2022, Vol. 43
2. 东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040
, CHANG Sheng1
, ZHANG Qi2 , WANG En-rui1 , XIE Qiong1 , ZHANG Mo-li1 , FAN Yue-ting1 , YANG Guang1 , FU Qing1
2. School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
保障饮水安全已经成为世界共识并受到公众及相关部门的重视, 饮用水源地水质保护是保障饮水安全的重要环节[1, 2].珠海市过境河流主要为西江的出海水道, 包括磨刀门水道、鸡啼门水道、虎跳门水道和前山水道, 其中磨刀门水道及输水水库群是粤港澳大湾区珠海市和澳门特别行政区的重要供水水源.磨刀门水道设有广昌、平岗、竹洲头和新黄杨这4座取水泵站, 沿线大镜山、杨寮、南屏和竹仙洞等水库位于磨刀门水道左岸, 即珠海主城区东部, 总有效库容约2 800万m3; 西部地区主要有竹银、乾务、木头冲和龙井等水库, 总有效库容约7 800万m3.有研究表明, 珠海市磨刀门水道和受其供水的杨寮水库、乾务水库、竹银水库、竹仙洞水库和大镜山水库水源长期受“咸潮、排涝、突发水源污染”等三大问题困扰, 存在因总磷、总氮、氨氮、氯化物和重金属等不达标导致水源水质超标的风险[3, 4], 为适应珠江口特殊的自然地理条件, 珠海城市供水水源现已形成“江库连动、库库连通”模式, 该模式由多座主力取水泵站和主调蓄水库以及原水管道连接组成, 不仅可保证咸潮期间淡水资源的供应, 还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.
当前, 关于珠海市饮用水源地水质的研究主要集中在河流型饮用水源水体的咸潮问题[5~7]和水库型水源水体的富营养化问题[8, 9].然而, 关于珠海市磨刀门水道输水水库群水源水质的时空变化及相关性的研究还未见报道.因此, 迫切需要统筹考虑“江库连动、库库连通”供水格局下磨刀门水道输水水库群水源水质指标的时空变化及其互通影响.对于水源水质的评估, 传统的方法依赖于对所有变量参数的评估, 这些变量单独或通过交互作用对水质质量条件作出贡献[10].这种分析需要对饮用水科学有全面的了解才能理解, 并且可能无法提供对饮用水源质量的综合测量[11].相比之下, 加拿大环境部长理事会推出的CCME-WQI法评价结果简明易懂且更贴近真实水质情况[12], 评价指标和标准选择灵活更有利于提升公众对水质评价信息的理解, 当前已在世界范围内水环境评价中得到广泛应用[13~15].例如王珅等[12]采用CCME-WQI法对鳌江水质进行评价, 发现该方法更利于属地生态环境部门对水资源分类管理, 具有巨大的应用价值, 而用此对水库群及水源水质开展水质综合评估的较少.
本研究于2019年丰水期和枯水期对珠海市主要饮用水源中的磨刀门水道及受其供水的杨寮水库、竹银水库、大镜山水库、竹仙洞水库和乾务水库水体连续采集和监测.本研究通过对上述水体水质参数的分析, 阐释其时空变化规律, 找出磨刀门水道及5个水库的关键污染指标, 采用CCME-WQI法对珠海市主要饮用水源水质质量进行精准评价, 并对磨刀门水道与受其供水的水库水质之间的影响进行了探究.本研究首次对“江库连动、库库连通”型饮用水源地时空变化及水质指标影响的相关性进行分析, 以期为我国河流及水库型水源地的水质和水环境保护及科学管理调度提供参考.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况珠海市(113°03′E~114°19′E, 21°48′N~22°27′N)是珠三角南端的重要城市, 也是粤港澳大湾区的重要节点城市.珠海市过境水资源较丰富, 但时空分布不均且水源长期受“咸潮、排涝和突发水源污染”等三大问题困扰.西江在珠海市斗门区北部分为磨刀门水道、螺洲溪、荷麻溪、涝涝溪和涝涝西溪等5个支流入境, 进而分汇为磨刀门、鸡啼门和虎跳门等3支干流, 由北向南纵贯全境, 分口注入南海.目前珠海市在用的9个饮用水源水库大都属于中小型水库, 集水面积较小造成自然集水能力差不能满足供水需求, 其来水主要依赖位于西江磨刀门水道上的广昌泵站、平岗泵站和竹洲头泵站调水入库进行补充[16], 形成了典型的“江水为主、江库连动、库库连通”的供水网络格局(图 1).
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图 1 珠海市磨刀门水道及供水水库分布 Fig. 1 Distribution of Modaomen Waterway and water supply reservoirs in Zhuhai |
本研究在分析珠海市区“江库连动、库库连通”的全域饮用水源供给网络的基础上, 选择了覆盖全面且具有代表性的磨刀门水道和受其供水的5个水库作为水源水质研究对象.本研究在平面点位选取时参考了《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91-2002)[17]并依据水库集水面积大小、连通水库的进出水位置和污染源位置等因素选取了代表性强、覆盖面全、能够代表该水库水质特征且满足研究需要的共计40个点位. 其中包括磨刀门水道13个(MDM1~MDM13), 其中MDM1、MDM4和MDM10点位分别为竹洲头泵站、平岗泵站和广昌泵站3个泵站取水口(表 1), 杨寮水库9个(YL1~YL9)、乾务水库6个(QW1~QW6)、大镜山水库5个(DJS1~DJS5)、竹仙洞水库3个(ZXD1~ZXD3)和竹银水库4个(ZY1~ZY4)(图 2), 水库详细信息见表 1.采样于2019年8月(丰水期)和10月(枯水期)分2次进行, 用500 mL塑料瓶收集表层0.5 m深水样并带回实验室测定水质指标.同时, 根据水库不同点位分布及季节水深和水文特征, 对5个水库的部分点位采集了中层和底层水样, 以了解相关指标不同水深的分布特征.相关水质指标及其测定方法见表 2.
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表 1 磨刀门水道泵站及5个水库水文信息 Table 1 Hydrological information of Modaomen Waterway pumping station and five reservoirs |
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图 2 珠海市磨刀门水道及5个水库采样点 Fig. 2 Map of the sampling locations for Modaomen Waterway and five reservoirs in Zhuhai |
本研究采用加拿大环境部长理事会水质指数(CCME-WQI)对水质质量进行分析.CCME-WQI因其灵活的适用性而被广泛应用于许多国家[18~20].实践中可根据特定条件和当地问题, 与该指数一起使用的特定变量、目标和时间段可能因地区而异[21].值得注意的是, 它可以很容易地从定性和定量的角度评估整体水质是否符合指定的水质目标, 并且它提供了水质状态类别的明确指示.为了探索珠海市饮用水源的水质, 采用了CCME-WQI和中国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中Ⅲ级标准[22].表 2展示了Ⅲ类水质参数标准和所采用的详细水质指数的检测方法, 并参考了文献[23, 24].
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表 2 地表水Ⅲ类参数及简称、单位、标准值及测定方法1) Table 2 Parameters and abbreviations, units, standard values for Surface Water Class Ⅲ, and determination methods |
CCME-WQI的计算方法中包含3个元素：范围(F1)、频率(F2)和振幅(F3), 其定义和计算公式如下.
范围(F1)：表示测量不符合目标的水参数的数目, 并表示这些数目占所测量的选定参数总数的百分比, 因此表示在评价期间至少有1次不符合其各自标准的选定变量的百分比, 具体公式如下：
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(1) |
式中, p为超标水质参数的个数, N为水质监测项目总数.
频率(F2)：用于测量水质目标未达到的频率, 表示不达到目标(即未通过测试)的个别测试(测量)的百分比, 具体见公式(2)：
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(2) |
式中, M为水质监测数据总数, q为归一化参数, 即各监测项目超标倍数加和与水质监测数据总数之比.
振幅(F3)：振幅又称幅度, 测量有多少目标被超过, 因此表示失败的测试值不满足他们的目标(标准值)的数量, 计算F3有以下3个步骤.
① 检出浓度大于(如果标准为下限, 小于下限时)目标浓度的次数称为“excursion”, 当测试值不能超过目标值时:
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(3) |
对于测试值不能低于目标的情况：
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(4) |
式中, Csi为评价标准, Ci为指标超标值.
② 单个测试不符合要求的总数计算如下：
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(5) |
③ 振幅F3然后由一个渐近函数计算, 该函数将目标距离(nse)的归一化和缩放为0~100之间的值.
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(6) |
CCME-WQI的最终计算公式为：
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(7) |
由公式(1)~(7)生成一个0~100之间的值, 数值接近0表示水质很差, 接近100表示水质优良.进一步简化为以下类别或等级之一, 优秀：95~100;良好：80~95; 一般：65~79; 边缘：45~64和较差：0~44.
1.3.2 Spearman相关系数分析利用SPSS 20.0软件采用Spearman相关性系数法依据主要水质指标对磨刀门水道及受其供水的5个水库之间的相关性进行分析, 探究珠海市“江库连动, 库库连通”的供水格局下, 水库和水道不同类型饮用水源地水质指标之间的相关性, 最后使用R语言(3.5.2版本)Heatmap包出图[26].
2 结果与讨论 2.1 磨刀门水道及受其供水水库水质本研究中, 磨刀门水道及受其供水的5个水库丰枯两季水体高锰酸盐指数、五日生化需氧量(BOD5)、大肠杆菌(E.coli)、硝酸盐浓度(以N计, 下同)、溶解氧浓度(DO)和pH值均符合GB 3838-2002中Ⅲ类水质指标[22](表 3和图 3).与此同时, 氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、总氮(TN)和氯化物(以Cl计, 下同)浓度在磨刀门水道及受其供水的水库中不同程度地超过了Ⅲ类水质标准, 4个水质指标浓度最大值分别为2.22、0.28、5.38和1 620 mg·L-1(图 3和图 4).值得注意的是, TN浓度在磨刀门水道(包括3个泵站)及受其供水的乾务水库和竹仙洞水库水体均处于超标水平[22][图 3(d)], 其浓度平均值分别为2.05、1.61和1.62 mg·L-1; TP在磨刀门水道偶尔超标, 其浓度最大值为0.28 mg·L-1, 平均值为0.09 mg·L-1[图 4(c)].NH4+-N在杨寮水库和大镜山水库的某些点位出现超标情况, 其浓度最大值分别为1.97 mg·L-1(丰水期YL4)和2.22 mg·L-1(枯水期DJS1)[图 3(b)].因此可知TN和TP是珠海市主要饮用水源磨刀门水道及受其供水水库水体中的关键指标.同样, 以往对珠海市磨刀门水道及受其供水水库水质研究发现, TN和TP较为频繁超过Ⅲ类水水质标准, 是珠海市磨刀门及受其供水水库的关键污染指标[16, 27].值得注意的是, 受到枯水期入海河口潮汐动力等水文因素造成的咸潮上溯的影响, 在以往的研究中氯化物也是磨刀门水道主要的超标指标的结果与本研究一致[5, 28, 29].
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表 3 不同水期pH、溶解氧(DO)、水温(WT)、五日生化需氧量(BOD5)和大肠杆菌(E.coli)的变化 Table 3 Variation in pH, dissolved oxygen (DO), water temperature (WT), biochemical oxygen demand (BOD5), and Escherichia coli (E. coli) in different water periods |
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图中虚线表示Ⅲ类水质标准值 图 3 基于文献[21]对磨刀门水道和5个水库水质参数分类 Fig. 3 Classification of water quality parameter of the Modaomen Waterway and five reservoirs based on reference [21] |
对磨刀门水道及受其供水水库水质的关键指标的时空分布进行分析.对TN来讲, 磨刀门水道丰水期ρ(TN)范围为1.99~3.22 mg·L-1, 平均值为2.29 mg·L-1; 枯水期ρ(TN)范围为1.69~1.94 mg·L-1, 平均值为1.82 mg·L-1.季节上, 磨刀门水道丰水期TN浓度显著高于枯水期[F=15.85, P < 0.01, 图 4(d)]; 空间上, 丰水期MDM4和MDM6点位TN浓度偏高, 由图 2可知这2个点位均平岗泵站附近, 枯水期各采样点间差异较小.总体来看, 磨刀门水道TN均超过地表水水质Ⅲ类标准限值[22].对于氯化物来讲, 季节上, 丰水期氯化物浓度范围为5.36~90.10 mg·L-1, 平均值为21.19 mg·L-1, 显著低于枯水期(浓度范围为10.60~1 620.00 mg·L-1, 平均值439.02 mg·L-1)[F=6.28, P < 0.05, 图 4(e)].从空间变化来看, 越靠近下游的采样点(即越靠近入海口), 氯化物浓度越高, 最大浓度达到1 000 mg·L-1以上[图 4(e)], 这与已有研究中关于珠江三角洲地区入海口枯水期受到咸潮上溯问题的影响而造成氯化物超标的结论一致[30, 31], 且多发生于枯水期和干旱期[32].通过查阅相关研究可知, 磨刀门水道因人为挖沙使河床变深, 使口内河床逆坡趋陡、纳潮蓄咸容积扩大, 潮差变大和潮汐作用增强, 以致咸潮进一步向里深入而不利于口内底层所蓄咸水的外排.另一方面, 围垦滩涂导致自然湿地退化使得口门向海延伸, 过去磨刀门水道枯水期天然的“蓄淡抑咸”功能遭到破坏[29].同样地, 许多研究表明长江入海口也会受到咸潮上溯的影响而造成氯化物浓度超标[33, 34].对于NH4+-N, 丰水期ρ(NH4+-N)范围为0.13~1.81 mg·L-1, 平均值为0.31 mg·L-1; 枯水期ρ(NH4+-N)范围为0.13~0.53 mg·L-1, 平均值为0.20 mg·L-1[图 4(b)], NH4+-N在两个水期没有显著性差异(P>0.05).从空间变化来看, 丰水期MDM6点位浓度(1.81mg·L-1)明显高于其他采样点(平均值0.18 mg·L-1), 说明该点可能受到了汇入河流水质的影响.其次为丰水期MDM4点位(0.44 mg·L-1)和枯水期MDM12点位(0.53 mg·L-1)浓度较高.对TP来讲, 丰水期ρ(TP)范围为0.07~0.28 mg·L-1, 平均值为0.10 mg·L-1; 枯水期浓度范围为0.07~0.08 mg·L-1, 平均值为0.075 mg·L-1[图 4(c)].季节上, TP浓度在丰水期与枯水期没有显著性差异(P>0.05); 从空间变化来看, MDM4(0.11 mg·L-1)、MDM6(0.14 mg·L-1)和MDM10(0.28 mg·L-1)即平岗泵站和广昌泵站丰水期TP浓度较高, 其中MDM10点位TP浓度超过地表水Ⅲ类标准限值.空间分布上, 从竹洲头泵站(MDM1)至平岗泵站(MDM4)到广昌泵站(MDM10), NH4+-N、TP和氯化物呈增加趋势.通过参考磨刀门水道水质历史数据可知[26], 磨刀门水道水体历史监测数据和本研究的结果均表明, 磨刀门水道及取水泵站各点位丰水期TN和TP两指标浓度均高于枯水期, 这表明磨刀门水道主要受地表径流影响大, 面源污染及上游来水为水质超标的主要原因, 这与以往的关于三峡水库、小清河入海口和南水北调中线干渠等水体相关指标较高的原因一致, 非点源污染和地表径流是主要的负荷来源[35~37]; 而枯水期氯化物浓度较丰水期高, 表明磨刀门水道水质受咸潮影响明显.这也说明, 珠海磨刀门水道(取水泵站)的水质受到上游来水和咸潮影响双重压力, 易导致水质不能稳定达标, 尤其广昌泵站(MDM10)取水水质TP(0.28 mg·L-1)超标风险较大.
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**表示在0.01水平差异性显著, *表示在0.05水平差异性显著; 丰：丰水期, 枯：枯水期 图 4 珠海市磨刀门水道和5个水库水质不同水期的变化 Fig. 4 Variation in water quality in Modaomen Waterway and five reservoirs in Zhuhai in different water periods |
竹仙洞水库丰水期ρ(TN)范围为1.67~1.72 mg·L-1, 平均值为1.70 mg·L-1; 枯水期ρ(TN)范围为1.52~1.56 mg·L-1, 平均值为1.53 mg·L-1; 由此可知竹仙洞水库丰枯两季TN浓度均超过地表水Ⅲ类标准[图 3(d)], 且丰水期浓度显著高于枯水期[F=31.35, P < 0.05, 图 4(d)]达到了Ⅴ类水标准[22].丰水期氯化物浓度范围为18.4~19.7 mg·L-1, 平均值为18.83 mg·L-1; 枯水期氯化物浓度范围为17.8~19.8 mg·L-1, 平均值为18.7 mg·L-1[图 4(e)].丰枯两季氯化物浓度没有显著性差异(P>0.05); 从时间变化来看, 除ZXD3点位枯水期氯化物浓度高于丰水期, 其他样品均为丰水期高于枯水期.丰水期ρ(NH4+-N)范围为0.273~0.284 mg·L-1, 平均值为0.278 mg·L-1; 枯水期, ρ(NH4+-N) 范围为0.048~0.066 mg·L-1, 平均值为0.054 mg·L-1, 丰水期浓度显著高于枯水期[F=1 069, P < 0.01, 图 4(b)].丰水期ρ(TP)平均值为0.05 mg·L-1; 枯水期ρ(TP)范围为0.03~0.04 mg·L-1, 平均值为0.033 mg·L-1[图 4(c)], 丰水期和枯水期浓度没有显著性差异(P>0.05).
大镜山水库丰水期ρ(TN)范围为0.71~0.85 mg·L-1, 平均值为0.79 mg·L-1; 枯水期ρ(TN)范围为1.23~1.39 mg·L-1, 平均值为1.33 mg·L-1.季节上, 枯水期浓度显著高于丰水期[F=201, P < 0.01, 图 4(d)], 枯水期达到了Ⅴ类水质[22].丰水期氯化物浓度范围为6.57~7.14 mg·L-1, 平均值为6.91 mg·L-1; 枯水期氯化物浓度范围为14.3~17.4 mg·L-1, 平均值为15.66 mg·L-1, 枯水期氯化物浓度显著高于丰水期[F=252, P < 0.01, 图 4(e)], 这与枯水期大镜山水库受到磨刀门水道的调水补库有关.丰水期NH4+-N浓度范围为0.271~0.339 mg·L-1, 平均值为0.32 mg·L-1; 枯水期NH4+-N浓度范围为0.362~0.439 mg·L-1, 平均值为0.40 mg·L-1, 枯水期浓度显著高于丰水期[F=8.39, P < 0.05, 图 4(b)], 均满足Ⅲ类地表水标准.同时研究发现丰水期底层水体中ρ(NH4+-N)的最大值为1.64 mg·L-1(DJS1), 枯水期底层水中ρ(NH4+-N) 最大值为2.22 mg·L-1(DJS1)[图 4(b)], 说明枯水期水体中NH4+-N的浓度可能会受到底泥释放的影响, 从而使越靠近水底的水体浓度越高.丰水期ρ(TP)范围为0.02~0.03 mg·L-1, 平均值为0.028 mg·L-1; 枯水期, ρ(TP)均为0.05 mg·L-1, 枯水期显著高于丰水期[F=121, P < 0.01, 图 4(c)].
杨寮水库丰水期ρ(TN)范围为0.78~5.38 mg·L-1, 平均值为1.35 mg·L-1; 枯水期ρ(TN)为0.67~1.24 mg·L-1, 平均值为0.92 mg·L-1[图 4(d)].从空间分布来看, 丰水期YL4点位TN(5.38 mg·L-1)明显高于其他采样点( <1.1 mg·L-1), 枯水期9个采样点TN浓度变化较小; 季节上, 丰枯两季TN浓度无显著性差异(P>0.05).丰水期氯化物浓度范围为5.72~29.7 mg·L-1, 平均值为8.55 mg·L-1, 枯水期氯化物浓度范围为2.18~9.08 mg·L-1, 平均值为6.59 mg·L-1[图 4(e)], 从时间变化来看, 丰水期与枯水期氯化物浓度无显著性差异(P>0.05).YL4点位(29.7 mg·L-1)氯化物浓度高于其他8个采样点(< 6.2 mg·L-1).
丰水期ρ(NH4+-N) 范围为0.11~0.649 mg·L-1, 平均值为0.203 mg·L-1; 枯水期ρ(NH4+-N)范围为0.226~0.347 mg·L-1, 平均值为0.29 mg·L-1[图 4(b)], NH4+-N浓度在丰枯两季无显著性差异(P>0.05)且均满足Ⅲ类水质标准[图 3(b)].同样, 底层水样中ρ(NH4+-N) 在丰水期和枯水期最大值分别为1.97 mg·L-1(YL4)和1.22 mg·L-1(YL3).丰水期ρ(TP)范围为ND~0.03 mg·L-1, 平均值为0.014 mg·L-1; 枯水期ρ(TP)范围为0.02~0.04 mg·L-1, 平均值为0.029 mg·L-1, 所有点位TP浓度均达到了国家Ⅲ类水质标准, 枯水期TP浓度显著高于丰水期[F=7.56, P < 0.05, 图 4(c)].
竹银水库丰水期ρ(TN)范围为0.57~0.78 mg·L-1, 平均值为0.66 mg·L-1; 枯水期ρ(TN)范围为1.55~1.68 mg·L-1, 平均值为1.60 mg·L-1, 枯水期TN浓度显著高于丰水期[F=321, P < 0.01, 图 4(d)]且枯水期TN浓度超过了Ⅲ类水质标准[图 3(d)].丰水期氯化物浓度范围为5.26~5.57 mg·L-1, 平均值为5.35 mg·L-1; 枯水期氯化物浓度范围为8.78~8.93 mg·L-1, 平均值为8.85 mg·L-1, 由此可知枯水期由于咸潮上溯的原因, 造成氯化物浓度显著高于丰水期[F=1 808, P < 0.01, 图 4(e)].丰水期ρ(NH4+-N)范围为0.052~0.099 mg·L-1, 平均值为0.07 mg·L-1; 枯水期ρ(NH4+-N) 范围为ND~0.061 mg·L-1, 平均值为0.056 mg·L-1[图 4(b)], 丰水期NH4+-N浓度略高于枯水期(P>0.05), 但均达到Ⅲ类地表水标准[图 3(b)].丰水期ρ(TP)范围为0.02~0.03 mg·L-1, 平均值为0.028 mg·L-1; 枯水期ρ(TP)范围为0.02~0.09 mg·L-1, 平均值为0.06 mg·L-1[图 4(c)], 季节上两个水期TP检出浓度没有显著性差异(P>0.05), 枯水期TP超过Ⅲ类地表水标准(湖库).
2.4 CCME-WQI水质分析根据《中国地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水质指标标准并采用CCME-WQI评价方法对珠海磨刀门水道及受其供水的5个水库水质情况分析(图 5).由CCME-WQI数据分析表明, 10%采样点水质质量为优秀、30%采样点水质质量为良好和60%采样点水质质量一般或处于边缘, 表明磨刀门水道输水水库群水质质量总体一般(图 5).
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图 5 珠海磨刀门水道及5个水库CCME-WQI值 Fig. 5 CCME-WQI values in the Modaomen Waterway and five reservoirs in Zhuhai |
从空间分布看, 可发现杨寮水库是唯一拥有优秀水质点位的水库(YL2、YL3、YL5和YL8), 其CCME-WQI平均值最大(93.21), 总体水质质量良好.这得益于其较好的水质指标(图 3和图 4).然而, 相比之下磨刀门水道水质指数平均值最低(63.40), 水质指标一般, 这是因为很多水质指标的较高值均出现在磨刀门水道采样点(图 4), 如氯化物、TN和TP等超过了Ⅲ类水质标准(图 3).这可能是由于大量的非点源污染物、更强的降水及上游来水和地表径流向磨刀门水道输送的增加引起的, 这些因素在以往关于流域地表水水质污染研究中得到了证实[13, 35].另外, 枯水期咸潮上溯等水文因素的影响造成氯化物超标也对此有巨大贡献.同时笔者观察到, 3个取水泵站水质质量排序为：竹洲头泵站(68.73)>平岗泵站(65.86)>广昌泵站(57.74).由此可知, 3个泵站的水质随着流向越来越差, 即越靠近入海口总体水质越差(图 1), 这主要是由于受到氯化物超标的影响, 与本研究结果一致.总体来讲, 磨刀门水道输水水库群水质优劣排序为：杨寮水库(93.21)>竹仙洞水库(84.71)>竹银水库(82.57)>乾务水库(77.62)>磨刀门水道(63.40).从水源类型上, 5个水库型饮用水源CCME-WQI值范围为66.41(DJS1)~100(YL3、YL5和YL8)(图 5), 平均值为82.61; 高于磨刀门河流型饮用水源(63.40).赵腊梅等[38]对汾河水库及其上游河段分析同样发现水库型水源水质优于河流型水源水质.Xiang等[13]对三峡水库及其38个支流水质的研究发现, 水库型水体水质优于支流河流型水体.
2.5 磨刀门水道输水水库群水质相关性分析为探究磨刀门水道输水水库群组成的江库连动的供水网水质之间的相互影响, 本研究对磨刀门水道输水水库群所检测的10种主要水质指标: 高锰酸盐指数、TP、TN、NH4+-N、pH、DO、氯化物、硝酸盐、BOD5和E.coli利用Spearman相关系数法进行相关性分析(图 6).由图 6(a)可知, 在丰水期, 珠海磨刀门水道输水水库群中的关键指标中, NH4+-N与BOD5、高锰酸盐指数、TP有显著正相关性(r=0.77, P < 0.05; r=0.89, P < 0.05; r=0.66, P < 0.05); TP与BOD5有显著的正相关关系(r=0.60, P < 0.05); TN与氯化物和硝酸盐呈现强烈的相关关系, 相关系数均为0.94(P < 0.05), 说明TN与硝酸盐具有同源性, 这可能是由于丰水期降雨量充沛导致上游来水及地表径流的增加, 从而使周边农田种植施用的化肥农药和畜禽养殖产生的粪便等人类活动产生的污染物, 通过地表径流的方式等面源污染负荷增加所导致[39], 本文2.4节指出, 水库型饮用水源地水质质量优于磨刀门水道, 由此证明丰水期由于面源和地表径流的汇入导致磨刀门水道污染水平较高, 由于此期“江库连动、库库连通”的供水网络之间的水源互通较少(远低于枯水期), 加之水库型饮用水源水力停留时间更长, 有利于浮游动植物的积累, 水体自净能力增加[40].
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1.高锰酸盐指数, 2.BOD5, 3. NH4+-N, 4.TP, 5.TN, 6.氯化物, 7.硝酸盐, 8.粪大肠杆菌, 9.pH, 10.DO 图 6 珠海市磨刀门水道和5个水库水质相关性热图 Fig. 6 Heatmap of correlation of the water quality of the Modaomen Waterway and five reservoirs in Zhuhai |
由图 6(b)可知, 在枯水期, NH4+-N与高锰酸盐指数有显著正相关性(r=0.77, P < 0.05); TP与TN和硝酸盐有显著相关关系(r=0.77, P < 0.01);与此同时, 本研究发现枯水期主要指标氯化物与TN、TP和E.coli呈显著正相关关系(r=0.49, P < 0.05; r=0.60, P < 0.01; r=0.77, P < 0.05).在2.3节的研究已经发现, 大镜山水库TN、TP和氯化物在枯水期浓度均显著高于丰水期[P < 0.01, 图 4(c)、4(d)和4(e)], 这表明枯水期磨刀门水道泵站对大镜山水库型水源地进行补水, 导致了大镜山水库水质超标, 表明磨刀门水道与大镜山水库的江库连动型供水网在水质上会产生影响.而相比之下, 杨寮水库TN浓度的两个季节没有显著性差异(P>0.05), 这可能是由于枯水期由磨刀门水道向杨寮水库供水的过程中先经过了有一定自净能力的大镜山水库[27], 得到了一定的稀释而降低了污染水平.以往关于洪泽湖和太湖的相关研究也发现, 入湖河流水质会对湖内水质产生影响, 同时湖内的动植物及微生物群落可以利用氮磷等污染物作为营养盐从而降低其污染水平[41, 42].与大镜山水库类似, 本研究发现竹银水库的TN和氯化物枯水期浓度显著高于枯水期[P < 0.01, 图 4(c)和图 4(e)], 且竹银水库TN平均浓度(1.60mg·L-1)高于大镜山水库(1.33mg·L-1), 这可能是由于竹银水库处于磨刀门水道下游(图 1), 导致TN浓度在下游汇集所致.
2.6 磨刀门水道对水库群水质的影响磨刀门水道上的竹洲头泵站(MDM1)和平岗泵站(MDM4)是竹银水库供水的主要来源.为了研究“江库连动、库库连通”的供水模式下磨刀门水道对竹银水库水质的影响, 本研究收集了地方环境保护部门2011~2020年竹银水库和竹洲头泵站及平岗泵站NH4+-N、TN、TP和高锰酸盐指数水质监测数据(图 7).由图 7可以看出, 竹银水库水质与磨刀门水道上的竹洲头泵站和平岗泵站水质具有高度的相关性.计算可知, 竹银水库与竹洲头泵站和平岗泵站的高锰酸盐指数、NH4+-N、TN和TP这4项水质指标相关性系数均为0.80.由此可知, 竹银水库多个水质指标均受到了磨刀门水道泵站水质的影响.
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图 7 2011~2020年间竹银水库、竹洲头泵站和平岗泵站水质参数情况 Fig. 7 Water quality parameters of Zhuyin Reservoir, Zhuzhoutou pumping station, and Pinggang pumping station from 2011 to 2020 |
东部的大镜山水库和竹仙洞水库主要供水来源为广昌泵站、平岗泵站和竹洲头泵站, 当泵站不能取到合格的水量时, 竹银水库也可向东部库群供水.东部竹仙洞水库和大镜山水库与广昌泵站、平岗泵站和竹洲头泵站2011~2020年这10 a的水质对比情况见图 8.从中可以看出, 竹仙洞水库和大镜山水库与广昌泵站、平岗泵站和竹洲头泵站的水质具有高度的相关性.同时, 本文也计算了竹仙洞水库和大镜山水库与竹洲头泵站、平岗泵站的高锰酸盐指数、NH4+-N、TN和TP这4项水质相关性(表 4).由表 4可知, 竹仙洞水库与竹洲头泵站、平岗泵站和广昌泵站的相关系数在0.66~0.69之间, 相关性较强; 大镜山水库与竹洲头泵站、平岗泵站和广昌泵站的相关系数均在0.85以上, 相关性高于竹仙洞水库.从各项水质指标来看, 竹仙洞水库和大镜山水库TN和TP浓度低于泵站, 而其他指标则较为接近, 表明TN和TP自净能力较强, 其他指标自净能力较差.
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图 8 2011~2020年间大镜山水库与广昌泵站、竹洲头泵站和平岗泵站水质参数情况 Fig. 8 Water quality parameters of Dajingshan Reservoir, Guangchang pumping station, Zhuzhoutou pumping station, and Pinggang pumping station from 2011 to 2020 |
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表 4 珠海市水源地主要泵站与水库水质相关系数 Table 4 Water quality correlation coefficient between main pumping stations and reservoir of drinking sources in Zhuhai |
3 结论
(1) 磨刀门水道输水水库群10个常规水质指标中氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、总氮(TN)和氯化物这4个指标均不同程度超过了我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水质标准.4个指标的最大值分别为2.22、0.28、5.38和1 620 mg·L-1.
(2) 磨刀门水道输水水库群超标指标具有显著的时空分布差异, 主要受到枯水期咸潮上溯及非点源和地表径流的影响.
(3) CCME-WQI值显示, 磨刀门水质质量总体一般.空间上水质质量优劣排序为：杨寮水库>竹仙洞水库>竹银水库>乾务水库>大镜山水库>磨刀门水道.水源类型优劣排序为：水库型>河流型.受到咸潮上溯的主要影响磨刀门水道越靠近入海口水质越差.
(4) 根据不同类型水源地主要水质指标相关性和近10年磨刀门水道泵站与水库群常规监测水质指标的对比分析可知, 磨刀门水道对竹银水库和大镜山水库水质影响较大, 主要受到磨刀门水道枯水期咸潮上溯和丰水期上游来水及地表径流的影响.
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