再生水補給雨水人工湖水質(zhì)變化分析

慕云霄，秦 力，汪愛霞，楊鵬飛

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

水資源是人類生存發(fā)展必不可少的寶貴資源和物質(zhì)基礎(chǔ)，是控制西北干旱地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一[1-2]。慶陽市西峰區(qū)深居內(nèi)陸，地處旱塬，可利用水資源少，水資源可持續(xù)利用形勢嚴峻[3]。資源型、工程型和水質(zhì)型缺水是制約西峰區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素，使慶陽地區(qū)水資源的供需矛盾更加突出[4-6]。解決和改善西峰區(qū)水資源緊缺問題不僅要節(jié)約用水，還要開發(fā)新的水源，雨水、再生水和礦井水等非常規(guī)水資源的開發(fā)利用就至關(guān)重要[7-9]。為防止洪澇災害和利用雨洪水，西峰區(qū)先后修建了南湖、北湖、慶陽湖、西湖和東郊湖等工程。慶陽湖水系(慶陽湖和南湖)是一項集雨洪集蓄、生態(tài)保塬、水源補充、抗旱防汛和城市水保等多種功能為一體的綜合性城市水生態(tài)景觀工程。通過雨水和再生水合理高效配置，充分利用非常規(guī)水資源，解決了城市水資源短缺問題、緩解了城區(qū)雨季防汛壓力、改善了局部生態(tài)環(huán)境、保障了景觀用水需求[10-12]。但是，隨著時間的推移，慶陽湖水系出現(xiàn)了水體發(fā)臭、藻類瘋長、魚身腐爛死亡等現(xiàn)象。

目前，國內(nèi)外圍繞雨水、再生水、礦井水等非常規(guī)水源的開發(fā)利用開展了大量研究[13-21]。在生態(tài)補水方面，研究成果多集中在單一水源補充人工湖及河湖水質(zhì)評價方面[22-24]，對于多水源補給對人工湖水質(zhì)影響方面的研究較少。本文通過分析水質(zhì)指標時空分布特征，研究西峰區(qū)雨水和再生水補給對人工湖水質(zhì)的影響，為城市非常規(guī)多水源生態(tài)景觀用水安全、水環(huán)境改善、河湖健康，特別是西北缺水城市水環(huán)境保護和管理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西峰區(qū)地處甘肅省東部，董志塬腹地，是慶陽市政治、經(jīng)濟、文化、交通和商貿(mào)流通中心[4]。慶陽湖水系的雨水水源，是以西峰新城南區(qū)城市地面作為集雨場，通過總集雨面積為7.03km2的城區(qū)硬化路網(wǎng)路面和雨水管網(wǎng)匯集雨洪水，作為主水源。湖體庫容88.06萬m3，包括慶陽湖75.32萬m3和2004年建成的南湖12.74萬m3。雨水經(jīng)過世紀廣場及其周邊街區(qū)和岐黃大道構(gòu)成的南湖集流場、岐黃大道至馬蓮河大道之間集雨東區(qū)集流面、集雨西區(qū)朔州路至石油路之間的集流面，匯集后并入岐黃大道集雨口，最后自流進入慶陽湖。上游岐黃大道至隴東大道之間雨洪水經(jīng)匯集后，經(jīng)由隴東大道集雨口現(xiàn)有的管網(wǎng)設(shè)施自流進入南湖的日湖。再生水是湖體的補充性水源，出廠水質(zhì)達到一級A標準的再生水，自南區(qū)污水處理廠處理達標后通過慶化管引入慶陽湖。在平水年條件下，研究經(jīng)防滲處理的慶陽湖水系水質(zhì)變化特征，湖體滲漏忽略不計，年入湖雨水水量、湖面蒸發(fā)量保持基本恒定，再生水年補水量150萬m3。

1.2 實驗布置

為識別慶陽湖水系的水質(zhì)分布特征，根據(jù)湖泊面積大小等因素，選取監(jiān)測斷面5個，采樣點5個(每個監(jiān)測斷面上1個采樣點)，采樣點分別設(shè)置在慶陽湖中水口、慶陽湖中心、慶陽湖雨水口、日湖和星湖，在水深0.5m處采集水樣，采樣時間為2021年3—10月。根據(jù)GB 5084—2021《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》[25]、SL 368—2006《再生水水質(zhì)標準》[26]、GB/T 18921—2019《城市污水再生利用》[27]，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)中要求的方法測定[28]，通過監(jiān)測分析，剔除未檢出或無明顯變化指標，最終選取五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)、懸浮物、pH、全鹽量、濁度、溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和色度等11項主要指標分析評價湖體水質(zhì)時空分布特征，探究水質(zhì)變化狀況，以對湖區(qū)后期的水質(zhì)問題和優(yōu)化方向、管理措施起到一定指導作用。

慶陽湖水系采樣點分布圖如圖1所示。

圖1 慶陽湖水系采樣點分布圖

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

為探究慶陽湖水質(zhì)變化特征及規(guī)律，分析當前慶陽湖水壞境的主要問題及成因，為慶陽湖水生態(tài)環(huán)境保護提供科學支撐。文中采用Excel進行數(shù)據(jù)匯總和繪圖，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，運用SPSS 26.0進行相關(guān)性計算與主成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 各水質(zhì)指標時空分布特征

2021年3—10月慶陽湖水系水質(zhì)總體達標，個別指標存在超標現(xiàn)象。如圖2所示，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k分別表示了實驗期間5個采樣點的BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、濁度、DO、TP、TN、NH3-N、色度隨時間的變化情況。由表1和圖2可知，人工湖中BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、濁度、DO、TP、TN、NH3-N、色度的濃度分別在1.90～35.40mg/L、23～142mg/L、2～77mg/L、8.34～9.17、490～1233mg/L、1～10度、0.9～10.4mg/L、0.011～0.121mg/L、0.85～6.52mg/L、0.24～4.49mg/L、5～10度。

表1 慶陽湖水系各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標描述性統(tǒng)計

圖2 各水質(zhì)指標時空變化

從時間變化來看，BOD5和COD濃度在2021年3—7月處于上升階段，7—11月呈現(xiàn)遞減的趨勢。pH在5月之后逐漸上升并超出標準值，而且同一時間段各監(jiān)測點的pH值相差不大，說明整個湖體的pH值在時間尺度上變化較大，且整體上處于弱堿性。全鹽量濃度隨時間呈波動式下降趨勢，7月達到峰值。濁度、DO濃度隨時間呈上升-下降-上升趨勢；濁度7月濃度最小，說明濁度受溫度影響較大；DO濃度在5月低于標準要求，是由于5月份藻類生長進行呼吸作用，消耗大量的氧氣，導致DO濃度降低[29]。懸浮物、TN、NH3-N和色度濃度隨時間變化一致，均呈現(xiàn)下降-上升-下降趨勢。懸浮物濃度在3月和7月濃度較大是受溫度影響。3月份，TN和色度濃度升高是由于溫度較低，湖體結(jié)冰，水體流動性差、水體自凈能力低的緣故。5月份，NH3-N濃度升高是水體環(huán)境條件有利于氨化菌群的生長及加快其新陳代謝作用，從而水體中NH3-N含量升高[30]。

從空間變化來看，BOD5和COD濃度變化趨勢較為相似，整個湖體中的BOD5和COD濃度在慶陽湖中水口和日湖兩個監(jiān)測點變化較大。懸浮物濃度在慶陽湖雨水口和星湖兩個監(jiān)測點浮動較大。pH在各監(jiān)測點上變化趨勢基本一致。全鹽量濃度在日湖和慶陽湖中心浮動較大，是由于慶陽湖中水口和雨水口均為進水口，水流速度相對較快，含鹽量隨著水流到湖中心，流速減慢，而且從慶陽湖到日湖過流斷面縮小會使鹽聚集。濁度在各監(jiān)測點變化范圍均在1～10度之間，且均出現(xiàn)超過標準要求的現(xiàn)象。DO濃度在慶陽湖中水口、湖中心、雨水口和日湖4個監(jiān)測點的濃度值處于0.9～1.4mg/L之間，低于標準值1.5mg/L。TP濃度在各監(jiān)測點上變化較為相似，在慶陽湖中水口、星湖濃度變化較大。TN、NH3-N變化趨勢具有相似性，這兩個指標濃度在慶陽湖中水口、湖中心、雨水口和日湖4個監(jiān)測點變化基本一致，且均在星湖監(jiān)測點變化較大；TN濃度在星湖和慶陽湖中水口濃度浮動較大，NH3-N濃度在星湖和慶陽湖雨水口濃度浮動較大，NH3-N濃度在星湖為4.49mg/L超過標準值3mg/L。色度在各監(jiān)測點變化趨勢基本一致，均在5～10度之間。

整體上，全鹽量、pH、濁度和NH3-N大于標準要求，DO小于標準要求。其中全鹽量、pH大于GB 5084—2021中農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)基本控制項目標準值要求[25]，濁度大于《再生水水質(zhì)標準》SL 368—2006觀賞性景觀環(huán)境用水(湖泊類)控制指標要求[26]，NH3-N大于《城市污水再生利用》GB/T 18921—2019觀賞性景觀環(huán)境用水(湖泊類)指標要求[27]，DO小于SL 368—2006觀賞性景觀環(huán)境用水(湖泊類)控制指標要求[29]。NH3-N對魚類的危害，主要取決于未離解的氨，目前我國尚未制定標準，但有相關(guān)試驗說明未離解氨達0.9mg/L時可使魚類致死；當水中溶解氧低于最低限度時，會引起魚類窒息死亡[29]。因此，湖體NH3-N大于標準要求，DO小于標準要求，均會造成魚類死亡。

2.2 相關(guān)性分析

整理慶陽湖水系5個監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用SPSS 26.0軟件，計算水質(zhì)指標之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，正值代表正相關(guān)，負值代表負相關(guān)，數(shù)值大小代表相關(guān)性的高低。各指標間的相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

表2 慶陽湖水系各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標的Pearson相關(guān)性分析

結(jié)果顯示，在顯著性水平0.01上，整個慶陽湖水系COD與BOD5呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.924；NH3-N與TN、色度、TP呈顯著正相關(guān)，且與TN相關(guān)系數(shù)最高為0.835；色度與NH3-N、TP、TN呈顯著正相關(guān)，且與NH3-N相關(guān)系數(shù)最高為0.712；TP與色度、NH3-N、TN呈顯著正相關(guān)，且與色度相關(guān)系數(shù)最高為0.699。DO與色度、TP、COD呈顯著負相關(guān)，且與色度負相關(guān)性最大為-0.836；全鹽量與pH、濁度呈顯著負相關(guān)，且與pH負相關(guān)性最大為-0.602；濁度與全鹽量、懸浮物呈顯著負相關(guān)，且與全鹽量負相關(guān)性最大為-0.578。在顯著性水平0.05上，濁度與TP、色度呈顯著正相關(guān)，且與TP相關(guān)系數(shù)最大為0.489；TN與懸浮物呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.426；全鹽量與COD呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.408。DO與BOD5、NH3-N呈顯著負相關(guān)，且與BOD5負相關(guān)性最大為-0.463；色度與pH呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.437；TP與全鹽量呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.406。

2.3 水質(zhì)指標主成分分析

基于2021年3—10月5次采樣結(jié)果，對5個樣點中的11項指標進行主成分分析。KMO檢驗結(jié)果為>0.6，Bartlett檢驗<0.05(見表3)，適合做主成分分析。根據(jù)主成分特征值、貢獻率及累積貢獻率，抽取特征值>1的成分，累積貢獻率達到了92.576%(見表4)，滿足主成分分析的原則，說明提取的主成分可以很好地反映慶陽湖水系的水質(zhì)信息。主成分相關(guān)系數(shù)大于0.7的指標被認為和主成分顯著相關(guān)[21]。第一主成分方差貢獻率為35.151%，在DO、TP、NH3-N和色度上有較大載荷，載荷值分別為-0.794、0.873、0.840、0.933，說明水體富營養(yǎng)化問題比較嚴重；第二主成分方差貢獻率為24.064%，在BOD5、COD、上有較大載荷，載荷值分別為0.908、0.940，有機污染比較嚴重；第三主成分方差貢獻率為18.300%，在懸浮物上有較大載荷，載荷值為0.662；第四主成分方差貢獻率為15.060%，在pH上有較大載荷，載荷值為0.788(見表5)。

表3 KMO和Bartlett檢驗結(jié)果

表4 特征值及方差貢獻率

表5 主成分分析得分系數(shù)矩陣

根據(jù)成分得分系數(shù)矩陣等相關(guān)方程和公式得出5個監(jiān)測斷面的主成分綜合得分(如圖3所示)，即能定量描述各斷面的水質(zhì)污染程度。綜合得分越高，水質(zhì)越差[23]。3月星湖綜合得分2.38，5月星湖綜合得分1.19，5月慶陽湖中水口綜合得分1.09，5月日湖綜合得分1.02，5月慶陽湖中心綜合得分0.73，5月慶陽湖雨水口綜合得分0.72，7月慶陽湖中水口綜合得分0.49，7月日湖綜合得分0.35，7月星湖綜合得分0.17。按時間，綜合得分3月>5月>4月，按空間，綜合得分星湖>慶陽湖中水口>日湖>慶陽湖中心>慶陽湖雨水口。從評價結(jié)果可知，水質(zhì)較差斷面為星湖和慶陽湖中水口，水質(zhì)較好的斷面是慶陽湖雨水口和慶陽湖中心。

圖3 慶陽湖水系各斷面水質(zhì)綜合評價結(jié)果

3 結(jié)論

(1)慶陽湖水系水體呈弱堿性，pH、全鹽量、濁度、DO和NH3-N存在超標現(xiàn)象。湖體NH3-N超過標準要求，DO低于標準要求，會造成魚類死亡。

(2)在顯著性水平0.01上，COD與BOD5呈顯著正相關(guān)，NH3-N與TN、色度、TP呈顯著正相關(guān)，DO與色度、TP、COD呈顯著負相關(guān)；在顯著性水平0.05上，濁度與TP、色度呈顯著正相關(guān)，DO與BOD5、NH3-N呈顯著負相關(guān)。

(3)主成分分析法篩選出了DO、TP、NH3-N、色度、BOD5、COD、懸浮物和pH等8個因子，說明慶陽湖水系水質(zhì)主要受這8個因子的影響大。從評價結(jié)果可知，水質(zhì)較差斷面為星湖和慶陽湖中水口，水質(zhì)較好的斷面是慶陽湖雨水口和慶陽湖中心。

(4)慶陽湖水系較為封閉，除慶陽湖中水口、雨水口與外界相連，其余均為水系之間互相連接，其水質(zhì)主要受補給水源以及水塘底泥影響較大。為改善水質(zhì)，應加強對補給水源水質(zhì)的管理，定期對底泥進行清理，并加強湖體水系規(guī)劃，以形成流動性好、自凈能力強的水系。