近十年来青草沙水库取水口水质变化趋势分析

朱宜平

关键词：长江;青草沙水库;取水口;水质变化趋势

0引言

长江口区域是我国最重要的经济、金融、科技和文化中心，人口密度大，优质原水需求量大.2011年6月青草沙水源地建成通水以来，平均每日供应优质原水近500万t，改变了上海市主要依靠黄浦江取水的历史，成为上海市55%左右优质原水供应地，对上海市供水水质安全保障和城市可持续发展具有重要意义.青草沙水源地是上海战略水源地之一，各方对青草沙水源地水质高度关注[1-3].青草沙水库地处长江口南支北港，采用非咸潮期通过上游泵闸从长江江心取水、下游水闸向长江放水、输水泵闸向上海市区供水的运行模式，故库内水质受取水口长江来水影响较大.

与此同时，近年来长江上、中、下游各类调控调蓄和调水等水利设施的建设，对流域水文水情造成了一定影响.周建军等[4]研究表明，2003—2013年三峡水库蓄水后长江入海泥沙（大通站）相比1990年前减少了72%;娄保锋等[5]对长江干流2000年以来上中下游4个主要断面分析表明，长江干流年输沙量整体呈大幅下降趋势.2016年以来，随着“共抓大保护，不搞大开发”成为长江经济带发展基调以及《长江经济带生态环境保护规划》正式印发实施，长江流域生态环境也在向好的方面发展.张昀哲等[6]对长江入海前最后一个控制断面—徐六泾断面的2009—2018年總氮（TN）、总磷（TP）进行分析发现，TN和TP入海通量主要受上游来水影响，且年际有缓慢下降的趋势.董文逊等[7]对长江干流12个主要水质监测控制断面2008—2018年月度数据分析发现，长江干流水质在不断好转并呈现出持续好转或逐渐稳定的趋势.陈善荣等[8]对长江干流水质变化分析发现，2016年以来政府管理措施极大地改善了长江流域总体水质，也促进了长江干流水质进一步好转.

当前有关长江口水质变化趋势的研究[9-11]多基于国家生态环境监测网、相关科学研究专项调查来开展，数据频次为每月1次或数次.本文基于青草沙水库自2010年以来取水口的高频率日监测数据，全面分析了2010—2019年青草沙水库取水口水质变化趋势，旨在系统了解青草沙水库取水口水质发展和长江口水质变化趋势，以期为青草沙水库及其他长江口水源地长期运行提供参考.

1材料和方法

1.1 研究区域

青草沙水库取水口（31°29′28.34″N，121°32′45.69″E）位于长江北港（图1），由取水闸门和取水泵站组成.非咸潮期水库水位低于长江潮位时，采用水闸自流取水;咸潮期取水口盐度未超过饮用水标准且水库水位高于长江潮位时，采用泵站引流取水.

该区域属于亚热带季风气候，四季分明，3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12—2月为冬季.

1.2 研究方法

水质数据源于上海城投原水有限公司实验室.每日9点于取水口区域水深5m以内利用水质采样器取水样，垂向混合良好.其中，部分水样采用便携式仪器现场测定水温、浊度、溶解氧（DO）、pH值和电导率指标，剩余水样存放在采样瓶中，冷藏后于20min内送至化验室对相关指标进行分析，包括氨氮（NH4+-N）、氯化物、硝酸盐氮（NO3–-N）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总硬度和永久硬度，样本总量定为N，具体监测方法见表1.

2结果与分析

2.1 年际变化趋势

2010年以来，青草沙水源地取水口水温、浊度、溶解氧、pH值、氨氮、硝酸盐氮、总磷、高锰酸盐指数、总硬度、永久硬度、电导率、氯化物这12个指标的年际变化情况如图2所示.

2.1.1水温

2010—2019年，水温年际变化不大（图2（a））.10年间，实测年内最低水温为3.8℃，最高为33.0℃（表2）.其中，青草沙水源地取水口水温多处于10～25℃，占比56.1%;高于25℃和低于10℃的情况占比分别为25.5%和18.4%（N为3264）.取水口水温变化较小有利于水库水温的稳定.

2.1.2浊度

2010—2019年，浊度呈现比较明显的年际差异（图2（a））.10年间，实测年内最小浊度为6NTU，最大浊度为460NTU（表3）.其中，2017—2019年中位值分别为43、46、40NTU，相较之前明显偏低，表明这3年来水有变清的趋势.10年间，取水口浊度多处于30～80NTU，占比62.2%;浊度为80NTU以上的占比19.5%（N为3270）.这表明青草沙水库是来水浊度较高的水库，水库自净过程中需要更注重水力停留时间.

2.1.3溶解氧

2010—2019年，溶解氧浓度总体较高且年际变化不大（图2（b））.10年间，实测年内最小浓度值为5.2mg/L，最大值为13.9mg/L（表4），来水溶解氧浓度没有低于5.0mg/L（地表水Ⅲ类标准限值）的情况，共测得8次为5.0～6.0mg/L（6.0mg/L为地表水Ⅱ类标准限值），有81%（N为3263）超过了7.5mg/L（地表水Ⅰ类标准限值），这说明因取水口水体流动性好、污染物少，溶解氧比较充足.

2.1.4pH值

2010—2019年，取水口的来水pH值总体偏高且年际变化不大（图2（b））.10年间，实测年内最小pH值为7.3，最大为8.7（表5）;pH值小于8.0的情况占比仅为8.6%（N为3268），尤其是2016—2019年，每年低于8.0的情况占比不足5%;而超过8.3的情况占比仅为6.9%;2015—2019年，每年高于8.3的情况占比也不足5%，这表明80%以上的上游来水的pH值稳定在8.0～8.3.

2.1.5氨氮

2010—2019年，青草沙取水口氨氮浓度变化幅度在逐年缩小，年最大值也呈下降趋势（图2（c））.除2010年外，其余9年实测浓度最高值均在0.50mg/L（地表水Ⅱ类标准限值）以下（表6）.10年间，取水口氨氮浓度在0.15mg/L以下（地表水Ⅰ类标准限值）的天数占比86.6%（N为3264），特别是2016—2020年，0.15mg/L以下的天数高达同期样本量的95.7%，说明2016年以来上游来水氨氮均处于较低浓度.

2.1.6硝酸盐氮

2010—2019年，青草沙取水口的硝酸盐氮浓度呈先增加后减少的趋势，总体为1.2～2.0mg/L，占比70.8%（N为2966）（图2（c））.2010—2014年，青草沙取水口的硝酸盐氮浓度无论是最大值、中位值还是年均值均呈现上升趋势，而2015年以后又整体呈现下降趋势（表7）;特别是2019年的最大值、中位值以及年均值，均是过去10年中最低的，与长江干流的氨氮浓度[8-9]、徐六泾断面的总氮浓度[6]年际均呈现下降趋势的结果一致.

2.1.7总磷

2010—2019年，青草沙取水口的总磷浓度大体呈减少趋势，为0.01～0.34mg/L（图2（c））.其中，监测值在0.1mg/L以下（地表水Ⅱ类标准限值）的约占24.6%（N为2758）;0.1～0.2mg/L（地表水Ⅲ类标准限值）的约占70%（N为2758）.与硝酸盐氮类似地，2012—2014年的总磷浓度无论是最大值、中位值还是年均值均呈现上升趋势，而2015年的开始整体呈现下降趋势（表8）.特别是2017—2019年，监测值小于0.1mg/L以下的约占同期样本总量的46.7%，较之前有明显上升，说明青草沙取水口的总磷浓度明显下降，这与陈善荣等[9]研究的长江干流总磷自2015年开始呈现下降趋势的结果一致.

2.1.8高锰酸盐指数

2010—2019年，青草沙取水口高锰酸盐指数浓度为1.1～4.9mg/L（图2（c））.其中，监测值在2.0mg/L以下（地表水I类标准限值）的约占18.7%（N为3266），2.0～4.0mg/L（地表水Ⅱ类标准限值）的约占80%，而超过4.0mg/L的仅占1.3%，这表明青草沙取水口高锰酸盐指数浓度整体较低.与硝酸盐氮、总磷年际变化规律类似地，2015年开始，高锰酸盐指数浓度无论是最大值、中位值还是年均值均整体呈现下降趋势（表9）;特别是2017—2019年，监测值中小于2.0mg/L以下的约占同期样本总量的35.4%，较之前有明显上升，表明青草沙取水口高锰酸盐指数浓度明显下降，这与长江干流总体有机物年际变化趋势一致[9].

2.1.9总硬度、永久硬度、电导率和氯化物

2010—2019年，总硬度、永久硬度、电导率和氯化物变化趋势总体一致（图2（d））.4个指标在2010—2014年变化幅度较大，2015—2019年变化幅度明显减小（表10），这与青草沙取水口遭受到的海水入侵影响明显相关.根据运行统计，2010—2014年，青草沙水库取水口共计遭受43次海水入侵影响（包括北支倒灌和正面上溯）;2015—2019年共计遭受15次海水入侵影响（包括北支倒灌和正面上溯），相比前5年大幅减少.

2.2 季节变化趋势

2010—2019年，青草沙水源地取水口的水温、浊度、溶解氧、pH值、氨氮、硝酸盐氮、总磷、高锰酸盐指数、总硬度、永久硬度、电导率、氯化物这12个指标季节统计情况见图3.其中，水温、溶解氧、pH值存在明显的四季变化;而总硬度和永久硬度的冬、春季变化幅度明显高于夏、秋季;电导率和氯化物的秋、冬季变化幅度明显高于春、夏季;总磷的夏季变化幅度明显高于其他三季;其余指标随四季变化的差异不明显.总体而言，受气温影响，青草沙取水口四季水温顺序为夏季>秋季>春季>冬季.而由于来水中氨氮、高锰酸盐指数等处于较低水平，所以水体溶解氧主要受水温影响[12]，四季变化趋势刚好跟水温相反，呈现出夏季<秋季<春季<冬季的特点.冬季由于大通流量相对偏低，取水口易受海水入侵影响，总硬度、永久硬度、电导率和氯化物4个指标表现出冬季变幅较大，夏季变幅相对较小的特点.

2.3 相关指标关联性分析

2.3.1水温与溶解氧之间的关系

水温和溶解氧是描述水生生态系统的两个重要水质因子，且水温是影响水中溶解氧浓度变化的重要因素.青草沙取水口水温与溶解氧之间的变化关系（N为3263）如图4所示.从图中可以看出，溶解氧与水温具有很好的线性关系，这表明水体中能消耗或产生溶解氧的化学、生物过程较少，溶解氧主要受大气复氧这一物理过程影响[12-13]，也表明来水水质较好.

2.3.2氯化物与电导率、总硬度、永久硬度之间的关系

氯化物与电导率（N为3264）、总硬度（N为3257）和永久硬度（N为3257）之间的变化关系如图5所示.可以看出，氯化物和电导率、总硬度、永久硬度均具有非常好的线性关系，表明取水口的电导率、总硬度和永久硬度变化主要受海水入侵影響，上游来水中的钙、镁等离子含量相对较少.同时，对比图4中各线性方程可以看出，氯化物对电导率、总硬度和永久硬度的影响大小顺序为电导率（斜率k为3.076）>总硬度（k为0.322）>永久硬度（k为0.307）.

2.3.3浊度与水温、大通流量之间的关系

浊度代表了水体中悬浮颗粒物含量[14]，而水体中的悬浮颗粒物又容易受到来水流量、水温等季节性因素影响，图6表明了浊度与水温（N为3264）、大通流量（N为3270）之间的关系.可以看出，浊度与水温、大通流量无明显的函数关系，表明可能存在其他因素对青草沙取水口浊度影响更显著.主要影响因素可能是潮汐和风，长江的潮汐存在明显大小潮变化，潮汐和风导致底部泥沙再悬浮，水体泥沙含量发生变化，进而影响浊度.

2.3.4总磷与浊度、大通流量之间的关系

图7表明了总磷与浊度（N为2758）、大通流量（N为2758）之间的关系.因为长江中磷主要以颗粒态存在[15]，部分颗粒态磷在重力作用下随着迁移逐渐沉降，因此，总磷随着浊度的减小而呈现下降趋势，但函数关系不明显，这可能是由于伴随着沉降过程，颗粒态磷与水界面还会发生吸附-释放、沉降-再悬浮、混合-稀释等综合作用[16];另一方面，随着大通流量的增大，在一定程度上具有稀释作用，总磷有下降的趋势，但函数关系也不明显.

2.3.5高锰酸盐指数与大通流量、浊度之间的关系

高锰酸盐指数是反映水体中受有机污染和还原性无机污染程度的综合指标[17].图8表明了高锰酸盐指数与大通流量（N为3266）、浊度（N为3266）之间的关系.由图可见，高锰酸盐指数随大通流量变化趋势不明显，但随着浊度的增加而呈现上升趋势，这可能是由于水体中的有机污染物和无机还原性物质吸附在水中的悬浮颗粒上，当浊度增加时，高锰酸盐指数随之增加.

2.3.6硝酸盐氮与大通流量之间的关系

根据监测，长江上游来水中氮主要以硝酸盐氮形态存在，比例可达70%左右.图9表明了硝酸盐氮与大通流量之间的关系（N为2966），随着大通流量的升高，硝酸盐氮总体上呈现下降趋势，可能是由于硝酸盐氮在一定程度上得到了稀释[18]，这与张昀哲等[6]关于长江徐六泾断面枯水期总氮浓度比丰水期高的结论一致.

3结论

通过对青草沙水库取水口2010—2019年这10年的日监测数据分析，主要结论如下：

（1）青草沙水库取水口溶解氧浓度始终保持较高水平，其中80%以上大于7.5mg/L;pH值呈现弱碱性，整体为8.0～8.3.

（2）青草沙水库取水口氨氮浓度较低，整体在0.15mg/L以下，硝酸盐氮浓度为1.2～2.0mg/L，总磷浓度为0.1～0.2mg/L，高锰酸盐指数浓度整体为2.0～4.0mg/L，且这4项指标均从2015年开始呈下降趋势，表明来水水质进一步变好.

（3）水温、溶解氧、pH值存在明显的四季变化;受海水入侵影响，总硬度、永久硬度、电导率和氯化物这4个指标变化趋势大体一致，且在大通流量相对较低的冬季变化幅度明显高于夏季;其余指标随四季变化的差异不明显.

（4）总磷浓度、高锰酸盐指数浓度随着浊度的升高而升高;总磷浓度、硝酸盐氮浓度随着大通流量增加而呈现下降趋势.