農村飲用水源河道水質狀態及富營養化特征研究

馬秋樂

(塔里木河流域管理局，新疆 烏魯木齊 841000)

水質健康狀態乃是用水安全的重要保障，建立水質安全評價體系為飲用水檢測評價、補水凈化等提供重要參考，分析河道水質狀態對提升水質評價水平具有重要意義[1-3]。劉晨輝[4]、班靜雅[5]、乾愛國[6]根據水動力學理論，采用MIKE水動力學計算平臺，研究了河流水質影響因素，分析了水質時空變化特征，為河道水質治理等提供重要依據。當然，也有一些學者根據水質模型開展相應水質狀態演變分析，包括SWMM 水質模型[7-8]、SOM水質模型[9]等，基于模型分析獲得水質演化特征，為評價水質狀態及用水安全性提供預判。不可忽視上述水動力學計算或水質模型分析，與實際河道水質狀態具有差異性，不同參數的選取均會影響最終評價結果，而根據長期水質監測，獲取水質狀態特征，可獲得水質評價重要參數，為分析河道水質演化特征及水質安全性提供重要佐證[10-12]。本文根據北疆地區河道水質近三年監測數據，分析水質污染物演變、時空分布及富營養化特征，為水質評價提供重要參數。

1 工程概況

北疆地區內陸河乃是地區內重要飲用水來源，全長為352.0 km，建設防洪堤壩長度為165.5 km，設置有不同水工擋土墻防洪堤壩，預制拼裝式擋土墻防洪堤全長為123.5 km，壩身采用混凝土硬化，最大滲透坡降不超過0.25。設置有大型抽水泵站中轉水利樞紐設施，日可供水量超過100萬m3，主要面向流域內農村地區，修建輸水渠道全長為56 km，渠首流量根據輸水灌渠運營狀態，設定范圍為0.55～0.75 m3/s。目前該河道寬度為12～45 m，河床最大坡降為1.68%，調查得知流域內地勢以北部較高，高程變化超過500 m，下游地勢平坦，河流形成沖積平原分布較廣，主要為壤土與黏土質，含水量分布在13%～17%，枯水季最大缺水率可達9.5%。近年來上游修建有水庫樞紐工程，可完成豐、枯水季水資源調度等作用，最大庫容量為350萬m3，河流水質中年平均含沙量為7.5 kg/m3，在雨季含沙量顯著較高，最大可達11.5 kg/m3，攔污柵前河床高程監測表明最大淤積厚度可達1.2 m，對電站發電以及下游輸水灌渠運營具有較大負面影響。目前該飲用水河道建設的水利設施包括有各類大中型水閘15座，包括有最大的東莊泄洪閘，最大泄流量可達1055 m3/s，另建設有污水處理廠多個，確保飲用水安全性，日可處理水量超過50萬m3，水利設施靜、動力穩定性均較佳，滿足工程安全運營要求。由于地區水資源污染性及工業化發展，造成飲用水河道出現大面積污染物，且可供水量相比原設計降低了35%，為此，對該農村地區飲用水河道開展水質狀態分析及富營養化評價很有意義，所有水質監測點分布如圖1所示，共有10個點S1～S10，均勻分布在飲用水取水口、排水口以及匯入口等特征斷面處。

圖1 水質監測點分布圖

2 河道水質狀態特征

2.1 河道水質現狀

根據對各監測點水質進行長期監測，獲得各測點水質化學污染物分布變化特征，如圖2所示。從圖中可看出，TP濃度在河道上最大值為0.46 mg/L，位于S8排水口處，而濃度最低值為S10取水口處，僅為前者的12%，河道上TP濃度平均值為0.22 mg/L，在S5～S8斷面上濃度較高，而在S1～S4、S9～S10斷面上濃度均較低，河道上TP濃度分布不均與人類活動有關，在S5～S8河道斷面上，存在較多分散性農民住宅區，該區域內污染物的分布亦較多，受地表徑流影響，逐步蔓延至該區段內河道[13-14]，造成S5～S8斷面上TP濃度較高，該區段內平均濃度相比整體河道平均值提高了63.6%，達0.36 mg/L。氨氮含量在河道斷面上最大值位于S8點處，達2.77 mg/L，河道整體上氨氮含量為先增后減變化，在S1～S8區段內，由上游污染物的遷移逐步至S8排水口，該區段內各點間氨氮含量平均增幅達21.6%，而在S9、S10斷面上氨氮含量持續降低，相比氨氮含量峰值分別降低了16.3%、44.0%，氨氮含量在全河道上分布為0.77～2.77 mg/L，從河道治理角度考慮，應著重控制該河流上游氨氮污染物的遷移，減少下游水源氨氮分布。COD含量同樣在S8斷面處為最大，達31.20 mg/L，全河道上整體平均含量為13.91 mg/L，COD高含量分布區域位于S5～S8斷面，該區段內COD平均含量可達21.1 mg/L，而與之同時在飲用水取水口COD含量相比峰值含量降低了63.7%，但不可忽視由于中部人類活動對飲用水取水口斷面處COD含量影響，河道上游COD平均含量為5.70 mg/L，相比高含量區段內降低了73%，因而控制人類活動污染物對COD含量影響亦較為關鍵。

圖2 各測點水質化學污染物變化特征

2.2 河道水質時空特征

為綜合評價分析河道水質狀態，針對河道水質污染物成分，給出飲用水源河道水質評價量值計算式，如式(1)所示，并計算出河道上各監測點斷面的水質評價量值參數Q，分析河道不同時間段不同節點處水質評價參數Q變化關系[15]。

Q=E1×E2×E3×E4

(1)

式中：E1為水質類別表征參數；E2為水質類別參數中TP分布特征系數；E3為水質類別參數中氨氮含量特征系數；E4為水質類別參數中COD含量特征系數。

圖3為不同時間段水質評價參數Q在各斷面上變化關系，從2018年開始，每年定期對該河道進行定量補水。從圖中可知，在2018年夏、冬兩季參數Q在各斷面上變化具有顯著差異，其中夏季參數Q值顯著低于冬季，在相同S3測點斷面上夏季參數Q值為8.52，而冬季參數Q值較之前者分別增大了74.4%，各測點上冬季參數Q值相比夏季時幅度差異達51%～80%，筆者認為，該河道在夏季面臨汛期，水位及泄流量變化較大，水資源交換程度較高，故在活躍地表徑流與泄流影響下，夏季水質參數Q值顯著低于冬季。從參數Q值在河道各測點中表現可知，河道中下游參數Q值顯著低于上游，在2018年夏季S8斷面處參數Q值為5.70，而上游S2斷面處Q值較之前者分別增大了45.8%，在S5～S10斷面處Q值平均值僅為6.20，而在上游S1～S4區段內平均值相比前者增長了38.7%，達8.6，分析認為水力遷移作用，導致水質評價參數Q值夏季下游河道顯著降低，取水口水質在下游亦可達到飲用水要求。與2018年相比，2019年水質評價參數Q值相比整體降低，表明隨著河道補水增加，水質受污染程度降低，參數Q值故降低；在2019年夏季Q值平均為3.98，斷面上Q值最大為4.98，位于S1斷面，且水質評價參數Q值較大集中于上游，由上游至下游為遞減過程。2019年冬季Q值較之同一年夏季Q值亦有增高，平均差距幅度為12.6%，表明隨著河道補水進行，河道夏、冬季水質參數Q值差異幅度有所降低。在2020年夏季、冬季水質參數Q值平均為3.10、3.70，在2018、2019年基礎上均有降低，其中夏季降低幅度最為顯著，較之2018—2019年分別降低了57.5%、26.8%，水質參數Q值在各斷面上分布基本與2018、2019年類似，但飲用水取水口下游處的參數Q值較之前兩年有所平緩，S7～S10斷面上水質參數Q值分布平穩，夏、冬季分別穩定在2.90、3.40，表明補水逐步在下游水質凈化中發揮穩定作用。

圖3 水質評價參數Q在各斷面上變化關系

3 富營養化特征評價

富營養化乃是水質污染的重要表現，本文為準確評價該河道水質富營養化現狀，引入河道水質營養狀態參數P，其計算式如式(2)所示[16]，水質富營養化分級如表1所示，借此計算出河道各監測點的水質營養狀態參數P變化關系，如圖4所示。

表1 水質富營養化分級

(2)

式中：Wj為指標權重參數，不同化學污染物含量分配不同；pj為營養狀態指數參數，與化學污染物含量有關；tj為水質營養狀態參數系數。

根據圖4中2019—2020年度水質營養化參數P值變化關系可知，2019年夏季河道上水質營養化參數P值平均為53.5，屬富營養，其中營養化參數P值最大區段乃是S8～S10，平均值達54.1，屬于富營養，而S1～S4區段內P值亦較高，亦屬于富營養，在取水口S8處P指為50.4，全河道上P指波動幅度不超過10%。2019年冬季河道上水質營養化參數顯著增高，平均值較之夏季提高了19.3%，包括取水口在內的S8～S10斷面上P值平均為64.3，冬季僅在S5～S7區段內P值分布較低，整體河道上水質營養化P值曲線呈“U”型，此亦印證了冬季降水較小、地表徑流活動平靜不利于水質污染物擴散的特點。在2020年夏、冬季河道水質營養化參數P平均值分別為26.5、38.2，較之2019年分別降低了50.5%、39.0%，均屬于中營養水質狀態，水質健康程度較佳；但不可忽視，在2020年夏、冬季河道上均存在局部營養化P值較高的斷面，如夏季在S2～S5斷面上營養化參數P平均值可達30.2，最高達31.3，而在2020年冬季更甚者，在S1～S6斷面上均分布有較大營養化參數P值，平均值為39.8，S6斷面最高可達41.9，表明定期定量補水雖有利于河道水質凈化，但其凈化周期較長，需要較長時間得到緩釋，故應重點對河流流域內地表環境進行保護很有必要，提升流域整體水質環境，確保飲用水源安全性。

圖4 水質營養化參數P值變化關系

4 結 論

(1)河流水質現狀中TP濃度最大為0.46 mg/L，河道整體TP濃度平均值為0.22 mg/L；河流水質氨氮含量從上游至下游為先增后減變化，全河道上分布為0.77～2.77 mg/L；三種污染物成分均在S8斷面處達到最大，COD最大為31.20 mg/L，河道平均值為13.91 mg/L；污染物含量分布與人類活動密切相關。

(2)河流水質評價參數Q在夏季顯著低于冬季，2018年河流各測點冬季參數Q值相比夏季時幅度差異達51%～80%，河道中下游參數Q值低于上游，隨年補水量遞進，水質評價參數Q值降低，2020年夏季參數Q值較之2018、2019年分別減少了57.5%、26.8%。

(3)分析河流營養化狀態可知2019年夏季水質營養化參數P值平均為53.5，冬季參數值較之前者提高了19.3%；2020年夏、冬季水質營養化參數P平均值分別為26.5、38.2，水質均屬中營養，但局部斷面處營養化參數P值較高，夏、冬季最高分別可達31.3、41.9，定期定量補水對水質凈化周期要求較長。