李萬(wàn)智 楊進(jìn)新 石維新 李振海
摘要:南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)調(diào)蓄工程思路優(yōu)化了南水北調(diào)中線總體布局,實(shí)現(xiàn)了南北聯(lián)調(diào)、豐枯相濟(jì),同時(shí)恢復(fù)密云水庫(kù)在供水任務(wù)中的重要地位,提高了北京水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備。由于丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)分屬于兩個(gè)不同的流域,且分別位于兩個(gè)氣候區(qū),因此水體水質(zhì)可能存在一定的差異。為避免調(diào)水可能帶來(lái)的水質(zhì)及水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),在前期設(shè)計(jì)階段與相關(guān)單位聯(lián)合開展了兩庫(kù)水質(zhì)調(diào)查、水質(zhì)混合試驗(yàn),構(gòu)建密云水庫(kù)平面二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:工程運(yùn)行后兩庫(kù)水混合,對(duì)密云水庫(kù)的水質(zhì)、水溫及其他理化指標(biāo)沒有產(chǎn)生不利影響,密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)整體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)將逐年改善,調(diào)南水入密云水庫(kù)有利于改善現(xiàn)狀密云水庫(kù)常年低水位運(yùn)行所面臨的富營(yíng)養(yǎng)化、水質(zhì)惡化等問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:影響評(píng)價(jià);水環(huán)境;水質(zhì);密云水庫(kù);南水北調(diào)
中圖分類號(hào):TV68
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.018
南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)調(diào)蓄工程從團(tuán)城湖取水,通過(guò)京密引水渠新建6級(jí)泵站反向輸水至懷柔水庫(kù),輸水流量20 m3/s,渠道總長(zhǎng)73 km。經(jīng)懷柔水庫(kù)調(diào)節(jié),部分水回補(bǔ)水源地,10 m3/s流量的水再經(jīng)3級(jí)加壓后反向送人密云水庫(kù)。輸水線路全長(zhǎng)103 km.總揚(yáng)程132.85 m。平均每年約有3.6億m3水量可調(diào)往密云水庫(kù)或回補(bǔ)水源地。密云水庫(kù)庫(kù)水位將由136.08 m(2014年7月底蓄水量10.58億m3)抬升至汛限水位152.00 m[l]。由于丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)分屬于兩個(gè)不同的流域,且分別位于兩個(gè)氣候區(qū),因此水體水質(zhì)可能存在一定的差異。另外,隨著調(diào)水工程的實(shí)施,密云水庫(kù)水位逐漸抬升,水面面積不斷加大,庫(kù)區(qū)整體水流流速和庫(kù)流形態(tài)可能發(fā)生變化[2]。因此,需要客觀分析南水進(jìn)入密云水庫(kù)后在不同時(shí)間段對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)的空間分布影響范圍和程度,評(píng)價(jià)密云水庫(kù)混合南水后的水質(zhì)變化,并提出水質(zhì)保障、風(fēng)險(xiǎn)防范合理化建議。
1 丹江口水庫(kù)水質(zhì)調(diào)查
丹江口水庫(kù)水質(zhì)情況來(lái)自于《南水北調(diào)中線一期工程環(huán)境影響復(fù)核報(bào)告書》(以下簡(jiǎn)稱“中線復(fù)核報(bào)告”)中2004年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和2012年4月水利部水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。中線復(fù)核報(bào)告中2004年水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)包括pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總氮、總磷、砷、銅、鎘、鉛、錳、汞、鋅、氰化物、揮發(fā)酚、石油、陰離子表面活性劑和糞大腸菌群等,從評(píng)價(jià)結(jié)果看,水質(zhì)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值。
2012年4月,水利部水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心考慮到丹江口水庫(kù)為飲用水源地,進(jìn)行了除常規(guī)指標(biāo)以外的有毒有機(jī)物指標(biāo)采樣分析。在水庫(kù)共設(shè)置了陶岔和壩前兩個(gè)采樣斷面,每個(gè)斷面分別設(shè)左、中、右3個(gè)采樣點(diǎn)。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括21項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(pH、色度、礦化度、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度、酸度、總堿度、碳酸鹽堿度、重碳酸鹽堿度、氨氮、總磷、總氮、硝酸鹽氮、氯化物、氟化物、硫酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂、硫化物),8項(xiàng)重金屬元素(鐵、汞、銅、鋅、鉛、鎘、砷、硒),以及揮發(fā)性有機(jī)物VOCs、有機(jī)氯化物(百菌清、六六六HCHs、滴滴涕DDTs、多氯聯(lián)苯PCBs等)、有機(jī)磷和其他半揮發(fā)性有機(jī)污染物等共計(jì)66項(xiàng)。部分監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1、表2。
由表1、表2可以看出:丹江口水庫(kù)表層水樣滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》( GB5749-2006)。對(duì)照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002),除總氮和汞超標(biāo)外,其他指標(biāo)均能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明丹江口水庫(kù)存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)和富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn):丹江口水庫(kù)表層水樣中揮發(fā)性有毒有機(jī)物、有機(jī)氯化合物、有機(jī)磷及其他半揮發(fā)性有毒有機(jī)物的濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值,說(shuō)明由此引起的健康風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。
2 密云水庫(kù)水質(zhì)調(diào)查及評(píng)價(jià)
密云水庫(kù)水質(zhì)分析依據(jù)1990-2011年北京水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和2012年4月水利部水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
(1)監(jiān)測(cè)斷面。密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)常設(shè)8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),分別為白河主壩、庫(kù)西、套里、恒河、庫(kù)東、金溝、水源九廠和潮河主壩,如圖1所示。
(2)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)包括水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、鐵和錳等29項(xiàng),部分監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1、表2。
可以看出:密云水庫(kù)表層水樣滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》( GB5749-2006)。對(duì)照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002),除總氮和汞超標(biāo)外,其他指標(biāo)均能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明密云水庫(kù)存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)和富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。密云水庫(kù)表層水樣中揮發(fā)性有毒有機(jī)物、有機(jī)氯化合物、有機(jī)磷及其他半揮發(fā)性有毒有機(jī)物的濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002)規(guī)定的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值,說(shuō)明由此引起的健康風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。
3 丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)水質(zhì)混合試驗(yàn)
3.1 常規(guī)指標(biāo)混合試驗(yàn)
從兩庫(kù)水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況來(lái)看,丹江口水庫(kù)的氨氮、氟化物、氯化物、硫酸鹽、鈉、總硬度、鉀、鎂、礦化度、碳酸鹽堿度、重碳酸鹽堿度、總堿度均比密云水庫(kù)的相應(yīng)指標(biāo)低,兩庫(kù)水體的pH值、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、硫化物、鈣離子濃度5項(xiàng)指標(biāo)差別不顯著,而丹江口水庫(kù)硝酸鹽氮、總氮濃度要高于密云水庫(kù)的。丹江口水庫(kù)總氮濃度高于密云水庫(kù)的原因主要是丹江口水庫(kù)的硝酸鹽氮濃度明顯高于密云水庫(kù)的,丹江口水庫(kù)硝酸鹽氮濃度偏高原因主要是長(zhǎng)江流域水體硝酸鹽氮背景值偏高。
根據(jù)工程調(diào)水方案,從2014年到2019年逐年向密云水庫(kù)調(diào)水3億-4億m3,共計(jì)17.9億m3。密云水庫(kù)現(xiàn)有庫(kù)水約10億m3,到2019年將達(dá)到防洪限制水位152.0 m,按此調(diào)水方案確定水體混合比例,分別為1:2、1:1和2:1(丹江口水庫(kù)水體:密云水庫(kù)水體),進(jìn)行3組混合試驗(yàn)。為反映不同水體混合比例下水質(zhì)的變化,混合試驗(yàn)停留時(shí)間分別為1、5、10 d。
兩庫(kù)水樣按比例混合后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表3-表5?;旌媳壤尚〉酱髸r(shí),氟離子、氯離子、硫酸根離子、鈉離子、鎂離子和鉀離子濃度呈下降態(tài)勢(shì),表明兩種原水混合后,主要的陰陽(yáng)離子組分發(fā)生了物理混合作用。
綜上所述,丹江口水庫(kù)水體中大多數(shù)化學(xué)組分濃度低于密云水庫(kù)的,是優(yōu)質(zhì)的地表水,適合作為飲用水源?;旌显囼?yàn)體現(xiàn)了丹江口水庫(kù)地表水與密云水庫(kù)地表水之間較為顯著的物理混合特征,雖然水質(zhì)混合后引起陰陽(yáng)離子濃度升高,但滿足飲用水要求。由于丹江口水庫(kù)硝酸鹽氮和總氮濃度高于密云水庫(kù)的,混合試驗(yàn)表現(xiàn)出兩項(xiàng)指標(biāo)濃度升高,因此蓄水工程要預(yù)防密云水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的出現(xiàn)。
3.2 重金屬指標(biāo)混合試驗(yàn)
丹江口水庫(kù)與密云水庫(kù)中重金屬元素含量對(duì)比(密云/丹江口)見圖2??梢钥闯?,密云水庫(kù)水體中鐵、汞、銅、鎘、砷和硒含量略高于丹江口水庫(kù),而密云水庫(kù)水體中鋅和鉛含量略低于丹江口水庫(kù)。丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)重金屬含量基本相當(dāng),均遠(yuǎn)低于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)( GB5749-2006)規(guī)定的限制。
為了驗(yàn)證丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)原水混合對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)的影響,以兩水庫(kù)混合水樣為研究對(duì)象,通過(guò)測(cè)定兩水庫(kù)原水混合水樣在不同混合時(shí)間下的重金屬元素含量變化,來(lái)初步確定水樣的混合作用對(duì)密云水庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生的影響。不同時(shí)間混合后的水樣中重金屬元素濃度測(cè)定結(jié)果見圖3。可以看出,由于丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)水體中重金屬元素含量都很低,兩庫(kù)地表水混合后重金屬指標(biāo)除了銅、鋅和鉛外,其他元素濃度隨混合時(shí)間的延長(zhǎng)都有所降低,因此可以初步確定南水調(diào)入密云水庫(kù)后重金屬風(fēng)險(xiǎn)較小。
綜上所述,丹江口水庫(kù)和密云水庫(kù)地表水中多數(shù)重金屬濃度很低,符合GB5749-2006標(biāo)準(zhǔn)限制。混合試驗(yàn)表明,兩庫(kù)水體混合后重金屬含量沒有出現(xiàn)顯著升高現(xiàn)象,鐵、汞、鎘、砷和硒濃度隨混合時(shí)間的延長(zhǎng)均有所降低,因此調(diào)水后密云水庫(kù)供水的重金屬風(fēng)險(xiǎn)較小。
4 調(diào)水對(duì)密云水庫(kù)水環(huán)境的影響
為預(yù)測(cè)調(diào)水后密云水庫(kù)水環(huán)境變化及其富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì),基于密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)的自然環(huán)境特征、水質(zhì)空間分布特點(diǎn)和庫(kù)區(qū)水動(dòng)力特性,選取Mike21水動(dòng)力模型(HD)和對(duì)流擴(kuò)散模型(AD)構(gòu)建密云水庫(kù)平面二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,并將2009年資料用于模型參數(shù)率定,2010年資料用于模型參數(shù)驗(yàn)證。從庫(kù)區(qū)環(huán)流形態(tài)、水流流速大小及現(xiàn)狀年庫(kù)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)年內(nèi)水質(zhì)變化過(guò)程模擬結(jié)果來(lái)看,構(gòu)建的密云水庫(kù)平面二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型具有較高的精度,能夠滿足南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)后庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化及其影響預(yù)測(cè)的需要。
(1)數(shù)學(xué)模型的建立。采用Mike2IHD模型模擬二維非恒定流運(yùn)動(dòng),表達(dá)式為
根據(jù)計(jì)算區(qū)域的大小,初步確定密云水庫(kù)計(jì)算網(wǎng)格尺寸為150 mx150 m,個(gè)數(shù)超過(guò)2萬(wàn)。計(jì)算水質(zhì)指標(biāo)大于4個(gè),方程采用有限體積法進(jìn)行求解。
(2)計(jì)算工況初步設(shè)計(jì)。根據(jù)丹江口水庫(kù)不同典型年75%、50%及25%保證率的調(diào)水量,對(duì)應(yīng)密云水庫(kù)的不同典型年水文及水環(huán)境條件,分析調(diào)水對(duì)密云水庫(kù)水體的影響。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究枯水期和豐水期密云水庫(kù)水體水質(zhì)變化。分別計(jì)算現(xiàn)狀水平年和設(shè)計(jì)水平年庫(kù)區(qū)水動(dòng)力學(xué)變化特性和各水質(zhì)指標(biāo)的變化特征。
(3)邊界條件。密云水庫(kù)水流運(yùn)動(dòng)主要受風(fēng)力驅(qū)動(dòng),常年主導(dǎo)風(fēng)向(SW)和多年平均風(fēng)速(2.24 m/s)下庫(kù)區(qū)水流流速約為0.86 cm/s;常年次主導(dǎo)風(fēng)向(NE)和多年平均風(fēng)速(2.51 m/s)下庫(kù)區(qū)水流流速約為0.90cm/s。受庫(kù)區(qū)蓄水和南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)的影響,庫(kù)區(qū)水面面積逐步增大,風(fēng)場(chǎng)對(duì)庫(kù)區(qū)表層水體的驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng),但隨著庫(kù)區(qū)水位逐步升高、水深增大,風(fēng)場(chǎng)對(duì)庫(kù)區(qū)水體的整體驅(qū)動(dòng)能力有所減弱,庫(kù)區(qū)水流流速趨緩。南水北調(diào)來(lái)水對(duì)庫(kù)區(qū)整體水流流速和庫(kù)流形態(tài)影響非常小。
基于密云水庫(kù)流域十多個(gè)代表性雨量站多年降雨資料,并結(jié)合潮河和白河長(zhǎng)系列入庫(kù)流量資料,綜合確定1996年、1997年和2002年為密云水庫(kù)流域豐、平、枯典型水文年的代表年型,再采用經(jīng)過(guò)模型參數(shù)調(diào)試與校準(zhǔn)的HSPF,預(yù)測(cè)各典型水文年水情條件下蓄水期間密云水庫(kù)匯水區(qū)入庫(kù)污染物量及其時(shí)空分布狀況。綜合庫(kù)區(qū)降雨降塵量和庫(kù)區(qū)內(nèi)源釋放量研究成果,蓄水期間密云水庫(kù)入庫(kù)水量及污染物總量分別為:豐水年水量6.53億m3/a、總氮總量2 275 t/a、總磷總量44.8 t/a、高錳酸鹽總量1 946 t/a;平水年水量3.54億m3/a、總氮總量1 349 t/a、總磷總量28.9 t/a、高錳酸鹽總量1 289 t/a;枯水年水量1.74億m3/a、總氮總量886 t/a、總磷總量23.2 t/a、高錳酸鹽總量902 t/a。
(4)模擬結(jié)果。在確定上述邊界條件的基礎(chǔ)上,通過(guò)模型預(yù)測(cè)得到如下結(jié)論:
南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)調(diào)蓄后,枯水年蓄水期末密云水庫(kù)高錳酸鹽濃度基本不變(均為1.87 mg/L),總磷濃度略有改善,由補(bǔ)水前0.009 mg/L下降到補(bǔ)水后0.008 mg/L;總氮濃度略有升高,由補(bǔ)水前0.60 mg/L變?yōu)檠a(bǔ)水后的0.64 mg/L。平水年蓄水期末密云水庫(kù)高錳酸鹽和總氮濃度在補(bǔ)水后基本不變(補(bǔ)水前后高錳酸鹽濃度均為1.79 mg/L.總氮濃度均為0. 69 mg/L),總磷濃度略有改善(由補(bǔ)水前0.009 mg/L下降到補(bǔ)水后0.008 mg/L)。豐水年高錳酸鹽在補(bǔ)水后基本不變(高錳酸鹽濃度均為1.67 mg/L),總磷和總氮濃度均有一定程度的改善(總磷濃度由補(bǔ)水前0.009 mg/L下降到補(bǔ)水后0.007 mg/L,總氮濃度由補(bǔ)水前0.76 mg/L下降到補(bǔ)水后0.74 mg/L)。南水北調(diào)來(lái)水后,密云水庫(kù)高錳酸鹽、總磷、總氮指標(biāo)水質(zhì)類別分屬I類、I類和Ⅲ類。
現(xiàn)狀年密云水庫(kù)各水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值為34 -41,都處于中營(yíng)養(yǎng)水平,其中金溝和庫(kù)東兩站的評(píng)分(綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)≥40)明顯高于其他站點(diǎn),表明金溝和庫(kù)東所在庫(kù)區(qū)發(fā)生水華的概率明顯大于其他監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所代表的庫(kù)區(qū):5種營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)中,葉綠素a和總氮的評(píng)分明顯高于其他3個(gè)指標(biāo),同時(shí)表明總磷是當(dāng)前密云水庫(kù)發(fā)生水華的限制性營(yíng)養(yǎng)因子。至蓄水期末,不同設(shè)計(jì)水情條件下密云水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)為30- 31,屬中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平,并處于貧營(yíng)養(yǎng)與中營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的臨界點(diǎn),較蓄水前(現(xiàn)狀年)的庫(kù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)值(36)下降5-6,降幅為14.8% - 17.0%,較密云水庫(kù)多年平均值(35)下降4-5,降幅為10.5% - 12.8%。南水北調(diào)來(lái)水入庫(kù)后,蓄水期末各年型下庫(kù)區(qū)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值均為30,處于貧營(yíng)養(yǎng)與中營(yíng)養(yǎng)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的臨界點(diǎn)。受庫(kù)區(qū)引水和蓄水的共同影響,蓄水期間庫(kù)區(qū)的整體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)將呈逐年改善趨勢(shì),其中枯水年改善趨勢(shì)相對(duì)最好。
5 結(jié)語(yǔ)
密云水庫(kù)是北京最為重要的地表水源地,水質(zhì)問(wèn)題敏感,南水進(jìn)入密云水庫(kù)后對(duì)其水質(zhì)、水環(huán)境等是否造成不利影響,是建設(shè)密云水庫(kù)調(diào)蓄工程的決定性因
(下轉(zhuǎn)第99頁(yè))(上接第93頁(yè))素。通過(guò)開展專項(xiàng)研究表明,隨著工程建成運(yùn)行,密云水庫(kù)蓄水量逐年增大,對(duì)水質(zhì)、水溫及其他水體理化指標(biāo)、重金屬等沒有產(chǎn)生不利影響,隨著密云水庫(kù)蓄水量的增大,密云水庫(kù)現(xiàn)狀存在的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題逐年改善,因此該工程的建設(shè)對(duì)密云水庫(kù)有利。工程建成后密云水庫(kù)的水質(zhì)等監(jiān)測(cè)一直在進(jìn)行,監(jiān)測(cè)成果與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致,密云水庫(kù)水體水質(zhì)一直維持在地表水Ⅱ類,滿足飲用水水源要求。
參考文獻(xiàn):
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