再生水补给雨水人工湖水质变化分析.pdf

年第 期水利规划与设计水文水资源:/再生水补给雨水人工湖水质变化分析慕云霄 秦 力 汪爱霞 杨鹏飞(甘肃省水利科学研究院 甘肃 兰州)摘要:为研究以再生水为补给水源、雨水为主水源的人工湖水质变化 文章选择庆阳市西峰区庆阳湖水系为研究对象 采用相关性分析和主成分分析法 对该水系水质进行分析 结果表明:年 月 湖体水质整体呈弱碱性、全盐量、浊度、和 五个水质指标存在超标现象 鱼类死亡是由于湖体 和 超标 湖体较为封闭 水流缓慢 应加强对补给水源及底泥的管理 实验结果为其他多水源人工湖水系水质研究提供参考依据关键词:水质 时空分布 相关性分析 主成分分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:甘肃省科技重大专项()甘肃水利技术推广项目()作者简介:慕云霄(年)女 助理工程师:通讯作者:秦 力(年)男 正高级工程师:水资源是人类生存发展必不可少的宝贵资源和物质基础 是控制西北干旱地区社会经济发展的主要因素之一 庆阳市西峰区深居内陆 地处旱塬 可利用水资源少 水资源可持续利用形势严峻 资源型、工程型和水质型缺水是制约西峰区经济和社会发展的重要因素 使庆阳地区水资源的供需矛盾更加突出 解决和改善西峰区水资源紧缺问题不仅要节约用水 还要开发新的水源 雨水、再生水和矿井水等非常规水资源的开发利用就至关重要 为防止洪涝灾害和利用雨洪水 西峰区先后修建了南湖、北湖、庆阳湖、西湖和东郊湖等工程 庆阳湖水系(庆阳湖和南湖)是一项集雨洪集蓄、生态保塬、水源补充、抗旱防汛和城市水保等多种功能为一体的综合性城市水生态景观工程 通过雨水和再生水合理高效配置 充分利用非常规水资源 解决了城市水资源短缺问题、缓解了城区雨季防汛压力、改善了局部生态环境、保障了景观用水需求 但是 随着时间的推移 庆阳湖水系出现了水体发臭、藻类疯长、鱼身腐烂死亡等现象目前 国内外围绕雨水、再生水、矿井水等非常规水源的开发利用开展了大量研究 在生态补水方面 研究成果多集中在单一水源补充人工湖及河湖水质评价方面 对于多水源补给对人工湖水质影响方面的研究较少 本文通过分析水质指标时空分布特征 研究西峰区雨水和再生水补给对人工湖水质的影响 为城市非常规多水源生态景观用水安全、水环境改善、河湖健康 特别是西北缺水城市水环境保护和管理提供技术支撑 材料与方法 研究区概况西峰区地处甘肃省东部 董志塬腹地 是庆阳市 政 治、经 济、文 化、交 通 和 商 贸 流 通 中心 庆阳湖水系的雨水水源 是以西峰新城南区城市 地 面 作 为 集 雨 场 通 过 总 集 雨 面 积 为 的城区硬化路网路面和雨水管网汇集雨洪水 作为主水源 湖体库容 万 包括庆阳湖 万 和 年建成的南湖 万 雨水经过世纪广场及其周边街区和岐黄大道构成的南湖集流场、岐黄大道至马莲河大道之间集雨东区集流面、集雨西区朔州路至石油路之间的集流面 汇集后并入岐黄大道集雨口 最后自流进入庆阳湖 上游岐黄大道至陇东大道之间雨洪水经汇集后 经由陇东大道集雨口现有的管网设施自流进入南湖的日湖 再生水是湖体的补水文水资源水利规划与设计 年第 期充性水源 出厂水质达到一级 标准的再生水自南区污水处理厂处理达标后通过庆化管引入庆阳湖 在平水年条件下 研究经防渗处理的庆阳湖水系水质变化特征 湖体渗漏忽略不计 年入湖雨水水量、湖面蒸发量保持基本恒定 再生水年补水量 万 实验布置为识别庆阳湖水系的水质分布特征 根据湖泊面积大小等因素 选取监测断面 个 采样点 个(每个监测断面上 个采样点)采样点分别设置在庆阳湖中水口、庆阳湖中心、庆阳湖雨水口、日湖和星湖 在水深 处采集水样 采样时间为 年 月 根据 农田灌溉水质 标 准、再 生 水 水 质 标准、/城 市 污 水 再 生 利用 按照水和废水监测分析方法(第 版)中要求的方法测定 通过监测分析 剔除未检出或无明显变化指标 最终选取五日生化需氧量()、化学需氧量()、悬浮物、全盐量、浊度、溶解氧()、总磷()、总氮()、氨氮()和色度等 项主要指标分析评价湖体水质时空分布特征 探究水质变化状况 以对湖区后期的水质问题和优化方向、管理措施起到一定指导作用庆阳湖水系采样点分布图如图 所示图 庆阳湖水系采样点分布图 数据处理与分析为探究庆阳湖水质变化特征及规律 分析当前庆阳湖水坏境的主要问题及成因 为庆阳湖水生态环境保护提供科学支撑 文中采用 进行数据汇总和绘图 并进行数据统计分析 运用 进行相关性计算与主成分分析 结果与讨论 各水质指标时空分布特征 年 月庆阳湖水系水质总体达标 个别指标存在超标现象 如图 所示、分别表示了实验期间 个采样点的、悬浮物、全盐量、浊度、色度随时间的变化情况由表 和图 可知 人工湖中、悬浮物、全盐量、浊度、色度的浓度分别在 /、/、/、/、度、/、/、/、/、度表 庆阳湖水系各监测断面水质指标描述性统计指标均值标准偏差最小值最大值/(/)/(/)悬浮物/(/)全盐量/(/)浊度/度 /(/)/(/)/(/)/(/)色度/度 从时间变化来看 和 浓度在 年 月处于上升阶段 月呈现递减的趋势 在 月之后逐渐上升并超出标准值 而且同一时间段各监测点的 值相差不大 说明整个湖体的 值在时间尺度上变化较大 且整体上处于弱碱性 全盐量浓度随时间呈波动式下降趋势 月达到峰值 浊度、浓度随时间呈上升 下降 上升趋势 浊度 月浓度最小 说明浊度受温度影响较大 浓度在 月低于标准要求 是由于 月份藻类生长进行呼吸作用 消耗大量的氧气 导致 浓度降低 悬浮物、和色度浓度随时间变化一致 均呈现下降 上升 下降趋势 悬浮物浓度在 月和 月浓度较大是受温度影响 月份 和色度浓度升高是由于温度较低湖体结冰水体流动性差、水体自净能力 年第 期水利规划与设计水文水资源图 各水质指标时空变化低的缘故 月份 浓度升高是水体环境条件有利于氨化菌群的生长及加快其新陈代谢作用 从而水体中 含量升高从空间变化来看 和 浓度变化趋势较为相似 整个湖体中的 和 浓度在庆阳湖中水口和日湖两个监测点变化较大 悬浮物浓度在庆阳湖雨水口和星湖两个监测点浮动较大 在各监测点上变化趋势基本一致 全盐量浓度在日湖和庆阳湖中心浮动较大 是由于庆阳湖中水口和雨水口均为进水口 水流速度相对较快 含盐量随着水流到湖中心 流速减慢 而且从庆阳湖到日湖过流断面缩小会使盐聚集 浊度在各监测点变化范围均在 度之间 且均出现超过标准要求的现象 浓度在庆阳湖中水口、湖中心、雨水口和日湖 个监测点的浓度值处于 /之间 低于标准值/浓度在各监测点上变化较为相似在庆阳湖中水口、星湖浓度变化较大、变化趋势具有相似性 这两个指标浓度在庆阳湖中水口、湖中心、雨水口和日湖 个监测点变化基本一致 且均在星湖监测点变化较大 浓度在星湖和庆阳湖中水口浓度浮动较大 浓度在星湖和庆阳湖雨水口浓度浮动较大 浓度在星湖为/超过标准值/色度在各监测点变化趋势基本一致 均在 度之间水文水资源水利规划与设计 年第 期整体上 全盐量、浊度和 大于标准要求 小于标准要求 其中全盐量、大于 中农田灌溉用水水质基本控制项目标准值要求 浊度大于 再生水水质标准 观赏性景观环境用水(湖泊类)控制指标要求 大于城市污水再生利用/观赏性景观环境用水(湖泊类)指标要求 小于 观赏性景观环境用水(湖泊类)控制指标要求 对鱼类的危害 主要取决于未离解的氨 目前我国尚未制定标准 但有相关试验说明未离解氨达 /时可使鱼类致死 当水中溶解氧低于最低限度时 会引起鱼类窒息死亡 因此 湖体 大于标准要求 小于标准要求 均会造成鱼类死亡 相关性分析整理庆阳湖水系 个监测点的水质监测数据运用 软件 计算水质指标之间的 相关系数 正值代表正相关 负值代表负相关 数值大小代表相关性的高低 各指标间的相关性分析结果见表 结果显示 在显著性水平 上 整个庆阳湖水系 与 呈显著正相关 相关系数为 与、色度、呈显著正相关且与 相关系数最高为 色度与 、呈显著正相关 且与 相关系数最高为 与色度、呈显著正相关 且与色度相关系数最高为 与色度、呈显著负相关 且与色度负相关性最大为 全盐量与、浊度呈显著负相关 且与 负相关性最大为 浊度与全盐量、悬浮物呈显著负相关 且与全盐量负相关性最大为 在显著性水平 上 浊度与、色度呈显著正相关 且与 相关系数最大为 与悬浮物呈显著正相关 相关系数为 全盐量与 呈显著正相关 相关系数为 与、呈显著负相关 且与 负相关性最大为 色度与 呈显著负相关 相关系数为 与全盐量呈显著负相关 相关系数为 水质指标主成分分析基于 年 月 次采样结果 对 个样点中的 项指标进行主成分分析 检验结果为 检验 的成分 累积贡献率达到了(见表)满足主成分分析的原则 说明提取的主成分可以很好地反映庆阳湖水系的水质信息 主成分相关系数大于 的指标被认为和主成分显 著 相 关 第 一 主 成 分 方 差 贡 献 率 为 在、和色度上有较大载荷 载 荷 值 分 别 为 、说明水体富营养化问题比较严重 第二主成分方差贡献率为 在、上有较大载荷 载荷值分别为、有机污染比较严重 第三主成分方差贡献率为 在悬浮物上有较大载荷 载荷值为 第四主成分方差贡献率为 在 上有较大载荷 载荷值为 (见表)表 庆阳湖水系各监测断面水质指标的 相关性分析悬浮物全盐量浊度 色度 悬浮物 全盐量 浊度 色度 注:表示 (双尾检验)表示 月 月 按空间 综合得分星湖 庆阳湖中水口 日湖 庆阳湖中心 庆阳湖雨水口 从评价结果可知 水质较差断面为星湖和庆阳湖中水口 水质较好的断面是庆阳湖雨水口和庆阳湖中心图 庆阳湖水系各断面水质综合评价结果 结论()庆阳湖水系水体呈弱碱性、全盐量、浊度、和 存在超标现象 湖体 超过标准要求 低于标准要求 会造成鱼类死亡()在显著性水平 上 与 呈显著正相关 与、色度、呈显著正相关 与色度、呈显著负相关 在显著性水平 上 浊度与、色度呈显著正相关 与、呈显著负相关()主成分分析法筛选出了、色度、悬浮物和 等 个因子 说明庆阳湖水系水质主要受这 个因子的影响大 从评价结果可知 水质较差断面为星湖和庆阳湖中水口 水质较好的断面是庆阳湖雨水口和庆阳湖中心()庆阳湖水系较为封闭 除庆阳湖中水口、雨水口与外界相连 其余均为水系之间互相连接其水质主要受补给水源以及水塘底泥影响较大 为改善水质 应加强对补给水源水质的管理 定期对底泥进行清理 并加强湖体水系规划 以形成流动性好、自净能力强的水系参考文献 王浩 秦大庸 王建华 等.西北内陆干旱区水资源承载能力研究.自然资源学报():.高雅玉 张新民 田晋华 等.基于 的西峰区沟道雨洪资源可利用量研究.水文():.原永杰.西峰区雨洪资源化利用的思考.甘肃水利水电技术():.庆阳市地方志办公室.庆阳年鉴().西安:陕西人民出版社.高雅玉 张新民 金毅.马莲河流域水资源供需量预测及平衡分析.水资源与水工程学报():.杨阳 胡爱萍.庆阳市水资源现状及供需平衡分析.灌溉排水学报 ():.(下转第 页)科研与管理水利规划与设计 年第 期/.:.():.():./.:.刘颖 刘红燕 范九伦 等.基于深度学习的小目标检测研究与应用综述.电子学报():.():.:.:./.:./.:.:.:/.:./.:./.:./().:.:/.:.:/.:.(上接第 页)于佳真 王晓昌 薛涛 等.西安某人工湖水质时空分布特征及其荧光特性.环境工程学报():.李元红 胡想全 金彦兆 等.甘肃黄土高原区城市雨洪利用途径.中国水利():.何灏川.庆阳市非常规水资源与常规水资源协同配置研究.西北农林科技大学.李娜 杨建 常江 等.不同工艺再生水补给对景观湖水质变化的影响.环境工程学报():.孙栋元 金彦兆 胡想全 等.甘肃黄土高原区主要城市雨洪资源利用潜力.水土保持通报():.顾佳卫 解建仓 赵津 等.四类非传统水资源开发工艺的可视化及可利用量计算.西安理工大学学报():.梁杰 张崇淼 朱聪聪 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