黃浦江上游感潮水文條件對金澤水源地原水水質影響

宋一超，王先云，張翼飛，侯偉昳，張 午

(1.上海城投原水有限公司，上海 200125；2.上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海 200082)

感潮河段是指入海河流受潮汐作用影響的一段河流。感潮段的水流在月球引潮力作用下，發生漲、落潮周期性的變化。感潮河段既受上游內陸河段來水的影響，又受河口潮汐周期性變化的作用，致使水流的流向、流速、流量經常發生劇烈變化，從而造成水質問題的復雜性[1]。

上海市黃浦江上游是繼長江水源后又一重要的城市水源，是形成上海市“兩江并舉、多源互補”總體原水布局的重要組成部分，承擔了向上海市部分市區和青浦、松江、金山、奉賢等郊區水廠的原水供應[2]。太浦河金澤段為黃浦江上游飲用水水源取水口所在，水位變化受長江口潮汐和太湖下瀉徑流影響，是一條中等強度的感潮河流，其水質優劣直接影響金澤水源水質。如圖1所示，為更好地了解飲用水水源取水口水質的變化特征，進一步提高上海市供水保障能力，本文以距離金澤較近的上海佘山港口潮汐時間為參考，以2018年9月—2019年7月每月大小潮日期為時間點，對上海黃浦江水源取水口太浦河金澤段不同潮汐條件下各水質指標進行分析，比較太浦河金澤在不同潮汐條件下的水質差異，了解感潮作用對飲用水水源取水口的水質影響，為金澤水源地取水方案優化完善等提供基礎數據和依據。

圖1 金澤和佘山港方位Fig.1 Location of Jinze and Sheshan Port

1 指標與方法

文中主要涉及渾濁度、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總有機碳(TOC)、銻共8項指標，所有指標均源于水質在線實時監測系統。

TN采用過硫酸鉀紫外分光光度法(島津，TNP-4110)，TP采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(島津，TNP-4110)，氨氮采用水楊酸分光光度法(島津，NHN-4210)，CODMn采用酸式高錳酸鉀法(科澤，K301)，TOC采用催化氧化燃燒非分散紅外(NDIR)CO2氣體檢測法(島津，TOC-4200)，銻采用ICP-MS法(譜育，SUPEC7000)，渾濁度采用90°紅外光散射法(YSI，EXO2)，DO濃度采用熒光壽命法(YSI，EXO2)。

2 結果與分析

2.1 大小潮太浦河金澤水位

調研周期內佘山港每月大小潮日期太浦河金澤水位變化如圖2所示。以當日最高水位與最低水位差值為當日最大水位差，結果顯示：小潮最大水位差為14～31 cm，大潮最大水位差為30～45 cm，大小潮日最大水位差相差6～24 cm。對每月大小潮日最大水位差進行成對樣本t檢驗，結果顯示：大小潮日最大水位差存在極顯著差異(n=10，t=4.744，p=0.000)，即大潮最大水位差極顯著大于小潮最大水位差，且大潮日太浦河水位波動性極顯著大于小潮日。水位分析結果可以佐證，選擇佘山港大小潮日作為太浦河金澤的大小潮參考日期，可以反映太浦河金澤段感潮作用下的水位變化及水體波動性。

圖2 2018年9月—2019年7月太浦河金澤大小潮水位Fig.2 Water Level of Jinze Section of Taipu River during Spring and Neap Tides during Sept 2018 to July 2019

另外，一般來說，大潮日期太浦河水位高于小潮日期，但由于太浦河為開放性河流，太湖下瀉等上游來水引起的水量變化也會影響水位，且太浦河本身為中等強度感潮河流，導致個別月份如9月、1月大小潮最大水位較接近，具體情況有待進一步深入研究。

2.2 大小潮對水質影響

2.2.1 渾濁度和溶解氧

如圖3所示，渾濁度在13～80 NTU變化，主要集中在20～35 NTU，平均為24.2 NTU，不同時間渾濁度呈現波動性變化。分別對每月大小潮日渾濁度進行雙樣本平均值t檢驗，結果顯示：1月大小潮日渾濁度不存在顯著差異(n=23，t=0.584，p=0.667)，9月—10月、4月、6月大潮日渾濁度極顯著低于小潮日(n均為23，t=3.764、4.562、4.853、6.532，p均為0.000)，3月大潮日渾濁度顯著低于小潮日(n=23，t=1.857，p=0.028)，11月—12月、2月、5月大潮日渾濁度極顯著高于小潮日(n均為23，t=7.439、6.540、3.986、4.367，p均為0.000)，7月大潮日渾濁度顯著高于小潮日(n=23，t=1.276，p=0.011)。綜上，大潮日渾濁度平均值小于等于小潮日的月份占比達54.5%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為45.5%，大潮日高于小潮日的月份占比45.4%，說明大潮對太浦河金澤水體渾濁度的影響與小潮對渾濁度的影響差別不大。

圖3 大小潮日渾濁度和溶解氧變化Fig.3 Variation of Turbidity and Dissolved Oxygen during Spring and Neap Tides

DO濃度在3.5～10.45 mg/L變化，平均為7.44 mg/L，不同時間DO濃度呈現波動性變化。分別對每月大小潮日DO濃度進行雙樣本平均值t檢驗，結果顯示：9月、11月、1月—4月、7月大潮日DO極顯著高于小潮日，10月、12月、5月—6月大潮日DO極顯著低于小潮日(n均為23，t=3.890、5.290、4.698、4.268，p均為0.000)。其中，大潮日DO高于小潮日的月份占比達63.6%，大潮日低于小潮日的月份占比為36.4%，說明大潮整體上利于太浦河金澤DO濃度的升高。

2.2.2 氮和磷

如表4所示，金澤氨氮濃度在0.15～0.46 mg/L變化，平均為0.29 mg/L，不同時間氨氮濃度呈現季節性波動變化。雙樣本平均值t檢驗結果顯示：9月、1月—2月大小潮日氨氮濃度不存在顯著差異(n均為23，t=0.357、0.224、1.424，p=0.717、0.563、0.094)，12月、6月—7月大潮日極顯著低于小潮日(n均為23，t=3.785、4.852、5.657，p均為0.000)，10月—11月、3月—5月大潮日極顯著高于小潮日。綜上，大潮日氨氮平均值小于等于小潮日的月份占比為54.5%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為27.3%，大潮日高于小潮日的月份占比為45.5%，說明大潮整體不利于氨氮的降低。

TN濃度在0.53～3.20 mg/L變化，平均為1.84 mg/L，不同時間TN濃度呈現季節性波動變化。雙樣本平均值t檢驗結果顯示：2月、5月大小潮日TN不存在顯著性差異(n均為23，t=0.856、0.428，p=0.188、0.538)，9月—12月、1月、3月—4月、6月大潮日TN極顯著低于小潮日，7月大潮日顯著高于小潮日(n=23，t=5.725，p=0.000)。綜上，大潮日TN濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為90.9%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為72.7%，大潮日高于小潮日的月份占比為9.1%，說明大潮整體上利于太浦河金澤TN濃度的降低。

圖4 大小潮氮磷濃度變化Fig.4 Variation of Nitrogen and Phosphorus Concentration during Spring and Neap Tides

圖5 高錳酸鹽指數和總有機碳濃度分布情況Fig.5 Differences of Permanganate Index and Total Organic Carbon Concentration during Spring and Neap Tides

TP濃度在0.04～0.24 mg/L變化，平均為0.13 mg/L，不同時間TP呈現波動性變化。雙樣本平均值t檢驗結果顯示：11月、1月、6月大小潮日TP濃度平均值不存在顯著差異(n均為23，t=0.128、0.285、1.452，p=0.942、0.861、0.088)，9月—10月、3月—4月大潮日極顯著低于小潮日，2月大潮日顯著低于小潮日(n=23，t=1.714，p=0.050)，12月、5月大潮日極顯著高于小潮日(n均為23，t=10.457、5.427，p均為0.000)，7月大潮日顯著高于小潮日。綜上，大潮日TP濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為72.7%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為45.5%，大潮日高于小潮日的月份占比為18.2%，說明大潮整體上利于太浦河金澤TP濃度的降低。

2.2.3 高錳酸鹽指數和總有機碳

如表5所示，CODMn在0.51～7.30 mg/L變化，平均為4.01 mg/L，不同時間CODMn呈現波動性變化。雙樣本平均值t檢驗結果顯示：9月、3月、5月大小潮日CODMn平均值不存在顯著差異(n均為23，t=0.865、0.253、0.425，p=0.210、0.580、0.350)，10月—12月、4月、6月大潮日顯著低于小潮日，1月、2月、7月大潮日極顯著高于小潮日(n均為23，t=2.915、2.956、3.560，p均為0.000)。綜上，大潮日CODMn平均值小于等于小潮日的月份占比為72.7%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為45.5%，大潮日高于小潮日的月份占比為27.3%，說明大潮整體上利于太浦河金澤CODMn的降低。

TOC在3.48～7.34 mg/L變化，平均為4.40 mg/L，不同時間TOC呈現波動性變化。雙樣本平均值t檢驗結果顯示：9月、11月、2月—3月大小潮日TOC濃度平均值不存在顯著差異，10月、12月、1月、5月大潮日極顯著低于低潮日，4月、6月大潮日顯著低于小潮日，7月大潮日極顯著高于小潮日(n=23，t=4.238，p=0.000)。綜上，大潮日TOC濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為90.9%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為54.5%，大潮日高于小潮日的月份占比為9.1%，說明大潮整體上利于太浦河金澤TOC濃度的降低。

2.2.4 銻

如表6所示，銻濃度在1.46～3.23 μg/L變化，平均為2.15 μg/L，不同時間銻濃度波動性變化，無超標現象。雙樣本平均值t檢驗結果顯示：10月、3月大小潮日銻濃度平均值不存在顯著差異，9月、1月、4月、6月大潮日極顯著低于低潮日，11月—12月、2月、7月大潮日極顯著高于小潮日，5月大潮日顯著高于小潮日。綜上，大潮日銻濃度平均值小于等于小潮日的月份占比為54.5%，其中，大潮日小于小潮日的月份占比為36.4%，大潮日大于小潮日月份占比為45.5%，說明大潮對太浦河金澤銻濃度無明顯影響。

圖6 銻濃度分布情況Fig.6 Differences of Antimony Concentration during Spring and Neap Tides

2.3 漲落潮對水質影響

如圖7～圖9所示，以每日最高潮位和最低潮位時刻代表漲落潮時刻，比較關鍵水質指標：渾濁度、DO、氨氮、CODMn、TN、TP、TOC、銻，分析漲落潮對太浦河金澤水質影響。對各水質指標漲落潮時濃度進行成對樣本t檢驗，結果顯示，漲落潮時渾濁度存在極顯著差異(n=43，t=3.298，p=0.000)。漲潮時渾濁度較落潮時高3.1 NTU，因此，可以認為漲潮可能會導致太浦河金澤渾濁度升高。DO、氨氮、TN、TP、CODMn、TOC、銻濃度差異均未達顯著水平，說明漲落潮對這些指標的濃度變化無明顯影響。

圖7 漲落潮時渾濁度和溶解氧濃度分布Fig.7 Differences of Turbidity and Dissolved Oxygen during Ebb and Flow of Tides

圖8 漲落潮時氮磷濃度分布情況Fig.8 Differences of Nitrogen and Phosphorus during Ebb and Flow of Tide

圖9 漲落潮時高錳酸鹽指數、總有機碳、銻濃度分布情況Fig.9 Differences of Permanganate Index, Antimony and Total Organic Carbon Concentration during Ebb and Flow of Tide

3 討論

太浦河位于太湖流域下游陽澄淀泖區、杭嘉湖區之間，水量水質受太湖來水、兩岸支流匯入及黃浦江潮水上溯影響。由于短時間內上游來水水量未發生明顯變化，可認為各大小潮日期的水位差主要源于感潮作用的存在。本文統計結果發現，太浦河金澤段每月對應大小潮日期最大水位差相差6～24 cm，存在極顯著差異，進一步佐證了太浦河金澤段確實存在感潮作用。感潮作用一方面會通過倒灌引起河道水位水量變化，另一方面不同的潮差也會影響水體的波動性、水文條件等，從而對DO、氮磷營養鹽等水質指標產生影響。

太浦河為溝通太湖和黃浦江的人工河道，黃浦江通過吳淞口與長江口相通；但太浦河東端并非直接與黃浦江相通，而是先與攔路港、紅旗塘匯合形成橫潦涇，再與大泖港匯合流入黃浦江。因此，推測太浦河金澤段感潮作用中的倒灌潮水來源于東海、長江、黃浦江、大泖港、紅旗塘、攔路港等的混合水體。車越等[3]對黃浦江上游來水對黃浦江松浦大橋水源地水質關聯性分析指出，黃浦江松浦大橋水質主要受大泖港影響，其次是紅旗塘，而受太浦河、攔路港影響較小，且黃浦江松浦大橋水質明顯劣于太浦河。吳新華等[4]認為，感潮河道內潮流倒灌與下瀉徑流的相互作用，短時間內可影響到污染負荷的遷移和水體自凈能力的變化，滯留量的大小決定上溯潮流對水質的影響程度，大潮時滯留量明顯高于小潮。本文分析結果顯示，大潮整體上利于太浦河金澤氮磷、有機物、DO等水質指標的提升。吳新華等[4]也曾經分析黃浦江米市渡感潮條件下的水質影響，結果同樣顯示米市渡大潮時水質優于小潮，而黃浦江本身的水質劣于太浦河。因此可推測，大潮時倒灌潮水滯留可能帶來相對清潔的水源如長江水，從而對黃浦江水體產生了有效的稀釋和水質提升作用，進而提升了太浦河金澤水質。

其他關于感潮對水質影響的研究多有報道，如李振國等[5]發現，潮汐可一定程度減輕鎮江內江的污染；陳奇良等[6]認為，長江某感潮河道內落潮流污染帶長度大于漲潮流；薛聯青等[7]提出利用潮汐改善水環境，解決了城區河道沖污難題。吳青梅等[8]認為，漲潮對水體污染物濃度變化的影響除了體現在水容量增加的稀釋作用外，潮汐形成的高水位還可以改善DO、BOD、氨氮和TN的可生化性。本文發現，大潮不利于氨氮濃度的降低，可能與氮存在形式不同有關，如廣東河涌氨氮濃度為7.76 mg/L，占總氮的80%，而太浦河金澤氨氮僅為0.2～0.4 mg/L，只占總氮的17%，較低的氨氮本底可能會抑制氨氮的可生化性。文中漲落潮的時間選擇是每個月大潮日期的最高水位時刻和最低水位時刻，即在一個潮汐周期內對比分析漲落潮對水質的影響。漲潮時水體波動性大于落潮，對水體的擾動作用較強，導致渾濁度輕微升高，但一個潮汐周期內的潮漲潮落對其他水質指標無明顯影響。

4 結論

本文通過對黃浦江上游水源地取水口太浦河金澤段不同潮汐條件對水質的影響進行了分析討論，得出結論：大潮利于太浦河金澤取水口水質提升；漲落潮對太浦河金澤取水口水質無顯著影響。