青草沙水库位于长江口南北港分流口下方的一个冲积沙洲, 面积约66km², 有效库容4.35亿m³。按1978~1979年长江最不利水文条件计算, 水库设计连续不宜取水天数为68d^[1]。该水库是一个相对封闭的浅水型水库, 其特定的水力条件致使当水中氮磷等营养盐达到一定积累后, 较易触发藻类的异常增殖, 而降低水源的可利用性和安全性, 影响水厂的正常运转^[2~4]。因此, 青草沙水库藻类的预警, 对保障水源地水质安全十分必要。在水库中选取合适的藻类预警点位, 是快速准确预警藻类剧增的基础。

　　 监测点位的设定需满足空间均匀布设, 考虑水流方向以及现有藻类剧增点、目前水库已有监测点、已确定的进出水口、岸边站等已存在的监测点位。在综合考虑以上因素的基础上, 利用水力模型模拟了水库水流状态并参照相关文献^[5], 确定了库区15个点位 (见图1) 作为水质监测点位;另外考虑库外水质的影响, 库外进水口处设一个监测点位0, 共计16个监测点位。不仅涵盖了库首 (0#) 、垦区 (1#~6#) 、库中 (7#~13#) 及库尾 (14#、15#) , 还兼顾了深水区 (13#~15#) 及浅水区 (2#、4#、6#、7#、10#) 。

　　 各监测点位进行了连续两年 (2013年2月~2014年12月) 的采样及监测, 频率为每月一次。根据《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) ^[6]及《湖泊 (水库) 富营养化评价方法及分级技术规定》^[7]选取高锰酸钾指数 (COD_Mn) 、总氮 (TN) 、总磷 (TP) 、氨氮 (NH₃-N) 、溶解氧 (DO) 、透明度 (SD) 及叶绿素a (chl-a) 等作为监测指标。根据《水和废水监测分析方法》 (第四版) , 各指标对应的测量方法如表1所示。

　　 在监测点位中14#点位与15#点位距离下游输水泵站取水口较近, 考虑一定的预警操作时间, 保证15#点位及时关闸, 使藻浓度含量高的原水不会进入输送管道, 选取14#点位作为优化藻类预警点位的基点。

　　 根据《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 及《湖泊 (水库) 富营养化评价方法及分级技术规定》将监测指标分为两个物元组, 即:

　　 (1) 物元组一:DO、COD_Mn、NH₃-N、TP、TN。

　　 (2) 物元组二:chl-a、TP、TN、SD、COD_Mn。

　　 两个物元组选定指标的监测数据, 经一系列优化分析过程并结合水库流场模拟, 确定藻类预警点位, 具体优化方法如图2所示。

　　 采用SPSS相关性分析研究各点位的监测指标与14#点位的相关性, 结果见表2所示。

　　 根据表2中各点位不同监测指标与14#点位相关性情况, 对各监测点位与14#点位的相关性进行综合排名 (由高到低) 依次为:15#、13#、12#、11#、10#、9#、8#、7#、6#、5#、3#。15#点位与14#点位的相关性最强, 进一步证实了选择14#点位作为优化过程基点的可行性, 但15#点位位于14#点位下游, 不具有预警作用, 故在后续优化分析过程中舍弃。

　　 将物元组一与物元组二中的各监测指标按照式 (1) 进行计算, 计算结果见表3。

　　 式中w_j———第j项监测指标的权重;

　　 s_j———第j项监测指标等级限值的平均值;

　　 x_j———第j项监测指标最佳理想点与最次理想点的均值。

　　 利用各点位监测指标与14#点位的相关性及各指标权重综合分析物元组一及物元组二的各采样点监测指标的Σ (相关性×权重) , 见表4、表5。

　　 根据表4物元组一中各项指标Σ (相关性×权重) 的计算结果, 与14#点位综合相关性较大[Σ (相关性×权重) >0.6]的点位依次为: (13#、12#) 、 (5#、7#、8#、9#、15#) 、 (10#、11#) 。根据表5物元组二中各项指标Σ (相关性×权重) 的计算结果, 与14#点位综合相关性较大[Σ (相关性×权重) >0.6]的点位依次为: (7#、11#、12#、13#、15#) 。

　　 叶绿素a含量是水体藻类现存量估算的重要指标^[8], 因此藻类预警攸关点位的确定, 需在分析两个物元组中各指标综合相关性的基础上, 考虑各监测点位在指标叶绿素a上与14#点位的相关性。由表2得, 在指标叶绿素a上各监测点位与14#点位的相关性由高到低依次为11#、3#、7# (15#点位由于位于14#点位下游被摒除) 。综上所述, 选择7#、11#作为14#点位的攸关点位。

　　 在富营养化指标条件下, 各点位与7#点位的相关性及各指标的综合权重分析见表6 (下游点位不计) 。

　　 由表6可见, 对7#点位有预警作用的点位依次为:8#、5#、3#、1#。

　　 在富营养化指标条件下, 各点位与11#点位的相关性及各指标的综合权重分析见表7 (下游点位不计) 。

　　 由表7可见, 对11#点位有预警作用的点位依次为:7#、9#、12#、5#、3#。

　　 对预警攸关点位7#点位及11#点位进行优化分析后, 建议7#、8#、9#点位作为青草沙水库藻类预警点位。

　　 根据水质对青草沙藻类预警点位进行了选择及优化, 认为7#、8#、9#点位可作为青草沙水库藻类预警点位。而藻类的剧增同时会受到水体流态的影响, 因此模拟了在东南风 (夏季盛行风) 下, 水库的流场情况 (如图2所示) 。结果表明南北水道两股水流的汇合点恰为9#点位。

　　 综合水流、水质两方面因素, 最终选择9#点位作为青草沙水库出水口的藻类预警点位。该预警点位与水库出水口距离较远, 监测出藻类剧增后, 有充分的时间进行调水、提高水位等人为干预, 保证水厂取水口处水质的安全。

　　 (1) 根据《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 及《湖泊 (水库) 富营养化评价方法及分级技术规定》选定7个对藻类剧增影响较大的水质指标, 将其用于青草沙水库的藻类预警点位优化, 通过相关性分析及权重计算综合分析, 选择7#、11#作为14#点位 (出水口) 的攸关点位。

　　 (2) 通过对预警攸关点位7#点位及11#点位的优化分析, 并综合考虑水体流态对藻类剧增的影响, 在模拟夏季盛行风下水库的流态情况, 最终选择9#点位作为青草沙水库出水口的藻类预警点位。