基于電導率的米山水庫水質演變分析

張明芳， 吳 英， 李 瑋， 徐艷會， 李沛沛， 黃林顯

(1. 威海市水文中心， 山東 威海 264209； 2. 濟南大學 水利與環境學院， 山東 濟南 250022)

南水北調東線膠東調水工程是緩解山東省膠東地區水資源供需矛盾、支撐地區經濟社會可持續發展的大型調水工程。2014—2019年，位于膠東地區的威海市遭遇持續干旱年，城市用水危機日益嚴峻，嚴重威脅人民生活及經濟社會可持續發展。山東省水利廳及威海市水利局提供的數據顯示，威海市年外調水量指標為黃河水和長江水共計10 200萬m3， 為威海市供水安全保障發揮重要作用。米山水庫作為膠東調水工程末端調蓄水庫，承擔著威海市區和文登區的供水任務，其水質關系到城市供水安全和區域水生態穩定。

目前關于區域大規模調水的水質演變及其影響的研究多關注《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[1]中的溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)和氨氮(NH3-N)等主要指標[2-3]，以及氮、磷營養鹽[4-5]，而對水體電導率作為指標的研究指示意義關注較少。水的電導率是表征液態水傳導電流的能力強弱的一個測量值[6]。當水中電解質較少時，其電導率值與所含離子濃度呈比例關系，通常純水的電導率很小，當水中含有無機酸、堿、鹽或有機帶電膠體時，電導率增大。測定水樣的電導率值可在短時間內間接推測水中帶電荷物質的總濃度。

水體電導率由溶解在水體的離子濃度、種類和水溫等決定，受多種因素的綜合影響，是水質分析中反映水體污染情況的一個重要指標。電導率是目前可實現電極式連續監測且數據精度較高的水質指標，適用于湖庫生態環境連續監測及變化趨勢分析，對區域水量-水質聯合調控相關決策和科學研究具有重要的參考價值[5]。本文中選擇米山水庫流域為研究區域，在長系列水文及水質監測資料分析的基礎上，分析水庫水體電導率的年際及年內變化趨勢，判斷水庫水源地水質穩定性；通過對水體電導率與其他水質監測指標、降水量、外調水量及水質的相關性進行分析，進一步討論米山水庫水質演變的主要影響因素，深入研究區域大規模調水工程對威海市區城市供水水源地水質的影響方式及其程度，以期為多水源調配背景下的城市水安全保障管理提供借鑒和參考。

1 監測指標與方法

1.1 研究區域概況

米山水庫位于山東省威海市文登區米山鎮，母豬河上游，是以防洪、城鎮供水、發電等綜合利用的大(二)型水庫，控制流域面積為440 km2。該水庫于1958年10月動工興建，1960年2月竣工，2013年10月—2014年12月，通過抬田方式完成了水庫增容工程。根據《南水北調東線第一期工程山東省威海市續建配套工程(威海市米山水庫增容工程)可行性研究報告》，增容工程后的米山水庫總庫容達到2.98×108m3，校核水位34.25 m，興利水位30.00 m， 興利庫容1.44×108m3，死水位19.70 m，死庫容5.07×106m3。

米山水庫自1986年開始向城市供水，目前是威海市環翠區和文登區共用的最大城市供水水源地。2014—2019年，威海地區持續干旱，至2015年12月21日，米山水庫蓄水量只有7.70×106m3。2015年12月22日，南水北調東線黃河水入威開始通水；2016年3月10日，又首次調引長江水，威海市實現了當地水與黃河水、長江水的多水源聯合調度。因黃河打漁張引水口工程改擴建，自2017年2月18日起，向膠東地區供水水源全部切換為長江水，一直持續至2020年。

根據米山水庫流域水文監測站點整編后的降水和徑流等實測數據分析[7]，研究區降水量主要集中在6—9月，其中7—8月尤為集中，汛期6—9月降水量約占全年的70%。米山水庫流域降水量、徑流量的年際變化幅度較大，存在著明顯的豐、枯交錯以及連續豐水年和連續枯水年現象，1960—1980年整體為豐水期，1980—2003年整體為枯水期，2003—2013年又轉為豐水期，2013—2019年轉為枯水期，并且在每一個豐水期或枯水期內都有若干個較小的豐水或枯水期的波動段。根據1960—2019年長系列資料分析，連續豐水段有3個，分別是1960—1966、1973—1976、 2010—2012年；連續枯水段有7個，分別是1967—1969、1980—1984、1986—1989、1991—1993、1995—1997、1999—2002、 2013—2019年。

根據長系列水質監測數據分析，米山水庫天然水體屬于低礦化度、低硬度水的重碳酸鹽鎂質水。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)采用單指標評價，米山水庫多年來水質總體評價達到地表水Ⅱ、Ⅲ類水質標準，化學需氧量(COD)符合Ⅱ、Ⅲ類水質標準，其他各監測項目均符合Ⅰ—Ⅲ類水質標準。米山水庫上游支流共計7個水質斷面，均符合Ⅱ、Ⅲ類水質標準。

1.2 監測指標與方法

1.2.1 米山水庫流域降水量

米山水庫于1959年6月設立米山水文站，水庫流域內有7處國家雨量站，其中米山水文站、桃花峴站、昆崳山頂站、汪疃站為常年站(全年觀測)，界石站、閆家泊子站、上夼站為汛期站(5—9月觀測)。米山水庫流域及雨量站點位置如圖1所示。降水量監測5—10月采用翻斗式自記雨量計進行觀測，雨量計翻斗分辨率為0.5 mm，采樣周期為5 min；其余時段(含降雪)采用人工觀測日雨量。米山水庫流域1960—2019年多年平均降水量為811.7 mm，歷年降水量數據如圖2所示。

圖1 米山水庫流域及雨量站分布示意圖

圖2 米山水庫流域1960—2019年降水量統計

1.2.2 外調水量

根據山東省膠東調水局威海分局提供的數據，威海市自2015年12月22日開始實施膠東調水以來， 2015—2020年的年調水量分別是3.0×105、 6.934×107、 6.659×107、 5.921×107、 9.250×107、 6.613×107m3。米山水庫2015—2020年的逐月調水量如表1所示。

表1 米山水庫2015—2020年逐月調水量統計表 104 m3

1.2.3 水質指標

選擇水體電導率、硫酸鹽、氯化物等部分水質指標進行分析，其檢測標準、使用儀器及監測頻次如表2所示。

表2 部分水質指標檢測方法統計表

2 結果與討論

2.1 水體電導率變化趨勢

根據米山水庫1987—2019年水體電導率檢測數據，得到逐月電導率變化趨勢如圖3所示。由圖可知，1987—2015年，米山水庫水體電導率基本維持在200～400 μS/cm，平均值為335 μS/cm，表明多年來水體中的離子含量變化相對穩定； 自從2015年12月22日開始啟動膠東調水后，受外調水的影響，2016—2019年水體平均電導率相較于1987—2015年的增大了1.56倍，數值增大到858 μS/cm。

圖3 1987—2019年米山水庫水體電導率的變化

2.2 水體電導率影響因素

2.2.1 電導率與水質指標的關系

根據2015年(膠東調水前)與2018年(膠東調水后)米山水庫的年均值水質檢測數據對比如表3所示。由表可明顯看出：隨著水體電導率的變化，2018年米山水庫中的鉀、 鈉、 鈣、 氯化物、 硫酸鹽、 重碳酸鹽等指標含量與2015年均值相比都有較大幅度的增長，其中鈉、 硫酸鹽和氯化物增幅都超過200%，因此選擇氯化物和硫酸鹽濃度進一步分析其與水體電導率變化的關系。

表3 膠東調水前(2015年)、后(2018年)米山水庫水質部分指標年均數值

2012—2019年米山水庫水體電導率與氯化物、硫酸鹽逐月比較如圖4所示。由圖可以看出，2016年調水后，水體電導率與氯化物和硫酸鹽濃度明顯增大，且變化趨勢相對一致。從以上分析可以看出，電導率增大，對應著水體中的礦物質濃度含量增大。

圖4 2012—2019年米山水庫水體電導率與氯化物、硫酸鹽的逐月濃度

根據2012—2019年威海市年度區域水功能區水質監測報告中水體逐月水質檢測數據，分析出氯化物、硫酸鹽、鈉等水質指標與電導率呈顯著正相關(顯著性水平p<0.05)，相關系數的平方R2分別為0.961、0.957、 0.927，相關性分析結果如圖5(a)—(c)所示。

2.2.2 電導率與降水的關系

1)年際變化分析。 1987—2015年降水量與米山水庫水體電導率年均值的比較如圖6所示。 由圖可以看出， 最小年降水量對應水庫水體最大電導率年均值。 1999年降水量為360.6 mm， 電導率達到347 μS/cm， 為歷年最大值； 1990年降水量為1 180.9 mm， 電導率為232 μS/cm， 為歷年最小值。 可見， 降水對水體電導率的稀釋作用在年際水平較為明顯。

2)逐月變化分析。2012—2015年米山水庫逐月水體電導率監測數據與降水量的對比如圖7所示。由圖可以看出：電導率年內呈現明顯上升和回落的周期性變化；降水量集中的汛期，電導率也出現最大值。電導率最大值出現的月份和降水量出現最大的月份相同或者相差一個月，即降水量較大的月份，電導率會在當月或下個月有瞬時的增大，隨后逐月下降，伴隨小幅變化。通常，水體電導率的取樣監測時間一般在每月上旬(正常為每月10日)，用以代表整個月的水質，而降水量是整個月降水的總和，如果當月取樣時上旬沒有降水，降水主要集中在中下旬，則強降水對水體電導率的影響就會在下個月體現出來。

另一方面，膠東調水干線沿途河流、湖泊眾多，水網復雜，大部分支流會遭受一定的點源、面源污染[11]。有研究測算表明，淮河流域南水北調東線工程沿線的農業面源污染入河量分別為5 d生化需氧量(BOD5)約3.6×104t/a， COD約9.0×104t/a， 總氮約1.4×104t/a， 氨氮約0.14×104t/a，且70%集中在汛期[12]，這可能是造成汛期水質劣于非汛期的原因。本研究中，進入米山水庫的初雨徑流(一般是7月份)會攜帶大量營養鹽等，產生的污染使水庫水體中的離子含量增多，電導率增大；降水使水庫蓄水量增大，離子濃度得到稀釋，同時水體自凈作用使水體中的離子濃度減少，電導率開始減小。

2.2.3 電導率與調水關系分析

1)客水水質。2016年1月—2020年7月客水(2017年2月18日以前是黃河水，之后是長江水)與米山水庫水體電導率監測數據的對比如圖8所示。由圖可見，客水的電導率值明顯高于米山水庫的，且呈現一致的變化趨勢，說明米山水庫水質受外調水影響顯著。由監測數據可知，客水的電導率呈現周期性變化，每年1月開始有不同程度的增大，在汛期停止調水前客水的電導率達到最大值。從2020年1—5月的監測數據來看，1月份客水電導率為886 μS/cm，6月份升高至1 479 μS/cm，其他年份也出現同樣的變化趨勢。另外，2017年供水水源全部為長江水后，客水的電導率峰值明顯降低。

圖8 客水與米山水庫水體的電導率對比

2)調水量及調水周期。2016—2019年米山水庫水體電導率和調水量逐月變化如圖9所示。由圖可知，從2016年1月份開始，隨著客水不斷進入米山水庫，加大了水庫水體置換力度，電導率不斷增大，由2016年1月的336 μS/cm增大至2017年8月的1 499 μS/cm，呈現明顯的周期變化，每年都有汛期回落、非汛期上升的過程。

圖9 2016—2019年米山水庫電導率和調水量逐月變化

從時間上可以看出，這與米山水庫調水時間基本吻合，即一般調水期是非汛期為主(每年的11月到來年8月)，此時段水庫電導率增大，停止調水時電導率回落。從2016—2019年4年中電導率極值出現的時間看， 2016年8月、 2017年8月、 2018年5月、 2019年6月這4個月的水體電導率分別達到1 181、1 499、1 284、1 096 μS /cm， 2016、 2017、2019年電導率極值都出現在停止調水的上個月。從圖中也可以看出，停止調水后，加之當地降水量稀釋作用以及入庫徑流水質等因素綜合影響，導致電導率有不同程度的減小。

另外，水體電導率變化的波動性比調水量變化的大，即調水量變化幅度不大或停止調水時，電導率還在持續變化，主要原因可能是客水水質的季節性波動，以及當地降水的稀釋作用綜合影響。

根據南水北調中線總干渠水質演變趨勢分析結果， 大部分水質指標呈現出南低北高的特點， 但是受調水沿線潛在污染源的影響， 水質時空分布特征復雜， 對受水區的水質影響也呈現動態變化[13]。 通過上述分析可以看出， 本文中的膠東調水工程的情況與此相似， 受水區米山水庫水質受降水量、 客水水質、 調水周期及調水量的綜合影響。

3 結語

1)米山水庫1985—2015年水體電導率監測數據顯示，電導率基本穩定。受膠東調水的影響， 2016—2019年米山水庫水體平均電導率相較于1985—2015年增大了1.56倍，達到858 μS/cm。 水體氯化物、 硫酸鹽、 鈉的濃度及主要帶電離子綜合濃度也明顯增大， 且與電導率變化趨勢一致。

2)米山水庫水體電導率年內呈現明顯上升和回落的周期性變化。在汛期強降水形成的初雨徑流影響下，水體電導率明顯增大，隨后受水體自凈作用及一定時段內的稀釋作用等綜合影響，電導率逐漸減小。從年際變化來看，最小年降水量對應水庫水體最大電導率年均值。

3)2016年膠東調水工程實施后，米山水庫水體電導率明顯增大，并且與外來調水量、客水水質呈正相關關系，變化趨勢一致。停止調水后，水體電導率發生回落，水質有所好轉。總之，水源地水體電導率一方面可以作為總體水質狀況的判斷指標，另一方面也是區域大規模調水影響下，水源地水質穩定性的重要表征。