农村饮用水源河道水质状态及富营养化特征研究

马秋乐

(塔里木河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 841000)

水质健康状态乃是用水安全的重要保障，建立水质安全评价体系为饮用水检测评价、补水净化等提供重要参考，分析河道水质状态对提升水质评价水平具有重要意义[1-3]。刘晨辉[4]、班静雅[5]、乾爱国[6]根据水动力学理论，采用MIKE水动力学计算平台，研究了河流水质影响因素，分析了水质时空变化特征，为河道水质治理等提供重要依据。当然，也有一些学者根据水质模型开展相应水质状态演变分析，包括SWMM 水质模型[7-8]、SOM水质模型[9]等，基于模型分析获得水质演化特征，为评价水质状态及用水安全性提供预判。不可忽视上述水动力学计算或水质模型分析，与实际河道水质状态具有差异性，不同参数的选取均会影响最终评价结果，而根据长期水质监测，获取水质状态特征，可获得水质评价重要参数，为分析河道水质演化特征及水质安全性提供重要佐证[10-12]。本文根据北疆地区河道水质近三年监测数据，分析水质污染物演变、时空分布及富营养化特征，为水质评价提供重要参数。

1 工程概况

北疆地区内陆河乃是地区内重要饮用水来源，全长为352.0 km，建设防洪堤坝长度为165.5 km，设置有不同水工挡土墙防洪堤坝，预制拼装式挡土墙防洪堤全长为123.5 km，坝身采用混凝土硬化，最大渗透坡降不超过0.25。设置有大型抽水泵站中转水利枢纽设施，日可供水量超过100万m3，主要面向流域内农村地区，修建输水渠道全长为56 km，渠首流量根据输水灌渠运营状态，设定范围为0.55～0.75 m3/s。目前该河道宽度为12～45 m，河床最大坡降为1.68%，调查得知流域内地势以北部较高，高程变化超过500 m，下游地势平坦，河流形成冲积平原分布较广，主要为壤土与黏土质，含水量分布在13%～17%，枯水季最大缺水率可达9.5%。近年来上游修建有水库枢纽工程，可完成丰、枯水季水资源调度等作用，最大库容量为350万m3，河流水质中年平均含沙量为7.5 kg/m3，在雨季含沙量显著较高，最大可达11.5 kg/m3，拦污栅前河床高程监测表明最大淤积厚度可达1.2 m，对电站发电以及下游输水灌渠运营具有较大负面影响。目前该饮用水河道建设的水利设施包括有各类大中型水闸15座，包括有最大的东庄泄洪闸，最大泄流量可达1055 m3/s，另建设有污水处理厂多个，确保饮用水安全性，日可处理水量超过50万m3，水利设施静、动力稳定性均较佳，满足工程安全运营要求。由于地区水资源污染性及工业化发展，造成饮用水河道出现大面积污染物，且可供水量相比原设计降低了35%，为此，对该农村地区饮用水河道开展水质状态分析及富营养化评价很有意义，所有水质监测点分布如图1所示，共有10个点S1～S10，均匀分布在饮用水取水口、排水口以及汇入口等特征断面处。

图1 水质监测点分布图

2 河道水质状态特征

2.1 河道水质现状

根据对各监测点水质进行长期监测，获得各测点水质化学污染物分布变化特征，如图2所示。从图中可看出，TP浓度在河道上最大值为0.46 mg/L，位于S8排水口处，而浓度最低值为S10取水口处，仅为前者的12%，河道上TP浓度平均值为0.22 mg/L，在S5～S8断面上浓度较高，而在S1～S4、S9～S10断面上浓度均较低，河道上TP浓度分布不均与人类活动有关，在S5～S8河道断面上，存在较多分散性农民住宅区，该区域内污染物的分布亦较多，受地表径流影响，逐步蔓延至该区段内河道[13-14]，造成S5～S8断面上TP浓度较高，该区段内平均浓度相比整体河道平均值提高了63.6%，达0.36 mg/L。氨氮含量在河道断面上最大值位于S8点处，达2.77 mg/L，河道整体上氨氮含量为先增后减变化，在S1～S8区段内，由上游污染物的迁移逐步至S8排水口，该区段内各点间氨氮含量平均增幅达21.6%，而在S9、S10断面上氨氮含量持续降低，相比氨氮含量峰值分别降低了16.3%、44.0%，氨氮含量在全河道上分布为0.77～2.77 mg/L，从河道治理角度考虑，应着重控制该河流上游氨氮污染物的迁移，减少下游水源氨氮分布。COD含量同样在S8断面处为最大，达31.20 mg/L，全河道上整体平均含量为13.91 mg/L，COD高含量分布区域位于S5～S8断面，该区段内COD平均含量可达21.1 mg/L，而与之同时在饮用水取水口COD含量相比峰值含量降低了63.7%，但不可忽视由于中部人类活动对饮用水取水口断面处COD含量影响，河道上游COD平均含量为5.70 mg/L，相比高含量区段内降低了73%，因而控制人类活动污染物对COD含量影响亦较为关键。

图2 各测点水质化学污染物变化特征

2.2 河道水质时空特征

为综合评价分析河道水质状态，针对河道水质污染物成分，给出饮用水源河道水质评价量值计算式，如式(1)所示，并计算出河道上各监测点断面的水质评价量值参数Q，分析河道不同时间段不同节点处水质评价参数Q变化关系[15]。

Q=E1×E2×E3×E4

(1)

式中：E1为水质类别表征参数；E2为水质类别参数中TP分布特征系数；E3为水质类别参数中氨氮含量特征系数；E4为水质类别参数中COD含量特征系数。

图3为不同时间段水质评价参数Q在各断面上变化关系，从2018年开始，每年定期对该河道进行定量补水。从图中可知，在2018年夏、冬两季参数Q在各断面上变化具有显著差异，其中夏季参数Q值显著低于冬季，在相同S3测点断面上夏季参数Q值为8.52，而冬季参数Q值较之前者分别增大了74.4%，各测点上冬季参数Q值相比夏季时幅度差异达51%～80%，笔者认为，该河道在夏季面临汛期，水位及泄流量变化较大，水资源交换程度较高，故在活跃地表径流与泄流影响下，夏季水质参数Q值显著低于冬季。从参数Q值在河道各测点中表现可知，河道中下游参数Q值显著低于上游，在2018年夏季S8断面处参数Q值为5.70，而上游S2断面处Q值较之前者分别增大了45.8%，在S5～S10断面处Q值平均值仅为6.20，而在上游S1～S4区段内平均值相比前者增长了38.7%，达8.6，分析认为水力迁移作用，导致水质评价参数Q值夏季下游河道显著降低，取水口水质在下游亦可达到饮用水要求。与2018年相比，2019年水质评价参数Q值相比整体降低，表明随着河道补水增加，水质受污染程度降低，参数Q值故降低；在2019年夏季Q值平均为3.98，断面上Q值最大为4.98，位于S1断面，且水质评价参数Q值较大集中于上游，由上游至下游为递减过程。2019年冬季Q值较之同一年夏季Q值亦有增高，平均差距幅度为12.6%，表明随着河道补水进行，河道夏、冬季水质参数Q值差异幅度有所降低。在2020年夏季、冬季水质参数Q值平均为3.10、3.70，在2018、2019年基础上均有降低，其中夏季降低幅度最为显著，较之2018—2019年分别降低了57.5%、26.8%，水质参数Q值在各断面上分布基本与2018、2019年类似，但饮用水取水口下游处的参数Q值较之前两年有所平缓，S7～S10断面上水质参数Q值分布平稳，夏、冬季分别稳定在2.90、3.40，表明补水逐步在下游水质净化中发挥稳定作用。

图3 水质评价参数Q在各断面上变化关系

3 富营养化特征评价

富营养化乃是水质污染的重要表现，本文为准确评价该河道水质富营养化现状，引入河道水质营养状态参数P，其计算式如式(2)所示[16]，水质富营养化分级如表1所示，借此计算出河道各监测点的水质营养状态参数P变化关系，如图4所示。

表1 水质富营养化分级

(2)

式中：Wj为指标权重参数，不同化学污染物含量分配不同；pj为营养状态指数参数，与化学污染物含量有关；tj为水质营养状态参数系数。

根据图4中2019—2020年度水质营养化参数P值变化关系可知，2019年夏季河道上水质营养化参数P值平均为53.5，属富营养，其中营养化参数P值最大区段乃是S8～S10，平均值达54.1，属于富营养，而S1～S4区段内P值亦较高，亦属于富营养，在取水口S8处P指为50.4，全河道上P指波动幅度不超过10%。2019年冬季河道上水质营养化参数显著增高，平均值较之夏季提高了19.3%，包括取水口在内的S8～S10断面上P值平均为64.3，冬季仅在S5～S7区段内P值分布较低，整体河道上水质营养化P值曲线呈“U”型，此亦印证了冬季降水较小、地表径流活动平静不利于水质污染物扩散的特点。在2020年夏、冬季河道水质营养化参数P平均值分别为26.5、38.2，较之2019年分别降低了50.5%、39.0%，均属于中营养水质状态，水质健康程度较佳；但不可忽视，在2020年夏、冬季河道上均存在局部营养化P值较高的断面，如夏季在S2～S5断面上营养化参数P平均值可达30.2，最高达31.3，而在2020年冬季更甚者，在S1～S6断面上均分布有较大营养化参数P值，平均值为39.8，S6断面最高可达41.9，表明定期定量补水虽有利于河道水质净化，但其净化周期较长，需要较长时间得到缓释，故应重点对河流流域内地表环境进行保护很有必要，提升流域整体水质环境，确保饮用水源安全性。

图4 水质营养化参数P值变化关系

4 结 论

(1)河流水质现状中TP浓度最大为0.46 mg/L，河道整体TP浓度平均值为0.22 mg/L；河流水质氨氮含量从上游至下游为先增后减变化，全河道上分布为0.77～2.77 mg/L；三种污染物成分均在S8断面处达到最大，COD最大为31.20 mg/L，河道平均值为13.91 mg/L；污染物含量分布与人类活动密切相关。

(2)河流水质评价参数Q在夏季显著低于冬季，2018年河流各测点冬季参数Q值相比夏季时幅度差异达51%～80%，河道中下游参数Q值低于上游，随年补水量递进，水质评价参数Q值降低，2020年夏季参数Q值较之2018、2019年分别减少了57.5%、26.8%。

(3)分析河流营养化状态可知2019年夏季水质营养化参数P值平均为53.5，冬季参数值较之前者提高了19.3%；2020年夏、冬季水质营养化参数P平均值分别为26.5、38.2，水质均属中营养，但局部断面处营养化参数P值较高，夏、冬季最高分别可达31.3、41.9，定期定量补水对水质净化周期要求较长。