青草沙水庫濁度與懸浮顆粒物粒徑的分布特征

穆 青，張海平

(同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

1 引言

濁度是一種光學效應，是指水中懸浮物對光線透過時所發生的阻礙程度，水中懸浮物包括泥土、砂粒、微細的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質等。濁度越大，表示水層對光的吸收和散射能力越強[1]，水體透光度越弱，因此濁度是水質的重要物理指標[2]。

目前，許多學者對海域的濁度和顆粒物粒徑分布特征進行了調查分析[2～5]，但對水庫的濁度和顆粒物粒徑分布特征的調查很少。因此，本文以青草沙水庫為例，于2016～2017年4次實地采樣，測定濁度及顆粒物粒徑，探索青草沙水庫開閘引水期間的濁度及顆粒粒徑分布特征，以期為水庫水質管理提供參考價值。

2 區域概況

青草沙水庫位于長江河口段、南北港分流口附近的北港進口段江心水域，北側臨近新橋通道和北港主槽，南側臨靠長興島，為目前國內最大的江心水庫，水庫設計總庫容為 5.27 億m3，有效庫容為 4.38 億m3。青草沙水庫是目前上海城市供水規模最大、受益人口最多的飲用水水源地水庫，服務人口將超過1000 萬人[6]。

3 取樣及研究方法

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，在青草沙水庫上游開閘取水期間，對庫區多個點位進行濁度現場測定和表層沉積物取樣，四次采樣點均位于水庫上游(圖1)。每個采樣點均為垂向分層采樣，即在水面下0.5 m、1.5 m、2 m、3 m、4 m采樣。第一次共布置10點，取33個水樣；第二次共布置6點，取36個水樣；第三次共布置5點，取12個水樣；第四次共布置6點，取樣20個。應用HACH 2100Q型濁度儀在現場測量水樣濁度，每個水樣各測3次，取平均值。在室內試驗分析過程中，將500 mL平行水樣抽濾濃縮，應用馬爾文激光粒度儀進行顆粒物濃度及粒徑級配分析。

圖1 四次采樣點位置布置

4 結果

4.1 水動力和風場特征

受長江口和杭州灣潮汐影響，青草沙水庫外海域屬非正規淺海半日潮，每天兩漲兩落、日潮不等現象較為明顯。青草沙水庫平面上呈西北～東南向狹條狀，上游取水泵閘位于庫區西北端，長江側水體自上游取水泵閘進入庫區，開閘引水時流速近3.6 m/s。之后，引水沿進流通道下行，主流流速逐漸降至1 m/s，并在青草沙墾區上游分為南汊和北汊，其中南汊為主汊，北汊為支汊，然后兩汊水流在青草沙墾區下游側交匯，并繼續下行。水庫內流場由風生流控制，風對庫區水流攪拌作用較大。

4.2 濁度分布特征

各采樣點濁度測定結果顯示，青草沙水庫濁度最高達到229NTU，最低為7.39NTU。濁度差異明顯，說明引水濁度高，對庫區濁度影響大。

對比不同采樣點同一水深的濁度值可發現，順水流方向，水體濁度呈逐漸降低的趨勢(圖2、圖3、圖4)。以2016年5月5日青草沙水庫開閘引水期間的測定結果為例，上游開閘前閘口附近的濁度在40～50 NTU，10:50開閘后快速升至120 NTU，之后逐漸向下游輸移。11:47時A、B、C、D四點的濁度(圖2)最大值達到124 NTU，最小值為64 NTU。B點不在上游水流流動的主流道上，受到對流擴散作用，因此濁度實測值較低。12:00以后E～H點的濁度在50～35 NTU之間逐漸降低，在13:00左右H點附近的濁度穩定在35 NTU左右。此外，2017年3月27日的濁度監測結果顯示，對于同一點位同一水深，其濁度值呈現先升高后降低的過程。2017年3月27日開閘引水期間，在10號點位2 m水深處每隔約5 min測量一次濁度(圖5)。由圖6可知，開閘后由于來水濁度大，10號點位的濁度先由25NTU迅速上升至58.8NTU，后隨著水流流速變緩以及顆粒物的沉降，濁度逐漸下降至42NTU。

以水面以下0.5 m處的濁度值作為表層濁度，計算不同水深的濁度與表層濁度的比值，得到濁度實測值隨水深的變化(圖6)。由圖6可知，在0～4 m水深范圍內，濁度隨水深沒有明顯的變化規律，不同水深的濁度值最高比表層大21%，最低比表層小26%。原因可能是水庫引水期間水流流速較大，風場對水庫表面水體攪拌作用明顯，固體顆粒隨水流在不同深度內混合，因此濁度與水深沒有明顯相關關系。

圖2 2016年5月5日各點位1.5 m水深處平均濁度

圖3 2016年10月17日開閘引水期間0.5 m及2 m水深處濁度

4.3 懸浮顆粒物粒徑的分布特征

將取回的水樣在實驗室進行濃縮，然后用馬爾文激光粒度儀進行顆粒物粒徑級配分析。由圖7可知，各水樣中顆粒物粒徑范圍廣，且差異大。所有水樣中顆粒物Dv (10)集中在0～15 μm，其中最小為0.690 μm，最大為164 μm；Dv (50) 大部分為0～30 μm，其中最小為3.69 μm，最大為666 μm；Dv (90)在0～2090 μm之間均有分布，無明顯的聚集現象，其中最小為13.8 μm，最大為2090 μm。懸浮顆粒物粒徑級配多為多峰，一部分峰值出現在粒徑小于10 μm的區域，一部分峰值出現在大于10 μm地區域。

圖4 2017年1月16日開閘引水期間0.5 m及3 m水深處濁度

圖5 2017年3月27日10號點位開閘后2 m處濁度變化

圖6 不同水深濁度與表層水深濁度比

圖7 2016年10月17日1#、5#、6#點位在0.5 m(a)、2 m(b)水深處粒徑級配套工程

4.4 懸浮顆粒物體積濃度與濁度的關系

將各個站點水樣的濁度與懸浮顆粒物體積濃度作回歸分析。由圖8得，水樣的濁度與懸浮顆粒物體積濃度關系滿足：

V=0.00000170T+0.00000544(R2=0.80679309)

式中：T為水樣濁度值；V為水樣中懸浮顆粒物質量濃度。可見，水樣濁度與懸浮顆粒物質量濃度相關性較好。

圖8 2016年5月5日各水樣濁度與懸浮顆粒物質量濃度的擬合

5 結論

本文通過對2016～2017年4次青草沙水庫開閘引水期間濁度及粒徑級配分析，得到青草沙水庫開閘引水期間的濁度變化特征及顆粒物粒徑大小、組成變化特征，并結合水動力因素進行了分析，得出以下結論。

(1)青草沙水庫開閘引水后，水庫上游濁度明顯升高，并呈現出上升-下降的趨勢。在0～4 m水深范圍內，濁度和水深無明顯相關性，其主要原因是引水時水體流速大，再加上風的攪拌作用，導致水面波浪較大，因此在所觀測的水深范圍內，未發現濁度隨著水深的變化呈現出一定的規律性變化。

(2)青草沙水庫開閘引水期間，水庫上游顆粒物粒徑級配為多峰，分布在小于10μm及大于100μm兩個區域。

(3)水庫內濁度與懸浮顆粒物質量濃度相關性較好，相關系數為0.80。