江库连通条件下珠海市饮用水源水质分布特征及水资源调配措施

谢琼，付青*，昌盛，樊月婷，涂响，王山军

1.国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室, 中国环境科学研究院

2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 中国环境科学研究院

珠江三角洲地区受咸潮上溯影响严重，咸潮上溯期间，西江可利用淡水资源大幅减少，为保证饮用水安全，处于西江下游的江门、中山和珠海等市均通过江库等不同类型饮用水水源（以下简称水源）连通工程或湖库型备用水源建设等方式保证咸潮期间淡水资源的供应。江库连通使不同水文特征的水体相连，增强了水体的自净和调蓄能力，有利于提高水生生物多样性和生态系统稳定性，从而促进水质稳定改善[1-4]。珠海市位于西江的最下游，咸潮入侵形势最为严峻，同时，珠海市饮用水源亦是澳门的重要供水水源，其江库连通和水资源调度条件下的水源水质安全保障和精准调控关乎粤港澳大湾区社会经济发展。

目前，关于珠海市水源水质研究主要集中于河流型水源水质盐度超标规律（磨刀门水道咸潮入侵规律[5]、盐度输运机理[6]、咸界变化特点[7]、咸潮加剧原因[8]、浮游植物群落结构和水质特征[9]等），水库型水源富营养化水平（水库水质、植物群落特征、富营养化状况、营养物质变化规律及藻类水华预警[10-17]等）等方面，对珠海市河流型水源咸潮入侵及超标规律、湖库型水源水质特征及蓝藻水华暴发风险进行了较为全面的分析。然而，在江库连通条件下，针对咸潮开展了一系列水资源调度后（在枯水期通过泵站抢淡补库，将河流型水源水资源调度至水库型水源存蓄），关于水源水质时空分布特征和水资源调配措施的研究较为鲜见。

笔者基于珠海市5个水库型水源、4个河流型水源月度监测数据，分析不同类型、不同水期及流域不同位置水源水质变化特征，探讨水期变化、地理位置和水资源调度及水动力学特征等对水源水质的影响，总结不同水源在水资源调配中的优势，以期为促进水源水质稳定及改善，制定基于河流与湖库型水源水质特征的水资源调配方案提供依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

珠海市（113°03′E～114°19′E，21°48′N～22°27′N）位于广东省珠江口西岸，濒临南海，全市面积为7 836 km2，其中陆地和海岛面积为1 701 km2，海域面积为6 135 km2。目前在用的集中式水源共有9个，其中杨寮水库、大镜山水库、竹仙洞水库、竹银水库和乾务水库属于水库型水源，均为中、小型水库，流域面积很小，自然集雨无法满足供水需求，主要从西江调水入库[12]；广昌泵站、平岗泵站和竹洲头泵站水源位于西江磨刀门水道，黄杨河泵站位于西江鸡啼门水道，均属于河流型水源。

珠海市饮用水取水按照城区位置及水期进行区别，主要取水方式如下：1）东部城区。丰水期（4—9月）主要通过广昌泵站抽取西江磨刀门水道原水，枯水期（10月—次年3月，调水主要集中于10月底—12月，此段时间咸潮上溯影响较为严重）通过中部城区竹仙洞水库、大镜山水库、杨寮水库等调咸水库供给原水，并通过磨刀门水道上游平岗、竹洲头等泵站抢淡对调咸水库进行补水。2）西部城区。丰水期主要通过平岗、黄杨河泵站分别抽取西江水系磨刀门水道、鸡啼门水道原水，咸潮期通过竹银、乾务等调咸水库供给原水，并通过平岗、竹洲头等泵站抢淡对调咸水库进行补水。珠海市5个水库和4个河流型水源分布点位及调水线路如图1所示。

图1 珠海市水源分布及调水路线Fig.1 Distribution of drinking water sources and water diversion route in Zhuhai City

1.2 研究方法

通过生态环境部专项“饮用水环境监管调查评估项目”，获取珠海市9个水源2014—2018年月度水质监测数据，其中月度常规水质监测于每月上旬采样，按GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中表1的基本项目（23项，化学需氧量除外），表2的补充项目（5项），表 3的优选特定项目（33项），共61项指标进行监测；年度1次的全分析监测于每年6—7月采样，按GB 3838—2002中的109项指标进行监测。具体监测指标和对应指标的分析方法依据GB 3838—2002和《全国集中式生活饮用水水源地水质监测实施方案》（环办函〔2012〕1266号）的要求确定。水库水位、水量等水文数据由珠海市水利局提供，其中调水量数据使用流量计进行测定。

采用Excel 2013软件对数据进行预处理，并运用IBM SPSS Statistics 22软件进行统计分析；水源分布和调水路线图采用ArcGIS 10.0软件绘制，水质变化趋势图采用Origin 8.5软件绘制。

1.2.1 系统聚类-判别分析

水质监测数据主要应用系统聚类（CA）、判别分析、相关性分析等方法进行处理。聚类分析法统计原理为根据变量或样品间的亲疏程度，将性质最相似的对象结合在一起[18]，水质评价中常针对点位聚类以分析水质的空间分布特征。在江库连通及水资源调度条件下，珠海市水源补给来源相同，均来自西江，但其上下游水源受咸潮上溯影响程度不同，另外河流型与湖库型水源水动力学特征不同，从而使其水质存在一定的差异。采用聚类分析法对珠海市饮用水源2014年1月水质数据进行分析，计算方法为欧式距离平方法，以讨论水源水质的空间分布特征。

判别分析能够验证分类的正确率并识别出已知类别间具有显著差异的指标[18]。以水源聚类分析结果为分组变量，水质指标为自变量，利用2014—2018年逐月水质数据，运用全模型判别验证水源聚类结果正确率，并识别不同水源分组间差异显著的指标，以进一步分析水源分组在长时间尺度下的科学性，水源水质在长时间序列中是否具备可观测的差异，存在差异的具体指标以及不同水源在具体水质指标上的优势及劣势，以期为防范咸潮、富营养化风险及水资源优化调度提供依据。

1.2.2 水力停留时间对水体类型的影响分析

根据国际湖泊环境委员会按水力学的划分方法，通过计算水力停留时间描述水库水体更新特征。

水力停留时间计算公式如下：

式中：Tr为水力停留时间，d；V为有效库容，m3；Q为年平均径流量或其他时段径流量，m3/d。

水体类型划分方法：Tr＜20 d，属过流型（类似河流）；20 d≤Tr≤300 d，属过渡型（介于河流与湖泊之间）；Tr＞300 d，属营养型（类似湖泊）[19-21]。通过水体类型的划分及相关性分析，进一步讨论基于水力停留时间表征的水动力学特征对水库型水源水质的影响。

2 结果与讨论

2.1 水源水质总体特征

珠海市9个水源2014—2018年水质数据统计结果如表1所示。按照GB 3838—2002对表1水质数据进行评价，结果表明，近5年来珠海市9个水源水质总体保持在Ⅱ类～Ⅲ类水平。但2018年总磷、氨氮浓度呈上升趋势，且部分月份接近Ⅲ类标准限值。针对2014—2018年各水源月度常规和年度全分析监测数据进行单因子评价[22-23]得出，除溶解氧、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、总磷、总氮、氟化物、砷、石油类、硫化物、粪大肠菌群、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁15项指标外，其余指标检测浓度均较低，达到GB 3838—2002基本项目Ⅰ类标准限值要求或低于补充项目及特定项目标准限值要求，部分指标如汞、镉、铅、氰化物等甚至低于检出限。因此，上述15项浓度较高的指标是本研究中重点加以分析的因子。

表1 2014—2018年珠海市水源水质监测结果统计Table 1 Statistical description of monitoring results of source water quality in Zhuhai City from 2014 to 2018mg/L

2.2 水源水质聚类结果与典型指标

2.2.1 水质聚类与验证情况

采用2014年1月水质数据，选用2.1节甄别出的15项指标，针对珠海市水源水质进行聚类分析，结果如图2所示。由图2可知，可将水源分为3组：聚类1组，包括乾务、竹银、大镜山、杨寮和竹仙洞水库；聚类2组，包括黄杨河、平岗和竹洲头泵站；聚类3组，包括广昌泵站。珠海市水库型水源具有较大的相似性，被聚成一类，西江上游河流型水源被聚成一类，下游广昌泵站被单独聚成一类。由于珠海市9个水源的水资源均主要来自西江，但不同位置水源受咸潮上溯影响程度不同，不同类型水源在水动力特征影响下对各类物质的自然降解沉降速率不同，因此，不同地理位置和类型的水源水质分布具有各自的特征。

图2 不同水源水质聚类谱系Fig.2 Dendrogram of different drinking water sources clustering results

利用2014年2月—2018年12月水质数据，采用判别分析法对2014年1月聚类得出的分组结果进行验证。回代验证结果如表2所示，总判别正确率为93.8%，表明水源水质聚类分析结果可靠。其中，第1、2组判别正确率较高，分别为98.6%、99.4%；第3组判别正确率较低，为53.3%，约有45%的月份广昌泵站被判别到第2组中，主要原因为广昌泵站与平岗、竹洲头泵站的水质差异主要体现于枯水期。广昌泵站距离入海口最近，枯水期水质受咸潮上溯影响显著，盐度（对应于氯化物和硫酸盐）远高于上游各泵站。而丰水期西江干流各泵站的水资源均来自于上游地区，水质差异较小。因此，广昌泵站每年约有50%的月份与上游平岗、竹洲头及黄杨河泵站水源水质差异不明显；另外50%的月份氯化物、硫酸盐等指标浓度与上游水源差异显著，这也与判别分析结果一致。

表2 水源水质分类判别回代验证结果Table 2 Verification results of source water quality classification and discrimination

2.2.2 水质分类的典型指标

根据判别分析模拟的标准化典型判别函数，计算得出的水源分布状况如图3所示。判别分析得出第1组与第2、3组水源在函数1上的计算值差异显著；第2组与第3组水源在函数2上的计算值差异显著。判别结果显示，函数1载荷较大的指标为总磷、粪大肠菌群、硫化物、硝酸盐和总氮等，函数2载荷较大的指标为氯化物、硫酸盐、铁等（表3）。即水库型水源与河流型水源的总磷、粪大肠菌群、硫化物、硝酸盐和总氮等指标浓度差异显著，上游与下游河流型水源氯化物、硫酸盐和铁等指标浓度差异较大。此外，从图3可以看出，广昌泵站水源水质波动范围较大，在图上主要分成2簇，一簇距离上游河流型水源较近，一簇较远，这也与广昌泵站水源水质于丰水期和枯水期的变化有关，丰水期广昌泵站与上游河流型水源水质差异较小，枯水期则容易受咸潮上溯影响，导致盐度升高。

表3 标准化判别函数载荷Table 3 Standardized discriminant function load

图3 典型判别函数计算得出的水源分布Fig.3 Drinking water sources distribution map calculated by typical discriminant function

2.3 水源水质时空分布特征

2.3.1 水质空间分布特征

针对经判别分析得出的差异显著的指标，对2014—2018年不同水源分布状况进行了分析，结果如图4所示。由图4可知，水库型水源总磷、粪大肠菌群、硫化物、硝酸盐、总氮、砷等指标浓度显著低于河流型水源，如水库型水源、河流型水源总磷浓度分别为0.01～0.04、0.04～0.12 mg/L，硝酸盐浓度分别为 0.006～1、0.100～2 mg/L。

图4 水库型水源与河流型水源水质空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of water quality of reservoir and river type of water sources

水库型水源水资源主要由西江调入，调入泵站的选择按照各泵站抢淡几率决定，枯水期下游泵站抢淡几率较低时，水库调水主要来自上游泵站。各泵站中，广昌泵站总磷、硝酸盐浓度分别为0.05～0.15、0.11～2.09 mg/L，平岗泵站分别为0.05～0.11、0.11～2.06 mg/L，竹洲头泵站分别为0.05～0.09、0.11～2.07 mg/L，黄杨河泵站分别为0.04～0.14、0.09～2.03 mg/L。可见，各泵站硝酸盐浓度无显著差异，磨刀门水道按从下游至上游的次序，广昌、平岗和竹洲头泵站总磷浓度呈递减趋势。

江库连通条件下，受河流型水源调水冲击，部分月份水库型水源总磷、粪大肠菌群、硝酸盐、总氮等指标出现异常，高于平均水平，而其总体浓度仍显著低于河流型水源，表明水库型水源对上述指标具有一定的自净作用或缓冲能力，具备优质水资源调蓄和水质净化的功能优势。关于洪泽湖和太湖的相关研究表明，入湖河流来水的冲击对湖区水质产生剧烈影响，同时湖区的生态系统结构及动植物群落有利于总磷等营养盐的吸收[24-25]，这与本研究结果一致。

水库型水源、上游河流型水源中的氯化物、硫酸盐等指标浓度显著低于下游河流型水源。此外，广昌泵站氯化物、硫酸盐浓度在时间尺度上具有较高的变异性，变化剧烈，部分月份氯化物、硫酸盐指标浓度显著升高，这与广昌泵站水源受咸潮上溯影响严重[6]相符合。

2.3.2 不同水期水库型水源水质变化

针对判别分析得出差异显著的指标，对2014—2018年各水库型水源月度总磷和硝酸盐浓度分布状况进行了分析。由图5可知，1—9月各水库总磷浓度为 0.01～0.02 mg/L；10—12月升至 0.01～0.05 mg/L。枯水期，泵站向水库调水量加大，受调水冲击，水库总磷、硝酸盐浓度显著上升；丰水期，大镜山、杨寮、竹仙洞及竹银水库硝酸盐浓度低于枯水期。由于各水库水资源调度模式和自然环境的差异，不同水库总磷、硝酸盐浓度变化趋势存在一定差异。例如，大镜山—杨寮水库调水路线为广昌/平岗泵站自磨刀门水道抽水入大镜山水库，后经正坑、坑尾2个小型水库，最后流入杨寮水库，因杨寮水库来水经3个水库调节，其总磷浓度波动幅度低于大镜山水库，而竹仙洞水库调入、调出水资源最为频繁，其总磷浓度波动最为剧烈。此外，乾务水库作为集水面积最大的水库，受集水区地表径流影响，其总磷、硝酸盐浓度波动趋势与其他调水水库存在较大差异，在降水量较高的时期，其总磷、硝酸盐浓度较高。2.3.3不同水期河流型水源水质变化

图5 水库型水源水质显著性指标月度变化趋势Fig.5 Monthly variation trend of significant index of reservoir type of water sources

针对判别分析得出的上下游河流型水源差异显著的指标，对2014—2018年各河流型水源月度氯化物和硫酸盐浓度分布状况进行了分析。由图6可知，丰水期广昌泵站氯化物和硫酸盐浓度低于50 mg/L，平岗泵站和竹洲头泵站氯化物浓度低于10 mg/L，硫酸盐浓度低于30 mg/L；枯水期广昌泵站氯化物和硫酸盐浓度为50～250 mg/L，平岗泵站和竹洲头泵站氯化物浓度为5～15 mg/L，硫酸盐浓度为20～60 mg/L。枯水期广昌泵站氯化物和硫酸盐浓度远高于丰水期及上游河流型水源。此外，上游平岗泵站和竹洲头泵站的氯化物和硫酸盐浓度上升时间（1—3月）滞后于广昌泵站（10月—次年3月），上升幅度亦明显低于广昌泵站。

图6 河流型水源水质显著性指标月度变化趋势Fig.6 Monthly variation trend of significance index of river type of water sources

3 水资源调配对水质影响及优化调度措施

3.1 水资源调配对水文特征及水质的影响

珠海市水库型水源集雨区面积较小，部分水库如竹银水库基本无自产水，各大水库水资源主要通过泵站调水的方式进行供给。而且，各大水库年调入水量已远超当地自产水量或水库库容，频繁地调水及抽水使水库水文特征发生了较大改变。笔者对5个水库的水力停留时间进行了计算，从水资源替换速度的角度分析5个水库与天然河流水动力学特征的相似性及差异。按照水力停留时间的长短对5个水库进行排序，依次为大镜山水库（326.8 d，营养型），杨寮水库（111.6 d，过渡型），竹银水库（93.9 d，过渡型），乾务水库（27.7 d，过渡型），竹仙洞水库（6.8 d，过流型）。

对水库的水文特征参数与水质进行相关性分析，得出水力停留时间较长的水库如杨寮水库的蓄水量和水力停留时间等水文参数与水质的相关性较高（P＜0.05），水力停留时间较短的水库如竹仙洞水库水文参数与水质的相关性较低（P＜0.05）。上述结果表明，水库特征明显即水力停留时间较长的水库，其生态系统和自净功能较为完善，库区植物和藻类生长增加了总磷、硝酸盐、硫化物及粪大肠菌群的消耗。当西江泵站调水导致氮、磷等营养盐浓度较高时，通过延长水力停留时间可起到上述指标的自净作用；而水库与泵站间频繁的调水与抽水削弱了水库的自净功能，同时调水增加了总磷、总氮、硫化物及硝酸盐向水库内的输入量，增加了相应污染物的防控风险。

3.2 水资源优化调度措施

珠海市水源通过江库连通等工程措施，有效增加了水资源存蓄空间，提高了生态环境异质性，促进了水体自净能力的提升。目前，珠海市各水源间水资源调度主要是从咸潮应对角度出发，在每年9月底汛期结束时，对珠海市各水库型水源地进行应急补水，防范咸潮上溯时水源地盐度超标造成供水不足。而在选取进行应急补水的泵站时，针对广昌泵站、平岗泵站和竹洲头泵站等可选项，优先选取盐度达标且位于下游的泵站型水源。

综上，水库型水源对总磷、硝酸盐等指标具有一定的自净能力，但是部分月份水库型水源水质指标浓度达到Ⅲ类标准的临界值，存在超标及氮、磷等累积风险。因此，建议综合考虑水质优化需求进行水资源调配，提出措施如下：1）按照广昌、平岗和竹洲头泵站的选取次序，优先选取总磷、硝酸盐浓度较低的泵站进行供水；2）提高竹银水库等规模较大且水力停留时间较长的水库枯水期蓄水量和利用率，加大优质水资源的存蓄量，在西江水质总磷、硝酸盐浓度远远超出湖库型水源Ⅲ类水质标准限值时，利用竹银水库等库容较大的水库进行供水，降低其他水库型水源营养盐累积风险；3）对于总磷、硝酸盐浓度呈上升趋势或有可能超出湖库型水源Ⅲ类水质标准限值的水库型水源，进一步增强其自净作用，主要方式包括延长水力停留时间、改进水库与泵站连通方式，可通过减小调水频率、增设调节性水库（如泵站输水经其他水库调蓄和净化后再调水）或者水源轮用等方式实现，促进氮、磷等营养物质降解，以降低营养盐累积风险。

4 结论

（1）珠海市9个水源虽然实现了连通，但其水质分布存在差异。水库型水源总磷、粪大肠菌群、硫化物及硝酸盐等指标浓度低于河流型水源；枯水期水库型水源和上游河流型水源氯化物及硫酸盐浓度等显著低于下游河流型水源。受调水冲击，枯水期水库型水源总磷、硝酸盐等指标浓度出现较大波动，并于调水量减小或调水结束后，通过其自身的自净作用，水质趋于平稳并逐步改善。受咸潮上溯影响，枯水期下游广昌泵站盐度等指标浓度出现剧烈波动，丰水期水质与上游河流型水源趋于一致。

（2）结合不同类型水源水质分布特征，进行相应的功能优势划分，并提出对应的水资源优化调配措施。将水库型水源定位为水质净化型水源，其具备优质水资源调蓄功能，可在饮用水资源短缺或突发水环境事件影响等应急供水条件下启用。

（3）应进一步提高库容较大水库的利用率，对于库容较小的水库，通过增设调节性水库或水源轮用的方式促进水质净化。将上游河流型水源包括平岗、竹洲头、黄杨河泵站定位为咸潮抵御型水源，其受咸潮影响较小，水质优势为氯化物、硫酸盐浓度较低，主要启用时间为枯水期或咸潮上溯期。下游广昌泵站水源无明显水质优势，但距离城区较近，将其定位为经济型水源，可在丰水期或水质达标时启用。此外，优先选取总磷、硝酸盐浓度较低（如总磷浓度达到湖库型水源Ⅲ类标准限值）且距离城区较近的泵站进行供水。