环境科学  2019, Vol. 40 Issue (10): 4461-4468   PDF    
引用本文
刘明坤, 童俊, 胡波, 朱慧峰, 白晓慧. 金泽水库上游来水及库区水质变化时空分布特征[J]. 环境科学, 2019, 40(10): 4461-4468.
LIU Ming-kun, TONG Jun, HU Bo, ZHU Hui-feng, BAI Xiao-hui. Spatio-temporal Distribution Characteristics of the Water Quality in the Jinze Reservoir and Its Inflow[J]. Environmental Science, 2019, 40(10): 4461-4468.
金泽水库上游来水及库区水质变化时空分布特征
刘明坤1, 童俊2, 胡波2, 朱慧峰2, 白晓慧1     
1. 上海交通大学生命科学技术学院, 微生物代谢国家重点实验室, 上海 200240;
2. 上海市供水调度监测中心, 上海 200080
收稿日期: 2019-02-16; 修订日期: 2019-04-21
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07207-003);国家自然科学基金项目(51878406)
作者简介: 刘明坤(1996~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为饮用水水质生物学, E-mail:liumingkun@sjtu.edu.cn
通信作者: 白晓慧, E-mail:xhbai@sjtu.edu.cn
摘要: 金泽水库是上海西南五区的主要饮用水源，上游太浦河来水及库区水质变化对水库运行和相应供水系统供水水质有重要影响.基于常规水质指标应用主成分分析法评价了不同季节金泽水库上游来水及库区水质变化；利用平行因子（PARAFAC）分析了金泽水库上游来水及库区水中荧光溶解性有机质（FDOM）组成结构及分布特征；通过相关性分析分析了水体荧光强度与常规水质指标间的关系.结果表明，金泽水库上游来水及库区冬季水质最差，库外断面水质受外源污染逐步恶化，经过库区生态净化作用后水质有所提升；水体FDOM主要由类蛋白类和类腐殖质类组分构成，类蛋白物质为主要组分，各组分呈现出明显的时空分布特征，外源污染是影响库外断面FDOM总荧光强度的主要因素，生态环境是影响库内FDOM总荧光强度季节性波动的主要因素.FDOM总荧光强度呈现上游低下游高的趋势，与水中NH4+-N、石油类、TOC、氯化物和硫酸盐含量显著相关，通过检测FDOM总荧光强度可实现对水体水质的快速分析并发挥预警和指示作用.
关键词: 金泽水库      太浦河      荧光溶解性有机质(FDOM)      主成分分析      时空分布     
Spatio-temporal Distribution Characteristics of the Water Quality in the Jinze Reservoir and Its Inflow
LIU Ming-kun1 , TONG Jun2 , HU Bo2 , ZHU Hui-feng2 , BAI Xiao-hui1     
1. State Key Laboratory of Microbial Metabolism, School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
2. Shanghai Municipal Water Supply Control & Monitoring Center, Shanghai 200080, China
Abstract: Jinze Reservoir is the main drinking water source for southwest Shanghai. The water quality in the upstream Taipu River and reservoir have an important impact on the performance of the reservoir and the quality of the water supply. Conventional water parameters were analyzed using principal component analysis (PCA) to evaluate seasonal variations in water quality in the upper reaches of Jinze Reservoir. The parallel factor (PARAFAC) was also used to analyze water-soluble dissolved organic matter (FDOM) in the upstream waters and reservoir area. Furthermore, the relationships between water fluorescence intensity and conventional water quality indicators were analyzed using correlation analysis. The results show that water quality in the upper reaches of Jinze Reservoir is worst in the winter, and water quality gradually deteriorates in the outer sections of the reservoir due to external pollution inputs. Ecological purification within the reservoir area functions to improve water quality. The water body FDOM content is mainly composed of proteinoids and humus. Protein-like substances are the main components of this material, and each component exhibits clear spatial and temporal distribution characteristics. External pollution is the main factor affecting the total fluorescence intensity of the FDOM outside of the reservoir. In the reservoir, the ecological environment affects the total fluorescence intensity of FDOM. The total fluorescence intensity of FDOM showed an increasing downstream spatial trend, which was significantly correlated with NH4+-N, petroleum, TOC, chloride, and sulfate content in the water. By detecting the total fluorescence intensity of FDOM, the rapid analysis of water quality can be achieved to inform early warning.
Key words: Jinze Reservoir      Taipu River      fluorescent dissolved organic matter(FDOM)      principal component analysis      spatio-temporal distribution     

金泽水库位于上海青浦区金泽镇西部、太浦河北岸, 占地面积约2.7 km2, 总库容约910万m3, 其中应急库容约525万m3, 是一座生态调蓄型水库, 于2016年12月竣工.金泽水库取水以太浦河为水源, 在主库区经过净化措施处理后, 作为源水供给上海西南五区各水厂.太浦河西起江苏省吴江区庙港镇太湖东岸, 东至上海市青浦区练塘镇南大港接西泖河入黄浦江, 流经江、浙、沪这3省市15个乡镇, 全长57.6 km, 是太湖流域防洪、排涝、供水和航运的骨干河道; 太浦河沿线有支河近百条, 太浦河与两岸水量交换频繁, 原水水质很不稳定[1]; 受上游产业布局和干流航运影响, 太浦河突发性水污染事故时有发生.为保障新建金泽水库水源地供水安全, 迫切需要开展金泽水库水质调控与稳定关键技术研究, 特别是金泽水库来水水质变化特征与预警技术, 以提升上海城市供水水质安全保障水平.

溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是水体中一类具有复杂组成和环境行为的有机混合物, 会影响水体中营养物质的保持与释放、污染物的生物降解、金属离子的迁移转化、甚至会与水消毒剂反应生成致癌类物质[2~4].

荧光溶解性有机质(fluorescent dissolved organic matter, FDOM)是DOM主要组成部分, 具有荧光特性.三维荧光光谱能对多组分复杂体系中荧光光谱重叠的对象进行快速识别和解析表征[5].通过对荧光光谱中特征峰位置、荧光强度和个数的解析可实现DOM的识别和表征.但水体中FDOM组分复杂, 仅从荧光光谱特征峰的解析难以对FDOM组成及浓度进行判断[6], 应用平行因子法(PARAFAC)进行解谱, 进而提取荧光特征[7], 可实现对水样中不同荧光组分快速定性和定量分析.

主成分分析作为一种多指标统计方法, 在最大限度保留数据信息的同时, 将原来多个变量转化为少数几个综合指标, 并客观地确定各指标的权重[8].相比于简单指数法、分级加权评分法, 主成分分析法优越性主要体现在对多维数据的综合和简化, 以及客观地确定各个指标的权重, 避免了主观随意性[9, 10].

本文针对金泽水库上游来水及库区水质特征采用常规指标检测和主成分分析法进行了评价; 采用PARAFAC对金泽水库上游来水及库区水样FDOM的荧光组分进行了识别, 并对其时空分布特征和主要影响因素进行了分析, 以期为金泽水库来水水质预警、水污染控制和水库科学调度提供技术参考.

1 材料与方法 1.1 样品采集

采样点位置如图 1, 其中太浦闸为东太湖出水, 太浦河沿程采样点依次为平望大桥和芦墟大桥; 库区采样点包括入库口、环桥中心、生态岛和出库口.上游太浦闸至入库口沿河水质会受到各种城市污水、地表面源污染及航运等移动风险源影响, 河水经过水库净化措施(曝气、水下生物膜载体和水生植物吸收等)处理后作为原水供给自来水厂.从2017年10月至2018年9月, 以每月一次的频率定期进行采样.

图 1 太浦河沿程及库区采样点分布示意 Fig. 1 Sampling sites along the Taipu River and in the Jinze Reservoir

1.2 水样处理及水质参数测定

水温、溶解氧、pH由多参数分析仪(美国哈希)现场测定, 采用TOC仪(日本岛津)检测TOC, 其余指标依据生活饮用水标准检验方法(GB/T 5750-2006)测得.样品经过孔径0.45 μm的Millipore聚碳酸酯滤膜过滤后, 进行荧光光谱测定.

1.3 三维荧光光谱检测

采用荧光分光光度计(日立F-7000)检测样品的三维荧光光谱.主要参数为：激发波长(Ex)220~450 nm, 扫描间隔5 nm; 发射波长(Em)范围260~600 nm, 扫描间隔1 nm, 狭缝宽5 nm; 光电倍增管电压(PMT Voltage)为700 V; 扫描速度为2 400 nm·min-1; 以Milli-Q超纯水为实验空白.

1.4 三维荧光数据分析

所有样品在进行三维荧光光谱解析之前, 扣去实验空白, 将发射波长等于激发波长和发射波长等于2倍激发波长包围外的区域光谱值赋值为零, 以修正拉曼散射和瑞丽散射对光谱的影响[11].采用带有DOMFlour工具箱的MATLAB R2100a进行平行因子分析, 利用半拆分析来验证分析结果的可靠性.

1.5 数据处理

利用SPSS 22.0进行主成分降维分析(principal component analysis)、Spearman相关系数计算, 采用Origin 2018进行数据处理和图形绘制.

2 结果与讨论 2.1 太浦河沿程及库区水质变化规律

测定太浦河沿程及库区各采样点地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中的基本项目及水源地补充项目及TOC, 可检出水质指标如表 1所示.主要污染物为氮、磷、有机物和石油类污染物.除太浦闸外, 其余样点TN都超过地表水Ⅳ类标准, 多数样点经常出现石油类指标超Ⅲ类, 其他指标基本符合地表水Ⅲ类要求.其中高锰酸盐指数、BOD5、NH4+-N、TN、石油类、ABS、TOC、硝酸盐、氯化物、硫酸盐和粪大肠菌群呈现上游低而下游高的趋势, 太浦河沿程水质污染有明显加剧变化, 金泽水库对水质有一定改善作用, 但不明显.

表 1 太浦河沿程及库区水质变化/mg·L-1 Table 1 Water quality along the Taipu River and in the Jinze Reservoir/mg·L-1

2.2 基于主成分分析的水质综合指数

本研究中, 使用砷、氟化物、硫化物、DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、TN、石油类、ABS、TOC、粪大肠菌群、硝酸盐、氯化物和硫酸盐作为水质监测指标, 对这些指标进行KMO和Bartlett检验, 得KMO值为0.615, Bartlett显著性概率P值小于0.05, 说明这些指标之间具有较强的相关性, 适用于主成分分析.考虑到DO指标随着水质的变好而增加.因此取所有采样点DO指标中的最大值减去各采样点的DO指标原始值, 使其数值与水质呈反比[12].经过处理后, 所有的指标均随着水质的提高而变小.根据主成分分析特征值大于1的原则, 获得6个主成分, 累计方差贡献率达到77.29%, 较完整地保持了原始信息, 各个主成分因子载荷见表 2.

表 2 主成分载荷矩阵 Table 2 Loading matrix of principal components

主成分载荷矩阵表明, 解释度最高的两个主成分F1和F2主要反映了包含有机污染指标在内的水质信息, 如：高锰酸盐指数、COD、NH4+-N、TN、石油类、TOC、硝酸盐、氯化物和硫酸盐的信息, 表明这些监测指标对研究区域水质变化具有重要贡献.

根据(式中aij为主成分特征向量, Zj为原始向量经标准化处理的值; 且i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n；m < n; m=6；n=17)和公式F=(式中ei为第i个主成分的贡献率; i=1, 2, …, m)计算全年金泽水库上游来水及库区水质综合得分, 结果见表 3.

表 3 各采样点不同月份水质综合得分 Table 3 Comprehensive scores of water quality in different months at each sampling point

根据表 3的数据, 从空间来看, 水质变化规律与表 1具有一致性, 太浦闸出水水质最好, 太浦河沿程水质变差, 水体进入金泽水库后, 水质有波动, 但水库出水总体较入库稍低, 生态调蓄型水库表现出一定的水质改善功能.从季节来看, 冬季水体水质明显劣于其他季节, 可见金泽水库上游来水及库区水质具有季节变化特点.采用表 3的综合指数法比采用表 1分散指标更方便对水环境质量的评价.

2.3 金泽水库来水及库区水体荧光光谱特征分析 2.3.1 荧光光谱分析

图 2为研究区域同一月份3个典型断面水样三维荧光图谱.典型断面的荧光峰主要有3个(Peak T1、Peak T2和Peak T3), 对比文献[13], 可知Peak T1和Peak T2为类蛋白质(Protein-like)荧光, Peak T3为类腐殖质(Humic-like)荧光.可以看出太浦河水体类蛋白峰荧光特征强, 类腐殖质特征弱.本研究水体荧光光谱与其他研究水体存在明显差别[14], 可能与区域环境特征有关.太浦河流域位于苏南区域, 纺织印染企业密布, 工业废水是最主要的入河污废水来源, 其中87%以上工业废水来自高污染纺织印染企业[1].对比发现太浦河特征峰与印染废水特征峰位置基本一致[15], 表明印染废水可能对太浦河水体荧光特征有重要贡献.

图 2 金泽水库来水及库区典型断面三维荧光光谱 Fig. 2 Three-dimensional fluorescence spectrum of typical sections of the Jinze Reservoir incoming waters and reservoir area

2.3.2 荧光组分分析

PARAFAC模型分析结果表明(图 3), 金泽水库来水及库区样品DOM由3个荧光组分构成, 包括2个类蛋白质(Protein-like)及1个类腐殖质(Humic-like)组分.

图 3 PARAFAC解析水体样品3个荧光组分及其激发发射波长位置 Fig. 3 Fluorescence spectra of three previously identified PARAFAC components from water samples

组分C1(230, 280/320 nm)和C2(240, 290/340 nm)属于类蛋白荧光组分, 对应的是传统意义上的T和B峰[5, 16].这类组分反映的是生物降解来源形成的荧光峰值, 与水体微生物和浮游植物作用及外源污染汇入相关[17]. C3同样具有2个激发峰和1个发射峰, 表征DOM短波类腐殖质的荧光性质, 与传统的陆生源类腐殖质A峰和海洋类腐殖质M峰相似[5, 17].该组分广泛存在于环境中[18], 主要来源于植物降解和人类活动[19].

2.4 金泽水库来水及库区不同断面FDOM强度的分布特征

荧光强度能够反映FDOM含量, 而荧光峰强度的时空分布差异能够揭示FDOM的分布特征, 并由此可推断研究区域FDOM变化规律.

本研究中, 水中各组分荧光强度时空分布特征如图 4所示.类蛋白荧光组分(C1+C2)相对含量为86.09%~95.10%, 占比较高并且强度变化明显, 是水中最主要荧光组分.通常洁净的水体中类蛋白峰很少出现.近年来关于水体荧光特征的研究表明, 外源污染影响严重的水体中, 类蛋白组分荧光强度相对占比较高[17], 如芦江[11]和太子河本溪段[20]水体中类蛋白组成荧光强度占比均超过80%.结合太浦河周边企业密集、人为活动强烈的环境特征, 推测外源污染的输入是导致太浦河水体类蛋白组分相对占比较高的主要因素.

图 4 金泽水库来水及库区荧光强度时空分布特征 Fig. 4 Distribution characteristics of fluorescence intensity and reservoir intensity in the Jinze Reservoir

库外断面(太浦闸至入库口), 类蛋白荧光组分(C1和C2)荧光强度沿河有明显增强趋势, 与水质综合得分(表 3)变化趋势一致.库内断面(入库口至出库口), 水体荧光强度变化特征与季节有关联, 秋冬和夏季, 库区水体荧光强度相比入口略微增加, 在春季, C1、C2和C3组分荧光强度相比于入库会有所降低.

类蛋白质荧光强度变化可用来表征河流水质污染状况[21], 表 1中, 库外断面水体NH4+-N、石油类、TOC和粪大肠菌沿河呈现明显增加趋势, 而DO呈现下降趋势, 表明沿河存在氮污染和耗氧污染物的输入, 导致水体总荧光强度沿河呈明显增加趋势.进入库区后, 由于水库的封闭环境, 水体荧光强度的季节性波动主要与水库内生态环境有关.秋冬季节, 库区种植的水生植物(芦苇和金鱼藻等)生长缓慢并开始腐烂, 水体荧光强度有所增加.而在春季, 由于气温回升, 水中微生物以及植物活性增强, 水体中有机物被微生物、植物吸收利用后, 水体荧光强度有所降低.在夏季, 降雨量、气温和光照强度为全年最高, 降雨径流使水体外源性有机物含量增加, 光照会将水中大分子有机物分解成易被生物利用的小分子有机物[22], 此时藻类及微生物代谢活动旺盛, 水体自生生产力较强, 藻类活动是水体DOM重要来源[23].因此, 夏季水体荧光强度较高的原因与降雨量及浮游植物活动增加有关.

2.5 水体荧光强度对常规水质参数的指示性分析

为了建立金泽水库水源地水质快速检测和预警技术体系, 将水体各组分荧光强度和水质参数进行了相关性分析.结果见表 4, TOC、NH4+-N和高锰酸盐指数的质量浓度与各组分荧光强度呈显著相关, 表明荧光强度的分布可指示水体部分水质指标的分布.一方面溶解性有机质随着含营养元素的外源污染进入河流直接增加水体荧光强度, 另一方面, 水体中营养物质浓度增加, 微生物活性增强, 水体溶解性有机物内源特征加强, 表现为类蛋白组分荧光强度的增强[24], 因此, 各组分荧光强度与营养物质浓度关系呈显著相关.此外, 作为研究区域主要超标因子, 石油类物质中含大量荧光物质, 主要是多环芳烃和杂环类化合物[25], 这些荧光物质随着含有石油类的外源污染进入水体, 成为水体DOM重要组成部分.因此, 各组分荧光强度和石油类质量浓度呈显著的相关性.氯化物和硫酸盐是水体中常见的无机离子, 有研究表明其浓度对水体DOM荧光强度影响很弱[26], 各组分荧光强度和氯化物、硫酸盐显著相关关系可能与它们具有相同的来源有关, 印染废水是太浦河入河废水主要组成部分, 相比于城市污水, 印染废水荧光强度高, 类蛋白组分占比较大[1, 15], 并包含Na2SO4和NaCl等染料助剂, 因此, 水体各组分荧光强度和氯化物及硫酸盐含量共同受到印染废水的影响, 相关性显著.这些结果表明, 太浦河水体DOM受到外源污染的强烈影响.

表 4 荧光强度和水质参数的相关性1) Table 4 Relationship between fluorescence intensity and water quality parameters

值得注意的是, 各组分荧光强度和水质得分(Score)之间也具有极显著的正相关关系(P < 0.01).外源污染是太浦河水体DOM的主要影响因素, 水质恶化的同时, 水体荧光强度会增强.因此水体各组分荧光强度与水体水质之间具有确定性的线性关系, 可以用于金泽水库上游来水水质预警分析.

3 结论

(1) 基于主成分分析的水质综合指数法可用于太浦河水质特征变化的综合评价.结果显示, 太浦河水系上游水质受外源污染影响较大, 进入库区后水质逐步变好, 生态调蓄型水库表现出一定的水质改善功能.

(2) 金泽水库来水及库区FDOM的荧光组分主要包括类蛋白质荧光组分和代表陆源FDOM的类腐殖质组分; 其中类蛋白组分占比高, 荧光强度变化明显.

(3) 库外断面, 水体FDOM荧光强度上升, 两岸外源污染汇入对水体FDOM影响明显; 在库区, 水体荧光强度的波动与季节有关, 秋冬季节由于水生植物及藻类腐败分解, FDOM荧光强度升高; 春季由于水生植物生长活动, FDOM含量逐渐降低; 夏季由于降雨径流、藻类活动及光照强度的增加, 水体FDOM强度最高.

(4) NH4+-N、高锰酸盐指数、氟化物、石油类、TOC、氯化物和硫酸盐的质量浓度和各荧光组分之间呈显著正相关关系, 水体FDOM各组分荧光强度和水体水质之间有着确定性的线性关系, 可以用于金泽水库上游来水水质预警分析.

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