近十年來青草沙水庫取水口水質變化趨勢分析

朱宜平

關鍵詞：長江;青草沙水庫;取水口;水質變化趨勢

0引言

長江口區域是我國最重要的經濟、金融、科技和文化中心，人口密度大，優質原水需求量大.2011年6月青草沙水源地建成通水以來，平均每日供應優質原水近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%左右優質原水供應地，對上海市供水水質安全保障和城市可持續發展具有重要意義.青草沙水源地是上海戰略水源地之一，各方對青草沙水源地水質高度關注[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供水的運行模式，故庫內水質受取水口長江來水影響較大.

與此同時，近年來長江上、中、下游各類調控調蓄和調水等水利設施的建設，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，不搞大開發”成為長江經濟帶發展基調以及《長江經濟帶生態環境保護規劃》正式印發實施，長江流域生態環境也在向好的方面發展.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）進行分析發現，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個主要水質監測控制斷面2008—2018年月度數據分析發現，長江干流水質在不斷好轉并呈現出持續好轉或逐漸穩定的趨勢.陳善榮等[8]對長江干流水質變化分析發現，2016年以來政府管理措施極大地改善了長江流域總體水質，也促進了長江干流水質進一步好轉.

當前有關長江口水質變化趨勢的研究[9-11]多基于國家生態環境監測網、相關科學研究專項調查來開展，數據頻次為每月1次或數次.本文基于青草沙水庫自2010年以來取水口的高頻率日監測數據，全面分析了2010—2019年青草沙水庫取水口水質變化趨勢，旨在系統了解青草沙水庫取水口水質發展和長江口水質變化趨勢，以期為青草沙水庫及其他長江口水源地長期運行提供參考.

1材料和方法

1.1 研究區域

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準且水庫水位高于長江潮位時，采用泵站引流取水.

該區域屬于亞熱帶季風氣候，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

水質數據源于上海城投原水有限公司實驗室.每日9點于取水口區域水深5m以內利用水質采樣器取水樣，垂向混合良好.其中，部分水樣采用便攜式儀器現場測定水溫、濁度、溶解氧（DO）、pH值和電導率指標，剩余水樣存放在采樣瓶中，冷藏后于20min內送至化驗室對相關指標進行分析，包括氨氮（NH4+-N）、氯化物、硝酸鹽氮（NO3–-N）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總磷（TP）、總硬度和永久硬度，樣本總量定為N，具體監測方法見表1.

2結果與分析

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、總硬度、永久硬度、電導率、氯化物這12個指標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，實測年內最低水溫為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定.

2.1.2濁度

2010—2019年，濁度呈現比較明顯的年際差異（圖2（a））.10年間，實測年內最小濁度為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，實測年內最小濃度值為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類標準限值）的情況，共測得8次為5.0～6.0mg/L（6.0mg/L為地表水Ⅱ類標準限值），有81%（N為3263）超過了7.5mg/L（地表水Ⅰ類標準限值），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，實測年內最小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年實測濃度最高值均在0.50mg/L（地表水Ⅱ類標準限值）以下（表6）.10年間，取水口氨氮濃度在0.15mg/L以下（地表水Ⅰ類標準限值）的天數占比86.6%（N為3264），特別是2016—2020年，0.15mg/L以下的天數高達同期樣本量的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上升趨勢，而2015年以后又整體呈現下降趨勢（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]年際均呈現下降趨勢的結果一致.

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，監測值在0.1mg/L以下（地表水Ⅱ類標準限值）的約占24.6%（N為2758）;0.1～0.2mg/L（地表水Ⅲ類標準限值）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上升趨勢，而2015年的開始整體呈現下降趨勢（表8）.特別是2017—2019年，監測值小于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年開始呈現下降趨勢的結果一致.

2.1.8高錳酸鹽指數

2010—2019年，青草沙取水口高錳酸鹽指數濃度為1.1～4.9mg/L（圖2（c））.其中，監測值在2.0mg/L以下（地表水I類標準限值）的約占18.7%（N為3266），2.0～4.0mg/L（地表水Ⅱ類標準限值）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濃度整體較低.與硝酸鹽氮、總磷年際變化規律類似地，2015年開始，高錳酸鹽指數濃度無論是最大值、中位值還是年均值均整體呈現下降趨勢（表9）;特別是2017—2019年，監測值中小于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濃度明顯下降，這與長江干流總體有機物年際變化趨勢一致[9].

2.1.9總硬度、永久硬度、電導率和氯化物

2010—2019年，總硬度、永久硬度、電導率和氯化物變化趨勢總體一致（圖2（d））.4個指標在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.根據運行統計，2010—2014年，青草沙水庫取水口共計遭受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、總硬度、永久硬度、電導率、氯化物這12個指標季節統計情況見圖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為夏季>秋季>春季>冬季.而由于來水中氨氮、高錳酸鹽指數等處于較低水平，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，呈現出夏季<秋季<春季<冬季的特點.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、電導率和氯化物4個指標表現出冬季變幅較大，夏季變幅相對較小的特點.

2.3 相關指標關聯性分析

2.3.1水溫與溶解氧之間的關系

水溫和溶解氧是描述水生生態系統的兩個重要水質因子，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系，這表明水體中能消耗或產生溶解氧的化學、生物過程較少，溶解氧主要受大氣復氧這一物理過程影響[12-13]，也表明來水水質較好.

2.3.2氯化物與電導率、總硬度、永久硬度之間的關系

氯化物與電導率（N為3264）、總硬度（N為3257）和永久硬度（N為3257）之間的變化關系如圖5所示.可以看出，氯化物和電導率、總硬度、永久硬度均具有非常好的線性關系，表明取水口的電導率、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，氯化物對電導率、總硬度和永久硬度的影響大小順序為電導率（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）之間的關系.可以看出，濁度與水溫、大通流量無明顯的函數關系，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，長江的潮汐存在明顯大小潮變化，潮汐和風導致底部泥沙再懸浮，水體泥沙含量發生變化，進而影響濁度.

2.3.4總磷與濁度、大通流量之間的關系

圖7表明了總磷與濁度（N為2758）、大通流量（N為2758）之間的關系.因為長江中磷主要以顆粒態存在[15]，部分顆粒態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下降趨勢，但函數關系不明顯，這可能是由于伴隨著沉降過程，顆粒態磷與水界面還會發生吸附-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，但函數關系也不明顯.

2.3.5高錳酸鹽指數與大通流量、濁度之間的關系

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

2.3.6硝酸鹽氮與大通流量之間的關系

根據監測，長江上游來水中氮主要以硝酸鹽氮形態存在，比例可達70%左右.圖9表明了硝酸鹽氮與大通流量之間的關系（N為2966），隨著大通流量的升高，硝酸鹽氮總體上呈現下降趨勢，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]關于長江徐六涇斷面枯水期總氮濃度比豐水期高的結論一致.

3結論

通過對青草沙水庫取水口2010—2019年這10年的日監測數據分析，主要結論如下：

（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，高錳酸鹽指數濃度整體為2.0～4.0mg/L，且這4項指標均從2015年開始呈下降趨勢，表明來水水質進一步變好.

（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、電導率和氯化物這4個指標變化趨勢大體一致，且在大通流量相對較低的冬季變化幅度明顯高于夏季;其余指標隨四季變化的差異不明顯.

（4）總磷濃度、高錳酸鹽指數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下降趨勢.