大宁调压池水质评价及分析

王昕然

(北京市朝阳区通惠河水务管理所，北京 100025)

0 引 言

南水北调中线工程建成通水，增加了北京水资源总量，提高了城市供水安全保障率，改善了居民用水条件，在显著改变首都水源保障格局和供水格局的同时，也为北京赢得了宝贵的水资源涵养期[1]。

南水北调中线干线工程从丹江口水库引水，向北穿过黄河，经河北省进入北京，终点为团城湖调节池，全长1 267 km[2]。先期完成京石段应急供水工程[3]，2008年起由河北黄壁庄、岗南、王快及安各庄水库向北京应急供水，至2014年4月累计供水16.06亿m3。2014年12月起江水进京，至2018年5月，进京江水累计超过34亿m3。

南水北调中线北京段工程由惠南庄泵站工程、北拒马河暗渠工程、PCCP管道工程、西甘池隧洞和崇青隧洞工程、大宁调压池工程、永定河倒虹吸工程、卢沟桥暗涵工程、西四环暗涵工程、团城湖明渠工程等10余个单位工程组成[4]。其中，大宁调压池是南水北调中线北京段的重要调节建筑物，主要作用是调节供水水位、供水流量，承担进城段和南干渠段输水工程的分水任务，是南水进京后首个能见水面的工程，其水质状况直接反映了进京南水的水质优劣，对大宁调压池的水质进行连续监测和科学评价，能及时掌握进京南水的水质状况，对加强南水北调工程水质保护，提高北京城市供水安全保障率有着重要意义(见图1)。

图1 惠南庄泵站-大宁调压池工程示意图

1 研究区概况

大宁调压池工程高16.20 m，总容积7.86万m3，调蓄容量2.73万m3，设计水位57.28 m，加大流量水位60.00 m，池底高程46.80 m，设5个出水口，其中2孔通往团城湖，2孔通往南干渠，1孔通往大宁调蓄水库[5]。调压池整体布局取“天圆地方”寓意[6]，中间为钢筋混凝土圆池，内径81.00 m，池外围为正方形台地(见图2)。

图2 大宁调压池平面图

2 研究方法

2.1 样品的采集、选取与分析

大宁调压池的水质监测工作由北京市南水北调水质监测中心负责，自2008年应急通水后连续监测至今(部分月份因停水检修等原因停测)。根据大宁调压池水面特点，选取池中略靠闸门处作为取水监测点位(图2)，监测频次为每月1次，汛期加密。采用便携式多功能水质速测仪测量常规物理指标水温、pH值以及耗氧指标溶解氧，采用实验室分析无机物指标如氟离子、氰化物、氯离子、硫化物、硫酸盐、汞，有机物指标如挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂，耗氧指标如高锰酸盐指数、化学需氧量，营养盐指标如氨氮、硝氮、总氮、总磷，金属离子指标如铁、锰、铜、锌、硒、砷、镉、六价铬、铅和生物学指标粪大肠菌群共计28项，水质分析和监测严格按照《水和废水监测分析方法》(第四版)分析监测方法进行。其中，氟离子、氰化物、氯离子等指标15项，在几年监测中均低于检出限，不再进行统计分析。还有部分监测指标的数据不连续，不进行分析评价。本研究选取pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总氮和总磷6项指标进行分析和评价。

2.2 水质数据的处理与评价

选取的6项指标采用每月监测值进行分析，一月多次监测的取平均值。采用Excel 2007软件对水质数据进行统计和分析，对低于检出限的部分数据，用1/2检出限代替。采用单因子标准指数法对水质指标进行评价，依据《地表水环境质量标准》[7]确定水质类别。采用综合污染指数法对各污染指标的相对污染指数进行统计分析[8]，计算方法如公式(1)、(2)：

Pi=Ci/C0

(1)

(当污染指标为溶解氧时：Pi=C0/Ci)

(2)

式中：Ci为某评价指标监测浓度值，mg/L；C0为某评价指标标准值，mg/L；i为评价指标个数，i=1，2，3，……，n；Pi为第i项指标的污染分指数；P为平均综合污染指数；本研究C0取《地表水环境质量标准》的Ⅲ类限值为标准值；综合污染指数水质分级见表1。

表1 综合污染指数对应水质分级

3 结果与分析

3.1 水质指标特征

2009～2017年大宁调压池全年pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷的含量变化如图3所示。pH值变化范围为7.10～8.85，总体呈弱碱性；溶解氧含量变化范围为5.73～17.40 mg/L，除2011年8月外，均达到Ⅱ类水标准；高锰酸盐指数含量变化范围为0.80～4.30 mg/L，除2011年7月外，均达到Ⅱ类水标准；氨氮含量变化范围为0.012 5～0.256 mg/L，均达到Ⅱ类水标准；总氮含量变化范围为0.50～4.56 mg/L，2015年之前总氮含量超标较多，2015年之后总氮含量基本处在Ⅱ类水标准和Ⅲ类水标准之间，改善明显；总磷含量变化范围为0.005～0.095 mg/L，除2011年4、6、7月外，均达到Ⅲ类水标准，除2009年2、5、8、9月，2010年4月，2014年1、6、11、12月，2017年6月，均达到Ⅱ类水标准。

3.2 水质综合评价

2009～2017年大宁调压池水质综合评价结果如表2所示。主要污染指标为总氮，2015年以前综合污染指标均大于1，2015年以后明显改善；氨氮为清洁指标；溶解氧、高锰酸盐指数在较清洁或轻污染水平浮动；总磷指标变动较大，2011年为中污染指标，其余年份为清洁、较清洁或轻污染指标。

3.3 水质指标波动原因分析

按照《地表水环境质量评价办法》[9]，总氮不参加水质综合评价，2009～2017年大宁调压池水质状况基本良好，在部分月份发生了水质指标超标。大宁调压池是一个流动的水池，水交换很快，水质不易恶化；由于南水北调中线干线水质保护措施较为完善，进入北京后采用地下管道输水，基本排除了外源污染引起的水质破坏，大宁调压池水质直接反映了上游来水的水质变化情况，应当从水源变化、水源切换等角度分析水质指标波动的原因。大宁调压池水源变化情况见表3。

图3 大宁调压池2009～2017年部分指标水质监测结果

表2 大宁调压池各指标污染指数

表3 大宁调压池水源变化情况

2011年8月，溶解氧指标超过Ⅱ类水标准限值；2011年7月，高锰酸盐指数超过Ⅱ类水标准限值；2011年4、6、7月，总磷含量超过Ⅲ类水标准限值，2009年2、5、8、9月，2010年4月，2014年1、6、11、12月，2017年6月，总磷含量超过Ⅱ类水标准限值；总氮含量在2015年之后明显改善。

(1)小流量输水导致的水质超标。结合表3分析，2011年的6、7、8月，溶解氧、高锰酸盐指数、总磷等指标均出现了超标，此时正处在张坊小流量引水过程中，输水流量0.25～0.50 m3/s，管道水量小、流速慢，又处在温度较高的夏季，引起管道内水质下降，加速水体中磷的沉降和吸附，造成大宁调压池的水质变坏。

(2)水源切换及管道检修导致的水质超标。水体中的磷常以磷酸盐的形式沉降和吸附在颗粒物上[10]，在管道流速降低，流量减小时逐渐沉积，在管道恢复大流量输水时会迅速随水运动，影响下游水质。因此，水源切换前后可能发生部分水质指标超标的情况。2009年8、9月，2010年4月，2011年4月，2014年6、11、12月，2017年6月均处在水源切换前后或管道排空检修节点，因而发生了总磷指标超标。

(3)水源水质变化导致的水质超标。河北四库水源，尤其是岗南[11]、黄壁庄水库[12]的水质状况较差，大宁调压池2009年2、5月，2014年1月，总磷指标超标也与水源水质有一定关系。总氮指标在切换到丹江口水库水源后明显改善，说明丹江口水库水质优于河北四库水源水质。

不同于亦庄调节池[13]和团城湖调节池，大宁调压池水体常年流动，富营养化的威胁较小，且有研究表明[14]，采用生物操纵的手段能够有效和迅速的影响水体中的总磷含量，消除区域水质安全威胁，因而，可以在调压池水体中磷指标发生突变时，适量的投放鲢、鳙鱼苗，达到净化水质的目的。

4 结论与建议

(1)大宁调压池水体呈弱碱性，总氮、总磷为其水质的主要影响因子，除2011年外，水质均达到Ⅲ类水及以上标准。

(2)采用水质综合评价方法，水体状况年度差异较大，部分年份因水源切换影响了水质水平，南水进京后水体趋于较清洁程度。

(3)上游来水水质是决定大宁调压池水质状况的主要因素，水源切换及管道检修前后是引起大宁调压池水质指标降低的关键节点，应当在这个时段加密监测，随时关注水质变化情况，及时采取应对措施。

(4)小流量、低流速的引水容易造成水质破坏，高温的夏季又是北京城市用水高峰期，应当在此期间加强南水北调工程保护，加密巡查、监测，以保障北京城市供水安全。

(5)大宁调压池水体趋于恶化时，可采用生物操纵的手段迅速消除水质安全威胁。