論是最大值、中位值還是年均值均呈現(xiàn)上升趨勢，而2015年的開始整體呈現(xiàn)下降趨勢（表8）.特別是2017—2019年，監(jiān)測值小于0.1mg/L以下的約占同期樣本總量的46.7%，較之前有明顯上升，說明青草沙取水口的總磷濃度明顯下降，這與陳善榮等[9]研究的長江干流總磷自2015年開始呈現(xiàn)下降趨勢的結(jié)果一致.

2.1.8高錳酸鹽指數(shù)

2010—2019年，青草沙取水口高錳酸鹽指數(shù)濃度為1.1～4.9mg/L（圖2（c））.其中，監(jiān)測值在2.0mg/L以下（地表水I類標(biāo)準(zhǔn)限值）的約占18.7%（N為3266），2.0～4.0mg/L（地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值）的約占80%，而超過4.0mg/L的僅占1.3%，這表明青草沙取水口高錳酸鹽指數(shù)濃度整體較低.與硝酸鹽氮、總磷年際變化規(guī)律類似地，2015年開始，高錳酸鹽指數(shù)濃度無論是最大值、中位值還是年均值均整體呈現(xiàn)下降趨勢（表9）;特別是2017—2019年，監(jiān)測值中小于2.0mg/L以下的約占同期樣本總量的35.4%，較之前有明顯上升，表明青草沙取水口高錳酸鹽指數(shù)濃度明顯下降，這與長江干流總體有機(jī)物年際變化趨勢一致[9].

2.1.9總硬度、永久硬度、電導(dǎo)率和氯化物

2010—2019年，總硬度、永久硬度、電導(dǎo)率和氯化物變化趨勢總體一致（圖2（d））.4個指標(biāo)在2010—2014年變化幅度較大，2015—2019年變化幅度明顯減?。ū?0），這與青草沙取水口遭受到的海水入侵影響明顯相關(guān).根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，2010—2014年，青草沙水庫取水口共計(jì)遭受43次海水入侵影響（包括北支倒灌和正面上溯）;2015—2019年共計(jì)遭受15次海水入侵影響（包括北支倒灌和正面上溯），相比前5年大幅減少.

2.2 季節(jié)變化趨勢

2010—2019年，青草沙水源地取水口的水溫、濁度、溶解氧、pH值、氨氮、硝酸鹽氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度、永久硬度、電導(dǎo)率、氯化物這12個指標(biāo)季節(jié)統(tǒng)計(jì)情況見圖3.其中，水溫、溶解氧、pH值存在明顯的四季變化;而總硬度和永久硬度的冬、春季變化幅度明顯高于夏、秋季;電導(dǎo)率和氯化物的秋、冬季變化幅度明顯高于春、夏季;總磷的夏季變化幅度明顯高于其他三季;其余指標(biāo)隨四季變化的差異不明顯.總體而言，受氣溫影響，青草沙取水口四季水溫順序?yàn)橄募?gt;秋季>春季>冬季.而由于來水中氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等處于較低水平，所以水體溶解氧主要受水溫影響[12]，四季變化趨勢剛好跟水溫相反，呈現(xiàn)出夏季<秋季<春季<冬季的特點(diǎn).冬季由于大通流量相對偏低，取水口易受海水入侵影響，總硬度、永久硬度、電導(dǎo)率和氯化物4個指標(biāo)表現(xiàn)出冬季變幅較大，夏季變幅相對較小的特點(diǎn).

2.3 相關(guān)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析

2.3.1水溫與溶解氧之間的關(guān)系

水溫和溶解氧是描述水生生態(tài)系統(tǒng)的兩個重要水質(zhì)因子，且水溫是影響水中溶解氧濃度變化的重要因素.青草沙取水口水溫與溶解氧之間的變化關(guān)系（N為3263）如圖4所示.從圖中可以看出，溶解氧與水溫具有很好的線性關(guān)系，這表明水體中能消耗或產(chǎn)生溶解氧的化學(xué)、生物過程較少，溶解氧主要受大氣復(fù)氧這一物理過程影響[12-13]，也表明來水水質(zhì)較好.

2.3.2氯化物與電導(dǎo)率、總硬度、永久硬度之間的關(guān)系

氯化物與電導(dǎo)率（N為3264）、總硬度（N為3257）和永久硬度（N為3257）之間的變化關(guān)系如圖5所示.可以看出，氯化物和電導(dǎo)率、總硬度、永久硬度均具有非常好的線性關(guān)系，表明取水口的電導(dǎo)率、總硬度和永久硬度變化主要受海水入侵影響，上游來水中的鈣、鎂等離子含量相對較少.同時，對比圖4中各線性方程可以看出，氯化物對電導(dǎo)率、總硬度和永久硬度的影響大小順序?yàn)殡妼?dǎo)率（斜率k為3.076）>總硬度（k為0.322）>永久硬度（k為0.307）.

2.3.3濁度與水溫、大通流量之間的關(guān)系

濁度代表了水體中懸浮顆粒物含量[14]，而水體中的懸浮顆粒物又容易受到來水流量、水溫等季節(jié)性因素影響，圖6表明了濁度與水溫（N為3264）、大通流量（N為3270）之間的關(guān)系.可以看出，濁度與水溫、大通流量無明顯的函數(shù)關(guān)系，表明可能存在其他因素對青草沙取水口濁度影響更顯著.主要影響因素可能是潮汐和風(fēng)，長江的潮汐存在明顯大小潮變化，潮汐和風(fēng)導(dǎo)致底部泥沙再懸浮，水體泥沙含量發(fā)生變化，進(jìn)而影響濁度.

2.3.4總磷與濁度、大通流量之間的關(guān)系

圖7表明了總磷與濁度（N為2758）、大通流量（N為2758）之間的關(guān)系.因?yàn)殚L江中磷主要以顆粒態(tài)存在[15]，部分顆粒態(tài)磷在重力作用下隨著遷移逐漸沉降，因此，總磷隨著濁度的減小而呈現(xiàn)下降趨勢，但函數(shù)關(guān)系不明顯，這可能是由于伴隨著沉降過程，顆粒態(tài)磷與水界面還會發(fā)生吸附-釋放、沉降-再懸浮、混合-稀釋等綜合作用[16];另一方面，隨著大通流量的增大，在一定程度上具有稀釋作用，總磷有下降的趨勢，但函數(shù)關(guān)系也不明顯.

2.3.5高錳酸鹽指數(shù)與大通流量、濁度之間的關(guān)系

高錳酸鹽指數(shù)是反映水體中受有機(jī)污染和還原性無機(jī)污染程度的綜合指標(biāo)[17].圖8表明了高錳酸鹽指數(shù)與大通流量（N為3266）、濁度（N為3266）之間的關(guān)系.由圖可見，高錳酸鹽指數(shù)隨大通流量變化趨勢不明顯，但隨著濁度的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，這可能是由于水體中的有機(jī)污染物和無機(jī)還原性物質(zhì)吸附在水中的懸浮顆粒上，當(dāng)濁度增加時，高錳酸鹽指數(shù)隨之增加.

2.3.6硝酸鹽氮與大通流量之間的關(guān)系

根據(jù)監(jiān)測，長江上游來水中氮主要以硝酸鹽氮形態(tài)存在，比例可達(dá)70%左右.圖9表明了硝酸鹽氮與大通流量之間的關(guān)系（N為2966），隨著大通流量的升高，硝酸鹽氮總體上呈現(xiàn)下降趨勢，可能是由于硝酸鹽氮在一定程度上得到了稀釋[18]，這與張昀哲等[6]關(guān)于長江徐六涇斷面枯水期總氮濃度比豐水期高的結(jié)論一致.

3結(jié)論

通過對青草沙水庫取水口2010—2019年這10年的日監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，主要結(jié)論如下：

（1）青草沙水庫取水口溶解氧濃度始終保持較高水平，其中80%以上大于7.5mg/L;pH值呈現(xiàn)弱堿性，整體為8.0～8.3.

（2）青草沙水庫取水口氨氮濃度較低，整體在0.15mg/L以下，硝酸鹽氮濃度為1.2～2.0mg/L，總磷濃度為0.1～0.2mg/L，高錳酸鹽指數(shù)濃度整體為2.0～4.0mg/L，且這4項(xiàng)指標(biāo)均從2015年開始呈下降趨勢，表明來水水質(zhì)進(jìn)一步變好.

（3）水溫、溶解氧、pH值存在明顯的四季變化;受海水入侵影響，總硬度、永久硬度、電導(dǎo)率和氯化物這4個指標(biāo)變化趨勢大體一致，且在大通流量相對較低的冬季變化幅度明顯高于夏季;其余指標(biāo)隨四季變化的差異不明顯.

（4）總磷濃度、高錳酸鹽指數(shù)濃度隨著濁度的升高而升高;總磷濃度、硝酸鹽氮濃度隨著大通流量增加而呈現(xiàn)下降趨勢.