楊瑋倫 高宇軒 王 昊

(1.西安水務(wù)(集團(tuán))李家河水庫管理有限公司,陜西 西安 710082;2.西安理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

1 研究背景

近年來,水庫水逐漸取代地下水成為城市的主要供水水源。隨著人民生活品質(zhì)的不斷提升,生活用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)亦日趨嚴(yán)格。從源頭降低水源水庫的污染負(fù)荷,保護(hù)和改善水源水質(zhì)安全問題得到了業(yè)內(nèi)極大的關(guān)注[1-4]。李家河水庫是西安市的重要水源地之一,源起秦嶺山脈,該水庫(東經(jīng)109°17′～109°36′,北緯33°51′～34°8′)位于陜西省西安市藍(lán)田縣境內(nèi),建成于2015年,屬峽谷分層型水源水庫,總庫容5690萬m3,平均水深56m,最大水深80m。李家河水庫上游基本無工業(yè)企業(yè),居民分布也比較分散,污染物主要來自暴雨沖刷。污染物通過河道、溝道等匯入水庫,增大水庫內(nèi)水體污染負(fù)荷[5-6]。該水庫是典型按溫度區(qū)分的分層型水庫,當(dāng)水體分層形成后,下部水體溫度、含氧量較低,水庫底部會形成厭氧環(huán)境,導(dǎo)致庫底淤泥中的氨氮、磷、鐵、錳等不同程度地釋放,造成水體水質(zhì)惡化,主要表現(xiàn)在總氮超標(biāo),總磷含量較高。隨著季節(jié)變換庫區(qū)水質(zhì)變差現(xiàn)象更為嚴(yán)重,水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[7-8]。這些都將直接影響西安市水源水質(zhì)的安全。

揚(yáng)水曝氣技術(shù)通過將壓縮氣體連續(xù)送入水體底部形成高速上升的大型氣彈,實現(xiàn)底部水體循環(huán)充氧和水體垂向高效混合,達(dá)到抑制底泥中氨氮、總磷、鐵錳、硫化物等污染物的釋放,誘導(dǎo)水體恢復(fù)自我修復(fù)功能的目的。為有效改善李家河水庫水質(zhì),切實保障飲用水安全,2018年李家河水庫引入揚(yáng)水曝氣水質(zhì)改善技術(shù),以期達(dá)到延長水體混合期,改變原有水生態(tài)環(huán)境及水質(zhì)狀況的目的[9-10]。本文對2021年3月6日—7月6日期間李家河水庫實際運(yùn)行過程中引水管道前、引水塔水下35m處監(jiān)測采樣點連續(xù)監(jiān)測得到的影響水質(zhì)的九項重要指標(biāo)(包括溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鉀指數(shù)、總有機(jī)碳含量、總氮、總磷、總鐵和總錳等)進(jìn)行分析,為水源水庫的監(jiān)管和治理提供實時有效的科學(xué)數(shù)據(jù)。該研究工作對于保護(hù)和改善水庫水質(zhì)、保證水庫穩(wěn)定運(yùn)行、提高下游水廠的送水質(zhì)量均具有重要的意義。

2 水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集及測試

2.1 水體采樣點位置的選取

李家河水庫在主庫區(qū)呈S形安裝分布了8臺揚(yáng)水曝氣裝置,見圖1。揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)是一種人工混合裝置,包括空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、供氣管和揚(yáng)水曝氣器幾個部分,它克服了熱分層現(xiàn)象,并使水體上下混合充氧[7],揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)開啟運(yùn)行,可以實現(xiàn)水體強(qiáng)制混合,系統(tǒng)關(guān)閉期間水體持續(xù)自然混合。本文研究中選取的水體水樣取自李家河水庫引水塔區(qū)域設(shè)置的水下35m處的水位監(jiān)測點(圖1中五角星符號處)。選此監(jiān)測位置水樣的主要原因是考慮該處水質(zhì)與水庫向渠道輸送的水質(zhì)(引水管道)相同,該處水質(zhì)基本可以反映經(jīng)過揚(yáng)水曝氣裝置處理后水體的實際情況。

圖1 李家河水庫在主庫區(qū)呈S形安裝分布的8臺揚(yáng)水曝氣裝置及本文水樣監(jiān)測位置示意圖

2.2 水體水樣采集時間周期的選定

本文采用2021年3月6日—7月6日為時4個月的水樣水質(zhì)監(jiān)測測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。實際運(yùn)行中取7天為一個監(jiān)測周期。監(jiān)測時間大體分為三個時間段:第一階段為2021年3月6日—4月12日,為水庫自然分層期;第二階段為2021年4月13日—5月5日,為揚(yáng)水曝氣裝置開啟運(yùn)行但水庫為非汛期階段(汛期劃分按西安市防汛指揮部要求);第三階段為2021年5月6日—7月6日,為揚(yáng)水曝氣裝置開啟運(yùn)行的汛期階段。

2.3 水樣水質(zhì)的監(jiān)測測試指標(biāo)

在引水塔監(jiān)測位置水下35m監(jiān)測點處進(jìn)行為期4個月的水體水樣連續(xù)采集,監(jiān)測采集頻率為每周1次,利用5L的取水器采集指定位置處的水體水樣。水樣帶回實驗室后立即開展理化分析,電導(dǎo)率、溶解氧和濁度等指標(biāo)使用哈希Hydrolab DS5多功能水質(zhì)分析儀原位監(jiān)測;高錳酸鹽指數(shù)采用酸式滴定法測定;總氮和總磷采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法和過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定[8]。

3 水樣水質(zhì)監(jiān)測測試數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

圖2～圖10分別為2021年3月6日—7月6日李家河水庫水樣監(jiān)測測試得到的高錳酸鉀指數(shù)、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、溶解氧、總氮、總磷、總鐵、總錳和濁度含量隨時間的變化規(guī)律曲線。

圖2 高錳酸鉀指數(shù)隨時間的變化規(guī)律

由圖2～圖10分析發(fā)現(xiàn),三個時間段內(nèi)九個指標(biāo)的變化規(guī)律各有不同。在揚(yáng)水曝氣裝置沒有開啟即自然混合分層期(2021年3月6日—4月12日),高錳酸鉀指數(shù)、總有機(jī)碳、溶解氧、總氮、總磷、總鐵以及水體的濁度都處于相對較低水平,電導(dǎo)率處于高位狀態(tài),而總錳含量的水平起伏比較大。西安防汛指揮部規(guī)定每年的5月5日為非汛期和汛期分界日。本研究中,揚(yáng)水曝氣裝置開啟運(yùn)行后實際上經(jīng)歷了非汛期(2021年4月13日—5月5日)和(汛期2021年5月6日—7月6日)兩個階段。從圖2～圖10九個指標(biāo)的變化曲線中,也可以發(fā)現(xiàn)汛期與非汛期揚(yáng)水曝氣裝置對水質(zhì)指標(biāo)的影響是有區(qū)別的。

由圖2和圖3可以看出,非汛期和汛期高錳酸鉀指數(shù)和電導(dǎo)率變化規(guī)律差別較大,高錳酸鉀指數(shù)波動較大,但電導(dǎo)率從自然分層期向非汛期、汛期呈現(xiàn)逐漸下降的規(guī)律。

圖3 電導(dǎo)率隨時間的變化規(guī)律

圖4和圖5顯示總有機(jī)碳和溶解氧呈現(xiàn)反向的變化規(guī)律?？傆袡C(jī)碳含量由自然分層期向非汛期和汛期不斷提高,而溶解氧則在自然分層期保持較低水平;在揚(yáng)水曝氣裝置開啟后,溶解氧達(dá)到了非常高的水平,非汛期向汛期過渡階段,溶解氧的含量由最高的13.5mg/L降到9mg/L,溶解氧維持了較高的水平。

圖4 總有機(jī)碳隨時間的變化規(guī)律

圖5 溶解氧隨時間的變化規(guī)律

由圖6和圖7可以看出,總氮和總磷變化有相近之處,自然分層期維持較低水平,其后逐漸呈現(xiàn)由揚(yáng)水曝氣裝置開啟后非汛期的平穩(wěn)階段向汛期的大幅波動變化。汛期總氮水平最高達(dá)到4.7mg/L,總磷達(dá)到0.10mg/L。除此最高點外,汛期總氮和總磷水平分別維持在4.0mg/L和0.04mg/L以下。

圖6 總氮隨時間的變化規(guī)律

圖7 總磷隨時間的變化規(guī)律

圖8和圖9顯示總鐵和總錳含量出現(xiàn)了截然不同的變化規(guī)律。總鐵含量從自然分層期到非汛期和汛期前期,一直穩(wěn)定處于0.2mg/L以下的水平,但在汛期的6月下旬總鐵含量飆升到1.45mg/L的高位水平;而總錳含量卻由自然分層期的最高水平0.02mg/L左右,大幅降低到非汛期的0.0010mg/L水平,在汛期也只略微提升到0.0020mg/L以內(nèi)的范圍。

圖8 總鐵隨時間的變化規(guī)律

圖9 總錳隨時間的變化規(guī)律

由圖10可以看出,在自然分層期和汛期,水樣的濁度非常低,基本控制在1左右。只有在非汛期4月下旬的兩次測試中,水樣濁度才明顯增加到160NTU以及140NTU的極高水平。經(jīng)分析是因為雖為非汛期,但當(dāng)時下了雨,導(dǎo)致水庫水體水質(zhì)的濁度明顯增加。

圖10 濁度隨時間的變化規(guī)律

4 結(jié) 論

本文對李家河水庫引水塔監(jiān)測點水下35m處采集的水體水樣進(jìn)行了分析測試,對反映水質(zhì)的九個重要指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)處理,得到了九個指標(biāo)值隨水庫運(yùn)行時間(2021年3月6日—7月6日)的變化曲線。由實測曲線可以掌握在揚(yáng)水曝氣裝置未開啟的水體自然混合分層期、揚(yáng)水曝氣裝置開啟運(yùn)行后非汛期和汛期三個階段九個指標(biāo)的變化規(guī)律。盡管由于水庫的實際情況復(fù)雜,難以用基礎(chǔ)理論準(zhǔn)確解釋和闡述各指標(biāo)實際曲線的變化規(guī)律,但該研究結(jié)果為李家河水庫提高監(jiān)管和治理水平提供了真實有效的參考依據(jù);對于保護(hù)和改善水庫水體水質(zhì)、保證水庫正常穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行、提升下游水廠水質(zhì)質(zhì)量均具有重要的作用。