再生水补水河涌的水环境风险分析

张 威，肖耿锋，洪昌红

(1.广州市河涌监测中心，广州 510600；2.广东省水利水电科学研究院，广州 510635)

1 概述

我国水资源严重贫乏，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4[1]，广州市地处我国南方丰水地区，但多年人均本地水资源量仅有514 m3，为广东全省人均水资源量的1/3，水资源量无法满足经济社会长期健康可持续发展需要。再生水作为城市用水的替代水源，在河湖补水、道路冲洗、灌溉等方面具有巨大的利用潜力[2-3]。广州市具备良好的再生水利用条件，一方面广州市具有充足的再生水水源，全市共建成污水处理厂(站)51座，设计处理能力达546.93万t/d(2018年)[4]；另一个面广州市河涌众多，使用再生水作为河涌补水来源有利于保持河涌长治久清，防止其黑臭化。《广州市非常规水资源利用规划(2018—2035)》、《广州市节约用水规划(2018—2035年)》等相关规划文件鼓励使用再生水进行河涌补水，该方式是将来一段时间广州市再生水利用的主要方向，现阶段主要的试点之一为将“三涌补水”(猎德涌、车陂涌、沙河涌)的水源由珠江地表水更换为污水处理厂的再生水，有关“三涌补水”情况可参考文献5[5]。

使用再生水对河涌进行在缓解水资源短缺的同时可以提升水环境观感，但同时也会导致水体中氮磷化合物浓度上升、藻类和微生物繁殖加快等潜在风险问题，孟庆义等[6]发现使用再生水对北京市白潮河进行补水后，受水河道有机污染物和叶绿素浓度上升，进而导致藻类大量繁殖；刘轩等[7]通过实验模拟使用再生水湖泊进行补水，发现湖泊底泥也是重要的营养盐来源，再生水补水条件下藻类生长和底泥释放之间明显的互促作用；王子钊等[8]的研究结果表明再生水对河流进行补水不仅严重影响河流氮磷浓度水平，也造成了环境类激素的污染风险。诸多研究表使用再生水进行河湖补水存在潜在的藻类爆发危险，但目前我国的再生水回用仍处于起步阶段，对于使用再生水进行河湖补水的生态风险仍没有成熟的应对方法和措施，同时研究对象多为我国北方地区河湖，对以广州市为代表的南方丰水地区的研究仍处于制度构建和可行性论证阶段[4,9]，亟需开展再生水生态补水工程案例分析，针对补水过程中存在的水环境风险进行合理评估。改进的TOPSIS水质评价模型被广泛运用于湖泊、河流、地下水水质和水安全评价[10-11]，该方法可削弱异常值的影响，减少主观赋权带来的误差，对水质进行实时有效评价，但只能评价出水质相对优劣，不能反映水质相较于国家标准值的优劣[12]。

本文以“三涌补水”工程为研究对象，探究使用大观污水处理厂再生水经长虹湖进行调蓄后，对“三涌”之一的猎德涌进行再生水单一水源补水过程中水质因子的变化情况，进而研判补水过程中存在的水环境风险。同时，引进改进TOPSIS水质评价模型进一步分析补水沿程水质风险情况。研究结果可为南方丰水地区再生水补水工程潜在的生态风险提供借鉴。

2 研究区域概况

“三涌补水工程”是指在珠江前航道东埔大桥东侧提水至长虹湖，通过二级泵站抽取湖水补至沙河涌及猎德涌，并采用重力流埋管方式将水补至车陂涌。目前逐渐使用大观污水厂再生水取代地表水。大观污水厂再生水24 h运行向长虹湖进行补水，目前向长虹湖补水量约7万m3/d。长虹湖日常运行水位为水位13.50～14.50 m(珠基，下同)。再生水经长虹湖调蓄后，再生水在泵站和管网作用下从西湖水闸向猎德涌进行补水，补水流量为1.18 m3/s，其中对猎德涌直接补水运行时间为6:00—21:00，补水量为6.37万m3。

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源

本研究选取长虹湖开始对猎德涌进行再生水补水为初始时间段，试验时间为2020年10月10日—2021年6月1日。选取了长虹湖进水口(P1)、长虹湖出水口(P2)、广东水利电力职业技术学院(P3，位于猎德涌明渠起点)和临江大道(P4，位于猎德涌河口)的水质情况进行分析(如图1所示)。

图1 猎德涌再生水补水系统及采样点空间位置示意

3.2 研究方法

使用熵权法与TOPSIS法相结合构建改进TOPSIS水质评价模型，由于《地表水环境质量标准(GB 3838—2002)》不对SD进行评价，因此模型中不纳入SD指标。改进模型的评价过程可分为以下步骤。

1) 使用熵权法确定权重

将m个评价对象的n个指标值的原始数据xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)组成矩阵Xmn：

(1)

max(x1j,x2j,…,xmj)-xij

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)

若出现负数数据，需要进行非负数处理，计算公式如下：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(3)

将数据标准化，计算第j项指标下第i个评价对象占该指标的比重构建矩阵Pij：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(4)

计算得到各指标的信息熵Ej：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(5)

计算信息效用值dj并求出熵权wj，计算方式如公式(6)～(7)所示：

dj=1-Ej(j=1,2,…,n)

(6)

(7)

2) 改进TOPSIS水质评价模型

对X进行标准化得到Zmn，标准化方法如公式(8)所示：

(8)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

计算个评价对象排序指标值fi：

(9)

(10)

(11)

按fi从大到小排列方案的优劣次序。

4 结果和讨论

4.1 水质指标时间变化

图2 监测点位DO浓度变化情况示意

各监测点位的透明度如图3所示，初期各监测点位SD较低且差异较小，而上升期P1、P2处SD显著上升。P1、P2处在初期SD平均值分别为43.11 cm、38.30 cm，而在上升期平均值分别为115.0 cm、85.3 cm。P3处SD在补水稳定期大部分时间达到40 cm以上，但是少部分时间下降至10 cm以下，初期平均值为19.85 cm，上升期平均值为52.17 cm。P4处SD变化较小，初期变化范围为12.0～36.0 cm，平均值为25.90 cm，而在上升期变化范围为6.0～40.0 cm，平均值为28.82 cm。

图3 监测点位透明度变化情况示意

图4 监测点位浓度变化情况示意

各监测点位的TP浓度如图5所示，初期TP浓度在各监测点位差异较大，在P1～P4处TP浓度的平均值分别为0.17 mg/L、0.22 mg/L、0.51 mg/L、0.56 mg/L。稳定期TP浓度呈下降趋势，P1、P2处TP浓度稳定在0.20 mg/L以下，而P3和P4处TP浓度在部分时间点仍然较高，TP浓度在4个监测点位平均值分别为0.10 mg/L、0.16 mg/L、0.24 mg/L和0.37 mg/L。

图5 监测点位TP变化情况示意

COD和TN指标监测从2020年11月4日开始，依据两者浓度的变化趋势以2020年12月15日为界可划分为初期和稳定期2个阶段。各监测点位的COD如图6所示，监测过程中COD在P1、P2处较为稳定，大部分时间在15 mg/L以下，初期COD在P1、P2处的平均值均为15.00 mg/L，稳定期平均值分别下降至14.89 mg/L、14.77 mg/L。初期P3处COD在部分时间超过20.00 mg/L，平均值为21.01 mg/L，稳定期平均值下降至14.79 mg/L。值得注意的是，COD在P4处部分时间点出现显著上升的趋势，比如在2021年5月27日和2021年6月1日分别高达46.00 mg/L和118.00 mg/L，初期P4处COD平均值为27.00 mg/L，稳定期平均值为24.45 mg/L。

图6 监测点位COD变化情况示意

各监测点位的TN浓度如图7所示，初期长虹湖P1、P2处的TN浓度平均值分别为8.68 mg/L、7.41 mg/L；P3处TN浓度略高于其他监测点位，变化范围为6.64～11.60 mg/L，平均值为9.21 mg/L；P4处TN浓度较小，变化范围为6.17～7.45 mg/L，平均值为6.84 mg/L。稳定期除2021年2月19日时TN浓度超过10.00 mg/L外，其余时间P1、P2和P3处的TN浓度都在8.0 mg/L以下，3个监测点位处TN浓度平均值分别为7.59 mg/L、7.32 mg/L和7.09 mg/L；P4处TN浓度在2021年5月27日骤升至12.90 mg/L，总体而言稳定期TN浓度仍保持在较低水平，平均值为6.87 mg/L。

图7 监测点位TN变化情况示意

表1 补水前期和稳定期水质指标变化情况 %

4.2 水质指标沿程变化

图8 P1～P4监测点位水质变化趋势示意

通过对水质物理指标和化学指标分析，采用大观污水处理厂处理后的再生水经长虹湖等调蓄湖泊对猎德涌等河涌进行补水，其水环境风险总体可控，但存在TN浓度过高和再生水补水河道沿程水质恶化情况加剧的风险。以再生水为补水来源的城市水体出现营养盐浓度上升、富营养化风险增大的现象是目前再生水回用于生态补水的普遍问题[14-17]。刘言正[18]建议湿润地区使用再生水作为城市水体补水来源时，TN和TP的基准建议值分别为5 mg/L、0.1 mg/L，均低于本试验的平均监测值。针对从补水过程中河涌下游采样点氮磷营养物浓度相比上游采样点上升的问题，顾永刚等[19]认为需要兼顾沿程排污口和面源污染问题；而姜瑞雪等[20]则发现河道沿程氮、磷含量降低，认为出现该现象与藻类光合作用和反硝化作用等因素有关。

再生水经过湖泊调蓄后和再生水输送路程增加，其水质情况均出现恶化风险。冯萃敏等[21]通过对以再生水为补水水源的封闭景观湖泊进行长时间水质监测认为，补水湖泊出现富营养化的原因可以归纳为再生水的直接补入、雨水的径流污染、湖水无流动性、底泥营养释放、缺乏流动性等；任晶晶等[22]认为再生水消毒过程中有氯胺生成，并且在补水过程中发生分解导致氮素浓度升高。为充分了解水质因子变化的相关关系，需要在下一步增加叶绿素浓度和底泥污染物浓度等生物和内源污染物因子的监测。

5 结论及建议

本文通过对使用再生水补水的猎德涌水质变化情况及水环境风险开展分析，得出以下结论：

1) 使用再生水对河涌进行生态补水1个月后，水质指标逐渐区域稳定，水体的DO和SD得到显著提升，但TN和TP仍处于较高水平，这主要取决于再生水出水水质。

2) 补水过程河涌沿程氮、磷营养盐浓度呈上升趋势，初步研判是由于内源、面源的污染物来源导致。

3) 基于改进TOPSIS水质评价模型对不同监测点位水质情况进行综合分析发现，再生水经过湖泊调蓄和输水距离变长水质恶化风险加大。

综上所述，采用污水处理厂再生水对河涌进行生态补水是风险可控的，但仍需要加强叶绿素浓度和底泥污染物浓度等生物和内源污染物因子的监测，以进一步为风险控制提供评估依据。