江庫連通條件下珠海市飲用水源水質分布特征及水資源調配措施

謝瓊，付青*，昌盛，樊月婷，涂響，王山軍

1.國家環(huán)境保護飲用水水源地保護重點實驗室, 中國環(huán)境科學研究院

2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室, 中國環(huán)境科學研究院

珠江三角洲地區(qū)受咸潮上溯影響嚴重，咸潮上溯期間，西江可利用淡水資源大幅減少，為保證飲用水安全，處于西江下游的江門、中山和珠海等市均通過江庫等不同類型飲用水水源（以下簡稱水源）連通工程或湖庫型備用水源建設等方式保證咸潮期間淡水資源的供應。江庫連通使不同水文特征的水體相連，增強了水體的自凈和調蓄能力，有利于提高水生生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而促進水質穩(wěn)定改善[1-4]。珠海市位于西江的最下游，咸潮入侵形勢最為嚴峻，同時，珠海市飲用水源亦是澳門的重要供水水源，其江庫連通和水資源調度條件下的水源水質安全保障和精準調控關乎粵港澳大灣區(qū)社會經濟發(fā)展。

目前，關于珠海市水源水質研究主要集中于河流型水源水質鹽度超標規(guī)律（磨刀門水道咸潮入侵規(guī)律[5]、鹽度輸運機理[6]、咸界變化特點[7]、咸潮加劇原因[8]、浮游植物群落結構和水質特征[9]等），水庫型水源富營養(yǎng)化水平（水庫水質、植物群落特征、富營養(yǎng)化狀況、營養(yǎng)物質變化規(guī)律及藻類水華預警[10-17]等）等方面，對珠海市河流型水源咸潮入侵及超標規(guī)律、湖庫型水源水質特征及藍藻水華暴發(fā)風險進行了較為全面的分析。然而，在江庫連通條件下，針對咸潮開展了一系列水資源調度后（在枯水期通過泵站搶淡補庫，將河流型水源水資源調度至水庫型水源存蓄），關于水源水質時空分布特征和水資源調配措施的研究較為鮮見。

筆者基于珠海市5個水庫型水源、4個河流型水源月度監(jiān)測數據，分析不同類型、不同水期及流域不同位置水源水質變化特征，探討水期變化、地理位置和水資源調度及水動力學特征等對水源水質的影響，總結不同水源在水資源調配中的優(yōu)勢，以期為促進水源水質穩(wěn)定及改善，制定基于河流與湖庫型水源水質特征的水資源調配方案提供依據。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

珠海市（113°03′E～114°19′E，21°48′N～22°27′N）位于廣東省珠江口西岸，瀕臨南海，全市面積為7 836 km2，其中陸地和海島面積為1 701 km2，海域面積為6 135 km2。目前在用的集中式水源共有9個，其中楊寮水庫、大鏡山水庫、竹仙洞水庫、竹銀水庫和乾務水庫屬于水庫型水源，均為中、小型水庫，流域面積很小，自然集雨無法滿足供水需求，主要從西江調水入庫[12]；廣昌泵站、平崗泵站和竹洲頭泵站水源位于西江磨刀門水道，黃楊河泵站位于西江雞啼門水道，均屬于河流型水源。

珠海市飲用水取水按照城區(qū)位置及水期進行區(qū)別，主要取水方式如下：1）東部城區(qū)。豐水期（4—9月）主要通過廣昌泵站抽取西江磨刀門水道原水，枯水期（10月—次年3月，調水主要集中于10月底—12月，此段時間咸潮上溯影響較為嚴重）通過中部城區(qū)竹仙洞水庫、大鏡山水庫、楊寮水庫等調咸水庫供給原水，并通過磨刀門水道上游平崗、竹洲頭等泵站搶淡對調咸水庫進行補水。2）西部城區(qū)。豐水期主要通過平崗、黃楊河泵站分別抽取西江水系磨刀門水道、雞啼門水道原水，咸潮期通過竹銀、乾務等調咸水庫供給原水，并通過平崗、竹洲頭等泵站搶淡對調咸水庫進行補水。珠海市5個水庫和4個河流型水源分布點位及調水線路如圖1所示。

圖1 珠海市水源分布及調水路線Fig.1 Distribution of drinking water sources and water diversion route in Zhuhai City

1.2 研究方法

通過生態(tài)環(huán)境部專項“飲用水環(huán)境監(jiān)管調查評估項目”，獲取珠海市9個水源2014—2018年月度水質監(jiān)測數據，其中月度常規(guī)水質監(jiān)測于每月上旬采樣，按GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中表1的基本項目（23項，化學需氧量除外），表2的補充項目（5項），表 3的優(yōu)選特定項目（33項），共61項指標進行監(jiān)測；年度1次的全分析監(jiān)測于每年6—7月采樣，按GB 3838—2002中的109項指標進行監(jiān)測。具體監(jiān)測指標和對應指標的分析方法依據GB 3838—2002和《全國集中式生活飲用水水源地水質監(jiān)測實施方案》（環(huán)辦函〔2012〕1266號）的要求確定。水庫水位、水量等水文數據由珠海市水利局提供，其中調水量數據使用流量計進行測定。

采用Excel 2013軟件對數據進行預處理，并運用IBM SPSS Statistics 22軟件進行統(tǒng)計分析；水源分布和調水路線圖采用ArcGIS 10.0軟件繪制，水質變化趨勢圖采用Origin 8.5軟件繪制。

1.2.1 系統(tǒng)聚類-判別分析

水質監(jiān)測數據主要應用系統(tǒng)聚類（CA）、判別分析、相關性分析等方法進行處理。聚類分析法統(tǒng)計原理為根據變量或樣品間的親疏程度，將性質最相似的對象結合在一起[18]，水質評價中常針對點位聚類以分析水質的空間分布特征。在江庫連通及水資源調度條件下，珠海市水源補給來源相同，均來自西江，但其上下游水源受咸潮上溯影響程度不同，另外河流型與湖庫型水源水動力學特征不同，從而使其水質存在一定的差異。采用聚類分析法對珠海市飲用水源2014年1月水質數據進行分析，計算方法為歐式距離平方法，以討論水源水質的空間分布特征。

判別分析能夠驗證分類的正確率并識別出已知類別間具有顯著差異的指標[18]。以水源聚類分析結果為分組變量，水質指標為自變量，利用2014—2018年逐月水質數據，運用全模型判別驗證水源聚類結果正確率，并識別不同水源分組間差異顯著的指標，以進一步分析水源分組在長時間尺度下的科學性，水源水質在長時間序列中是否具備可觀測的差異，存在差異的具體指標以及不同水源在具體水質指標上的優(yōu)勢及劣勢，以期為防范咸潮、富營養(yǎng)化風險及水資源優(yōu)化調度提供依據。

1.2.2 水力停留時間對水體類型的影響分析

根據國際湖泊環(huán)境委員會按水力學的劃分方法，通過計算水力停留時間描述水庫水體更新特征。

水力停留時間計算公式如下：

式中：Tr為水力停留時間，d；V為有效庫容，m3；Q為年平均徑流量或其他時段徑流量，m3/d。

水體類型劃分方法：Tr＜20 d，屬過流型（類似河流）；20 d≤Tr≤300 d，屬過渡型（介于河流與湖泊之間）；Tr＞300 d，屬營養(yǎng)型（類似湖泊）[19-21]。通過水體類型的劃分及相關性分析，進一步討論基于水力停留時間表征的水動力學特征對水庫型水源水質的影響。

2 結果與討論

2.1 水源水質總體特征

珠海市9個水源2014—2018年水質數據統(tǒng)計結果如表1所示。按照GB 3838—2002對表1水質數據進行評價，結果表明，近5年來珠海市9個水源水質總體保持在Ⅱ類～Ⅲ類水平。但2018年總磷、氨氮濃度呈上升趨勢，且部分月份接近Ⅲ類標準限值。針對2014—2018年各水源月度常規(guī)和年度全分析監(jiān)測數據進行單因子評價[22-23]得出，除溶解氧、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、總磷、總氮、氟化物、砷、石油類、硫化物、糞大腸菌群、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、鐵15項指標外，其余指標檢測濃度均較低，達到GB 3838—2002基本項目Ⅰ類標準限值要求或低于補充項目及特定項目標準限值要求，部分指標如汞、鎘、鉛、氰化物等甚至低于檢出限。因此，上述15項濃度較高的指標是本研究中重點加以分析的因子。

表1 2014—2018年珠海市水源水質監(jiān)測結果統(tǒng)計Table 1 Statistical description of monitoring results of source water quality in Zhuhai City from 2014 to 2018mg/L

2.2 水源水質聚類結果與典型指標

2.2.1 水質聚類與驗證情況

采用2014年1月水質數據，選用2.1節(jié)甄別出的15項指標，針對珠海市水源水質進行聚類分析，結果如圖2所示。由圖2可知，可將水源分為3組：聚類1組，包括乾務、竹銀、大鏡山、楊寮和竹仙洞水庫；聚類2組，包括黃楊河、平崗和竹洲頭泵站；聚類3組，包括廣昌泵站。珠海市水庫型水源具有較大的相似性，被聚成一類，西江上游河流型水源被聚成一類，下游廣昌泵站被單獨聚成一類。由于珠海市9個水源的水資源均主要來自西江，但不同位置水源受咸潮上溯影響程度不同，不同類型水源在水動力特征影響下對各類物質的自然降解沉降速率不同，因此，不同地理位置和類型的水源水質分布具有各自的特征。

圖2 不同水源水質聚類譜系Fig.2 Dendrogram of different drinking water sources clustering results

利用2014年2月—2018年12月水質數據，采用判別分析法對2014年1月聚類得出的分組結果進行驗證。回代驗證結果如表2所示，總判別正確率為93.8%，表明水源水質聚類分析結果可靠。其中，第1、2組判別正確率較高，分別為98.6%、99.4%；第3組判別正確率較低，為53.3%，約有45%的月份廣昌泵站被判別到第2組中，主要原因為廣昌泵站與平崗、竹洲頭泵站的水質差異主要體現于枯水期。廣昌泵站距離入海口最近，枯水期水質受咸潮上溯影響顯著，鹽度（對應于氯化物和硫酸鹽）遠高于上游各泵站。而豐水期西江干流各泵站的水資源均來自于上游地區(qū)，水質差異較小。因此，廣昌泵站每年約有50%的月份與上游平崗、竹洲頭及黃楊河泵站水源水質差異不明顯；另外50%的月份氯化物、硫酸鹽等指標濃度與上游水源差異顯著，這也與判別分析結果一致。

表2 水源水質分類判別回代驗證結果Table 2 Verification results of source water quality classification and discrimination

2.2.2 水質分類的典型指標

根據判別分析模擬的標準化典型判別函數，計算得出的水源分布狀況如圖3所示。判別分析得出第1組與第2、3組水源在函數1上的計算值差異顯著；第2組與第3組水源在函數2上的計算值差異顯著。判別結果顯示，函數1載荷較大的指標為總磷、糞大腸菌群、硫化物、硝酸鹽和總氮等，函數2載荷較大的指標為氯化物、硫酸鹽、鐵等（表3）。即水庫型水源與河流型水源的總磷、糞大腸菌群、硫化物、硝酸鹽和總氮等指標濃度差異顯著，上游與下游河流型水源氯化物、硫酸鹽和鐵等指標濃度差異較大。此外，從圖3可以看出，廣昌泵站水源水質波動范圍較大，在圖上主要分成2簇，一簇距離上游河流型水源較近，一簇較遠，這也與廣昌泵站水源水質于豐水期和枯水期的變化有關，豐水期廣昌泵站與上游河流型水源水質差異較小，枯水期則容易受咸潮上溯影響，導致鹽度升高。

表3 標準化判別函數載荷Table 3 Standardized discriminant function load

圖3 典型判別函數計算得出的水源分布Fig.3 Drinking water sources distribution map calculated by typical discriminant function

2.3 水源水質時空分布特征

2.3.1 水質空間分布特征

針對經判別分析得出的差異顯著的指標，對2014—2018年不同水源分布狀況進行了分析，結果如圖4所示。由圖4可知，水庫型水源總磷、糞大腸菌群、硫化物、硝酸鹽、總氮、砷等指標濃度顯著低于河流型水源，如水庫型水源、河流型水源總磷濃度分別為0.01～0.04、0.04～0.12 mg/L，硝酸鹽濃度分別為 0.006～1、0.100～2 mg/L。

圖4 水庫型水源與河流型水源水質空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of water quality of reservoir and river type of water sources

水庫型水源水資源主要由西江調入，調入泵站的選擇按照各泵站搶淡幾率決定，枯水期下游泵站搶淡幾率較低時，水庫調水主要來自上游泵站。各泵站中，廣昌泵站總磷、硝酸鹽濃度分別為0.05～0.15、0.11～2.09 mg/L，平崗泵站分別為0.05～0.11、0.11～2.06 mg/L，竹洲頭泵站分別為0.05～0.09、0.11～2.07 mg/L，黃楊河泵站分別為0.04～0.14、0.09～2.03 mg/L?？梢?，各泵站硝酸鹽濃度無顯著差異，磨刀門水道按從下游至上游的次序，廣昌、平崗和竹洲頭泵站總磷濃度呈遞減趨勢。

江庫連通條件下，受河流型水源調水沖擊，部分月份水庫型水源總磷、糞大腸菌群、硝酸鹽、總氮等指標出現異常，高于平均水平，而其總體濃度仍顯著低于河流型水源，表明水庫型水源對上述指標具有一定的自凈作用或緩沖能力，具備優(yōu)質水資源調蓄和水質凈化的功能優(yōu)勢。關于洪澤湖和太湖的相關研究表明，入湖河流來水的沖擊對湖區(qū)水質產生劇烈影響，同時湖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結構及動植物群落有利于總磷等營養(yǎng)鹽的吸收[24-25]，這與本研究結果一致。

水庫型水源、上游河流型水源中的氯化物、硫酸鹽等指標濃度顯著低于下游河流型水源。此外，廣昌泵站氯化物、硫酸鹽濃度在時間尺度上具有較高的變異性，變化劇烈，部分月份氯化物、硫酸鹽指標濃度顯著升高，這與廣昌泵站水源受咸潮上溯影響嚴重[6]相符合。

2.3.2 不同水期水庫型水源水質變化

針對判別分析得出差異顯著的指標，對2014—2018年各水庫型水源月度總磷和硝酸鹽濃度分布狀況進行了分析。由圖5可知，1—9月各水庫總磷濃度為 0.01～0.02 mg/L；10—12月升至 0.01～0.05 mg/L。枯水期，泵站向水庫調水量加大，受調水沖擊，水庫總磷、硝酸鹽濃度顯著上升；豐水期，大鏡山、楊寮、竹仙洞及竹銀水庫硝酸鹽濃度低于枯水期。由于各水庫水資源調度模式和自然環(huán)境的差異，不同水庫總磷、硝酸鹽濃度變化趨勢存在一定差異。例如，大鏡山—楊寮水庫調水路線為廣昌/平崗泵站自磨刀門水道抽水入大鏡山水庫，后經正坑、坑尾2個小型水庫，最后流入楊寮水庫，因楊寮水庫來水經3個水庫調節(jié)，其總磷濃度波動幅度低于大鏡山水庫，而竹仙洞水庫調入、調出水資源最為頻繁，其總磷濃度波動最為劇烈。此外，乾務水庫作為集水面積最大的水庫，受集水區(qū)地表徑流影響，其總磷、硝酸鹽濃度波動趨勢與其他調水水庫存在較大差異，在降水量較高的時期，其總磷、硝酸鹽濃度較高。2.3.3不同水期河流型水源水質變化

圖5 水庫型水源水質顯著性指標月度變化趨勢Fig.5 Monthly variation trend of significant index of reservoir type of water sources

針對判別分析得出的上下游河流型水源差異顯著的指標，對2014—2018年各河流型水源月度氯化物和硫酸鹽濃度分布狀況進行了分析。由圖6可知，豐水期廣昌泵站氯化物和硫酸鹽濃度低于50 mg/L，平崗泵站和竹洲頭泵站氯化物濃度低于10 mg/L，硫酸鹽濃度低于30 mg/L；枯水期廣昌泵站氯化物和硫酸鹽濃度為50～250 mg/L，平崗泵站和竹洲頭泵站氯化物濃度為5～15 mg/L，硫酸鹽濃度為20～60 mg/L?？菟趶V昌泵站氯化物和硫酸鹽濃度遠高于豐水期及上游河流型水源。此外，上游平崗泵站和竹洲頭泵站的氯化物和硫酸鹽濃度上升時間（1—3月）滯后于廣昌泵站（10月—次年3月），上升幅度亦明顯低于廣昌泵站。

圖6 河流型水源水質顯著性指標月度變化趨勢Fig.6 Monthly variation trend of significance index of river type of water sources

3 水資源調配對水質影響及優(yōu)化調度措施

3.1 水資源調配對水文特征及水質的影響

珠海市水庫型水源集雨區(qū)面積較小，部分水庫如竹銀水庫基本無自產水，各大水庫水資源主要通過泵站調水的方式進行供給。而且，各大水庫年調入水量已遠超當地自產水量或水庫庫容，頻繁地調水及抽水使水庫水文特征發(fā)生了較大改變。筆者對5個水庫的水力停留時間進行了計算，從水資源替換速度的角度分析5個水庫與天然河流水動力學特征的相似性及差異。按照水力停留時間的長短對5個水庫進行排序，依次為大鏡山水庫（326.8 d，營養(yǎng)型），楊寮水庫（111.6 d，過渡型），竹銀水庫（93.9 d，過渡型），乾務水庫（27.7 d，過渡型），竹仙洞水庫（6.8 d，過流型）。

對水庫的水文特征參數與水質進行相關性分析，得出水力停留時間較長的水庫如楊寮水庫的蓄水量和水力停留時間等水文參數與水質的相關性較高（P＜0.05），水力停留時間較短的水庫如竹仙洞水庫水文參數與水質的相關性較低（P＜0.05）。上述結果表明，水庫特征明顯即水力停留時間較長的水庫，其生態(tài)系統(tǒng)和自凈功能較為完善，庫區(qū)植物和藻類生長增加了總磷、硝酸鹽、硫化物及糞大腸菌群的消耗。當西江泵站調水導致氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度較高時，通過延長水力停留時間可起到上述指標的自凈作用；而水庫與泵站間頻繁的調水與抽水削弱了水庫的自凈功能，同時調水增加了總磷、總氮、硫化物及硝酸鹽向水庫內的輸入量，增加了相應污染物的防控風險。

3.2 水資源優(yōu)化調度措施

珠海市水源通過江庫連通等工程措施，有效增加了水資源存蓄空間，提高了生態(tài)環(huán)境異質性，促進了水體自凈能力的提升。目前，珠海市各水源間水資源調度主要是從咸潮應對角度出發(fā)，在每年9月底汛期結束時，對珠海市各水庫型水源地進行應急補水，防范咸潮上溯時水源地鹽度超標造成供水不足。而在選取進行應急補水的泵站時，針對廣昌泵站、平崗泵站和竹洲頭泵站等可選項，優(yōu)先選取鹽度達標且位于下游的泵站型水源。

綜上，水庫型水源對總磷、硝酸鹽等指標具有一定的自凈能力，但是部分月份水庫型水源水質指標濃度達到Ⅲ類標準的臨界值，存在超標及氮、磷等累積風險。因此，建議綜合考慮水質優(yōu)化需求進行水資源調配，提出措施如下：1）按照廣昌、平崗和竹洲頭泵站的選取次序，優(yōu)先選取總磷、硝酸鹽濃度較低的泵站進行供水；2）提高竹銀水庫等規(guī)模較大且水力停留時間較長的水庫枯水期蓄水量和利用率，加大優(yōu)質水資源的存蓄量，在西江水質總磷、硝酸鹽濃度遠遠超出湖庫型水源Ⅲ類水質標準限值時，利用竹銀水庫等庫容較大的水庫進行供水，降低其他水庫型水源營養(yǎng)鹽累積風險；3）對于總磷、硝酸鹽濃度呈上升趨勢或有可能超出湖庫型水源Ⅲ類水質標準限值的水庫型水源，進一步增強其自凈作用，主要方式包括延長水力停留時間、改進水庫與泵站連通方式，可通過減小調水頻率、增設調節(jié)性水庫（如泵站輸水經其他水庫調蓄和凈化后再調水）或者水源輪用等方式實現，促進氮、磷等營養(yǎng)物質降解，以降低營養(yǎng)鹽累積風險。

4 結論

（1）珠海市9個水源雖然實現了連通，但其水質分布存在差異。水庫型水源總磷、糞大腸菌群、硫化物及硝酸鹽等指標濃度低于河流型水源；枯水期水庫型水源和上游河流型水源氯化物及硫酸鹽濃度等顯著低于下游河流型水源。受調水沖擊，枯水期水庫型水源總磷、硝酸鹽等指標濃度出現較大波動，并于調水量減小或調水結束后，通過其自身的自凈作用，水質趨于平穩(wěn)并逐步改善。受咸潮上溯影響，枯水期下游廣昌泵站鹽度等指標濃度出現劇烈波動，豐水期水質與上游河流型水源趨于一致。

（2）結合不同類型水源水質分布特征，進行相應的功能優(yōu)勢劃分，并提出對應的水資源優(yōu)化調配措施。將水庫型水源定位為水質凈化型水源，其具備優(yōu)質水資源調蓄功能，可在飲用水資源短缺或突發(fā)水環(huán)境事件影響等應急供水條件下啟用。

（3）應進一步提高庫容較大水庫的利用率，對于庫容較小的水庫，通過增設調節(jié)性水庫或水源輪用的方式促進水質凈化。將上游河流型水源包括平崗、竹洲頭、黃楊河泵站定位為咸潮抵御型水源，其受咸潮影響較小，水質優(yōu)勢為氯化物、硫酸鹽濃度較低，主要啟用時間為枯水期或咸潮上溯期。下游廣昌泵站水源無明顯水質優(yōu)勢，但距離城區(qū)較近，將其定位為經濟型水源，可在豐水期或水質達標時啟用。此外，優(yōu)先選取總磷、硝酸鹽濃度較低（如總磷濃度達到湖庫型水源Ⅲ類標準限值）且距離城區(qū)較近的泵站進行供水。