基于不同水文保證率的飲用水源地水質(zhì)影響分析

陳文光，逄 勇，謝蓉蓉,3

(1.福建師范大學環(huán)境科學與工程學院，福州 350007；2.河海大學環(huán)境學院，南京 210098； 3.福建師范大學福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點實驗室，福州 350007)

近年來，飲用水源地水質(zhì)保護成為國家民生大計，河流飲用水源地主要受到上游沿岸工業(yè)廢水、生活污水及畜禽養(yǎng)殖廢水污染的威脅，導致水體生態(tài)功能不斷降低[1～3]，直接威脅社會的可持續(xù)發(fā)展水平[4-5]。除去上游的水質(zhì)變化，上游來水水量在很大程度上影響飲用水源地的水質(zhì)，因此研究不同來水條件對飲用水源地水質(zhì)影響具有重大意義。

重要水質(zhì)斷面水質(zhì)變化及影響分析一直是國內(nèi)外學者研究的熱點[6～9]。Cha等人[10]基于QUAL2E 模型模擬了環(huán)境流量的改變對BOD5的影響，發(fā)現(xiàn)流量的增大可以改善水質(zhì)。Liu等人[11]研究了淮河流域重要水文站氨氮受流量和降雨的影響，發(fā)現(xiàn)枯水年氨氮濃度比豐水年高。Jeong等人[12]研究了韓國洛東江流量對葉綠素a的影響，發(fā)現(xiàn)流量與葉綠素a呈強負相關(guān)。王華等人[13]分析了灃河水質(zhì)與流量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)流域上下游不同斷面的水質(zhì)流量之間的關(guān)系也有差異。張海春等人[14]將黃浦江水系水質(zhì)變化分為3個階段，確定了上游來水水質(zhì)是影響水質(zhì)的主要因素之一。Nadon等人[15]通過對加拿大安大略省北部河流的研究發(fā)現(xiàn)水力發(fā)電設施的存在對溶解有機物沒有總體影響。吳紹飛等人[16]運用Cupula函數(shù)研究了淮河流域蚌埠閘不同流量情景徑流對水質(zhì)組合事件發(fā)生概率的影響，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)超標組合事件的發(fā)生概率總體上隨流量增加而減小。胡小陽等人[17]采用箱線圖法和單因子水質(zhì)指標評價法分析了沙潁河重要閘控斷面2009～2013年氨氮和高錳酸鹽指數(shù)的年際年內(nèi)變化規(guī)律及主要影響因素，發(fā)現(xiàn)氨氮和高錳酸鹽指數(shù)汛期濃度低于非汛期濃度。Xia等人[18]研究了淮河流域多尺度環(huán)境因子對水質(zhì)的影響及其空間變化，其中降水量被認為是最重要的變量。水量是水質(zhì)變化的重要影響因素之一，但是由于缺乏長期有效的監(jiān)測，目前研究多集中在季節(jié)、水期的影響研究上，且研究因子也比較局限。

基于此，本文基于2010～2015年閩江北港重要飲用水源地水文、水質(zhì)長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用不同水文保證率為研究基點，全面分析了不同水文保證率的流量對不同水質(zhì)因子的不同影響，旨在為重要斷面的水質(zhì)預警提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域

閩江是福建省最大的獨流入海(東海)河流，全長約562 km，流域面積為60 992 km2，約占福建全省面積的一半[19]。閩江流域(116°23′～119°35′E，25°23′～28°16′N)位于東南沿海，屬亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，具有供水、防洪抗旱、養(yǎng)殖、航運等多種功能，也是海峽西岸沿海一帶的重要飲用水源地[20]。閩江下游北港飲用水源地(原厝水源地)為河流飲用水源地，供水能力為75 萬t/d，是福州市近六成市民的飲用水源地[21-22]，2008年設立原厝水質(zhì)自動監(jiān)測站(圖1)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Maps of research area

1.2 數(shù)據(jù)收集與分析

北港飲用水源地的2010～2015年水質(zhì)資料來自于福州市原厝水質(zhì)監(jiān)測站公布的水質(zhì)周報，研究因子為：pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)、NH3-N和TP(其中2012年部分周水質(zhì)有缺少)。

北港飲用水源地2010～2015水文資料來自于水文年鑒，選取文山里水文站的日流量進行統(tǒng)計分析。

對分析年份的水質(zhì)采用季節(jié)性肯達爾趨勢分析評價[23]。對分析年份的流量進行頻率分析，確定2010～2015年25%、50%、75% 3種不同水文保證率的流量，對不同水文保證率下流量和水質(zhì)因子進行相關(guān)性分析。

2 分析與討論

2.1 水質(zhì)因子的年際變化及上游污染源影響分析

2010～2015年際水質(zhì)因子統(tǒng)計結(jié)果及其季節(jié)性肯達爾趨勢分析評價見表1，由表1 可見，pH呈顯著性下降趨勢，DO呈高度顯著性上升趨勢，高錳酸鹽指數(shù)、NH3-N和TP則呈顯著性下降趨勢。評價結(jié)果表明近年來閩江北港飲用水源地水質(zhì)呈現(xiàn)惡化趨勢。

閩江北港飲用水源地水質(zhì)的變化與上游污染源排放有直接的關(guān)系，而農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖是北港飲用水源地上游的主要污染來源[24]。根據(jù)福州市2012～2015年環(huán)統(tǒng)資料，北港飲用水源地上游的污水處理廠(位置見圖1)及畜禽養(yǎng)殖的排放情況見圖2，由圖2可見，2012～2014年污水處理廠COD、NH3-N和TP的年排放量基本無變化，畜禽養(yǎng)殖的年排放量則呈增長趨勢；而2015年污水處理廠和畜禽養(yǎng)殖COD、NH3-N和TP出現(xiàn)明顯下降趨勢，上游主要污染源的排放特點與相應的水質(zhì)變化呈現(xiàn)正相關(guān)。

表1 2010～2015年際水文、水質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果及季節(jié)性肯達爾趨勢分析評價Tab.1 Annual water quality data and the seasonal Kndall assessment during 2010～2015

注：↑、↑↑、↓分別表示顯著上升、高度顯著上升、顯著下降等趨勢。

圖2 2012～2015研究斷面上游污水處理廠及畜禽養(yǎng)殖排放量變化過程Fig.2 Sewage treatment plant and livestock and poultry farming emissions in upstream from 2012 to 2015

2.2 不同水文保證率的流量影響

2.2.1 不同水文保證率的流量

文山里水文站2010～2015年的流量為94～3 687m3/s，根據(jù)頻率分析曲線得到研究斷面2010～2015年不同水文保證率的流量見表2，由表2可知，25%、50%和75%保證率的流量分別為455、292、213 m3/s。

表2 文山里斷面不同水文保證率的流量條件Tab.2 Discharge condition of different hydrological guarantee rates in Wenshanli Station

2.2.2 不同水文保證率的pH、DO變化

2010～2015年原厝水源地pH為 6.02～8.38，DO為 3.88～9.83 mg/L(圖3)。表3為不同保證率的流量和各水質(zhì)因子的相關(guān)性分析結(jié)果，由表3可見，pH 和DO基本呈現(xiàn)相同的變化趨勢，不少研究也論證了pH和DO的協(xié)同作用，水體DO升高，CO2減少，pH隨之升高[25-26]。此外，25%保證率的流量為pH和DO的變化駐點，在25%水文保證率的流量條件下(即Q> 455m3/s)，pH和DO與流量呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，這主要因為在隨著流量的增大，水體擾動和污染物稀釋占主導因素，大氣富氧能力加強，水中微生物光合作用大于呼吸作用，導致DO隨流量升高而升高，pH也隨之升高。當Q<455 m3/s時，pH和DO與流量呈顯著負相關(guān)(p<0.01)，此時主要受季節(jié)的影響，低流量多發(fā)生于冬季，水溫溫度低，水體飽和DO高，隨流速降低，生物量迅速增加，光合作用能力加強[27]，導致在低流量下，pH和DO隨流量的減少而增大。

圖3 2010～2015年流量與pH、DO的耦合變化過程Fig.3 Temporal changes for discharge and pH、DO from 2010 to 2015

水文保證率(%)pHDO高錳酸鹽指數(shù)TPNH3-N0～250.331??0.457??0.610??0.340??0.08725～500.023-0.0460.1420.216-0.01350～75-0.1540.022-0.357??-0.1230.02875～1000.1050.0840.282?0.0070.1790～500.245??0.364??0.570??0.332??-0.05850～100-0.093-0.1000.0010.0470.232??25～100-0.214??-0.293??-0.1050.0250.087

注：* =p<0.05, ** =p<0.01.

2.2.3 不同水文保證率的高錳酸鹽指數(shù)變化

2010～2015年原厝水源地高錳酸鹽指數(shù)為 0.85～4.62 mg/L(圖4)。結(jié)合高錳酸鹽指數(shù)與流量相關(guān)性分析可知(表3)：當50%水文保證率條件下(即Q>292 m3/s)，高錳酸鹽指數(shù)與流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.01) ；當Q為213～292m3/s(50%～75%保證率)，兩者呈顯著負相關(guān)(p<0.01)；Q<213m3/s(75%～100%保證率)時，流量與高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān)(p<0.05)。閆芊等人同樣發(fā)現(xiàn)流量影響的變化性，非汛期高錳酸鹽指數(shù)年均值與流量呈顯著負相關(guān)而汛期與流量又呈顯著正相關(guān)[28]。可能由于在較高流量和較低流量條件下，高錳酸鹽主要受上游來水攜帶的污染物影響較大，呈現(xiàn)正相關(guān)；而在50%～75%保證率的流量條件時，來水的稀釋和降解占主導作用，兩者呈現(xiàn)負相關(guān)。

2.2.4 不同水文保證率的TP變化

2010～2015年原厝水源地TP為 0.203～0.042 mg/L(見圖5)，結(jié)合TP與流量相關(guān)性分析可知(表3)：當50%水文保證率條件下(即Q>292 m3/s)，TP與流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.01)；當Q<292m3/s時相關(guān)性不強。焦劍等人在密云水庫上游流域的調(diào)查中同樣發(fā)現(xiàn)了TP與流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的結(jié)論，主要由于P元素在水體中遷移時，需要以泥沙或有機物顆粒作為載體，實現(xiàn)長距離運移。而河道流量較大時，其匯集了流域內(nèi)大量地表徑流，水體中泥沙和有機物顆粒含量均相應增加[29]，使水體TP含量增高[30-31]，另一方面可能由于大流量引起的河流底泥擾動，增大了沉淀或顆粒物與水體的接觸面積，加速了磷的釋放[32-33]。當水體流量降低時，水體顆粒物含量低，對TP的影響能力也大大降低，所以表現(xiàn)為相關(guān)性不強。

圖4 2010～2015年流量與高錳酸鹽指數(shù)耦合變化過程圖化Fig.4 Temporal changes for discharge and permanganate index from 2010 to 2015

圖5 2010～2015年流量與TP耦合變化過程圖化Fig.5 Temporal changes for discharge and TP from 2010 to 2015

2.2.5 不同水文保證率的NH3-N變化

2010～2015年原厝水源地NH3-N為 0.02～0.78 mg/L(圖6)，結(jié)合NH3-N與流量相關(guān)性分析可知(表3)：在低于292 m3/s(50%～100%水文保證率)的流量條件下，NH3-N和流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.01)；高于該流量時，NH3-N和流量呈現(xiàn)負相關(guān)，但相關(guān)性不強。楊玲等人同樣得出流量對NH3-N有不同影響的結(jié)論，可能是由于冬季低流量條件下，氨氮的面源輸入隨流量減少，導致呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，而在高流量時，同時存在稀釋作用和面源的持續(xù)匯入問題，導致流量升高，NH3-N降低[34-35]

圖6 2010～2015年流量與NH3-N耦合變化過程圖化Fig.6 Temporal changes for discharge and NH3-N from 2010 to 2015

3 結(jié) 論

根據(jù)閩江文山里斷面2010～2015年流量及水質(zhì)資料，對水質(zhì)與流量的關(guān)系進行了分析，得到以下結(jié)論：

3.1 pH呈顯著性下降趨勢，DO呈高度顯著性上升趨勢，高錳酸鹽指數(shù)、NH3-N和TP則呈顯著性下降趨勢。

3.2 25%水文保證率的流量條件下(Q>455m3/s)，pH與其呈顯著正相關(guān)；流量低于455m3/s時，pH與流量呈顯著負相關(guān)。

3.3 25%水文保證率的流量條件下(Q>455m3/s)，DO與其呈顯著正相關(guān)；流量低于455m3/s時，DO與流量呈顯著負相關(guān)。

3.4 50%水文保證率的流量條件下(Q>292 m3/s)，高錳酸鹽指數(shù)與流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；流量在213m3/s和292m3/s內(nèi)，高錳酸鹽指數(shù)與其呈顯著負相關(guān)；流量低于213m3/s時，高錳酸鹽指數(shù)與流量呈正相關(guān)。

3.5 50%水文保證率的流量條件下(Q>292 m3/s)，TP與流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；流量低于292 m3/s時，TP與流量相關(guān)性不強。

3.6 50%～100%水文保證率流量條件下(Q<292 m3/s)，NH3-N和流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；高于該流量時，NH3-N和流量呈現(xiàn)負相關(guān)，但相關(guān)性不強。