杭慶豐，夏 霆，武欽凱，何 濤

(1. 江蘇省水文水資源勘測局 鹽城分局，江蘇 鹽城 224002； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 城建學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引 言

江蘇省里下河腹部區(qū)河網(wǎng)交織，水資源豐富，河道型飲用水源地比例大，河網(wǎng)水文條件及生態(tài)水文過程受人為干擾影響劇烈。近年來因社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及城市化水平的大幅提高，入河污染物排放量增多，使得飲用水源地狀況不容樂觀，水質(zhì)問題日益突出。為改善原水水質(zhì)，降低供水風(fēng)險，2012年，在蟒蛇河南岸建設(shè)了首個平原水網(wǎng)區(qū)飲用水源地生態(tài)凈化工程“鹽龍湖”，該工程對促進(jìn)水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)、保障區(qū)域供水安全發(fā)揮了重要作用。但由于河網(wǎng)區(qū)水系連通等水文特征及污染影響因素復(fù)雜，導(dǎo)致工程進(jìn)水不穩(wěn)定，同時水力停留時間以及污染物積累等也影響長效出水效果。筆者基于鹽龍湖周邊地區(qū)長期的河道水源地水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了區(qū)域水源地水質(zhì)變化特征，并基于對鹽龍湖工程不同凈化區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了鹽龍湖工程水質(zhì)凈化效果以及存在的問題。研究可為保障鹽龍湖及其他類似工程穩(wěn)定運行提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

里下河腹部區(qū)是江蘇省淮河片4級水資源分區(qū)。鹽龍湖工程位于蘇北里下河腹部區(qū)鹽城市鹽都區(qū)龍岡鎮(zhèn)境內(nèi)，蟒蛇河南岸，總占地面積222.8 ha。工程主要功能是生態(tài)凈化蟒蛇河龍岡飲用水源地原水，使水源地主要水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定在III類標(biāo)準(zhǔn)，滿足市區(qū)每天60萬 m3的供水規(guī)模。在里下河腹部區(qū)，除蟒蛇河龍岡水源地外，與鹽龍湖工程臨近的另有古殿堡(朱瀝溝)、大縱湖(蟒蛇河)、大岡(勾岡河)和鹽城新(新陽港)等4個飲用水源地。

鹽龍湖工程按水流方向依次由預(yù)處理區(qū)(Ⅰ)、濕地生態(tài)凈化區(qū)(Ⅱ，包括挺水植物區(qū)和沉水植物區(qū)) 以及深度凈化區(qū)(Ⅲ)組成(圖1)，整體工藝具有沉降泥沙、生態(tài)凈化水中污染物等功能。

1.2 研究方法

考慮到平原河網(wǎng)區(qū)水系連通性，筆者采用大縱湖、古殿堡、大岡、龍岡和鹽城新等5個飲用水源地2009—2016年間水功能區(qū)站點逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從整體上分析了里下河腹部區(qū)水源地水質(zhì)變化特征。根據(jù)左倬等[1]、陳煜權(quán)[2]的相關(guān)研究與監(jiān)測結(jié)果，該河道水源地水質(zhì)關(guān)鍵因子為溶解氧及有機(jī)污染物，結(jié)合水源地生態(tài)工程水質(zhì)凈化特征，筆者在評估時選擇溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和總磷(TP)等4項主要水質(zhì)因子來分析區(qū)域水源地不同水期水質(zhì)變化特征。

為了分析鹽龍湖工程凈化效果，采用2013年8月—2014年7月工程運行期間預(yù)處理區(qū)、挺水植物濕地凈化區(qū)、沉水植物濕地凈化區(qū)和深度凈化區(qū)的出水水質(zhì)指標(biāo)，對照蟒蛇河進(jìn)水口水質(zhì)指標(biāo)，來分析各工藝單元的凈化效果。各單元的監(jiān)測頻率為每月6次。同時分析了深度凈化區(qū)(湖體)富營養(yǎng)化和藻類狀況指標(biāo)及其相關(guān)影響因子。

水質(zhì)監(jiān)測方法依據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》[3]，按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行水質(zhì)評價，采用加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4]，考慮TN、TP、CODMn、葉綠素a(Chl-a)和透明度(SD)等5項水質(zhì)因子進(jìn)行富營養(yǎng)化評估。由鹽城市水環(huán)境監(jiān)測中心完成水質(zhì)采樣與監(jiān)測，用SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水源地水質(zhì)變化規(guī)律

2.1.1 水源地水質(zhì)年際變化

2009—2016年間，5個水源地DO、CODMn、NH3-N和TP 等4項主要污染指標(biāo)濃度變化趨勢見圖2。

圖2 各水源地主要水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢Fig. 2 Variation trend of main water quality indexes in each water source area

以Ⅲ類水為基準(zhǔn)，2009—2016年不同水期水質(zhì)因子超標(biāo)情況統(tǒng)計結(jié)果見表1，其中超標(biāo)率以超標(biāo)測次占總測次的比例統(tǒng)計。

由圖2及表1可見：

1)各水源地DO濃度指標(biāo)變化趨勢呈明顯的一致性。年內(nèi)均呈波動變化，不同水期濃度差異較大，豐水期濃度低，枯水期濃度較高。除了大岡站枯水期2010年11—12月DO濃度值超標(biāo)外，其余4個水源地枯水期DO濃度均未超標(biāo)，主要超標(biāo)時段在夏季豐水期以及秋季平水期。豐水期大縱湖、古殿堡、大岡、龍岡和鹽城新超標(biāo)率分別為50.00%、77.27%、72.72%、75.00%和10.17%；2014年后，DO濃度波動趨勢有所減緩，且豐水期濃度有升高趨勢。

2)各水源地CODMn濃度指標(biāo)變化趨勢呈明顯的一致性，年內(nèi)波動差異較大，主要超標(biāo)時段也在豐水期。豐水期大縱湖、古殿堡、大岡、龍岡和鹽城新超標(biāo)率分別為25.00%、18.18%、40.90%、62.50%和39.98%。

3)各水源地NH3-N濃度指標(biāo)呈波動變化，主要超標(biāo)時段也在豐水期，但超標(biāo)率均較低，除大岡站豐水期超標(biāo)率為13.63%外，其余水源地超標(biāo)率均低于10%；但個別水源地峰值濃度較高，如2011年7月大岡和龍岡NH3-N濃度值分別達(dá)到1.86和1.53 mg/L，已為地表水Ⅴ類。

4)TP濃度指標(biāo)總體呈明顯的波動變化，但各水源地之間差異較大。其中位于蟒蛇河的大縱湖站各水期TP均未超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，這與其位于大縱湖的出水口P已受湖內(nèi)削減有關(guān)；古殿堡枯水期超標(biāo)率為18.18%，但豐、平水期均未超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；大岡、龍岡和鹽城新3個鄰近的水源地超標(biāo)時段均在豐、平水期，主要受汛期污染源入河影響。其中大岡豐水期超標(biāo)率為40.90%，且4項因子超標(biāo)率均最高，這應(yīng)與岡溝河上游汛期承納了更多的農(nóng)業(yè)與生活污染有關(guān)。

2.1.2 龍岡水源地水質(zhì)月際變化

龍岡鹽龍湖工程的水源地，圖3反映了2006—2016年間龍岡水源地4項水質(zhì)因子月均濃度值及其變化幅度。

圖3 蟒蛇河龍岡水源地主要水質(zhì)因子濃度月均變化Fig. 3 Monthly variation of main water quality factors in Longgang water source area of Mangshe River

由圖3可見，4項水質(zhì)因子濃度月均呈波動變化，總體上豐水期內(nèi)7、8月水質(zhì)最差。水質(zhì)超標(biāo)時間段主要為6—11月。

1)6—10月，DO濃度低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，8月最低為3.0 mg/L，該月最小值和最大值分別為1.1 mg/L(2009年)和5.4 mg/L(2016年)，濃度值均較低。

2)7—8月，CODMn濃度超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，7月達(dá)到峰值7.4 mg/L，實測最大值為8.9 mg/L(2015年9月)。

3)NH3-N濃度月均未超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，7月達(dá)到峰值0.76 mg/L，但實測最大值為1.53 mg/L(2011年7月)。

4)TP濃度均未超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，7月達(dá)到峰值0.18 mg/L，但實測最大值為0.34 mg/L(2016年9月)。

可見，DO和CODMn是龍岡水源地主要超標(biāo)因子，在豐水期和平水期的6—10月份均超標(biāo)嚴(yán)重，枯水期部分時段也有超標(biāo)現(xiàn)象；NH3-N和TP濃度月均值雖均未超標(biāo)，但個別年份也存在超標(biāo)現(xiàn)象，且在豐水期濃度值明顯偏高。

2.2 鹽龍湖工程凈化效果

2.2.1 鹽龍湖工程整體凈化效果

對比鹽龍湖工程各月進(jìn)水(預(yù)處理進(jìn)水渠道內(nèi))、出水(取水泵站平臺外側(cè)表層)DO、CODMn、NH3-N和TP 等4項水質(zhì)指標(biāo)月均濃度值及變化幅度(圖4)，可知監(jiān)測期間豐水期蟒蛇河進(jìn)水4項指標(biāo)均有超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象，CODMn濃度在平水期的3月和9月均有超標(biāo)；但出水指標(biāo)月均濃度值及變化幅度均在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，表明鹽龍湖工程對4項因子的凈化均有明顯效果。

2.2.2 鹽龍湖工程分區(qū)凈化效果

為了解鹽龍湖工程各功能區(qū)的凈化效果，依水流方向?qū)︻A(yù)處理區(qū)、挺水植物濕地凈化區(qū)、沉水植物濕地凈化區(qū)和深度凈化區(qū)出水指標(biāo)，統(tǒng)計出主要污染物累積削減率(圖5)。

圖4 鹽龍湖工程進(jìn)、出水月均水質(zhì)比較Fig. 4 Monthly average water quality comparison between inlet and outlet of the Yanlong Lake project

圖5 鹽龍湖工程各凈化功能區(qū)累積削減率變化Fig. 5 Cumulative reduction rate variation of each purification functional area in the Yanlong Lake project

1)按全年統(tǒng)計，DO、CODMn、NH3-N和TP 等4項主要污染物濃度總削減率分別為133.05%(濃度增大率)、8.52%、73.05%和67.91%，針對CODMn的削減率相對偏低。

2)對不同水期的濃度削減率進(jìn)行比較，枯水期進(jìn)水水質(zhì)較好，工程對DO、CODMn、NH3-N和TP 等4項因子的濃度總削減率依然分別有29.3%、6.89%、47.84%和18.67%，其中對TP濃度的削減主要為預(yù)處理區(qū)(混凝沉淀)和挺水植物區(qū)，沉水植物區(qū)和深度凈化區(qū)TP濃度有升高現(xiàn)象，此2個區(qū)域應(yīng)存在P釋放現(xiàn)象。

3)豐水期對4項因子濃度的總削減率分別為184.09%、12.87%、86.23%和106.26%；各功能區(qū)對不同水質(zhì)因子的凈化效果差異較大，DO的改善主要為預(yù)處理區(qū)和沉水植物區(qū)，挺水植物區(qū)對CODMn、NH3-N和TP的去除貢獻(xiàn)均較??；對CODMn的去除主要在于沉水植物和深度凈化區(qū)，且對CODMn濃度的削減率均較低。

4)平水期對4項因子濃度的總削減率分別為62.02%、6.17%、68.23%和53.31%；各功能區(qū)對不同水質(zhì)因子的凈化效果也差異較大，對DO的改善主要為預(yù)處理區(qū)和沉水植物區(qū)，對NH3-N濃度的削減主要為預(yù)處理區(qū)和沉水植物區(qū)，對CODMn的去除主要在于預(yù)處理區(qū)和深度凈化區(qū)；對TP濃度的削減各區(qū)均有效果。不同水期凈化效果比較，豐水期最優(yōu)，平水期次之，枯水期效果相對最低。

由以上分析可知，監(jiān)測期內(nèi)蟒蛇河水源地水體經(jīng)鹽龍湖工程凈化后，4項水質(zhì)因子均能達(dá)到Ⅲ類水，但不同水質(zhì)因子凈化效果差異較大，對CODMn削減率偏低，因CODMn是本地區(qū)關(guān)鍵的超標(biāo)水質(zhì)因子，且波動較大，因此生態(tài)工程對于穩(wěn)定性控制CODMn的目標(biāo)依然存在風(fēng)險。

2.3 鹽龍湖深度凈化區(qū)富營養(yǎng)化與主導(dǎo)因素分析

2.3.1 深度凈化區(qū)富營養(yǎng)化狀態(tài)

鹽龍湖工程削減了蟒蛇河水源地水體大量污染物，極易在湖內(nèi)產(chǎn)生營養(yǎng)物的累積而富營養(yǎng)化[5]。依據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，2013年8月—2014年7月間鹽龍湖深度處理區(qū)TLI(∑)月均值變化如圖6，TLI(∑)值在53.37～62.88范圍內(nèi)呈波動變化，且在3—8月間波動較大，5月為最大值處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，其余各月均為輕度富營養(yǎng)，其中4、7月TLI(∑)值也均較大，表明鹽龍湖深度處理區(qū)富營養(yǎng)化現(xiàn)象已較為嚴(yán)重。

圖6 深度處理區(qū)富營養(yǎng)狀況變化Fig. 6 Changes of eutrophication status in deep treatment area

2.3.2 富營養(yǎng)化主導(dǎo)因素分析

Chl-a作為湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性響應(yīng)指標(biāo)，直接反映了藻類的現(xiàn)存量，因此，一般在水體富營養(yǎng)化評估中被視為具有更重要的地位[6,7]。對比鹽龍湖工程進(jìn)水(預(yù)處理前進(jìn)水渠道內(nèi))和出水口(經(jīng)深度處理區(qū)后取水泵站外表層)水體Chl-a月均濃度的變化見圖7。

圖7 鹽龍湖工程進(jìn)、出水Chl-a濃度比較Fig. 7 Comparison of Chl-a concentrations in inlet and outlet of the Yanlong Lake project

由圖7可見，在藻類易大量生長的4—7月，除6月外，出水Chl-a濃度值均明顯高于進(jìn)水，7月均值為74.9 μg/L(最大值為98.2 μg/L)，表明深度處理區(qū)湖體內(nèi)藻類已大量爆發(fā)。4、5、7月深度處理區(qū)TLI(∑)值偏大，可知其主要原因為Chl-a濃度較大所影響。盡管其余月份進(jìn)、出水Chl-a濃度值相近，但以上結(jié)果已充分表明，在藻類易大量生長的春、夏季，經(jīng)鹽龍湖工程后水體Chl-a濃度有明顯增大現(xiàn)象，深度處理區(qū)湖體內(nèi)存在藻類爆發(fā)風(fēng)險。

表2為對深度處理區(qū)表層水體Chl-a濃度值與各項環(huán)境因子進(jìn)行的Pearson相關(guān)分析。

表2 鹽龍湖Chl-a與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)(n=72)Table 2 Correlation coefficients between Chl-a and environmental factors in the Yanlong Lake(n=72)

注：**P<0.01,*P<0.05(雙側(cè)檢驗)。

綜上，深度處理區(qū)N、P源充足，具備了藻類大規(guī)模生長的條件，對藻類生長限制性影響不明顯，但總體上相比于N，P對藻類生長的限制性影響程度更大。

3 討 論

3.1 水源地水質(zhì)變化對生態(tài)工程凈化效果的影響

近年來，里下河腹部區(qū)5個水源地DO、CODMn、NH3-N和TP 等4項關(guān)鍵水質(zhì)因子，除DO濃度總體略有增大外，其余均無好轉(zhuǎn)趨勢。年內(nèi)各因子總體呈波動變化，枯、平、豐水期水質(zhì)依序變差，豐水期水質(zhì)超標(biāo)率高。鹽龍湖工程主要處理單元凈化效果表明，監(jiān)測期內(nèi)工程對龍崗水源地水質(zhì)凈化后不同水期出水水質(zhì)均能滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，表明工程對水源地水質(zhì)的凈化效果顯著。且濕地工程因夏季生物活性更優(yōu)[10]，使得在豐水期凈化效果相對更優(yōu)，故能適應(yīng)水源地豐水期水質(zhì)更差的特征。

生態(tài)工程對不同水質(zhì)因子的凈化效果存在較大差異。對于水源地DO和CODMn這2項關(guān)鍵水質(zhì)超標(biāo)因子，工程對DO的改善效果明顯，但對CODMn的削減率偏低。鹽龍湖工程整體工藝對CODMn的年均總削減率僅有8.52%，豐水期最大削減率也僅為12.87%；各工藝單元對CODMn的削減率均偏低，除了預(yù)處理系統(tǒng)去除部分有機(jī)物外，因濕地型式主要為表流濕地及生態(tài)塘系統(tǒng)，濾料系統(tǒng)的吸附過濾及植物的根系微生物影響作用小，故使得對有機(jī)物的去除率較低[11-13]。由于近年來水源地CODMn濃度持續(xù)超標(biāo)，且波動較大，因此為保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)目標(biāo)，除結(jié)合生態(tài)工程運行外，依然須嚴(yán)格加強(qiáng)水源地原水水質(zhì)保護(hù)與污染防控工作。

3.2 生態(tài)工程運行的營養(yǎng)累積與藻類爆發(fā)風(fēng)險

鹽龍湖工程日處理水量大，工程因削減大量的污染物而顯著提高了水源地水質(zhì)，但大量淤泥及N、P營養(yǎng)鹽也攔截在濕地系統(tǒng)中[5,10-14]，會對湖體(深度處理區(qū)，有效水深4.7m)富營養(yǎng)化狀態(tài)及長效出水水質(zhì)保障產(chǎn)生影響。由于湖體N、P等營養(yǎng)鹽濃度足以滿足藻類大量生長條件，因此在合適的季節(jié)條件下，易產(chǎn)生藻類爆發(fā)風(fēng)險。監(jiān)測期，鹽龍湖湖體已呈輕-中度富營養(yǎng)化，且在春、夏季Chl-a濃度高，實際上已發(fā)生了藻類大規(guī)模生長情況。N、P等營養(yǎng)鹽累積是影響湖體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵問題，盡管在湖體深度凈化區(qū)前端已相應(yīng)設(shè)置了前處理系統(tǒng)、挺水和沉水植物區(qū)的表流濕地系統(tǒng)凈化水質(zhì)，但依然有大量營養(yǎng)物質(zhì)隨水流進(jìn)入湖體，因水體庫容較大，水流速度緩，營養(yǎng)鹽物質(zhì)易累積在湖體內(nèi)，在湖體生態(tài)系統(tǒng)功能未能得到良好發(fā)揮情況下，營養(yǎng)物質(zhì)難以被分解、轉(zhuǎn)化，并且在一定條件下，易對上覆水體釋放，加劇湖體富營養(yǎng)化程度[15,16]。因此，及時清理淤泥、促進(jìn)湖內(nèi)水生植物恢復(fù)、做好收割等水生植物管養(yǎng)等工作強(qiáng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能是控制湖體富營養(yǎng)化的重要措施。

N、P營養(yǎng)鹽充足條件下水流變緩是影響湖體藻類生長的關(guān)鍵條件[17]，鹽龍湖工程運行中分別考慮了進(jìn)水口門調(diào)控設(shè)計、溢流口調(diào)節(jié)設(shè)置、不同水層循環(huán)增氧以及生物操縱的方法以抑制藻類爆發(fā)，但實際運行看，進(jìn)水口門調(diào)控、溢流口調(diào)節(jié)依然受進(jìn)水水量的限制而難以促進(jìn)湖體具備有效的流動條件(抑制藻類爆發(fā))，生物操縱措施因養(yǎng)殖大量草食性魚類反而破壞了水生植物，湖內(nèi)出現(xiàn)了水質(zhì)下降、水生植物腐爛和高溫季節(jié)死魚等現(xiàn)象[5]?；诂F(xiàn)實運行條件和情況，除了進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)水口門調(diào)控、溢流口調(diào)節(jié)、調(diào)整魚類結(jié)構(gòu)等生物操控手段外，通過促流措施改善水體循環(huán)、強(qiáng)化湖內(nèi)流動狀況應(yīng)是抑制湖體藻類問題的可行手段。

4 結(jié) 論

1)里下河腹部區(qū)大縱湖、古殿堡、大岡、龍岡和鹽城新5個河道型飲用水源地2009—2016年間豐、平、枯不同水期水質(zhì)差異較大，以地表水Ⅲ類為評估目標(biāo)，豐、平水期水質(zhì)超標(biāo)率明顯高于枯水期，尤以豐水期超標(biāo)率偏高，DO及CODMn濃度超標(biāo)嚴(yán)重。

2)2013年8月—2014年7月鹽龍湖工程運行期間水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，工程對蟒蛇河水源地水質(zhì)總體有良好的凈化效果，但工程不同功能區(qū)在不同水期對不同水質(zhì)因子的凈化效果存在較大差異，且對CODMn的削減率偏低。故后續(xù)該區(qū)域內(nèi)其他水源地生態(tài)工程須著重考慮對有機(jī)物的削減率而優(yōu)化工藝設(shè)計，同時，為保障供水安全，除結(jié)合生態(tài)工程運行外，須持續(xù)加強(qiáng)水源地水質(zhì)保護(hù)與污染防控工作。

3)由于里下河腹部區(qū)水源地水體N、P濃度偏高，鹽龍湖工程生態(tài)凈化過程中易導(dǎo)致工程內(nèi)淤泥及N、P營養(yǎng)鹽累積，使得湖體富營養(yǎng)化趨勢偏重，春、夏季Chl-a濃度偏高，藻類爆發(fā)風(fēng)險大。為緩解鹽龍湖富營養(yǎng)化風(fēng)險，須綜合采取及時清除湖內(nèi)沉積物、加強(qiáng)水體流動調(diào)控與水生植物管養(yǎng)、調(diào)整魚類結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)手段恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)健康，促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)功能的良好發(fā)揮。