碧流河水库水质综合调查设计与实践

谢在刚，许士国，汪天祥，刘 键

(1.大连市碧流河水库管理局，辽宁 大连116221；2. 大连理工大学，辽宁 大连 116024)

0 前 言

供水水质是当前普遍关心的问题。一个流域山清水秀，水库卫生整洁，水质清澈甘甜的供水水源，是居民生活和工农业生产的福音。维护水源水库水质的良好状态是社会的期望，也是水库管理者的责任。一般随着水库运行时间延续，水库中的污染物具有累积趋势[1]。北京官厅水库是建于20世纪50年代初的大型水库，从建库初期就承担着为北京市供水的重要任务，然而，在运行20多年后于20世纪70年代发现水质有逐渐变坏的趋势[2]。类似事件同样发生在辽宁省汤河水库，据文献报道，2008年9月份在汤河水库水质监测数据正常的情况下，一工业用水放水口有严重的硫化氢气体溢出，后期研究表明，水库底部多年累积的沉积物是该异常现象的根源[3]。这些案例及类似事件提醒我们，对于已经运行较长时间的水库，特别是饮用水水源水库，需要在常规水质监测的同时，注意影响水质累积效应水质要素的调查和分析。

碧流河水库是大连市中心水源水库，连通着本地全部供水水库和外调水源。在保障大连市供水数量和质量方面，具有无可替代的重要作用。然而，建库三十多年来，水库经历了1985、1994和2012年等十九次较大规模的洪水过程。每次洪水都会携带大量泥沙、污染物和漂浮物进入水库，虽然水质满足供水要求，而进入水库污染物的累积趋势不容忽视。水库中污染物分布在水体、悬浮物、沉积物中，形态复杂且种类繁多，监测的缺失，掩盖了实际存在的水质问题，在一定条件下就可能会爆发出来，影响供水安全，如2007年长春市水源地新立城水库的蓝藻暴发事件[4]。这就需要将传统的水质监测转变为多维多相的水质监测，全面掌握水质状态，及时处理存在的水质问题，保障供水安全。

为此，水库联合科研单位自2013年开始规划并实施水库水质综合调查研究。在空间上根据水库的特点优化补充了能够全面掌握水质状况和供水要求的监测点位；在时间上除了常规检测外，补充了冬季冰下水质监测调查；在监测内容上除了水体之外，进行了水中悬浮物和沉积物的监测，从而全面掌握了水库水质的动态状况，为安全供水提供了保障，有关技术要点对类似水源水库水质管理有借鉴作用。

1 水库概况

碧流河水库总库容9.34 亿m3，于1983年10月下闸蓄水，从1984年开始一直是大连市的主要水源地。河流发源于辽宁省营口市境内的七盘山，流经盖州、庄河、普兰店三市，于大连普兰店市谢家屯附近流入黄海，全长156 km，流域面积2 814 km2，是黄海岸诸河中较大的河流。流域上游为山区，中游为丘陵带，下游河谷开阔平直，进入半平原区。流域水系及水库如图1所示。

图1 碧流河水库流域图Fig.1 The watershed of Biliuhe reservoir

水库属于北温带湿润气候，四季分明，冬暖夏凉，冬季冰封期从12月到次年3月长达4个多月，最大冰厚可达0.63 m。控制流域多年平均降水量742.8 mm，是辽南暴雨区之一。由于流域内多属山区，河流比降大，虽然植被条件比较好，每遇暴雨，地表径流亦迅速集中，来势凶猛，常形成陡峭集中的洪水过程。

碧流河水库以上流域分属于3市10个乡(镇)，有常住人口25.79 万人，耕地1.61 万hm2，产业有养殖牲畜14 万头，鸡鸭659 万只[]。流域内基本上以农业经济为主，限制厂矿企业发展，这对水库水质保护起到了积极的作用。

2 水质监测中遇到的新问题

2.1 水质监测现状

碧流河水库依据水利部颁发的《水环境监测规范》(SL219-2013)和《水质采样技术规范》的要求，结合水库库区流域地形和多年水质监测资料的分析进行监测。在水库共设五个监测断面、9条垂线、11个采样点，其名称分别为大堡、桂云花、钟岭、刘店Ⅰ、刘店Ⅱ上、刘店Ⅱ下、刘店Ⅲ、坝前Ⅰ、坝前Ⅱ上、坝前Ⅱ下，坝前Ⅲ。如图1所示，具体设定如下：碧流河大堡断面位于碧流河水库上游碧流河入口处，地点在大堡，布设一个监测断面，1条垂线，一个采样点，采0.5m深处水样，采样点命名为大堡；蛤蜊河桂云花断面位于碧流河水库上游蛤蜊河入口处，地点在桂云花，布设一个监测断面，一条垂线，一个采样点，采0.5 m深处水样，采样点命名为桂云花；八家河钟岭断面位于碧流河水库上游八家河入口处，地点在钟岭，布设一个监测断面，一条垂线，一个采样点，采0.5 m深处水样，采样点命名为钟岭；库中区断面刘店断面位于碧流河、蛤蜊河下游汇合处，地点在刘店，布设一个监测断面，三条垂线，四个采样点，采样点命名分别为刘店Ⅰ、刘店Ⅱ上、刘店Ⅱ下、刘店Ⅲ(说明：碧流河水库十年水质监测资料表明水深超过10 m以上的采样点，中层和下层水质无显著差异，因此取消中层采样点)。其中刘店Ⅰ、刘店Ⅲ两处采0.5 m深处水样；刘店Ⅱ上采表层(水面下0.5 m处)水样、刘店Ⅱ下采底层(河底上0.5 m处)水样；碧流河水库出水口坝前区断面位于碧流河水库出水口，地点在坝前区，布设一个监测断面，三条垂线，四个采样点，采样点命名分别为坝前Ⅰ、坝前Ⅱ上、坝前Ⅱ下，坝前Ⅲ。其中坝前Ⅰ、坝前Ⅲ两处采0.5 m深处水样；坝前Ⅱ上采表层(水面下0.5 m处)水样、坝前Ⅱ下采底层(河底上0.5米处)水样。每月至少进行1次水样采集，其中4月-10月对水库每个断面进行采样。从11月份到次年的3月份，水库库面结冰，每月仅对水库坝前区取水口取样分析。为保障碧流河水源水库的水质安全，在特殊情况下还对其进行加密监测。水库管理局依据《地表水环境质量标准》GB3838-2002和《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，选取水温、pH、电导率、总硬度、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、挥发酚、氰化物、六价铬、总砷、亚硝酸盐氮、大肠菌群、总氮、总磷、氟化物、铜、铅、锌、镉、汞、硒、铁、锰、浊度、臭和味、透明度、色度、氯化物、硝酸盐氮、硫酸盐、化学需氧量、阴离子表面活性剂、石油类、叶绿素和硫化物37个参数作为水质监测项目。检测方法为水利部水环境监测评价研究中心编写的《水质分析方法标准》以及相应的国家水质分析标准检测方法。水质监测结果表明，2001年以来碧流河水库水质总体上是II类水体。没有对悬浮物和沉积物的相关指标进行全面监测，分析表明，近年来水库水体的总氮、氨氮、硝酸盐氮和硫酸盐等水质指标都有提高趋势。

2.2 遇到的新问题

碧流河水库设有水质监测中心，该中心通过国家认证认可监督管理委员会计量认证，水质监测人员和设备配置齐全，在常规水质监测方面发挥了很好的作用。除了完成日常水质监测任务外，多次发现局部水质异常现象，都及时进行了分析和处理。随着水库运行时间的增加，为防患于未然，需要积极探讨深层次的问题，为保证供水安全，发挥应有的作用。

2.2.1 入库污染物的累积效应

水库建成后，由降雨径流驱动将流域内人类活动、水土流失和大气降尘等形成的污染物不断输送到水库中，日积月累下数量巨大，影响深远[6]。尤其在北方干旱半干旱地区，由于水资源不足，在水源水库的运行过程中，进入水库的水量多是以大流量的洪水形式输入，而放水过程多以满足供水要求的小流量均匀地从上层取水输出[7]。长此以往致使随着洪水过程进入水库的柴草、泥沙、垃圾等污染物及其次生污染物越来越多地累积在水库中，较大颗粒的悬浮物逐渐沉淀，中小颗粒则吸附絮凝在一起，悬浮在水库的下层水体中。图2所示是2008年一次洪水期间，水库表面漂浮物的情景。随着时间推移，漂浮物被水浸泡约两周后会逐渐沉积在库底。污染物受到物理、化学、生物的作用，以溶解态、悬浮态和沉积态的形式存在。这种情况下水体单元中的污染物在空间、时间和成分上与其微环境条件间存在复杂的依存关系，很多成分会进入水体，成为水库水污染的一个内源。

图2 2008年洪水期间进入水库的漂浮物Fig.2 Pollutants entering into the reservoir during flood season in 2008

考察发现水库运行20年以上，会经历两个丰水期，遇到10次左右的较大洪水。从而使得进入水库的污染物累积量逐渐增大，问题会越来越突出。碧流河水库的溢流堰顶高程为60.3 m，底部放水孔高程为38.0 m，而坝前河床高程为28.0 m，在近30年的运行期间，水库弃水的机会相对较少，近十多年来更是没有通过底孔放过水。坝前有巨大的静水空间，为细小泥沙颗粒和絮凝悬浮物的沉积提供了条件。随着水库运行时间的延续，携带物逐渐积累演变，在库底形成了不可忽视的污染源。

2.2.2 水质要素的多维多相性

碧流河水库的常规水质监测，已经积累了多年的数据，为供水水质保障起到了重要作用。然而，水库中的污染物种类复杂形态多变，是多维多相共存的状态。水体中的悬浮物既可吸附多种有害物质，又包含着生化过程，是污染物浓度较高、感官嗅味影响突出的复合污染物[8]，沉积物是在长期的沉积过程中逐渐积累的污染物，具有明显的平面分布和垂向层理结构[9]。当上覆水污染物浓度较大时沉积物与悬浮物既能进行吸附，也能在上覆水体较小时释放出来增大水体负荷[10]。汤河水库、新立城水库等水源中的悬浮物和沉积物都曾经成为污染水质的重要因素。

图3 水库多维多相污染物共存状态概念图Fig.3 The concept map of multi-dimensional and multi-phase pollutants in reservoir

经过多年运行后，水库中污染物赋存结构如图3所示。因此，为了全面深入地掌握水库水质状态，需要对水库进行多维多相污染物共存状态的综合监测与分析。

2.2.3 水源连通及其水质影响

水源连通是提高水源系统供水量和供水保证率的有效手段[11]。大连市的水系连通工程，通过跨流域联合供水、跨流域库间输水、同流域补水等形式实施。在这个过程中，碧流河水库在大连市连通水源系统中的中心作用越来越突出。2014年建成的大伙房引水工程将大伙房水库的蓄水通过350 km的地下管线输送到碧流河水库，再供给到大连市的各用水部门。按照工程规划，大伙房水库每年将向碧流河水库输送3 亿m3水量，相当于碧流河水库正常需水量7.14 亿m3的42%。这种水量输送在提高水库供水能力的同时，也将对受水水体的水质和生态产生影响[12,13]。特别是在枯水段，碧流河水库蓄水少的情况下，这种比例和影响会更加突出，成为必须重视的新课题。要做到这一点，通过水质监测，充分掌握输水前后以及输水过程中，水库各个断面、不同深度的水质和生态状况是深入分析的前提。

3 水质综合调查设计

为了适应社会经济发展的需求，保证水源地供水安全。针对碧流河水库水质监测中出现的新问题，进行了水质综合调查的系统设计，进而研究保护对策。

3.1 样本采集

根据水库水质实际状况，依照《水和废水监测分析方法》和《水环境监测规范》制定监测方案，实施水质综合监测。拟在两个水文周期内，每月采集一次样本进行分析化验，系统建立水质监测数据库。水质分析样本包括水体样本、悬浮物样本和沉积物样本。当水库水文、水质发生突变，或者遇到影响水质状态的事件发生时加密采样次数。

采样点及监测断面的布设，结合碧流河水库库区形状和水库各支流分布，并充分利用已有的5个监测断面。碧流河水库属于狭长的河道型水库，从上游碧流河入库口及蛤蜊河入库口坝前14 km，期间只有刘店一个监测断面。考虑到目前已有的监测断面和监测垂线不能真实反映水库水质状况及从入库口到坝前的动态变化过程，为了能够更加细致准确的掌握碧流河水库水质状况，并进一步分析水质演变过程和机理，再增设1个监测断面和4个测点，共布设6个监测断面，22条监测垂线；为考虑水源连通对碧流河水库水质的影响，在大伙房连通引水后还对引水水质进行连续监测。使得监测断面除了控制3个较大支流的入库和出库外，在主库区沿库长有另外两个监测断面反应水质的沿程变化，对于监测断面之间的水质情况，兼顾到监测点间的距离和地形条件，由4个选择水库断面的中心监测点来反映，每个监测断面设左中右三个监测点，每个监测点设一条监测垂线，在每条监测垂线上根据规范要求进行水体分层取样，以及悬浮物和沉积物的采样。

3.2 调查项目与指标

针对多年运行的水库总氮普遍超标，许多水库出现的富营养化问题的现实，拟对水库中的水体、悬浮物和沉积物进行综合调查。具体检测项目和指标如下。

3.2.1 水体水质的调查与检测

根据《水环境监测规范》在6个监测断面、4个监测点上采取水质样本进行化验分析。为了能够研究分布状况与规律，每个监测断面均匀布设3条垂线，每条垂线分层采集3个水质样本(表层，中层，底层)。水体检测指标(15个)有：溶解氧、pH、水温、总磷、总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、有机氮、铁、锰、生化需氧量、高锰酸盐指数、氧化还原电位、电导率。

3.2.2 悬浮物的调查与检测

根据《水环境监测规范》布设原则，悬浮物采集与水样布设一致。为了能够更好地研究悬浮物分布状况与规律，每个监测断面布设3条监测垂线，每条监测垂线采集2个悬浮物样本。对于悬浮层较厚的区域需依照具体情况分层采集。悬浮物检测指标(10个)有：总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、有机氮、总磷、铁、锰、高锰酸盐指数、浮游生物。

3.2.3 沉积物调查与检测

根据《水环境监测规范》布设原则，沉积物采集应与水样布设一致。为了研究沉积物分布状况与规律每个测点采集沉积物样品，每次采集22个沉积物样品。每个沉积物样品根据需要按2～10 cm另作分层处理。沉积物检测指标(18个)：溶解氧(间隙水)、pH(间隙水)、粒径、含水量、有机质、总氮、氨氮、硝态氮、总磷、有机磷、易溶性磷、铁结合态磷、铝结合态磷、钙结合态磷、硫化物、铁、锰、温度。

对于水体、悬浮物、沉积物样本采集，严格遵守《水和废水监测分析方法》、《水环境监测规范》以及其他相关规范进行。同时，根据水库水质调查的对象和工作特点，开发研制一些有针对性的设备和仪器。如沉积物样品采集，除了利用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品外，自行研制震动式采泥器，在垂直方向上，采集具有层理的沉积物样本用于检验分析。

3.3 样品检测

为了使水质综合调查的成果具有科学性和权威性，检测方法均根据国家标准进行，其中悬浮物除浮游生物采用镜检方法获取，其余指标均采用水体样品过滤前后的浓度差除以悬浮物含量获取。对于一些特殊指标如溶解氧，尽可能采用多种可行的方法进行监测，以便保证成果的质量，并探索不同条件下监测方法的特点。

4 调查结果概述

碧流河水库的水质综合调查始于2013年7月。在2年的时间内实施了16次水上采样，5次冰上采样。获得水体样本561个，悬浮物样本 25个，沉积物样本63个。通过设计实施水质综合调查，系统掌握了水库水质状态，调查结果如下。

4.1 水体水质调查结果

水质综合调查表明碧流河水库总体水质较好，总体情况如表1所示。以Ⅲ类水质标准为基准，平均水质指标合格率达85.1%，除总氮外，平均合格率可达95.7%，满足供水需求。水质总体上呈现夏季差、冬季好的格局。碧流河水库水质温度、溶解氧呈现明显的季节性变化趋势，呈现倒U字形，即夏季(7-9月)温度高，春(4-6月)秋(10-12月)接近，冬季(1-3月)最低。夏季平均温度在20 ℃左右，春、秋两季温度春季平均温度在15 ℃左右，冬季平均温度在5 ℃左右。生化需氧量、高锰酸盐指数等也呈现U字形规律，溶解氧与之相反呈现倒U字形规律，即夏季低，春秋次之，冬季达到最大。在平面分布上碧流河水库主体呈现入库口水质差、库区水质好的趋势。在垂向分布上溶解氧、温度在夏季呈现显著的“氧跃层”和“温跃层”，改变了水库底部水生态环境格局，其中水深越大的区域温跃现象持续时间越长。相关性分析表明溶解氧主要受到温度、pH值影响；总氮主要受到硝态氮的影响，总磷则与铁锰的相关性较大。持续的水位降低和大伙房引水带来的水质变化主要是总氮的降低和部分区域底层锰含量的提高，总氮的降低可能和降雨减少从而降低了入库污染负荷有关，锰含量的增高分析认为和水位降低水压力减少促进了沉积物锰释放有关。因此，碧流河水库的污染源主要构成为非点源污染和内源污染。水质综合评价表明碧流河水库水质较好处于Ⅱ到Ⅲ类之间，其趋势和水质指标分布相符，呈现库区小入库口大的趋势，考虑沉积物释放影响水库水质则有所下降甚至超出Ⅲ类水质标准。

表1 2013年7月至2015年7月水体检测综合情况Tab.1 The comprehensive monitoring results of water quality in July 2013 to July 2015

注：好于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定的Ⅲ类水水质标准为合格。

4.2 悬浮物调查结果

碧流河水库上游表层悬浮物含量较高，在5～30 mg/L之间。下游表层悬浮物含量逐渐减少，坝前在0.7～6.0 mg/L之间，表明水体悬浮物含量较少，水体较清洁。刘店和坝前断面底层悬浮物含量较高 ，最高可达76.4 mg/L，时间变化并无一定规律。其形态各异，大小在零点几微米到几百微米。中值粒径d50=1.53 μm，沉降到水库底部需要30～300 d的时间。而其孔隙中存在大量微生物，具有生物活性，意味着悬浮物在水库沉降的过程中有足够的时间完成有机物的分解、污染物的迁移转化等生物化学过程。随着碧流河水库水位的逐步下降，悬浮物密集存在层所占水深比例逐步增大，对水库水质的影响也越来越大。由于水库悬浮物结构复杂松散，粒径大，其分形维数小，容易受到扰动的破坏而分散， 悬浮物的多孔性结构使其吸附大量的污染物和营养元素，颗粒态的磷有时甚至是溶解态磷的3～12 倍，大部分的磷也以颗粒态的形式存在。底层水体锰超标或许与悬浮物再悬浮有关。

4.3 沉积物调查结果

碧流河水库沉积物氮磷含量较大，库区平均值为2 725 mg/kg，消落区平均值为1 538 mg/kg，总磷含量相对于总氮较低，库区平均值为571 mg/kg，消落区平均值为416 mg/kg，均呈现坝前最大的趋势，消落区的含量较小，有机氮是沉积物总氮的主要形式，铁铝结合态势是沉积物磷的主要赋存形式。水库沉积物总氮的释放量范围从4～59 mg/kg之间，平均释放量为27.7 mg/kg，可能会导致水库总氮含量增加1.3 mg/L。总磷的平均释放量为12 mg/kg，可能会导致水库总磷含量增加0.56 mg/L。锰的平均释放量为450mg/kg，平均释放浓度可达4.5 mg/L，可以造成水-沉积物界面处的锰浓度增大，可能是坝前底层水体锰异常的来源。水库库区的沉积物中重金属的含量均有一定程度的上升，其中铜比较稳定，富集不明显，平均含量维持在土壤背景值附近，部分采样点的含量甚至低于土壤背景值，锌和铅呈现出较明显的富集效应，可达土壤背景值的3～5倍，最显著的变化当属镉，沉积物中镉的含量富集至15～58 倍之多(以大连市土壤背景值为基准)，尤其以刘店2、刘店3以及坝前2为最多。

5 结 语

碧流河水库自1985年下闸蓄水以来，已经运行了三十多年。在此期间碧流河水库经历了大洪水19次，枯水年份5次。随着水库运行时间的延长，水库水质管理遇到了诸如入库污染物的累积效应，水质要素的多维多相性，水源连通及其水质影响等新问题，直接影响着水源水库的水质安全。为此，碧流河水库实施了水库水质综合调查研究，在水质样本采集的基础上，补充强化了水库入流河口段和库区特殊断面的样本采集；在采样时间上，除了常规的非冰冻期样本采集，增加了12月至次年3月的冰冻期样本采集与分析；在水质分析样本类型上，除了采集水体样本外，增加了悬浮物和沉积物样本的采样和分析。此外，在大洪水汇入、超低水位、跨流域输水初期的特殊时机，也及时收集了不可多得的数据。经过两年的水质综合调查和分析，已经收集了500多个各类样本，得到5 000多个水质数据，掌握了水库全期水质状态，为碧流河水库水质管理提拱了重要的技术支撑，也为具有类似运行条件的水源水库水质管理积累了可借鉴的经验。

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[1] Zhu Y J, Lu X W, Yang L N,et al.Accumulation and source of heavy metals in sediment of a reservoir near an industrial park of northwest China[J].Frontiers of Earth Science,2016,10(4):707-716.

[2] Fu WJ, Liu XH, Gong W W, et al. Assessing the Mutagenic Potential of Surface Sediments from Beijing Guanting Reservoir to Salmonella typhimurium[J]. Soil Sediment Contam,2015,24:306-324.

[3] 张 峰,武 迪.汤河水库局部水体水质异常原因分析对策[J].农业与技术,2010:67-69.

[4] 尹 华,昌镜伟,章光新，等.新立城水库水体富营养化成因及治理对策[J].东北师大学报(自然科学版),2010,42(1):152-156.

[5] 沈阳浩淼水资源科技开发有限公司. 碧流河水库维修工程水库污染源调查与水质评价[Z].沈阳: 沈阳浩淼水资源科技开发有限公司,2012.

[6] 许士国,汪天祥.水库内源污染蓄积过程及影响研究综述[J].水利水电科技进展,2015,33(5):162-167.

[7] 王本德,周惠成,卢 迪.我国水库(群)调度理论方法研究应用现状与展望[J].水利学报,2016,(3):337-345.

[8] Goncalves C, Figueiredo B, Alves C. et al. Chemical characterization of total suspended particulate matter from a remote area in Amazonia[J].Atmospheric Research,2016,182:102-113.

[9] Yin K, Zetsche E M, Harrison PJ.Effects of sandy vs muddy sediments on the vertical distribution of microphytobenthos in intertidal flats of the Fraser River Estuary, Canada[J].Environmental Science and Pollution Research,2016,23(14):14 196-14 209.

[10] Li H, Song C L, Cao X Y, et al.The phosphorus release pathways and their mechanisms driven by organic carbon and nitrogen in sediments of eutrophic shallow lakes[J].Science of the Total Environment,2016,572:280-288.

[11] 田传冲,陈 星,湛忠宇，等.水量水质系统控制的流域水系连通方案[J].水资源保护,2016,32(2):30-34.

[12] Wang Y G, Zhang W S, Zhao Y X, et al. Modelling water quality and quantity with the influence of inter-basin water diversion projects and cascade reservoirs in the Middle-lower Hanjiang River[J].Journal of Hydrology,2016,541:1 348-1 362.

[13] Liu J J, Wang P F, Wang C, et al. Heavy metal pollution status and ecological risks of sediments under the influence of water transfers in Taihu Lake, China[J]. Environmental science and pollution research international,2016,(11):1-15.