基于电导率的米山水库水质演变分析

张明芳， 吴 英， 李 玮， 徐艳会， 李沛沛， 黄林显

(1. 威海市水文中心， 山东 威海 264209； 2. 济南大学 水利与环境学院， 山东 济南 250022)

南水北调东线胶东调水工程是缓解山东省胶东地区水资源供需矛盾、支撑地区经济社会可持续发展的大型调水工程。2014—2019年，位于胶东地区的威海市遭遇持续干旱年，城市用水危机日益严峻，严重威胁人民生活及经济社会可持续发展。山东省水利厅及威海市水利局提供的数据显示，威海市年外调水量指标为黄河水和长江水共计10 200万m3， 为威海市供水安全保障发挥重要作用。米山水库作为胶东调水工程末端调蓄水库，承担着威海市区和文登区的供水任务，其水质关系到城市供水安全和区域水生态稳定。

目前关于区域大规模调水的水质演变及其影响的研究多关注《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[1]中的溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)和氨氮(NH3-N)等主要指标[2-3]，以及氮、磷营养盐[4-5]，而对水体电导率作为指标的研究指示意义关注较少。水的电导率是表征液态水传导电流的能力强弱的一个测量值[6]。当水中电解质较少时，其电导率值与所含离子浓度呈比例关系，通常纯水的电导率很小，当水中含有无机酸、碱、盐或有机带电胶体时，电导率增大。测定水样的电导率值可在短时间内间接推测水中带电荷物质的总浓度。

水体电导率由溶解在水体的离子浓度、种类和水温等决定，受多种因素的综合影响，是水质分析中反映水体污染情况的一个重要指标。电导率是目前可实现电极式连续监测且数据精度较高的水质指标，适用于湖库生态环境连续监测及变化趋势分析，对区域水量-水质联合调控相关决策和科学研究具有重要的参考价值[5]。本文中选择米山水库流域为研究区域，在长系列水文及水质监测资料分析的基础上，分析水库水体电导率的年际及年内变化趋势，判断水库水源地水质稳定性；通过对水体电导率与其他水质监测指标、降水量、外调水量及水质的相关性进行分析，进一步讨论米山水库水质演变的主要影响因素，深入研究区域大规模调水工程对威海市区城市供水水源地水质的影响方式及其程度，以期为多水源调配背景下的城市水安全保障管理提供借鉴和参考。

1 监测指标与方法

1.1 研究区域概况

米山水库位于山东省威海市文登区米山镇，母猪河上游，是以防洪、城镇供水、发电等综合利用的大(二)型水库，控制流域面积为440 km2。该水库于1958年10月动工兴建，1960年2月竣工，2013年10月—2014年12月，通过抬田方式完成了水库增容工程。根据《南水北调东线第一期工程山东省威海市续建配套工程(威海市米山水库增容工程)可行性研究报告》，增容工程后的米山水库总库容达到2.98×108m3，校核水位34.25 m，兴利水位30.00 m， 兴利库容1.44×108m3，死水位19.70 m，死库容5.07×106m3。

米山水库自1986年开始向城市供水，目前是威海市环翠区和文登区共用的最大城市供水水源地。2014—2019年，威海地区持续干旱，至2015年12月21日，米山水库蓄水量只有7.70×106m3。2015年12月22日，南水北调东线黄河水入威开始通水；2016年3月10日，又首次调引长江水，威海市实现了当地水与黄河水、长江水的多水源联合调度。因黄河打渔张引水口工程改扩建，自2017年2月18日起，向胶东地区供水水源全部切换为长江水，一直持续至2020年。

根据米山水库流域水文监测站点整编后的降水和径流等实测数据分析[7]，研究区降水量主要集中在6—9月，其中7—8月尤为集中，汛期6—9月降水量约占全年的70%。米山水库流域降水量、径流量的年际变化幅度较大，存在着明显的丰、枯交错以及连续丰水年和连续枯水年现象，1960—1980年整体为丰水期，1980—2003年整体为枯水期，2003—2013年又转为丰水期，2013—2019年转为枯水期，并且在每一个丰水期或枯水期内都有若干个较小的丰水或枯水期的波动段。根据1960—2019年长系列资料分析，连续丰水段有3个，分别是1960—1966、1973—1976、 2010—2012年；连续枯水段有7个，分别是1967—1969、1980—1984、1986—1989、1991—1993、1995—1997、1999—2002、 2013—2019年。

根据长系列水质监测数据分析，米山水库天然水体属于低矿化度、低硬度水的重碳酸盐镁质水。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)采用单指标评价，米山水库多年来水质总体评价达到地表水Ⅱ、Ⅲ类水质标准，化学需氧量(COD)符合Ⅱ、Ⅲ类水质标准，其他各监测项目均符合Ⅰ—Ⅲ类水质标准。米山水库上游支流共计7个水质断面，均符合Ⅱ、Ⅲ类水质标准。

1.2 监测指标与方法

1.2.1 米山水库流域降水量

米山水库于1959年6月设立米山水文站，水库流域内有7处国家雨量站，其中米山水文站、桃花岘站、昆嵛山顶站、汪疃站为常年站(全年观测)，界石站、闫家泊子站、上夼站为汛期站(5—9月观测)。米山水库流域及雨量站点位置如图1所示。降水量监测5—10月采用翻斗式自记雨量计进行观测，雨量计翻斗分辨率为0.5 mm，采样周期为5 min；其余时段(含降雪)采用人工观测日雨量。米山水库流域1960—2019年多年平均降水量为811.7 mm，历年降水量数据如图2所示。

图1 米山水库流域及雨量站分布示意图

图2 米山水库流域1960—2019年降水量统计

1.2.2 外调水量

根据山东省胶东调水局威海分局提供的数据，威海市自2015年12月22日开始实施胶东调水以来， 2015—2020年的年调水量分别是3.0×105、 6.934×107、 6.659×107、 5.921×107、 9.250×107、 6.613×107m3。米山水库2015—2020年的逐月调水量如表1所示。

表1 米山水库2015—2020年逐月调水量统计表 104 m3

1.2.3 水质指标

选择水体电导率、硫酸盐、氯化物等部分水质指标进行分析，其检测标准、使用仪器及监测频次如表2所示。

表2 部分水质指标检测方法统计表

2 结果与讨论

2.1 水体电导率变化趋势

根据米山水库1987—2019年水体电导率检测数据，得到逐月电导率变化趋势如图3所示。由图可知，1987—2015年，米山水库水体电导率基本维持在200～400 μS/cm，平均值为335 μS/cm，表明多年来水体中的离子含量变化相对稳定； 自从2015年12月22日开始启动胶东调水后，受外调水的影响，2016—2019年水体平均电导率相较于1987—2015年的增大了1.56倍，数值增大到858 μS/cm。

图3 1987—2019年米山水库水体电导率的变化

2.2 水体电导率影响因素

2.2.1 电导率与水质指标的关系

根据2015年(胶东调水前)与2018年(胶东调水后)米山水库的年均值水质检测数据对比如表3所示。由表可明显看出：随着水体电导率的变化，2018年米山水库中的钾、 钠、 钙、 氯化物、 硫酸盐、 重碳酸盐等指标含量与2015年均值相比都有较大幅度的增长，其中钠、 硫酸盐和氯化物增幅都超过200%，因此选择氯化物和硫酸盐浓度进一步分析其与水体电导率变化的关系。

表3 胶东调水前(2015年)、后(2018年)米山水库水质部分指标年均数值

2012—2019年米山水库水体电导率与氯化物、硫酸盐逐月比较如图4所示。由图可以看出，2016年调水后，水体电导率与氯化物和硫酸盐浓度明显增大，且变化趋势相对一致。从以上分析可以看出，电导率增大，对应着水体中的矿物质浓度含量增大。

图4 2012—2019年米山水库水体电导率与氯化物、硫酸盐的逐月浓度

根据2012—2019年威海市年度区域水功能区水质监测报告中水体逐月水质检测数据，分析出氯化物、硫酸盐、钠等水质指标与电导率呈显著正相关(显著性水平p<0.05)，相关系数的平方R2分别为0.961、0.957、 0.927，相关性分析结果如图5(a)—(c)所示。

2.2.2 电导率与降水的关系

1)年际变化分析。 1987—2015年降水量与米山水库水体电导率年均值的比较如图6所示。 由图可以看出， 最小年降水量对应水库水体最大电导率年均值。 1999年降水量为360.6 mm， 电导率达到347 μS/cm， 为历年最大值； 1990年降水量为1 180.9 mm， 电导率为232 μS/cm， 为历年最小值。 可见， 降水对水体电导率的稀释作用在年际水平较为明显。

2)逐月变化分析。2012—2015年米山水库逐月水体电导率监测数据与降水量的对比如图7所示。由图可以看出：电导率年内呈现明显上升和回落的周期性变化；降水量集中的汛期，电导率也出现最大值。电导率最大值出现的月份和降水量出现最大的月份相同或者相差一个月，即降水量较大的月份，电导率会在当月或下个月有瞬时的增大，随后逐月下降，伴随小幅变化。通常，水体电导率的取样监测时间一般在每月上旬(正常为每月10日)，用以代表整个月的水质，而降水量是整个月降水的总和，如果当月取样时上旬没有降水，降水主要集中在中下旬，则强降水对水体电导率的影响就会在下个月体现出来。

另一方面，胶东调水干线沿途河流、湖泊众多，水网复杂，大部分支流会遭受一定的点源、面源污染[11]。有研究测算表明，淮河流域南水北调东线工程沿线的农业面源污染入河量分别为5 d生化需氧量(BOD5)约3.6×104t/a， COD约9.0×104t/a， 总氮约1.4×104t/a， 氨氮约0.14×104t/a，且70%集中在汛期[12]，这可能是造成汛期水质劣于非汛期的原因。本研究中，进入米山水库的初雨径流(一般是7月份)会携带大量营养盐等，产生的污染使水库水体中的离子含量增多，电导率增大；降水使水库蓄水量增大，离子浓度得到稀释，同时水体自净作用使水体中的离子浓度减少，电导率开始减小。

2.2.3 电导率与调水关系分析

1)客水水质。2016年1月—2020年7月客水(2017年2月18日以前是黄河水，之后是长江水)与米山水库水体电导率监测数据的对比如图8所示。由图可见，客水的电导率值明显高于米山水库的，且呈现一致的变化趋势，说明米山水库水质受外调水影响显著。由监测数据可知，客水的电导率呈现周期性变化，每年1月开始有不同程度的增大，在汛期停止调水前客水的电导率达到最大值。从2020年1—5月的监测数据来看，1月份客水电导率为886 μS/cm，6月份升高至1 479 μS/cm，其他年份也出现同样的变化趋势。另外，2017年供水水源全部为长江水后，客水的电导率峰值明显降低。

图8 客水与米山水库水体的电导率对比

2)调水量及调水周期。2016—2019年米山水库水体电导率和调水量逐月变化如图9所示。由图可知，从2016年1月份开始，随着客水不断进入米山水库，加大了水库水体置换力度，电导率不断增大，由2016年1月的336 μS/cm增大至2017年8月的1 499 μS/cm，呈现明显的周期变化，每年都有汛期回落、非汛期上升的过程。

图9 2016—2019年米山水库电导率和调水量逐月变化

从时间上可以看出，这与米山水库调水时间基本吻合，即一般调水期是非汛期为主(每年的11月到来年8月)，此时段水库电导率增大，停止调水时电导率回落。从2016—2019年4年中电导率极值出现的时间看， 2016年8月、 2017年8月、 2018年5月、 2019年6月这4个月的水体电导率分别达到1 181、1 499、1 284、1 096 μS /cm， 2016、 2017、2019年电导率极值都出现在停止调水的上个月。从图中也可以看出，停止调水后，加之当地降水量稀释作用以及入库径流水质等因素综合影响，导致电导率有不同程度的减小。

另外，水体电导率变化的波动性比调水量变化的大，即调水量变化幅度不大或停止调水时，电导率还在持续变化，主要原因可能是客水水质的季节性波动，以及当地降水的稀释作用综合影响。

根据南水北调中线总干渠水质演变趋势分析结果， 大部分水质指标呈现出南低北高的特点， 但是受调水沿线潜在污染源的影响， 水质时空分布特征复杂， 对受水区的水质影响也呈现动态变化[13]。 通过上述分析可以看出， 本文中的胶东调水工程的情况与此相似， 受水区米山水库水质受降水量、 客水水质、 调水周期及调水量的综合影响。

3 结语

1)米山水库1985—2015年水体电导率监测数据显示，电导率基本稳定。受胶东调水的影响， 2016—2019年米山水库水体平均电导率相较于1985—2015年增大了1.56倍，达到858 μS/cm。 水体氯化物、 硫酸盐、 钠的浓度及主要带电离子综合浓度也明显增大， 且与电导率变化趋势一致。

2)米山水库水体电导率年内呈现明显上升和回落的周期性变化。在汛期强降水形成的初雨径流影响下，水体电导率明显增大，随后受水体自净作用及一定时段内的稀释作用等综合影响，电导率逐渐减小。从年际变化来看，最小年降水量对应水库水体最大电导率年均值。

3)2016年胶东调水工程实施后，米山水库水体电导率明显增大，并且与外来调水量、客水水质呈正相关关系，变化趋势一致。停止调水后，水体电导率发生回落，水质有所好转。总之，水源地水体电导率一方面可以作为总体水质状况的判断指标，另一方面也是区域大规模调水影响下，水源地水质稳定性的重要表征。