再生水补给雨水人工湖水质变化分析

慕云霄，秦 力，汪爱霞，杨鹏飞

(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

水资源是人类生存发展必不可少的宝贵资源和物质基础，是控制西北干旱地区社会经济发展的主要因素之一[1-2]。庆阳市西峰区深居内陆，地处旱塬，可利用水资源少，水资源可持续利用形势严峻[3]。资源型、工程型和水质型缺水是制约西峰区经济和社会发展的重要因素，使庆阳地区水资源的供需矛盾更加突出[4-6]。解决和改善西峰区水资源紧缺问题不仅要节约用水，还要开发新的水源，雨水、再生水和矿井水等非常规水资源的开发利用就至关重要[7-9]。为防止洪涝灾害和利用雨洪水，西峰区先后修建了南湖、北湖、庆阳湖、西湖和东郊湖等工程。庆阳湖水系(庆阳湖和南湖)是一项集雨洪集蓄、生态保塬、水源补充、抗旱防汛和城市水保等多种功能为一体的综合性城市水生态景观工程。通过雨水和再生水合理高效配置，充分利用非常规水资源，解决了城市水资源短缺问题、缓解了城区雨季防汛压力、改善了局部生态环境、保障了景观用水需求[10-12]。但是，随着时间的推移，庆阳湖水系出现了水体发臭、藻类疯长、鱼身腐烂死亡等现象。

目前，国内外围绕雨水、再生水、矿井水等非常规水源的开发利用开展了大量研究[13-21]。在生态补水方面，研究成果多集中在单一水源补充人工湖及河湖水质评价方面[22-24]，对于多水源补给对人工湖水质影响方面的研究较少。本文通过分析水质指标时空分布特征，研究西峰区雨水和再生水补给对人工湖水质的影响，为城市非常规多水源生态景观用水安全、水环境改善、河湖健康，特别是西北缺水城市水环境保护和管理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西峰区地处甘肃省东部，董志塬腹地，是庆阳市政治、经济、文化、交通和商贸流通中心[4]。庆阳湖水系的雨水水源，是以西峰新城南区城市地面作为集雨场，通过总集雨面积为7.03km2的城区硬化路网路面和雨水管网汇集雨洪水，作为主水源。湖体库容88.06万m3，包括庆阳湖75.32万m3和2004年建成的南湖12.74万m3。雨水经过世纪广场及其周边街区和岐黄大道构成的南湖集流场、岐黄大道至马莲河大道之间集雨东区集流面、集雨西区朔州路至石油路之间的集流面，汇集后并入岐黄大道集雨口，最后自流进入庆阳湖。上游岐黄大道至陇东大道之间雨洪水经汇集后，经由陇东大道集雨口现有的管网设施自流进入南湖的日湖。再生水是湖体的补充性水源，出厂水质达到一级A标准的再生水，自南区污水处理厂处理达标后通过庆化管引入庆阳湖。在平水年条件下，研究经防渗处理的庆阳湖水系水质变化特征，湖体渗漏忽略不计，年入湖雨水水量、湖面蒸发量保持基本恒定，再生水年补水量150万m3。

1.2 实验布置

为识别庆阳湖水系的水质分布特征，根据湖泊面积大小等因素，选取监测断面5个，采样点5个(每个监测断面上1个采样点)，采样点分别设置在庆阳湖中水口、庆阳湖中心、庆阳湖雨水口、日湖和星湖，在水深0.5m处采集水样，采样时间为2021年3—10月。根据GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》[25]、SL 368—2006《再生水水质标准》[26]、GB/T 18921—2019《城市污水再生利用》[27]，按照《水和废水监测分析方法》(第4版)中要求的方法测定[28]，通过监测分析，剔除未检出或无明显变化指标，最终选取五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、悬浮物、pH、全盐量、浊度、溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)和色度等11项主要指标分析评价湖体水质时空分布特征，探究水质变化状况，以对湖区后期的水质问题和优化方向、管理措施起到一定指导作用。

庆阳湖水系采样点分布图如图1所示。

图1 庆阳湖水系采样点分布图

1.3 数据处理与分析

为探究庆阳湖水质变化特征及规律，分析当前庆阳湖水坏境的主要问题及成因，为庆阳湖水生态环境保护提供科学支撑。文中采用Excel进行数据汇总和绘图，并进行数据统计分析，运用SPSS 26.0进行相关性计算与主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 各水质指标时空分布特征

2021年3—10月庆阳湖水系水质总体达标，个别指标存在超标现象。如图2所示，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k分别表示了实验期间5个采样点的BOD5、COD、悬浮物、pH、全盐量、浊度、DO、TP、TN、NH3-N、色度随时间的变化情况。由表1和图2可知，人工湖中BOD5、COD、悬浮物、pH、全盐量、浊度、DO、TP、TN、NH3-N、色度的浓度分别在1.90～35.40mg/L、23～142mg/L、2～77mg/L、8.34～9.17、490～1233mg/L、1～10度、0.9～10.4mg/L、0.011～0.121mg/L、0.85～6.52mg/L、0.24～4.49mg/L、5～10度。

表1 庆阳湖水系各监测断面水质指标描述性统计

图2 各水质指标时空变化

从时间变化来看，BOD5和COD浓度在2021年3—7月处于上升阶段，7—11月呈现递减的趋势。pH在5月之后逐渐上升并超出标准值，而且同一时间段各监测点的pH值相差不大，说明整个湖体的pH值在时间尺度上变化较大，且整体上处于弱碱性。全盐量浓度随时间呈波动式下降趋势，7月达到峰值。浊度、DO浓度随时间呈上升-下降-上升趋势；浊度7月浓度最小，说明浊度受温度影响较大；DO浓度在5月低于标准要求，是由于5月份藻类生长进行呼吸作用，消耗大量的氧气，导致DO浓度降低[29]。悬浮物、TN、NH3-N和色度浓度随时间变化一致，均呈现下降-上升-下降趋势。悬浮物浓度在3月和7月浓度较大是受温度影响。3月份，TN和色度浓度升高是由于温度较低，湖体结冰，水体流动性差、水体自净能力低的缘故。5月份，NH3-N浓度升高是水体环境条件有利于氨化菌群的生长及加快其新陈代谢作用，从而水体中NH3-N含量升高[30]。

从空间变化来看，BOD5和COD浓度变化趋势较为相似，整个湖体中的BOD5和COD浓度在庆阳湖中水口和日湖两个监测点变化较大。悬浮物浓度在庆阳湖雨水口和星湖两个监测点浮动较大。pH在各监测点上变化趋势基本一致。全盐量浓度在日湖和庆阳湖中心浮动较大，是由于庆阳湖中水口和雨水口均为进水口，水流速度相对较快，含盐量随着水流到湖中心，流速减慢，而且从庆阳湖到日湖过流断面缩小会使盐聚集。浊度在各监测点变化范围均在1～10度之间，且均出现超过标准要求的现象。DO浓度在庆阳湖中水口、湖中心、雨水口和日湖4个监测点的浓度值处于0.9～1.4mg/L之间，低于标准值1.5mg/L。TP浓度在各监测点上变化较为相似，在庆阳湖中水口、星湖浓度变化较大。TN、NH3-N变化趋势具有相似性，这两个指标浓度在庆阳湖中水口、湖中心、雨水口和日湖4个监测点变化基本一致，且均在星湖监测点变化较大；TN浓度在星湖和庆阳湖中水口浓度浮动较大，NH3-N浓度在星湖和庆阳湖雨水口浓度浮动较大，NH3-N浓度在星湖为4.49mg/L超过标准值3mg/L。色度在各监测点变化趋势基本一致，均在5～10度之间。

整体上，全盐量、pH、浊度和NH3-N大于标准要求，DO小于标准要求。其中全盐量、pH大于GB 5084—2021中农田灌溉用水水质基本控制项目标准值要求[25]，浊度大于《再生水水质标准》SL 368—2006观赏性景观环境用水(湖泊类)控制指标要求[26]，NH3-N大于《城市污水再生利用》GB/T 18921—2019观赏性景观环境用水(湖泊类)指标要求[27]，DO小于SL 368—2006观赏性景观环境用水(湖泊类)控制指标要求[29]。NH3-N对鱼类的危害，主要取决于未离解的氨，目前我国尚未制定标准，但有相关试验说明未离解氨达0.9mg/L时可使鱼类致死；当水中溶解氧低于最低限度时，会引起鱼类窒息死亡[29]。因此，湖体NH3-N大于标准要求，DO小于标准要求，均会造成鱼类死亡。

2.2 相关性分析

整理庆阳湖水系5个监测点的水质监测数据，运用SPSS 26.0软件，计算水质指标之间的Pearson相关系数，正值代表正相关，负值代表负相关，数值大小代表相关性的高低。各指标间的相关性分析结果见表2。

表2 庆阳湖水系各监测断面水质指标的Pearson相关性分析

结果显示，在显著性水平0.01上，整个庆阳湖水系COD与BOD5呈显著正相关，相关系数为0.924；NH3-N与TN、色度、TP呈显著正相关，且与TN相关系数最高为0.835；色度与NH3-N、TP、TN呈显著正相关，且与NH3-N相关系数最高为0.712；TP与色度、NH3-N、TN呈显著正相关，且与色度相关系数最高为0.699。DO与色度、TP、COD呈显著负相关，且与色度负相关性最大为-0.836；全盐量与pH、浊度呈显著负相关，且与pH负相关性最大为-0.602；浊度与全盐量、悬浮物呈显著负相关，且与全盐量负相关性最大为-0.578。在显著性水平0.05上，浊度与TP、色度呈显著正相关，且与TP相关系数最大为0.489；TN与悬浮物呈显著正相关，相关系数为0.426；全盐量与COD呈显著正相关，相关系数为0.408。DO与BOD5、NH3-N呈显著负相关，且与BOD5负相关性最大为-0.463；色度与pH呈显著负相关，相关系数为-0.437；TP与全盐量呈显著负相关，相关系数为-0.406。

2.3 水质指标主成分分析

基于2021年3—10月5次采样结果，对5个样点中的11项指标进行主成分分析。KMO检验结果为>0.6，Bartlett检验<0.05(见表3)，适合做主成分分析。根据主成分特征值、贡献率及累积贡献率，抽取特征值>1的成分，累积贡献率达到了92.576%(见表4)，满足主成分分析的原则，说明提取的主成分可以很好地反映庆阳湖水系的水质信息。主成分相关系数大于0.7的指标被认为和主成分显著相关[21]。第一主成分方差贡献率为35.151%，在DO、TP、NH3-N和色度上有较大载荷，载荷值分别为-0.794、0.873、0.840、0.933，说明水体富营养化问题比较严重；第二主成分方差贡献率为24.064%，在BOD5、COD、上有较大载荷，载荷值分别为0.908、0.940，有机污染比较严重；第三主成分方差贡献率为18.300%，在悬浮物上有较大载荷，载荷值为0.662；第四主成分方差贡献率为15.060%，在pH上有较大载荷，载荷值为0.788(见表5)。

表3 KMO和Bartlett检验结果

表4 特征值及方差贡献率

表5 主成分分析得分系数矩阵

根据成分得分系数矩阵等相关方程和公式得出5个监测断面的主成分综合得分(如图3所示)，即能定量描述各断面的水质污染程度。综合得分越高，水质越差[23]。3月星湖综合得分2.38，5月星湖综合得分1.19，5月庆阳湖中水口综合得分1.09，5月日湖综合得分1.02，5月庆阳湖中心综合得分0.73，5月庆阳湖雨水口综合得分0.72，7月庆阳湖中水口综合得分0.49，7月日湖综合得分0.35，7月星湖综合得分0.17。按时间，综合得分3月>5月>4月，按空间，综合得分星湖>庆阳湖中水口>日湖>庆阳湖中心>庆阳湖雨水口。从评价结果可知，水质较差断面为星湖和庆阳湖中水口，水质较好的断面是庆阳湖雨水口和庆阳湖中心。

图3 庆阳湖水系各断面水质综合评价结果

3 结论

(1)庆阳湖水系水体呈弱碱性，pH、全盐量、浊度、DO和NH3-N存在超标现象。湖体NH3-N超过标准要求，DO低于标准要求，会造成鱼类死亡。

(2)在显著性水平0.01上，COD与BOD5呈显著正相关，NH3-N与TN、色度、TP呈显著正相关，DO与色度、TP、COD呈显著负相关；在显著性水平0.05上，浊度与TP、色度呈显著正相关，DO与BOD5、NH3-N呈显著负相关。

(3)主成分分析法筛选出了DO、TP、NH3-N、色度、BOD5、COD、悬浮物和pH等8个因子，说明庆阳湖水系水质主要受这8个因子的影响大。从评价结果可知，水质较差断面为星湖和庆阳湖中水口，水质较好的断面是庆阳湖雨水口和庆阳湖中心。

(4)庆阳湖水系较为封闭，除庆阳湖中水口、雨水口与外界相连，其余均为水系之间互相连接，其水质主要受补给水源以及水塘底泥影响较大。为改善水质，应加强对补给水源水质的管理，定期对底泥进行清理，并加强湖体水系规划，以形成流动性好、自净能力强的水系。