随着生活水平的提高，人们对饮用水水质的要求越来越高，直饮水被列入广东省城市供水发展规划. 河源市万绿湖水域面积370 km²，蓄水量达到139亿 m³，水质常年保持在国家I类地表水标准，广东省计划利用长距离输水工程将万绿湖水引至深圳、东莞及广州等地，为多个城市提供直饮水源. 2012年6月18日，广州和河源两市签订《万绿湖直饮水工程合作协议》，标志着双方从“协议商谈期”进入启动阶段. 万绿湖引水工程将为广州市每年提供2亿 m³的优质水源水.

国内外长距离输水工程有很多，如南水北调、引滦入津、广州的西江引水工程等，虽然可以提供一定的借鉴，但输水水质相对较差、研究重点多集中在输水管的腐蚀及压力安全问题，以地表I类水作为水源关注长距离输水水质的研究较少.

近年由于污染物排放量增加，水源污染问题越来越严重，水源突发性污染的情况也越来越多^[1-3]，常见的有藻类污染^[4-6]、氨氮(NH₄⁺-N)污染^[7]. 另外受污水灌溉、生活污水和工业废水渗漏等因素影响，多处出现亚硝氮(NO₂^–-N)污染的问题^[8].

在长距离输水管道中，管壁生物膜及水中各物质之间存在多种生物化学作用引起水质发生变化. 赵乐乐发现长距离输水管道作为“管道反应器”对总有机碳(TOC)和总磷(TP)具有去除作用^[9]. 张达研究发现输水管道具有硝化作用，会引起水中含氮物质的转化^[10]. 另外，水中溶解氧(DO)含量对生物作用有一定影响，高DO含量能保证生物膜的亚硝化和硝化作用，而当DO较低时更利于反硝化作用，造成亚硝氮大量累积，对饮用者身体健康有害^[11-13].

万绿湖水质优良，但存在遭受突发污染的潜在可能，在长距离输送过程中水质能否保持稳定尚不明确. 因此，选取藻类、NH₄⁺-N和NO₂^–-N 3种常见污染源，研究长距离输水过程的水质变化情况，以期为保障输水水质安全提供依据.

如图1所示，长距离输水模拟试验装置采用管龄为3个月管长50 m的DN200 mm球墨铸铁管及附属构件组成. 装置通水运行45 d使生物膜成熟后进行4组输水试验^[14]，其中1组为万绿湖原水作为空白试验，另外3组为受污染试验. 藻类污染试验条件：小球藻浓度为25万个/L，藻密度符合“蓝藻水华评价分级标准”中规定的第3级要求^[15]；氨氮污染试验条件：投加氯化铵溶液，使初始NH₄⁺-N浓度达到2.80 mg·L^–1，适当超出地表V类水的限值(2.0 mg·L^–1)；亚硝酸盐污染试验条件：投加NaNO₂溶液，使NO₂^–-N浓度达到0.38 mg·L^–1，超出我国一类水司暂行水质目标(0.10 mg·L^–1).4组试验均投加NaClO使氯浓度达到1.0 mg·L^–1进行预氯化处理^[16-17]. 输水流速控制在0.6 m/s，最长输水时间为100 h，输水距离216 km.

万绿湖原水水质见表1，水温在17.5~19 ℃之间.

主要水质检测指标和检测方法^[18]见表2.

图 1(Figure 1)

图 1 模拟装置图 Figure 1 Schematic diagram of the simulator

表 1(Table 1)

表 1 万绿湖原水水质 Table 1 Raw water quality of Wanlv Lake 序号 指标名称 数值 1 pH 7.48 2 浊度/NTU 0.56 3 溶解氧/(mg·L–1) 8.27 4 NH4+-N/(mg·L–1) 0.125 5 NO2–-N/(mg·L–1) 0.0041 6 NO3–-N/(mg·L–1) 0.056 7 总氮/(mg·L–1) <0.15 8 总磷/(mg·L–1) <0.005 9 UV254 0.014

表 1 万绿湖原水水质 Table 1 Raw water quality of Wanlv Lake

表 2(Table 2)

表 2 检测指标、方法及主要仪器 Table 2 Detection indexes, testing methods and instrument 指标 检测方法及主要仪器 pH 玻璃电极法，上海雷磁PHS-3C型pH计 溶解氧 便携式溶解氧仪，Thermo Orion 310D 浊度 便携式浊度计法，Hach 2100P NH4+-N 纳氏试剂光度法，T6紫外可见分光光度计 NO2–-N 对氨基苯磺酸与α-萘胺比色法 NO3–-N 紫外分光光度法，T6紫外可见分光光度计

表 2 检测指标、方法及主要仪器 Table 2 Detection indexes, testing methods and instrument

如图2所示，4个试验组的DO均出现了不同程度的下降，除NO₂^–-N污染组外均低于I类水标准(7.5 mg·L^–1). 其中氨氮污染组的下降量最大，结合图3中NO₃^–-N沿程升高，图4所示NH₄⁺-N浓度在输送过程中迅速下降的现象，可知硝化作用成主导消耗的氧量最大. 受亚硝酸盐污染时，结合图5知NO₂^–-N浓度在前期保持平稳，经45 h后下降明显，部分NO₂^–-N转化为NH₄⁺-N，释放了一定的氧量，致使氧的总体消耗量最低. 因此，管道中的氧化还原反应和微生物的代谢作用引起了水中的DO的变化，且由于管线沿程封闭，长时间得不到大气复氧补充，致使水中DO下降.

图 2(Figure 2)

图 2 DO随时间的变化情况 Figure 2 Variation of DO with time

图 3(Figure 3)

图 3 NO3–-N随时间的变化情况 Figure 3 Variation of NO3–-N with time

NO₃^–-N、NH₄⁺-N和NO₂^–-N含量沿程变化分别如图3、4和5所示.图3中，藻类污染组由于本身含氮元素使得初始NO₃^–-N含量较高，但在输水过程中下降较快，经过76 h从1.76 mg·L^–1降至0.4 mg·L^–1，对应图4及图5中NH₄⁺-N和NO₂^–-N均沿程显著上升，表明藻类持续利用NO₃^–-N作为氮源生成NH₄⁺-N和NO₂^–-N.

图 4(Figure 4)

图 4 NH4+-N随时间的变化情况 Figure 4 Variation of NH4+-N with time

由图4可见，氨氮污染组的NH₄⁺-N由初始的2.80 mg·L^–1降至1.07 mg·L^–1，降比为61.79%.图3和图5中的NO₃^–-N和NO₂^–-N浓度在前40 h都呈现升高趋势，这是由于输水前期DO浓度较高，硝化作用相较于氨化和反硝化作用呈主导.

图 5(Figure 5)

图 5 NO2–-N随时间的变化情况 Figure 5 Variation of NO2–-N with time

图5中亚硝酸盐污染组NO₂^–-N浓度从0.385 mg·L^–1下降至0.123 mg·L^–1，降比为68.05%，表明长距离输水管道由于微生物的生物化学作用具有降低NO₂^–-N的能力.

结合图3、4、5，空白对照组在输送100 h的过程中水质保持稳定，三氮含量基本无变化. 受污染试验组三氮含量受到微生物的代谢作用互相转化，转化浓度受到多方面因素的影响，如微生物种类及含量、溶解氧含量、水体pH值大小等. 本实验3个污染组NH₄⁺-N超出地表Ⅰ类水要求(0.15 mg·L^–1)的限值，NO₂^–-N含量都在0.1 mg·L^–1左右，远大于空白组数值.

余氯变化如图6. 氯的衰减速率与水温、有机物和菌落总数等多种因素有关. 4组试验均为沿程下降趋势，其中藻污染组和氨氮污染组的余氯衰减速率稍微高于空白值，亚硝酸盐污染组由于前面述及的含氧量较高的特点引起余氯衰减速率减慢. 因此，对于优质水源水，由于有机物含量少，余氯的衰减速率主要和时间有关.

图 6(Figure 6)

图 6 余氯随时间的变化情况 Figure 6 Variation of residual chlorine with time

(1) 万绿湖水在球墨铸铁管模拟系统中经长距离输送100 h过程中水质稳定性较高，出水水质能保持在地表I类水水平.

(2) 长距离输水管道对藻类造成的污染降解能力有限，输水过程中NH₄⁺-N、NO₂^–-N和浊度均呈明显升高趋势.

(3) 模拟管道对低浓度的NH₄⁺-N和NO₂^–-N污染均有较好的去除效果，输水100 h去除率可分别达到61.79%和68.05%.

(4) 藻类、氨氮、亚硝酸盐污染均会对输水管道水质造成一定程度的NO₂^–-N积累.