朱國(guó)建，張盼偉

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然的影響程度越來(lái)越深，河流、湖泊受到人類(lèi)活動(dòng)的影響越來(lái)越大，目前我國(guó)部分河流和湖泊已經(jīng)受到人類(lèi)活動(dòng)的嚴(yán)重影響，許多湖泊、水庫(kù)出現(xiàn)了富營(yíng)養(yǎng)化、重金屬及有機(jī)污染物的污染。水庫(kù)作為一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，具有河流與湖泊的混合特性，其在我國(guó)供水水網(wǎng)中具有很多特殊功能，人類(lèi)飲水、農(nóng)業(yè)灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖等生產(chǎn)、生活活動(dòng)越來(lái)越依賴(lài)于水庫(kù)供水[1- 3]，尤其在我國(guó)西北干旱地區(qū)，由于降水稀少，河流徑流量小，天然湖泊稀缺，因此，水庫(kù)在供水、農(nóng)業(yè)灌溉方面必將發(fā)揮著極其重要的作用，其水質(zhì)要求也必然十分嚴(yán)格。在水庫(kù)人為調(diào)度過(guò)程中，蓄水排水使其成為高度動(dòng)態(tài)而又復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)[4]，庫(kù)底沉積物與上層水體之間發(fā)生著較強(qiáng)烈的物質(zhì)與能量交換[5]。目前，針對(duì)天然湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的形成機(jī)制、治理對(duì)策方面的研究已經(jīng)很多[6- 8]，但對(duì)供水水庫(kù)中錳超標(biāo)及控制措施方面的研究還較少，對(duì)我國(guó)西北干旱區(qū)水庫(kù)水體中錳超標(biāo)的研究更少。本研究以我國(guó)西北地區(qū)某典型水庫(kù)為研究對(duì)象，探討西北干旱區(qū)典型水庫(kù)水體錳超標(biāo)原因，并與國(guó)內(nèi)外水庫(kù)錳超標(biāo)情況進(jìn)行比較分析，提出相應(yīng)的防治與治理對(duì)策。

1 水中錳超標(biāo)危害及我國(guó)部分水庫(kù)錳超標(biāo)狀況

1.1 水體錳超標(biāo)的危害

錳是人體必需的微量元素之一，飲用水中含有低濃度錳時(shí)，一般對(duì)人體無(wú)害。但是人體長(zhǎng)期攝入過(guò)量的錳元素就有可能誘發(fā)許多疾病，如出現(xiàn)慢性中毒癥狀、食欲不振、骨質(zhì)疏松等疾病，甚至還會(huì)影響人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)；我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中規(guī)定飲用水中錳的標(biāo)準(zhǔn)限值為0.1mg/L，當(dāng)水體中錳的含量超過(guò)0.3mg/L時(shí)，能使水體產(chǎn)生異味，色度也發(fā)發(fā)生改變[9]。當(dāng)水體中錳的含量超過(guò)1.0mg/L時(shí)，水體的色度就會(huì)明顯增加，而且水中會(huì)產(chǎn)生明顯的金屬氣味。在城市供水行業(yè)中，含有高濃度錳元素的水源水會(huì)造成制水成本升高，同時(shí)還會(huì)縮短輸水管道使用壽命，降低出廠水和管網(wǎng)水質(zhì)，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益方面造成一定程度的負(fù)面影響。

1.2 我國(guó)部分水庫(kù)錳超標(biāo)狀況

已有研究結(jié)果表明，我國(guó)有許多供水水庫(kù)都出現(xiàn)過(guò)水體錳超標(biāo)情況，水庫(kù)中錳的分布隨季節(jié)、水溫分層而變化，在水庫(kù)水體中會(huì)呈現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，水庫(kù)水體中錳濃度較高的區(qū)域一般在水庫(kù)的中、下層，主要與水庫(kù)底部缺氧、pH值下降有關(guān)，由于水庫(kù)底部氧氣減少，水庫(kù)底部的氧化還原環(huán)境發(fā)生改變，水庫(kù)底部還原作用占據(jù)優(yōu)勢(shì)，造成已經(jīng)沉積于沉積物中的錳向上覆水體中釋放[10]，如貴陽(yáng)市阿哈水庫(kù)[11]、揭陽(yáng)市某水庫(kù)[12]、保定市西大洋水庫(kù)[13]、石家莊崗南水庫(kù)[14]、福建古田溪水庫(kù)[15]、臺(tái)州市長(zhǎng)潭水庫(kù)[16]、合肥市大房郢水庫(kù)[9]、南寧市峙村河水庫(kù)[17]等都出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象。

表1 我國(guó)部分水庫(kù)錳超標(biāo)狀況

2 研究區(qū)概況及水質(zhì)狀況

2.1 研究區(qū)概況

該水庫(kù)位于我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)，水庫(kù)屬地氣候干旱，年平均降水量為251.6mm，年平均蒸發(fā)量為1543.8mm，11月到來(lái)年3月屬于低溫天氣，常有積雪覆蓋，最低氣溫達(dá)-30℃，具有典型的大陸干旱氣候特征，發(fā)育的河流水量逐漸變小，水資源量匱乏。

水庫(kù)為飲用水地表水源一級(jí)保護(hù)區(qū)，由人工建壩四面圍筑而成的平原注入式水庫(kù)，蓄水期自每年5月開(kāi)始，至9月蓄水結(jié)束。目前庫(kù)容為0.91億m3，水庫(kù)水面面積24km2，全年入庫(kù)水量1.20億m3。水庫(kù)主體工程建設(shè)內(nèi)容包括：均質(zhì)土壩、放水兼放空涵洞、入庫(kù)渠道、供退水渠等，屬大(2)型水庫(kù)[18]。水庫(kù)為周邊工農(nóng)業(yè)及部分城市供水，年供水量1.5億m3，供水方式采用底部供水。水庫(kù)水循環(huán)較慢，內(nèi)源污染會(huì)對(duì)水環(huán)境帶來(lái)不良影響。

2.2 水庫(kù)水質(zhì)狀況

該水庫(kù)水體水質(zhì)整體感官較好，水體較清澈。為更好的了解水庫(kù)水體的水質(zhì)狀況，2021年8月在水庫(kù)取水口采集表層水樣，對(duì)水體29項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)取水口表層水體各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

由于水庫(kù)采用的是底層供水方式，水庫(kù)管理部門(mén)在2021年7月～8月對(duì)水庫(kù)底層水體進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)，根據(jù)庫(kù)區(qū)供水管理部門(mén)提供的水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)整體水質(zhì)指標(biāo)較好，但是作為集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目的錳指標(biāo)，出現(xiàn)了持續(xù)季節(jié)性超標(biāo)現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。

依據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)對(duì)該水庫(kù)供水錳指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，超標(biāo)倍數(shù)按下式計(jì)算。

表2 水庫(kù)出水表層水質(zhì)指標(biāo)

圖1 水庫(kù)底層水體錳及標(biāo)準(zhǔn)限值

(1)

式中，Bi—水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)倍數(shù)；Ci—水質(zhì)項(xiàng)目超標(biāo)濃度，mg/L；Si—水質(zhì)項(xiàng)目的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/L。

地表水中錳的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值為0.1mg/L，水庫(kù)底層水體中錳濃度在2021年7月～8月間達(dá)到0.129～0.257mg/L，按上式計(jì)算，其超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的 0.3～1.6倍。

3 水庫(kù)水體錳污染原因探析

3.1 水溫分層情況

為研究水庫(kù)的水溫分層情況，本研究采用“參數(shù)α-β判別法”判斷該水庫(kù)水溫分層情況[19]，具體公式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中，α—庫(kù)區(qū)水體交換次數(shù)；β—洪水對(duì)庫(kù)區(qū)水體的交換次數(shù)。

當(dāng)α<10時(shí)，水庫(kù)水溫為穩(wěn)定分層型；當(dāng)10<α<20時(shí)，水庫(kù)水溫為不穩(wěn)定分層型；當(dāng)α>20時(shí)，水庫(kù)水溫為混合型。對(duì)于分層型水庫(kù)，β值如果大于1，水庫(kù)水溫將可能出現(xiàn)臨時(shí)混合現(xiàn)象，β值如果小于0.5，則洪水對(duì)水庫(kù)水溫的分層結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生影響。目前該水庫(kù)總庫(kù)容為0.91億m3，多年平均徑流量為1.2億m3，故α=1.65，可判斷該水庫(kù)水溫為穩(wěn)定分層型。根據(jù)該水庫(kù)2021年水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，該水庫(kù)上游流域未發(fā)生洪水現(xiàn)象，所以洪水對(duì)該水庫(kù)水溫分層不產(chǎn)生影響。

該水庫(kù)夏季水溫分層明顯，水溫分層現(xiàn)象會(huì)在水體中形成水體屏障，水庫(kù)上、中、下層水體被溫躍層分開(kāi)，進(jìn)而降低上、下層水體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致庫(kù)底水體與表層水體難以進(jìn)行交換，水庫(kù)底部水體中原有的溶解氧不斷被有機(jī)物的分解作用、底棲生物和還原性污染物所消耗，由于溫躍層的屏障作用，水庫(kù)表層氧氣難以進(jìn)入水庫(kù)底部造成底部水體氧氣得不到補(bǔ)充，造成庫(kù)區(qū)底層沉積物及水體中溶解氧不斷降低，造成庫(kù)區(qū)底部形成厭氧環(huán)境，進(jìn)而造成庫(kù)底沉積物中的錳重新還原為離子態(tài)，進(jìn)而釋放入上覆水中，進(jìn)而造成庫(kù)區(qū)底部沉積物上覆水中錳元素濃度大幅度升高。該水庫(kù)在2021年7月～8月，水庫(kù)底部水體中錳濃度持續(xù)超標(biāo)，且在部分時(shí)段超標(biāo)1.6倍。在寒冷的冬、春季節(jié)，該水庫(kù)水溫上、下層溫差較小或處于等溫狀態(tài)，庫(kù)區(qū)水體不會(huì)形成溫躍層，庫(kù)區(qū)水體溶解氧及pH值較高，整個(gè)庫(kù)區(qū)水體大部分處于氧化狀態(tài)；在氧化環(huán)境條件下，水體中的錳大部分為高價(jià)態(tài)而形成難溶的化合物，常與水體中顆粒物吸附，最終在庫(kù)區(qū)底部沉積物與水界面附近沉積，并儲(chǔ)存于庫(kù)區(qū)沉積物表層，造成沉積物中錳含量的上升，水中錳濃度相應(yīng)降低，所以該水庫(kù)在冬、春季節(jié)未出現(xiàn)錳超標(biāo)現(xiàn)象。

3.2 水庫(kù)底層溶解氧含量

圖2 水庫(kù)底層水體溶解氧及標(biāo)準(zhǔn)限值

3.3 外源污染

由于該水庫(kù)為人工水庫(kù)，其主要來(lái)水水源為上游來(lái)水，庫(kù)區(qū)周邊以戈壁灘為主，在庫(kù)區(qū)的上風(fēng)向有部分工業(yè)企業(yè)。經(jīng)過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)周邊干、濕沉降樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，干濕沉降樣品中錳濃度均低于0.01mg/L，說(shuō)明工業(yè)企業(yè)煙塵排放對(duì)庫(kù)區(qū)水體中錳的影響較小，庫(kù)區(qū)沉積物中錳主要來(lái)源于區(qū)域本底或上游來(lái)水匯入。

4 防治對(duì)策

水庫(kù)為有別于河流和天然湖泊的水生生態(tài)系統(tǒng)，大部分屬于封閉和半封閉的狀態(tài)，庫(kù)區(qū)水體完全更換一次的周期較長(zhǎng)，其自身的凈化能力有限，如遇污染水團(tuán)匯入或內(nèi)源污染，將造成水體水質(zhì)快速惡化，如地表徑流中含有大量重金屬元素、有機(jī)污染物、營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)進(jìn)入水體，如果水庫(kù)水體交換周期較長(zhǎng)、更新較慢，將造成污染物會(huì)長(zhǎng)期滯留于庫(kù)內(nèi)，并逐漸在沉積物中累積，如果庫(kù)底氧化還原條件發(fā)生改變，沉積物中蓄積的污染物將再次釋放進(jìn)入水體環(huán)境，造成庫(kù)區(qū)水體的二次污染。因此針對(duì)穩(wěn)定分層型水庫(kù)錳超標(biāo)現(xiàn)狀，防治水庫(kù)供水受錳污染具有一定的挑戰(zhàn)性，針對(duì)我國(guó)西北某典型穩(wěn)定型水溫分層水庫(kù)錳超標(biāo)現(xiàn)象提出以下幾方面的改進(jìn)建議。

4.1 供水工藝改進(jìn)

水庫(kù)管理部門(mén)可在夏季適當(dāng)提高取水高度，通過(guò)加裝疊梁門(mén)，以獲取溶解氧含量較高的表層水。還可以在水庫(kù)底部取水口處安裝自動(dòng)增氧機(jī)，增加取水口附近各層水體中溶解氧的含量，也可在取水口附近添加氧化劑，使水庫(kù)底部取水口長(zhǎng)期處于氧化環(huán)境，進(jìn)而將水中低價(jià)態(tài)錳轉(zhuǎn)化為高價(jià)態(tài)錳沉淀至底泥中，可有效降低底層水中錳的含量。

4.2 外源整治

由于該水庫(kù)水源主要來(lái)自上游來(lái)水及部分降水，集雨區(qū)面積不大，可以在集雨區(qū)內(nèi)對(duì)枯枝落葉進(jìn)行打撈；在庫(kù)區(qū)盡量減少人工投放飼料，盡可能減少有機(jī)質(zhì)進(jìn)入庫(kù)區(qū)水體。同時(shí)可以在水庫(kù)集雨區(qū)范圍內(nèi)增加水源涵養(yǎng)林的種植以減少水土流失，減少含錳的表土進(jìn)入庫(kù)區(qū)水體造成污染。

5 結(jié)語(yǔ)

該水庫(kù)水溫為穩(wěn)定分層型，中、上層水體中錳濃度未超過(guò)我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。2021年7～8月底層水體出現(xiàn)錳超標(biāo)現(xiàn)象，是由于水溫分層導(dǎo)致庫(kù)底溶解氧低，處于還原狀態(tài)，富集在沉積物中的錳又以離子態(tài)形式釋放入水體中，由于該水庫(kù)為底層供水水庫(kù)，所以造成供水水廠出現(xiàn)錳濃度超標(biāo)現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，建議改進(jìn)供水方式，通過(guò)加裝疊粱門(mén)，將底層供水方式改為取表層水供水，可以應(yīng)對(duì)供水管網(wǎng)水體中錳超標(biāo)的問(wèn)題。