張 威，肖耿鋒，洪昌紅

(1.廣州市河涌監(jiān)測中心，廣州 510600；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 概述

我國水資源嚴(yán)重貧乏，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4[1]，廣州市地處我國南方豐水地區(qū)，但多年人均本地水資源量僅有514 m3，為廣東全省人均水資源量的1/3，水資源量無法滿足經(jīng)濟(jì)社會長期健康可持續(xù)發(fā)展需要。再生水作為城市用水的替代水源，在河湖補(bǔ)水、道路沖洗、灌溉等方面具有巨大的利用潛力[2-3]。廣州市具備良好的再生水利用條件，一方面廣州市具有充足的再生水水源，全市共建成污水處理廠(站)51座，設(shè)計處理能力達(dá)546.93萬t/d(2018年)[4]；另一個面廣州市河涌眾多，使用再生水作為河涌補(bǔ)水來源有利于保持河涌長治久清，防止其黑臭化?！稄V州市非常規(guī)水資源利用規(guī)劃(2018—2035)》、《廣州市節(jié)約用水規(guī)劃(2018—2035年)》等相關(guān)規(guī)劃文件鼓勵使用再生水進(jìn)行河涌補(bǔ)水，該方式是將來一段時間廣州市再生水利用的主要方向，現(xiàn)階段主要的試點(diǎn)之一為將“三涌補(bǔ)水”(獵德涌、車陂涌、沙河涌)的水源由珠江地表水更換為污水處理廠的再生水，有關(guān)“三涌補(bǔ)水”情況可參考文獻(xiàn)5[5]。

使用再生水對河涌進(jìn)行在緩解水資源短缺的同時可以提升水環(huán)境觀感，但同時也會導(dǎo)致水體中氮磷化合物濃度上升、藻類和微生物繁殖加快等潛在風(fēng)險問題，孟慶義等[6]發(fā)現(xiàn)使用再生水對北京市白潮河進(jìn)行補(bǔ)水后，受水河道有機(jī)污染物和葉綠素濃度上升，進(jìn)而導(dǎo)致藻類大量繁殖；劉軒等[7]通過實(shí)驗?zāi)M使用再生水湖泊進(jìn)行補(bǔ)水，發(fā)現(xiàn)湖泊底泥也是重要的營養(yǎng)鹽來源，再生水補(bǔ)水條件下藻類生長和底泥釋放之間明顯的互促作用；王子釗等[8]的研究結(jié)果表明再生水對河流進(jìn)行補(bǔ)水不僅嚴(yán)重影響河流氮磷濃度水平，也造成了環(huán)境類激素的污染風(fēng)險。諸多研究表使用再生水進(jìn)行河湖補(bǔ)水存在潛在的藻類爆發(fā)危險，但目前我國的再生水回用仍處于起步階段，對于使用再生水進(jìn)行河湖補(bǔ)水的生態(tài)風(fēng)險仍沒有成熟的應(yīng)對方法和措施，同時研究對象多為我國北方地區(qū)河湖，對以廣州市為代表的南方豐水地區(qū)的研究仍處于制度構(gòu)建和可行性論證階段[4,9]，亟需開展再生水生態(tài)補(bǔ)水工程案例分析，針對補(bǔ)水過程中存在的水環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行合理評估。改進(jìn)的TOPSIS水質(zhì)評價模型被廣泛運(yùn)用于湖泊、河流、地下水水質(zhì)和水安全評價[10-11]，該方法可削弱異常值的影響，減少主觀賦權(quán)帶來的誤差，對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時有效評價，但只能評價出水質(zhì)相對優(yōu)劣，不能反映水質(zhì)相較于國家標(biāo)準(zhǔn)值的優(yōu)劣[12]。

本文以“三涌補(bǔ)水”工程為研究對象，探究使用大觀污水處理廠再生水經(jīng)長虹湖進(jìn)行調(diào)蓄后，對“三涌”之一的獵德涌進(jìn)行再生水單一水源補(bǔ)水過程中水質(zhì)因子的變化情況，進(jìn)而研判補(bǔ)水過程中存在的水環(huán)境風(fēng)險。同時，引進(jìn)改進(jìn)TOPSIS水質(zhì)評價模型進(jìn)一步分析補(bǔ)水沿程水質(zhì)風(fēng)險情況。研究結(jié)果可為南方豐水地區(qū)再生水補(bǔ)水工程潛在的生態(tài)風(fēng)險提供借鑒。

2 研究區(qū)域概況

“三涌補(bǔ)水工程”是指在珠江前航道東埔大橋東側(cè)提水至長虹湖，通過二級泵站抽取湖水補(bǔ)至沙河涌及獵德涌，并采用重力流埋管方式將水補(bǔ)至車陂涌。目前逐漸使用大觀污水廠再生水取代地表水。大觀污水廠再生水24 h運(yùn)行向長虹湖進(jìn)行補(bǔ)水，目前向長虹湖補(bǔ)水量約7萬m3/d。長虹湖日常運(yùn)行水位為水位13.50～14.50 m(珠基，下同)。再生水經(jīng)長虹湖調(diào)蓄后，再生水在泵站和管網(wǎng)作用下從西湖水閘向獵德涌進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水流量為1.18 m3/s，其中對獵德涌直接補(bǔ)水運(yùn)行時間為6:00—21:00，補(bǔ)水量為6.37萬m3。

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取長虹湖開始對獵德涌進(jìn)行再生水補(bǔ)水為初始時間段，試驗時間為2020年10月10日—2021年6月1日。選取了長虹湖進(jìn)水口(P1)、長虹湖出水口(P2)、廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院(P3，位于獵德涌明渠起點(diǎn))和臨江大道(P4，位于獵德涌河口)的水質(zhì)情況進(jìn)行分析(如圖1所示)。

圖1 獵德涌再生水補(bǔ)水系統(tǒng)及采樣點(diǎn)空間位置示意

3.2 研究方法

使用熵權(quán)法與TOPSIS法相結(jié)合構(gòu)建改進(jìn)TOPSIS水質(zhì)評價模型，由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)》不對SD進(jìn)行評價，因此模型中不納入SD指標(biāo)。改進(jìn)模型的評價過程可分為以下步驟。

1) 使用熵權(quán)法確定權(quán)重

將m個評價對象的n個指標(biāo)值的原始數(shù)據(jù)xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)組成矩陣Xmn：

(1)

max(x1j,x2j,…,xmj)-xij

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(2)

若出現(xiàn)負(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行非負(fù)數(shù)處理，計算公式如下：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(3)

將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，計算第j項指標(biāo)下第i個評價對象占該指標(biāo)的比重構(gòu)建矩陣Pij：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(4)

計算得到各指標(biāo)的信息熵Ej：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(5)

計算信息效用值dj并求出熵權(quán)wj，計算方式如公式(6)～(7)所示：

dj=1-Ej(j=1,2,…,n)

(6)

(7)

2) 改進(jìn)TOPSIS水質(zhì)評價模型

對X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化得到Zmn，標(biāo)準(zhǔn)化方法如公式(8)所示：

(8)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

計算個評價對象排序指標(biāo)值fi：

(9)

(10)

(11)

按fi從大到小排列方案的優(yōu)劣次序。

4 結(jié)果和討論

4.1 水質(zhì)指標(biāo)時間變化

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位DO濃度變化情況示意

各監(jiān)測點(diǎn)位的透明度如圖3所示，初期各監(jiān)測點(diǎn)位SD較低且差異較小，而上升期P1、P2處SD顯著上升。P1、P2處在初期SD平均值分別為43.11 cm、38.30 cm，而在上升期平均值分別為115.0 cm、85.3 cm。P3處SD在補(bǔ)水穩(wěn)定期大部分時間達(dá)到40 cm以上，但是少部分時間下降至10 cm以下，初期平均值為19.85 cm，上升期平均值為52.17 cm。P4處SD變化較小，初期變化范圍為12.0～36.0 cm，平均值為25.90 cm，而在上升期變化范圍為6.0～40.0 cm，平均值為28.82 cm。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位透明度變化情況示意

圖4 監(jiān)測點(diǎn)位濃度變化情況示意

各監(jiān)測點(diǎn)位的TP濃度如圖5所示，初期TP濃度在各監(jiān)測點(diǎn)位差異較大，在P1～P4處TP濃度的平均值分別為0.17 mg/L、0.22 mg/L、0.51 mg/L、0.56 mg/L。穩(wěn)定期TP濃度呈下降趨勢，P1、P2處TP濃度穩(wěn)定在0.20 mg/L以下，而P3和P4處TP濃度在部分時間點(diǎn)仍然較高，TP濃度在4個監(jiān)測點(diǎn)位平均值分別為0.10 mg/L、0.16 mg/L、0.24 mg/L和0.37 mg/L。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)位TP變化情況示意

COD和TN指標(biāo)監(jiān)測從2020年11月4日開始，依據(jù)兩者濃度的變化趨勢以2020年12月15日為界可劃分為初期和穩(wěn)定期2個階段。各監(jiān)測點(diǎn)位的COD如圖6所示，監(jiān)測過程中COD在P1、P2處較為穩(wěn)定，大部分時間在15 mg/L以下，初期COD在P1、P2處的平均值均為15.00 mg/L，穩(wěn)定期平均值分別下降至14.89 mg/L、14.77 mg/L。初期P3處COD在部分時間超過20.00 mg/L，平均值為21.01 mg/L，穩(wěn)定期平均值下降至14.79 mg/L。值得注意的是，COD在P4處部分時間點(diǎn)出現(xiàn)顯著上升的趨勢，比如在2021年5月27日和2021年6月1日分別高達(dá)46.00 mg/L和118.00 mg/L，初期P4處COD平均值為27.00 mg/L，穩(wěn)定期平均值為24.45 mg/L。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位COD變化情況示意

各監(jiān)測點(diǎn)位的TN濃度如圖7所示，初期長虹湖P1、P2處的TN濃度平均值分別為8.68 mg/L、7.41 mg/L；P3處TN濃度略高于其他監(jiān)測點(diǎn)位，變化范圍為6.64～11.60 mg/L，平均值為9.21 mg/L；P4處TN濃度較小，變化范圍為6.17～7.45 mg/L，平均值為6.84 mg/L。穩(wěn)定期除2021年2月19日時TN濃度超過10.00 mg/L外，其余時間P1、P2和P3處的TN濃度都在8.0 mg/L以下，3個監(jiān)測點(diǎn)位處TN濃度平均值分別為7.59 mg/L、7.32 mg/L和7.09 mg/L；P4處TN濃度在2021年5月27日驟升至12.90 mg/L，總體而言穩(wěn)定期TN濃度仍保持在較低水平，平均值為6.87 mg/L。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位TN變化情況示意

表1 補(bǔ)水前期和穩(wěn)定期水質(zhì)指標(biāo)變化情況 %

4.2 水質(zhì)指標(biāo)沿程變化

圖8 P1～P4監(jiān)測點(diǎn)位水質(zhì)變化趨勢示意

通過對水質(zhì)物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)分析，采用大觀污水處理廠處理后的再生水經(jīng)長虹湖等調(diào)蓄湖泊對獵德涌等河涌進(jìn)行補(bǔ)水，其水環(huán)境風(fēng)險總體可控，但存在TN濃度過高和再生水補(bǔ)水河道沿程水質(zhì)惡化情況加劇的風(fēng)險。以再生水為補(bǔ)水來源的城市水體出現(xiàn)營養(yǎng)鹽濃度上升、富營養(yǎng)化風(fēng)險增大的現(xiàn)象是目前再生水回用于生態(tài)補(bǔ)水的普遍問題[14-17]。劉言正[18]建議濕潤地區(qū)使用再生水作為城市水體補(bǔ)水來源時，TN和TP的基準(zhǔn)建議值分別為5 mg/L、0.1 mg/L，均低于本試驗的平均監(jiān)測值。針對從補(bǔ)水過程中河涌下游采樣點(diǎn)氮磷營養(yǎng)物濃度相比上游采樣點(diǎn)上升的問題，顧永剛等[19]認(rèn)為需要兼顧沿程排污口和面源污染問題；而姜瑞雪等[20]則發(fā)現(xiàn)河道沿程氮、磷含量降低，認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象與藻類光合作用和反硝化作用等因素有關(guān)。

再生水經(jīng)過湖泊調(diào)蓄后和再生水輸送路程增加，其水質(zhì)情況均出現(xiàn)惡化風(fēng)險。馮萃敏等[21]通過對以再生水為補(bǔ)水水源的封閉景觀湖泊進(jìn)行長時間水質(zhì)監(jiān)測認(rèn)為，補(bǔ)水湖泊出現(xiàn)富營養(yǎng)化的原因可以歸納為再生水的直接補(bǔ)入、雨水的徑流污染、湖水無流動性、底泥營養(yǎng)釋放、缺乏流動性等；任晶晶等[22]認(rèn)為再生水消毒過程中有氯胺生成，并且在補(bǔ)水過程中發(fā)生分解導(dǎo)致氮素濃度升高。為充分了解水質(zhì)因子變化的相關(guān)關(guān)系，需要在下一步增加葉綠素濃度和底泥污染物濃度等生物和內(nèi)源污染物因子的監(jiān)測。

5 結(jié)論及建議

本文通過對使用再生水補(bǔ)水的獵德涌水質(zhì)變化情況及水環(huán)境風(fēng)險開展分析，得出以下結(jié)論：

1) 使用再生水對河涌進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水1個月后，水質(zhì)指標(biāo)逐漸區(qū)域穩(wěn)定，水體的DO和SD得到顯著提升，但TN和TP仍處于較高水平，這主要取決于再生水出水水質(zhì)。

2) 補(bǔ)水過程河涌沿程氮、磷營養(yǎng)鹽濃度呈上升趨勢，初步研判是由于內(nèi)源、面源的污染物來源導(dǎo)致。

3) 基于改進(jìn)TOPSIS水質(zhì)評價模型對不同監(jiān)測點(diǎn)位水質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，再生水經(jīng)過湖泊調(diào)蓄和輸水距離變長水質(zhì)惡化風(fēng)險加大。

綜上所述，采用污水處理廠再生水對河涌進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水是風(fēng)險可控的，但仍需要加強(qiáng)葉綠素濃度和底泥污染物濃度等生物和內(nèi)源污染物因子的監(jiān)測，以進(jìn)一步為風(fēng)險控制提供評估依據(jù)。