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        青草沙水庫濁度與懸浮顆粒物粒徑的分布特征

        2018-12-19 09:19張海平
        綠色科技 2018年20期
        關(guān)鍵詞:濁度水深點位

        穆 青,張海平

        (同濟大學 環(huán)境科學與工程學院,上海 200092)

        1 引言

        濁度是一種光學效應(yīng),是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度,水中懸浮物包括泥土、砂粒、微細的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質(zhì)等。濁度越大,表示水層對光的吸收和散射能力越強[1],水體透光度越弱,因此濁度是水質(zhì)的重要物理指標[2]。

        目前,許多學者對海域的濁度和顆粒物粒徑分布特征進行了調(diào)查分析[2~5],但對水庫的濁度和顆粒物粒徑分布特征的調(diào)查很少。因此,本文以青草沙水庫為例,于2016~2017年4次實地采樣,測定濁度及顆粒物粒徑,探索青草沙水庫開閘引水期間的濁度及顆粒粒徑分布特征,以期為水庫水質(zhì)管理提供參考價值。

        2 區(qū)域概況

        青草沙水庫位于長江河口段、南北港分流口附近的北港進口段江心水域,北側(cè)臨近新橋通道和北港主槽,南側(cè)臨靠長興島,為目前國內(nèi)最大的江心水庫,水庫設(shè)計總庫容為 5.27 億m3,有效庫容為 4.38 億m3。青草沙水庫是目前上海城市供水規(guī)模最大、受益人口最多的飲用水水源地水庫,服務(wù)人口將超過1000 萬人[6]。

        3 取樣及研究方法

        于2016年5月5日、2016年10月17日、2017年1月16日、2017年3月27日,在青草沙水庫上游開閘取水期間,對庫區(qū)多個點位進行濁度現(xiàn)場測定和表層沉積物取樣,四次采樣點均位于水庫上游(圖1)。每個采樣點均為垂向分層采樣,即在水面下0.5 m、1.5 m、2 m、3 m、4 m采樣。第一次共布置10點,取33個水樣;第二次共布置6點,取36個水樣;第三次共布置5點,取12個水樣;第四次共布置6點,取樣20個。應(yīng)用HACH 2100Q型濁度儀在現(xiàn)場測量水樣濁度,每個水樣各測3次,取平均值。在室內(nèi)試驗分析過程中,將500 mL平行水樣抽濾濃縮,應(yīng)用馬爾文激光粒度儀進行顆粒物濃度及粒徑級配分析。

        圖1 四次采樣點位置布置

        4 結(jié)果

        4.1 水動力和風場特征

        受長江口和杭州灣潮汐影響,青草沙水庫外海域?qū)俜钦?guī)淺海半日潮,每天兩漲兩落、日潮不等現(xiàn)象較為明顯。青草沙水庫平面上呈西北~東南向狹條狀,上游取水泵閘位于庫區(qū)西北端,長江側(cè)水體自上游取水泵閘進入庫區(qū),開閘引水時流速近3.6 m/s。之后,引水沿進流通道下行,主流流速逐漸降至1 m/s,并在青草沙墾區(qū)上游分為南汊和北汊,其中南汊為主汊,北汊為支汊,然后兩汊水流在青草沙墾區(qū)下游側(cè)交匯,并繼續(xù)下行。水庫內(nèi)流場由風生流控制,風對庫區(qū)水流攪拌作用較大。

        4.2 濁度分布特征

        各采樣點濁度測定結(jié)果顯示,青草沙水庫濁度最高達到229NTU,最低為7.39NTU。濁度差異明顯,說明引水濁度高,對庫區(qū)濁度影響大。

        對比不同采樣點同一水深的濁度值可發(fā)現(xiàn),順水流方向,水體濁度呈逐漸降低的趨勢(圖2、圖3、圖4)。以2016年5月5日青草沙水庫開閘引水期間的測定結(jié)果為例,上游開閘前閘口附近的濁度在40~50 NTU,10:50開閘后快速升至120 NTU,之后逐漸向下游輸移。11:47時A、B、C、D四點的濁度(圖2)最大值達到124 NTU,最小值為64 NTU。B點不在上游水流流動的主流道上,受到對流擴散作用,因此濁度實測值較低。12:00以后E~H點的濁度在50~35 NTU之間逐漸降低,在13:00左右H點附近的濁度穩(wěn)定在35 NTU左右。此外,2017年3月27日的濁度監(jiān)測結(jié)果顯示,對于同一點位同一水深,其濁度值呈現(xiàn)先升高后降低的過程。2017年3月27日開閘引水期間,在10號點位2 m水深處每隔約5 min測量一次濁度(圖5)。由圖6可知,開閘后由于來水濁度大,10號點位的濁度先由25NTU迅速上升至58.8NTU,后隨著水流流速變緩以及顆粒物的沉降,濁度逐漸下降至42NTU。

        以水面以下0.5 m處的濁度值作為表層濁度,計算不同水深的濁度與表層濁度的比值,得到濁度實測值隨水深的變化(圖6)。由圖6可知,在0~4 m水深范圍內(nèi),濁度隨水深沒有明顯的變化規(guī)律,不同水深的濁度值最高比表層大21%,最低比表層小26%。原因可能是水庫引水期間水流流速較大,風場對水庫表面水體攪拌作用明顯,固體顆粒隨水流在不同深度內(nèi)混合,因此濁度與水深沒有明顯相關(guān)關(guān)系。

        圖2 2016年5月5日各點位1.5 m水深處平均濁度

        圖3 2016年10月17日開閘引水期間0.5 m及2 m水深處濁度

        4.3 懸浮顆粒物粒徑的分布特征

        將取回的水樣在實驗室進行濃縮,然后用馬爾文激光粒度儀進行顆粒物粒徑級配分析。由圖7可知,各水樣中顆粒物粒徑范圍廣,且差異大。所有水樣中顆粒物Dv (10)集中在0~15 μm,其中最小為0.690 μm,最大為164 μm;Dv (50) 大部分為0~30 μm,其中最小為3.69 μm,最大為666 μm;Dv (90)在0~2090 μm之間均有分布,無明顯的聚集現(xiàn)象,其中最小為13.8 μm,最大為2090 μm。懸浮顆粒物粒徑級配多為多峰,一部分峰值出現(xiàn)在粒徑小于10 μm的區(qū)域,一部分峰值出現(xiàn)在大于10 μm地區(qū)域。

        圖4 2017年1月16日開閘引水期間0.5 m及3 m水深處濁度

        圖5 2017年3月27日10號點位開閘后2 m處濁度變化

        圖6 不同水深濁度與表層水深濁度比

        圖7 2016年10月17日1#、5#、6#點位在0.5 m(a)、2 m(b)水深處粒徑級配套工程

        4.4 懸浮顆粒物體積濃度與濁度的關(guān)系

        將各個站點水樣的濁度與懸浮顆粒物體積濃度作回歸分析。由圖8得,水樣的濁度與懸浮顆粒物體積濃度關(guān)系滿足:

        V=0.00000170T+0.00000544(R2=0.80679309)

        式中:T為水樣濁度值;V為水樣中懸浮顆粒物質(zhì)量濃度。可見,水樣濁度與懸浮顆粒物質(zhì)量濃度相關(guān)性較好。

        圖8 2016年5月5日各水樣濁度與懸浮顆粒物質(zhì)量濃度的擬合

        5 結(jié)論

        本文通過對2016~2017年4次青草沙水庫開閘引水期間濁度及粒徑級配分析,得到青草沙水庫開閘引水期間的濁度變化特征及顆粒物粒徑大小、組成變化特征,并結(jié)合水動力因素進行了分析,得出以下結(jié)論。

        (1)青草沙水庫開閘引水后,水庫上游濁度明顯升高,并呈現(xiàn)出上升-下降的趨勢。在0~4 m水深范圍內(nèi),濁度和水深無明顯相關(guān)性,其主要原因是引水時水體流速大,再加上風的攪拌作用,導(dǎo)致水面波浪較大,因此在所觀測的水深范圍內(nèi),未發(fā)現(xiàn)濁度隨著水深的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化。

        (2)青草沙水庫開閘引水期間,水庫上游顆粒物粒徑級配為多峰,分布在小于10μm及大于100μm兩個區(qū)域。

        (3)水庫內(nèi)濁度與懸浮顆粒物質(zhì)量濃度相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)為0.80。

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