碧流河水庫水質綜合調查設計與實踐

謝在剛，許士國，汪天祥，劉 鍵

(1.大連市碧流河水庫管理局，遼寧 大連116221；2. 大連理工大學，遼寧 大連 116024)

0 前 言

供水水質是當前普遍關心的問題。一個流域山清水秀，水庫衛生整潔，水質清澈甘甜的供水水源，是居民生活和工農業生產的福音。維護水源水庫水質的良好狀態是社會的期望，也是水庫管理者的責任。一般隨著水庫運行時間延續，水庫中的污染物具有累積趨勢[1]。北京官廳水庫是建于20世紀50年代初的大型水庫，從建庫初期就承擔著為北京市供水的重要任務，然而，在運行20多年后于20世紀70年代發現水質有逐漸變壞的趨勢[2]。類似事件同樣發生在遼寧省湯河水庫，據文獻報道，2008年9月份在湯河水庫水質監測數據正常的情況下，一工業用水放水口有嚴重的硫化氫氣體溢出，后期研究表明，水庫底部多年累積的沉積物是該異?，F象的根源[3]。這些案例及類似事件提醒我們，對于已經運行較長時間的水庫，特別是飲用水水源水庫，需要在常規水質監測的同時，注意影響水質累積效應水質要素的調查和分析。

碧流河水庫是大連市中心水源水庫，連通著本地全部供水水庫和外調水源。在保障大連市供水數量和質量方面，具有無可替代的重要作用。然而，建庫三十多年來，水庫經歷了1985、1994和2012年等十九次較大規模的洪水過程。每次洪水都會攜帶大量泥沙、污染物和漂浮物進入水庫，雖然水質滿足供水要求，而進入水庫污染物的累積趨勢不容忽視。水庫中污染物分布在水體、懸浮物、沉積物中，形態復雜且種類繁多，監測的缺失，掩蓋了實際存在的水質問題，在一定條件下就可能會爆發出來，影響供水安全，如2007年長春市水源地新立城水庫的藍藻暴發事件[4]。這就需要將傳統的水質監測轉變為多維多相的水質監測，全面掌握水質狀態，及時處理存在的水質問題，保障供水安全。

為此，水庫聯合科研單位自2013年開始規劃并實施水庫水質綜合調查研究。在空間上根據水庫的特點優化補充了能夠全面掌握水質狀況和供水要求的監測點位；在時間上除了常規檢測外，補充了冬季冰下水質監測調查；在監測內容上除了水體之外，進行了水中懸浮物和沉積物的監測，從而全面掌握了水庫水質的動態狀況，為安全供水提供了保障，有關技術要點對類似水源水庫水質管理有借鑒作用。

1 水庫概況

碧流河水庫總庫容9.34 億m3，于1983年10月下閘蓄水，從1984年開始一直是大連市的主要水源地。河流發源于遼寧省營口市境內的七盤山，流經蓋州、莊河、普蘭店三市，于大連普蘭店市謝家屯附近流入黃海，全長156 km，流域面積2 814 km2，是黃海岸諸河中較大的河流。流域上游為山區，中游為丘陵帶，下游河谷開闊平直，進入半平原區。流域水系及水庫如圖1所示。

圖1 碧流河水庫流域圖Fig.1 The watershed of Biliuhe reservoir

水庫屬于北溫帶濕潤氣候，四季分明，冬暖夏涼，冬季冰封期從12月到次年3月長達4個多月，最大冰厚可達0.63 m?？刂屏饔蚨嗄昶骄邓?42.8 mm，是遼南暴雨區之一。由于流域內多屬山區，河流比降大，雖然植被條件比較好，每遇暴雨，地表徑流亦迅速集中，來勢兇猛，常形成陡峭集中的洪水過程。

碧流河水庫以上流域分屬于3市10個鄉(鎮)，有常住人口25.79 萬人，耕地1.61 萬hm2，產業有養殖牲畜14 萬頭，雞鴨659 萬只[]。流域內基本上以農業經濟為主，限制廠礦企業發展，這對水庫水質保護起到了積極的作用。

2 水質監測中遇到的新問題

2.1 水質監測現狀

碧流河水庫依據水利部頒發的《水環境監測規范》(SL219-2013)和《水質采樣技術規范》的要求，結合水庫庫區流域地形和多年水質監測資料的分析進行監測。在水庫共設五個監測斷面、9條垂線、11個采樣點，其名稱分別為大堡、桂云花、鐘嶺、劉店Ⅰ、劉店Ⅱ上、劉店Ⅱ下、劉店Ⅲ、壩前Ⅰ、壩前Ⅱ上、壩前Ⅱ下，壩前Ⅲ。如圖1所示，具體設定如下：碧流河大堡斷面位于碧流河水庫上游碧流河入口處，地點在大堡，布設一個監測斷面，1條垂線，一個采樣點，采0.5m深處水樣，采樣點命名為大堡；蛤蜊河桂云花斷面位于碧流河水庫上游蛤蜊河入口處，地點在桂云花，布設一個監測斷面，一條垂線，一個采樣點，采0.5 m深處水樣，采樣點命名為桂云花；八家河鐘嶺斷面位于碧流河水庫上游八家河入口處，地點在鐘嶺，布設一個監測斷面，一條垂線，一個采樣點，采0.5 m深處水樣，采樣點命名為鐘嶺；庫中區斷面劉店斷面位于碧流河、蛤蜊河下游匯合處，地點在劉店，布設一個監測斷面，三條垂線，四個采樣點，采樣點命名分別為劉店Ⅰ、劉店Ⅱ上、劉店Ⅱ下、劉店Ⅲ(說明：碧流河水庫十年水質監測資料表明水深超過10 m以上的采樣點，中層和下層水質無顯著差異，因此取消中層采樣點)。其中劉店Ⅰ、劉店Ⅲ兩處采0.5 m深處水樣；劉店Ⅱ上采表層(水面下0.5 m處)水樣、劉店Ⅱ下采底層(河底上0.5 m處)水樣；碧流河水庫出水口壩前區斷面位于碧流河水庫出水口，地點在壩前區，布設一個監測斷面，三條垂線，四個采樣點，采樣點命名分別為壩前Ⅰ、壩前Ⅱ上、壩前Ⅱ下，壩前Ⅲ。其中壩前Ⅰ、壩前Ⅲ兩處采0.5 m深處水樣；壩前Ⅱ上采表層(水面下0.5 m處)水樣、壩前Ⅱ下采底層(河底上0.5米處)水樣。每月至少進行1次水樣采集，其中4月-10月對水庫每個斷面進行采樣。從11月份到次年的3月份，水庫庫面結冰，每月僅對水庫壩前區取水口取樣分析。為保障碧流河水源水庫的水質安全，在特殊情況下還對其進行加密監測。水庫管理局依據《地表水環境質量標準》GB3838-2002和《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)，選取水溫、pH、電導率、總硬度、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、揮發酚、氰化物、六價鉻、總砷、亞硝酸鹽氮、大腸菌群、總氮、總磷、氟化物、銅、鉛、鋅、鎘、汞、硒、鐵、錳、濁度、臭和味、透明度、色度、氯化物、硝酸鹽氮、硫酸鹽、化學需氧量、陰離子表面活性劑、石油類、葉綠素和硫化物37個參數作為水質監測項目。檢測方法為水利部水環境監測評價研究中心編寫的《水質分析方法標準》以及相應的國家水質分析標準檢測方法。水質監測結果表明，2001年以來碧流河水庫水質總體上是II類水體。沒有對懸浮物和沉積物的相關指標進行全面監測，分析表明，近年來水庫水體的總氮、氨氮、硝酸鹽氮和硫酸鹽等水質指標都有提高趨勢。

2.2 遇到的新問題

碧流河水庫設有水質監測中心，該中心通過國家認證認可監督管理委員會計量認證，水質監測人員和設備配置齊全，在常規水質監測方面發揮了很好的作用。除了完成日常水質監測任務外，多次發現局部水質異?，F象，都及時進行了分析和處理。隨著水庫運行時間的增加，為防患于未然，需要積極探討深層次的問題，為保證供水安全，發揮應有的作用。

2.2.1 入庫污染物的累積效應

水庫建成后，由降雨徑流驅動將流域內人類活動、水土流失和大氣降塵等形成的污染物不斷輸送到水庫中，日積月累下數量巨大，影響深遠[6]。尤其在北方干旱半干旱地區，由于水資源不足，在水源水庫的運行過程中，進入水庫的水量多是以大流量的洪水形式輸入，而放水過程多以滿足供水要求的小流量均勻地從上層取水輸出[7]。長此以往致使隨著洪水過程進入水庫的柴草、泥沙、垃圾等污染物及其次生污染物越來越多地累積在水庫中，較大顆粒的懸浮物逐漸沉淀，中小顆粒則吸附絮凝在一起，懸浮在水庫的下層水體中。圖2所示是2008年一次洪水期間，水庫表面漂浮物的情景。隨著時間推移，漂浮物被水浸泡約兩周后會逐漸沉積在庫底。污染物受到物理、化學、生物的作用，以溶解態、懸浮態和沉積態的形式存在。這種情況下水體單元中的污染物在空間、時間和成分上與其微環境條件間存在復雜的依存關系，很多成分會進入水體，成為水庫水污染的一個內源。

圖2 2008年洪水期間進入水庫的漂浮物Fig.2 Pollutants entering into the reservoir during flood season in 2008

考察發現水庫運行20年以上，會經歷兩個豐水期，遇到10次左右的較大洪水。從而使得進入水庫的污染物累積量逐漸增大，問題會越來越突出。碧流河水庫的溢流堰頂高程為60.3 m，底部放水孔高程為38.0 m，而壩前河床高程為28.0 m，在近30年的運行期間，水庫棄水的機會相對較少，近十多年來更是沒有通過底孔放過水。壩前有巨大的靜水空間，為細小泥沙顆粒和絮凝懸浮物的沉積提供了條件。隨著水庫運行時間的延續，攜帶物逐漸積累演變，在庫底形成了不可忽視的污染源。

2.2.2 水質要素的多維多相性

碧流河水庫的常規水質監測，已經積累了多年的數據，為供水水質保障起到了重要作用。然而，水庫中的污染物種類復雜形態多變，是多維多相共存的狀態。水體中的懸浮物既可吸附多種有害物質，又包含著生化過程，是污染物濃度較高、感官嗅味影響突出的復合污染物[8]，沉積物是在長期的沉積過程中逐漸積累的污染物，具有明顯的平面分布和垂向層理結構[9]。當上覆水污染物濃度較大時沉積物與懸浮物既能進行吸附，也能在上覆水體較小時釋放出來增大水體負荷[10]。湯河水庫、新立城水庫等水源中的懸浮物和沉積物都曾經成為污染水質的重要因素。

圖3 水庫多維多相污染物共存狀態概念圖Fig.3 The concept map of multi-dimensional and multi-phase pollutants in reservoir

經過多年運行后，水庫中污染物賦存結構如圖3所示。因此，為了全面深入地掌握水庫水質狀態，需要對水庫進行多維多相污染物共存狀態的綜合監測與分析。

2.2.3 水源連通及其水質影響

水源連通是提高水源系統供水量和供水保證率的有效手段[11]。大連市的水系連通工程，通過跨流域聯合供水、跨流域庫間輸水、同流域補水等形式實施。在這個過程中，碧流河水庫在大連市連通水源系統中的中心作用越來越突出。2014年建成的大伙房引水工程將大伙房水庫的蓄水通過350 km的地下管線輸送到碧流河水庫，再供給到大連市的各用水部門。按照工程規劃，大伙房水庫每年將向碧流河水庫輸送3 億m3水量，相當于碧流河水庫正常需水量7.14 億m3的42%。這種水量輸送在提高水庫供水能力的同時，也將對受水水體的水質和生態產生影響[12,13]。特別是在枯水段，碧流河水庫蓄水少的情況下，這種比例和影響會更加突出，成為必須重視的新課題。要做到這一點，通過水質監測，充分掌握輸水前后以及輸水過程中，水庫各個斷面、不同深度的水質和生態狀況是深入分析的前提。

3 水質綜合調查設計

為了適應社會經濟發展的需求，保證水源地供水安全。針對碧流河水庫水質監測中出現的新問題，進行了水質綜合調查的系統設計，進而研究保護對策。

3.1 樣本采集

根據水庫水質實際狀況，依照《水和廢水監測分析方法》和《水環境監測規范》制定監測方案，實施水質綜合監測。擬在兩個水文周期內，每月采集一次樣本進行分析化驗，系統建立水質監測數據庫。水質分析樣本包括水體樣本、懸浮物樣本和沉積物樣本。當水庫水文、水質發生突變，或者遇到影響水質狀態的事件發生時加密采樣次數。

采樣點及監測斷面的布設，結合碧流河水庫庫區形狀和水庫各支流分布，并充分利用已有的5個監測斷面。碧流河水庫屬于狹長的河道型水庫，從上游碧流河入庫口及蛤蜊河入庫口壩前14 km，期間只有劉店一個監測斷面?？紤]到目前已有的監測斷面和監測垂線不能真實反映水庫水質狀況及從入庫口到壩前的動態變化過程，為了能夠更加細致準確的掌握碧流河水庫水質狀況，并進一步分析水質演變過程和機理，再增設1個監測斷面和4個測點，共布設6個監測斷面，22條監測垂線；為考慮水源連通對碧流河水庫水質的影響，在大伙房連通引水后還對引水水質進行連續監測。使得監測斷面除了控制3個較大支流的入庫和出庫外，在主庫區沿庫長有另外兩個監測斷面反應水質的沿程變化，對于監測斷面之間的水質情況，兼顧到監測點間的距離和地形條件，由4個選擇水庫斷面的中心監測點來反映，每個監測斷面設左中右三個監測點，每個監測點設一條監測垂線，在每條監測垂線上根據規范要求進行水體分層取樣，以及懸浮物和沉積物的采樣。

3.2 調查項目與指標

針對多年運行的水庫總氮普遍超標，許多水庫出現的富營養化問題的現實，擬對水庫中的水體、懸浮物和沉積物進行綜合調查。具體檢測項目和指標如下。

3.2.1 水體水質的調查與檢測

根據《水環境監測規范》在6個監測斷面、4個監測點上采取水質樣本進行化驗分析。為了能夠研究分布狀況與規律，每個監測斷面均勻布設3條垂線，每條垂線分層采集3個水質樣本(表層，中層，底層)。水體檢測指標(15個)有：溶解氧、pH、水溫、總磷、總氮、氨氮、硝態氮、亞硝態氮、有機氮、鐵、錳、生化需氧量、高錳酸鹽指數、氧化還原電位、電導率。

3.2.2 懸浮物的調查與檢測

根據《水環境監測規范》布設原則，懸浮物采集與水樣布設一致。為了能夠更好地研究懸浮物分布狀況與規律，每個監測斷面布設3條監測垂線，每條監測垂線采集2個懸浮物樣本。對于懸浮層較厚的區域需依照具體情況分層采集。懸浮物檢測指標(10個)有：總氮、氨氮、硝態氮、亞硝態氮、有機氮、總磷、鐵、錳、高錳酸鹽指數、浮游生物。

3.2.3 沉積物調查與檢測

根據《水環境監測規范》布設原則，沉積物采集應與水樣布設一致。為了研究沉積物分布狀況與規律每個測點采集沉積物樣品，每次采集22個沉積物樣品。每個沉積物樣品根據需要按2～10 cm另作分層處理。沉積物檢測指標(18個)：溶解氧(間隙水)、pH(間隙水)、粒徑、含水量、有機質、總氮、氨氮、硝態氮、總磷、有機磷、易溶性磷、鐵結合態磷、鋁結合態磷、鈣結合態磷、硫化物、鐵、錳、溫度。

對于水體、懸浮物、沉積物樣本采集，嚴格遵守《水和廢水監測分析方法》、《水環境監測規范》以及其他相關規范進行。同時，根據水庫水質調查的對象和工作特點，開發研制一些有針對性的設備和儀器。如沉積物樣品采集，除了利用抓斗式采泥器采集表層沉積物樣品外，自行研制震動式采泥器，在垂直方向上，采集具有層理的沉積物樣本用于檢驗分析。

3.3 樣品檢測

為了使水質綜合調查的成果具有科學性和權威性，檢測方法均根據國家標準進行，其中懸浮物除浮游生物采用鏡檢方法獲取，其余指標均采用水體樣品過濾前后的濃度差除以懸浮物含量獲取。對于一些特殊指標如溶解氧，盡可能采用多種可行的方法進行監測，以便保證成果的質量，并探索不同條件下監測方法的特點。

4 調查結果概述

碧流河水庫的水質綜合調查始于2013年7月。在2年的時間內實施了16次水上采樣，5次冰上采樣。獲得水體樣本561個，懸浮物樣本 25個，沉積物樣本63個。通過設計實施水質綜合調查，系統掌握了水庫水質狀態，調查結果如下。

4.1 水體水質調查結果

水質綜合調查表明碧流河水庫總體水質較好，總體情況如表1所示。以Ⅲ類水質標準為基準，平均水質指標合格率達85.1%，除總氮外，平均合格率可達95.7%，滿足供水需求。水質總體上呈現夏季差、冬季好的格局。碧流河水庫水質溫度、溶解氧呈現明顯的季節性變化趨勢，呈現倒U字形，即夏季(7-9月)溫度高，春(4-6月)秋(10-12月)接近，冬季(1-3月)最低。夏季平均溫度在20 ℃左右，春、秋兩季溫度春季平均溫度在15 ℃左右，冬季平均溫度在5 ℃左右。生化需氧量、高錳酸鹽指數等也呈現U字形規律，溶解氧與之相反呈現倒U字形規律，即夏季低，春秋次之，冬季達到最大。在平面分布上碧流河水庫主體呈現入庫口水質差、庫區水質好的趨勢。在垂向分布上溶解氧、溫度在夏季呈現顯著的“氧躍層”和“溫躍層”，改變了水庫底部水生態環境格局，其中水深越大的區域溫躍現象持續時間越長。相關性分析表明溶解氧主要受到溫度、pH值影響；總氮主要受到硝態氮的影響，總磷則與鐵錳的相關性較大。持續的水位降低和大伙房引水帶來的水質變化主要是總氮的降低和部分區域底層錳含量的提高，總氮的降低可能和降雨減少從而降低了入庫污染負荷有關，錳含量的增高分析認為和水位降低水壓力減少促進了沉積物錳釋放有關。因此，碧流河水庫的污染源主要構成為非點源污染和內源污染。水質綜合評價表明碧流河水庫水質較好處于Ⅱ到Ⅲ類之間，其趨勢和水質指標分布相符，呈現庫區小入庫口大的趨勢，考慮沉積物釋放影響水庫水質則有所下降甚至超出Ⅲ類水質標準。

表1 2013年7月至2015年7月水體檢測綜合情況Tab.1 The comprehensive monitoring results of water quality in July 2013 to July 2015

注：好于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中規定的Ⅲ類水水質標準為合格。

4.2 懸浮物調查結果

碧流河水庫上游表層懸浮物含量較高，在5～30 mg/L之間。下游表層懸浮物含量逐漸減少，壩前在0.7～6.0 mg/L之間，表明水體懸浮物含量較少，水體較清潔。劉店和壩前斷面底層懸浮物含量較高 ，最高可達76.4 mg/L，時間變化并無一定規律。其形態各異，大小在零點幾微米到幾百微米。中值粒徑d50=1.53 μm，沉降到水庫底部需要30～300 d的時間。而其孔隙中存在大量微生物，具有生物活性，意味著懸浮物在水庫沉降的過程中有足夠的時間完成有機物的分解、污染物的遷移轉化等生物化學過程。隨著碧流河水庫水位的逐步下降，懸浮物密集存在層所占水深比例逐步增大，對水庫水質的影響也越來越大。由于水庫懸浮物結構復雜松散，粒徑大，其分形維數小，容易受到擾動的破壞而分散， 懸浮物的多孔性結構使其吸附大量的污染物和營養元素，顆粒態的磷有時甚至是溶解態磷的3～12 倍，大部分的磷也以顆粒態的形式存在。底層水體錳超標或許與懸浮物再懸浮有關。

4.3 沉積物調查結果

碧流河水庫沉積物氮磷含量較大，庫區平均值為2 725 mg/kg，消落區平均值為1 538 mg/kg，總磷含量相對于總氮較低，庫區平均值為571 mg/kg，消落區平均值為416 mg/kg，均呈現壩前最大的趨勢，消落區的含量較小，有機氮是沉積物總氮的主要形式，鐵鋁結合態勢是沉積物磷的主要賦存形式。水庫沉積物總氮的釋放量范圍從4～59 mg/kg之間，平均釋放量為27.7 mg/kg，可能會導致水庫總氮含量增加1.3 mg/L?？偭椎钠骄尫帕繛?2 mg/kg，可能會導致水庫總磷含量增加0.56 mg/L。錳的平均釋放量為450mg/kg，平均釋放濃度可達4.5 mg/L，可以造成水-沉積物界面處的錳濃度增大，可能是壩前底層水體錳異常的來源。水庫庫區的沉積物中重金屬的含量均有一定程度的上升，其中銅比較穩定，富集不明顯，平均含量維持在土壤背景值附近，部分采樣點的含量甚至低于土壤背景值，鋅和鉛呈現出較明顯的富集效應，可達土壤背景值的3～5倍，最顯著的變化當屬鎘，沉積物中鎘的含量富集至15～58 倍之多(以大連市土壤背景值為基準)，尤其以劉店2、劉店3以及壩前2為最多。

5 結 語

碧流河水庫自1985年下閘蓄水以來，已經運行了三十多年。在此期間碧流河水庫經歷了大洪水19次，枯水年份5次。隨著水庫運行時間的延長，水庫水質管理遇到了諸如入庫污染物的累積效應，水質要素的多維多相性，水源連通及其水質影響等新問題，直接影響著水源水庫的水質安全。為此，碧流河水庫實施了水庫水質綜合調查研究，在水質樣本采集的基礎上，補充強化了水庫入流河口段和庫區特殊斷面的樣本采集；在采樣時間上，除了常規的非冰凍期樣本采集，增加了12月至次年3月的冰凍期樣本采集與分析；在水質分析樣本類型上，除了采集水體樣本外，增加了懸浮物和沉積物樣本的采樣和分析。此外，在大洪水匯入、超低水位、跨流域輸水初期的特殊時機，也及時收集了不可多得的數據。經過兩年的水質綜合調查和分析，已經收集了500多個各類樣本，得到5 000多個水質數據，掌握了水庫全期水質狀態，為碧流河水庫水質管理提拱了重要的技術支撐，也為具有類似運行條件的水源水庫水質管理積累了可借鑒的經驗。

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