青草沙水库浊度与悬浮颗粒物粒径的分布特征

穆 青，张海平

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

1 引言

浊度是一种光学效应，是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，水中悬浮物包括泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。浊度越大，表示水层对光的吸收和散射能力越强[1]，水体透光度越弱，因此浊度是水质的重要物理指标[2]。

目前，许多学者对海域的浊度和颗粒物粒径分布特征进行了调查分析[2～5]，但对水库的浊度和颗粒物粒径分布特征的调查很少。因此，本文以青草沙水库为例，于2016～2017年4次实地采样，测定浊度及颗粒物粒径，探索青草沙水库开闸引水期间的浊度及颗粒粒径分布特征，以期为水库水质管理提供参考价值。

2 区域概况

青草沙水库位于长江河口段、南北港分流口附近的北港进口段江心水域，北侧临近新桥通道和北港主槽，南侧临靠长兴岛，为目前国内最大的江心水库，水库设计总库容为 5.27 亿m3，有效库容为 4.38 亿m3。青草沙水库是目前上海城市供水规模最大、受益人口最多的饮用水水源地水库，服务人口将超过1000 万人[6]。

3 取样及研究方法

于2016年5月5日、2016年10月17日、2017年1月16日、2017年3月27日，在青草沙水库上游开闸取水期间，对库区多个点位进行浊度现场测定和表层沉积物取样，四次采样点均位于水库上游(图1)。每个采样点均为垂向分层采样，即在水面下0.5 m、1.5 m、2 m、3 m、4 m采样。第一次共布置10点，取33个水样；第二次共布置6点，取36个水样；第三次共布置5点，取12个水样；第四次共布置6点，取样20个。应用HACH 2100Q型浊度仪在现场测量水样浊度，每个水样各测3次，取平均值。在室内试验分析过程中，将500 mL平行水样抽滤浓缩，应用马尔文激光粒度仪进行颗粒物浓度及粒径级配分析。

图1 四次采样点位置布置

4 结果

4.1 水动力和风场特征

受长江口和杭州湾潮汐影响，青草沙水库外海域属非正规浅海半日潮，每天两涨两落、日潮不等现象较为明显。青草沙水库平面上呈西北～东南向狭条状，上游取水泵闸位于库区西北端，长江侧水体自上游取水泵闸进入库区，开闸引水时流速近3.6 m/s。之后，引水沿进流通道下行，主流流速逐渐降至1 m/s，并在青草沙垦区上游分为南汊和北汊，其中南汊为主汊，北汊为支汊，然后两汊水流在青草沙垦区下游侧交汇，并继续下行。水库内流场由风生流控制，风对库区水流搅拌作用较大。

4.2 浊度分布特征

各采样点浊度测定结果显示，青草沙水库浊度最高达到229NTU，最低为7.39NTU。浊度差异明显，说明引水浊度高，对库区浊度影响大。

对比不同采样点同一水深的浊度值可发现，顺水流方向，水体浊度呈逐渐降低的趋势(图2、图3、图4)。以2016年5月5日青草沙水库开闸引水期间的测定结果为例，上游开闸前闸口附近的浊度在40～50 NTU，10:50开闸后快速升至120 NTU，之后逐渐向下游输移。11:47时A、B、C、D四点的浊度(图2)最大值达到124 NTU，最小值为64 NTU。B点不在上游水流流动的主流道上，受到对流扩散作用，因此浊度实测值较低。12:00以后E～H点的浊度在50～35 NTU之间逐渐降低，在13:00左右H点附近的浊度稳定在35 NTU左右。此外，2017年3月27日的浊度监测结果显示，对于同一点位同一水深，其浊度值呈现先升高后降低的过程。2017年3月27日开闸引水期间，在10号点位2 m水深处每隔约5 min测量一次浊度(图5)。由图6可知，开闸后由于来水浊度大，10号点位的浊度先由25NTU迅速上升至58.8NTU，后随着水流流速变缓以及颗粒物的沉降，浊度逐渐下降至42NTU。

以水面以下0.5 m处的浊度值作为表层浊度，计算不同水深的浊度与表层浊度的比值，得到浊度实测值随水深的变化(图6)。由图6可知，在0～4 m水深范围内，浊度随水深没有明显的变化规律，不同水深的浊度值最高比表层大21%，最低比表层小26%。原因可能是水库引水期间水流流速较大，风场对水库表面水体搅拌作用明显，固体颗粒随水流在不同深度内混合，因此浊度与水深没有明显相关关系。

图2 2016年5月5日各点位1.5 m水深处平均浊度

图3 2016年10月17日开闸引水期间0.5 m及2 m水深处浊度

4.3 悬浮颗粒物粒径的分布特征

将取回的水样在实验室进行浓缩，然后用马尔文激光粒度仪进行颗粒物粒径级配分析。由图7可知，各水样中颗粒物粒径范围广，且差异大。所有水样中颗粒物Dv (10)集中在0～15 μm，其中最小为0.690 μm，最大为164 μm；Dv (50) 大部分为0～30 μm，其中最小为3.69 μm，最大为666 μm；Dv (90)在0～2090 μm之间均有分布，无明显的聚集现象，其中最小为13.8 μm，最大为2090 μm。悬浮颗粒物粒径级配多为多峰，一部分峰值出现在粒径小于10 μm的区域，一部分峰值出现在大于10 μm地区域。

图4 2017年1月16日开闸引水期间0.5 m及3 m水深处浊度

图5 2017年3月27日10号点位开闸后2 m处浊度变化

图6 不同水深浊度与表层水深浊度比

图7 2016年10月17日1#、5#、6#点位在0.5 m(a)、2 m(b)水深处粒径级配套工程

4.4 悬浮颗粒物体积浓度与浊度的关系

将各个站点水样的浊度与悬浮颗粒物体积浓度作回归分析。由图8得，水样的浊度与悬浮颗粒物体积浓度关系满足：

V=0.00000170T+0.00000544(R2=0.80679309)

式中：T为水样浊度值；V为水样中悬浮颗粒物质量浓度。可见，水样浊度与悬浮颗粒物质量浓度相关性较好。

图8 2016年5月5日各水样浊度与悬浮颗粒物质量浓度的拟合

5 结论

本文通过对2016～2017年4次青草沙水库开闸引水期间浊度及粒径级配分析，得到青草沙水库开闸引水期间的浊度变化特征及颗粒物粒径大小、组成变化特征，并结合水动力因素进行了分析，得出以下结论。

(1)青草沙水库开闸引水后，水库上游浊度明显升高，并呈现出上升-下降的趋势。在0～4 m水深范围内，浊度和水深无明显相关性，其主要原因是引水时水体流速大，再加上风的搅拌作用，导致水面波浪较大，因此在所观测的水深范围内，未发现浊度随着水深的变化呈现出一定的规律性变化。

(2)青草沙水库开闸引水期间，水库上游颗粒物粒径级配为多峰，分布在小于10μm及大于100μm两个区域。

(3)水库内浊度与悬浮颗粒物质量浓度相关性较好，相关系数为0.80。