青草沙水庫(kù)濁度與懸浮顆粒物粒徑的分布特征

穆 青，張海平

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

1 引言

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

目前，許多學(xué)者對(duì)海域的濁度和顆粒物粒徑分布特征進(jìn)行了調(diào)查分析[2～5]，但對(duì)水庫(kù)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(kù)為例，于2016～2017年4次實(shí)地采樣，測(cè)定濁度及顆粒物粒徑，探索青草沙水庫(kù)開閘引水期間的濁度及顆粒粒徑分布特征，以期為水庫(kù)水質(zhì)管理提供參考價(jià)值。

2 區(qū)域概況

青草沙水庫(kù)位于長(zhǎng)江河口段、南北港分流口附近的北港進(jìn)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(zhǎng)興島，為目前國(guó)內(nèi)最大的江心水庫(kù)，水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為 5.27 億m3，有效庫(kù)容為 4.38 億m3。青草沙水庫(kù)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(kù)，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(kù)上游開閘取水期間，對(duì)庫(kù)區(qū)多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行濁度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和表層沉積物取樣，四次采樣點(diǎn)均位于水庫(kù)上游(圖1)。每個(gè)采樣點(diǎn)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(diǎn)，取33個(gè)水樣；第二次共布置6點(diǎn)，取36個(gè)水樣；第三次共布置5點(diǎn)，取12個(gè)水樣；第四次共布置6點(diǎn)，取樣20個(gè)。應(yīng)用HACH 2100Q型濁度儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水樣濁度，每個(gè)水樣各測(cè)3次，取平均值。在室內(nèi)試驗(yàn)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(jìn)行顆粒物濃度及粒徑級(jí)配分析。

圖1 四次采樣點(diǎn)位置布置

4 結(jié)果

4.1 水動(dòng)力和風(fēng)場(chǎng)特征

受長(zhǎng)江口和杭州灣潮汐影響，青草沙水庫(kù)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(kù)平面上呈西北～東南向狹條狀，上游取水泵閘位于庫(kù)區(qū)西北端，長(zhǎng)江側(cè)水體自上游取水泵閘進(jìn)入庫(kù)區(qū)，開閘引水時(shí)流速近3.6 m/s。之后，引水沿進(jìn)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(kù)內(nèi)流場(chǎng)由風(fēng)生流控制，風(fēng)對(duì)庫(kù)區(qū)水流攪拌作用較大。

4.2 濁度分布特征

各采樣點(diǎn)濁度測(cè)定結(jié)果顯示，青草沙水庫(kù)濁度最高達(dá)到229NTU，最低為7.39NTU。濁度差異明顯，說明引水濁度高，對(duì)庫(kù)區(qū)濁度影響大。

對(duì)比不同采樣點(diǎn)同一水深的濁度值可發(fā)現(xiàn)，順?biāo)鞣较?，水體濁度呈逐漸降低的趨勢(shì)(圖2、圖3、圖4)。以2016年5月5日青草沙水庫(kù)開閘引水期間的測(cè)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(shí)A、B、C、D四點(diǎn)的濁度(圖2)最大值達(dá)到124 NTU，最小值為64 NTU。B點(diǎn)不在上游水流流動(dòng)的主流道上，受到對(duì)流擴(kuò)散作用，因此濁度實(shí)測(cè)值較低。12:00以后E～H點(diǎn)的濁度在50～35 NTU之間逐漸降低，在13:00左右H點(diǎn)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(cè)結(jié)果顯示，對(duì)于同一點(diǎn)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(hào)點(diǎn)位2 m水深處每隔約5 min測(cè)量一次濁度(圖5)。由圖6可知，開閘后由于來水濁度大，10號(hào)點(diǎn)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(jì)算不同水深的濁度與表層濁度的比值，得到濁度實(shí)測(cè)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(kù)引水期間水流流速較大，風(fēng)場(chǎng)對(duì)水庫(kù)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行濃縮，然后用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行顆粒物粒徑級(jí)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(jí)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(hào)點(diǎn)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(diǎn)位在0.5 m(a)、2 m(b)水深處粒徑級(jí)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(gè)站點(diǎn)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?？梢姡畼訚岫扰c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(duì)2016～2017年4次青草沙水庫(kù)開閘引水期間濁度及粒徑級(jí)配分析，得到青草沙水庫(kù)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(dòng)力因素進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)青草沙水庫(kù)開閘引水后，水庫(kù)上游濁度明顯升高，并呈現(xiàn)出上升-下降的趨勢(shì)。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(shí)水體流速大，再加上風(fēng)的攪拌作用，導(dǎo)致水面波浪較大，因此在所觀測(cè)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(kù)開閘引水期間，水庫(kù)上游顆粒物粒徑級(jí)配為多峰，分布在小于10μm及大于100μm兩個(gè)區(qū)域。

(3)水庫(kù)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。