基于不同水文保证率的饮用水源地水质影响分析

陈文光，逄 勇，谢蓉蓉,3

(1.福建师范大学环境科学与工程学院，福州 350007；2.河海大学环境学院，南京 210098； 3.福建师范大学福建省污染控制与资源循环利用重点实验室，福州 350007)

近年来，饮用水源地水质保护成为国家民生大计，河流饮用水源地主要受到上游沿岸工业废水、生活污水及畜禽养殖废水污染的威胁，导致水体生态功能不断降低[1～3]，直接威胁社会的可持续发展水平[4-5]。除去上游的水质变化，上游来水水量在很大程度上影响饮用水源地的水质，因此研究不同来水条件对饮用水源地水质影响具有重大意义。

重要水质断面水质变化及影响分析一直是国内外学者研究的热点[6～9]。Cha等人[10]基于QUAL2E 模型模拟了环境流量的改变对BOD5的影响，发现流量的增大可以改善水质。Liu等人[11]研究了淮河流域重要水文站氨氮受流量和降雨的影响，发现枯水年氨氮浓度比丰水年高。Jeong等人[12]研究了韩国洛东江流量对叶绿素a的影响，发现流量与叶绿素a呈强负相关。王华等人[13]分析了沣河水质与流量之间的关系，发现流域上下游不同断面的水质流量之间的关系也有差异。张海春等人[14]将黄浦江水系水质变化分为3个阶段，确定了上游来水水质是影响水质的主要因素之一。Nadon等人[15]通过对加拿大安大略省北部河流的研究发现水力发电设施的存在对溶解有机物没有总体影响。吴绍飞等人[16]运用Cupula函数研究了淮河流域蚌埠闸不同流量情景径流对水质组合事件发生概率的影响，发现水质超标组合事件的发生概率总体上随流量增加而减小。胡小阳等人[17]采用箱线图法和单因子水质指标评价法分析了沙颍河重要闸控断面2009～2013年氨氮和高锰酸盐指数的年际年内变化规律及主要影响因素，发现氨氮和高锰酸盐指数汛期浓度低于非汛期浓度。Xia等人[18]研究了淮河流域多尺度环境因子对水质的影响及其空间变化，其中降水量被认为是最重要的变量。水量是水质变化的重要影响因素之一，但是由于缺乏长期有效的监测，目前研究多集中在季节、水期的影响研究上，且研究因子也比较局限。

基于此，本文基于2010～2015年闽江北港重要饮用水源地水文、水质长序列监测数据，采用不同水文保证率为研究基点，全面分析了不同水文保证率的流量对不同水质因子的不同影响，旨在为重要断面的水质预警提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区域

闽江是福建省最大的独流入海(东海)河流，全长约562 km，流域面积为60 992 km2，约占福建全省面积的一半[19]。闽江流域(116°23′～119°35′E，25°23′～28°16′N)位于东南沿海，属亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，具有供水、防洪抗旱、养殖、航运等多种功能，也是海峡西岸沿海一带的重要饮用水源地[20]。闽江下游北港饮用水源地(原厝水源地)为河流饮用水源地，供水能力为75 万t/d，是福州市近六成市民的饮用水源地[21-22]，2008年设立原厝水质自动监测站(图1)。

图1 研究区域Fig.1 Maps of research area

1.2 数据收集与分析

北港饮用水源地的2010～2015年水质资料来自于福州市原厝水质监测站公布的水质周报，研究因子为：pH、DO、高锰酸盐指数、NH3-N和TP(其中2012年部分周水质有缺少)。

北港饮用水源地2010～2015水文资料来自于水文年鉴，选取文山里水文站的日流量进行统计分析。

对分析年份的水质采用季节性肯达尔趋势分析评价[23]。对分析年份的流量进行频率分析，确定2010～2015年25%、50%、75% 3种不同水文保证率的流量，对不同水文保证率下流量和水质因子进行相关性分析。

2 分析与讨论

2.1 水质因子的年际变化及上游污染源影响分析

2010～2015年际水质因子统计结果及其季节性肯达尔趋势分析评价见表1，由表1 可见，pH呈显著性下降趋势，DO呈高度显著性上升趋势，高锰酸盐指数、NH3-N和TP则呈显著性下降趋势。评价结果表明近年来闽江北港饮用水源地水质呈现恶化趋势。

闽江北港饮用水源地水质的变化与上游污染源排放有直接的关系，而农村生活和畜禽养殖是北港饮用水源地上游的主要污染来源[24]。根据福州市2012～2015年环统资料，北港饮用水源地上游的污水处理厂(位置见图1)及畜禽养殖的排放情况见图2，由图2可见，2012～2014年污水处理厂COD、NH3-N和TP的年排放量基本无变化，畜禽养殖的年排放量则呈增长趋势；而2015年污水处理厂和畜禽养殖COD、NH3-N和TP出现明显下降趋势，上游主要污染源的排放特点与相应的水质变化呈现正相关。

表1 2010～2015年际水文、水质统计结果及季节性肯达尔趋势分析评价Tab.1 Annual water quality data and the seasonal Kndall assessment during 2010～2015

注：↑、↑↑、↓分别表示显著上升、高度显著上升、显著下降等趋势。

图2 2012～2015研究断面上游污水处理厂及畜禽养殖排放量变化过程Fig.2 Sewage treatment plant and livestock and poultry farming emissions in upstream from 2012 to 2015

2.2 不同水文保证率的流量影响

2.2.1 不同水文保证率的流量

文山里水文站2010～2015年的流量为94～3 687m3/s，根据频率分析曲线得到研究断面2010～2015年不同水文保证率的流量见表2，由表2可知，25%、50%和75%保证率的流量分别为455、292、213 m3/s。

表2 文山里断面不同水文保证率的流量条件Tab.2 Discharge condition of different hydrological guarantee rates in Wenshanli Station

2.2.2 不同水文保证率的pH、DO变化

2010～2015年原厝水源地pH为 6.02～8.38，DO为 3.88～9.83 mg/L(图3)。表3为不同保证率的流量和各水质因子的相关性分析结果，由表3可见，pH 和DO基本呈现相同的变化趋势，不少研究也论证了pH和DO的协同作用，水体DO升高，CO2减少，pH随之升高[25-26]。此外，25%保证率的流量为pH和DO的变化驻点，在25%水文保证率的流量条件下(即Q> 455m3/s)，pH和DO与流量呈显著正相关(p<0.01)，这主要因为在随着流量的增大，水体扰动和污染物稀释占主导因素，大气富氧能力加强，水中微生物光合作用大于呼吸作用，导致DO随流量升高而升高，pH也随之升高。当Q<455 m3/s时，pH和DO与流量呈显著负相关(p<0.01)，此时主要受季节的影响，低流量多发生于冬季，水温温度低，水体饱和DO高，随流速降低，生物量迅速增加，光合作用能力加强[27]，导致在低流量下，pH和DO随流量的减少而增大。

图3 2010～2015年流量与pH、DO的耦合变化过程Fig.3 Temporal changes for discharge and pH、DO from 2010 to 2015

水文保证率(%)pHDO高锰酸盐指数TPNH3-N0～250.331∗∗0.457∗∗0.610∗∗0.340∗∗0.08725～500.023-0.0460.1420.216-0.01350～75-0.1540.022-0.357∗∗-0.1230.02875～1000.1050.0840.282∗0.0070.1790～500.245∗∗0.364∗∗0.570∗∗0.332∗∗-0.05850～100-0.093-0.1000.0010.0470.232∗∗25～100-0.214∗∗-0.293∗∗-0.1050.0250.087

注：* =p<0.05, ** =p<0.01.

2.2.3 不同水文保证率的高锰酸盐指数变化

2010～2015年原厝水源地高锰酸盐指数为 0.85～4.62 mg/L(图4)。结合高锰酸盐指数与流量相关性分析可知(表3)：当50%水文保证率条件下(即Q>292 m3/s)，高锰酸盐指数与流量呈现显著正相关(p<0.01) ；当Q为213～292m3/s(50%～75%保证率)，两者呈显著负相关(p<0.01)；Q<213m3/s(75%～100%保证率)时，流量与高锰酸盐指数呈正相关(p<0.05)。闫芊等人同样发现流量影响的变化性，非汛期高锰酸盐指数年均值与流量呈显著负相关而汛期与流量又呈显著正相关[28]。可能由于在较高流量和较低流量条件下，高锰酸盐主要受上游来水携带的污染物影响较大，呈现正相关；而在50%～75%保证率的流量条件时，来水的稀释和降解占主导作用，两者呈现负相关。

2.2.4 不同水文保证率的TP变化

2010～2015年原厝水源地TP为 0.203～0.042 mg/L(见图5)，结合TP与流量相关性分析可知(表3)：当50%水文保证率条件下(即Q>292 m3/s)，TP与流量呈现显著正相关(p<0.01)；当Q<292m3/s时相关性不强。焦剑等人在密云水库上游流域的调查中同样发现了TP与流量呈现显著正相关的结论，主要由于P元素在水体中迁移时，需要以泥沙或有机物颗粒作为载体，实现长距离运移。而河道流量较大时，其汇集了流域内大量地表径流，水体中泥沙和有机物颗粒含量均相应增加[29]，使水体TP含量增高[30-31]，另一方面可能由于大流量引起的河流底泥扰动，增大了沉淀或颗粒物与水体的接触面积，加速了磷的释放[32-33]。当水体流量降低时，水体颗粒物含量低，对TP的影响能力也大大降低，所以表现为相关性不强。

图4 2010～2015年流量与高锰酸盐指数耦合变化过程图化Fig.4 Temporal changes for discharge and permanganate index from 2010 to 2015

图5 2010～2015年流量与TP耦合变化过程图化Fig.5 Temporal changes for discharge and TP from 2010 to 2015

2.2.5 不同水文保证率的NH3-N变化

2010～2015年原厝水源地NH3-N为 0.02～0.78 mg/L(图6)，结合NH3-N与流量相关性分析可知(表3)：在低于292 m3/s(50%～100%水文保证率)的流量条件下，NH3-N和流量呈现显著正相关(p<0.01)；高于该流量时，NH3-N和流量呈现负相关，但相关性不强。杨玲等人同样得出流量对NH3-N有不同影响的结论，可能是由于冬季低流量条件下，氨氮的面源输入随流量减少，导致呈现正相关趋势，而在高流量时，同时存在稀释作用和面源的持续汇入问题，导致流量升高，NH3-N降低[34-35]

图6 2010～2015年流量与NH3-N耦合变化过程图化Fig.6 Temporal changes for discharge and NH3-N from 2010 to 2015

3 结 论

根据闽江文山里断面2010～2015年流量及水质资料，对水质与流量的关系进行了分析，得到以下结论：

3.1 pH呈显著性下降趋势，DO呈高度显著性上升趋势，高锰酸盐指数、NH3-N和TP则呈显著性下降趋势。

3.2 25%水文保证率的流量条件下(Q>455m3/s)，pH与其呈显著正相关；流量低于455m3/s时，pH与流量呈显著负相关。

3.3 25%水文保证率的流量条件下(Q>455m3/s)，DO与其呈显著正相关；流量低于455m3/s时，DO与流量呈显著负相关。

3.4 50%水文保证率的流量条件下(Q>292 m3/s)，高锰酸盐指数与流量呈现显著正相关；流量在213m3/s和292m3/s内，高锰酸盐指数与其呈显著负相关；流量低于213m3/s时，高锰酸盐指数与流量呈正相关。

3.5 50%水文保证率的流量条件下(Q>292 m3/s)，TP与流量呈现显著正相关；流量低于292 m3/s时，TP与流量相关性不强。

3.6 50%～100%水文保证率流量条件下(Q<292 m3/s)，NH3-N和流量呈现显著正相关；高于该流量时，NH3-N和流量呈现负相关，但相关性不强。