南水北調(diào)來水后土壤污染物溶出對密云水庫水質(zhì)的影響

班靜雅，馬 巍，萬曉紅，高 博，裴倩楠，2

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001）

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程來水入密云水庫不僅能夠有效提高城市的供水保證率，而且能夠在一定程度上降低密云水庫目前存在的富營養(yǎng)化風險，保證供水安全。但是，大量的來水使庫區(qū)水位不斷升高，形成了大范圍的淹沒帶，導致密云水庫面臨一定的淹沒帶土壤污染物溶出問題。目前，對于淹沒帶土壤污染物溶出問題的研究主要是針對水庫初期蓄水對庫區(qū)水質(zhì)的影響。崔磊等［1］采用模擬實驗的方法預測了瀑河水庫建庫后庫底土壤組分對水質(zhì)的影響，得出了庫底土壤污染物溶出對水質(zhì)無顯著不良影響的結(jié)論。王新偉等［2］研究了老虎潭水庫初次蓄水后水質(zhì)變化原因，認為淹沒區(qū)土壤污染物釋放是影響初期蓄水水質(zhì)的原因之一。晁立強［3］采用土壤污染物浸泡提取實驗研究了桐梓水庫蓄水初期氮磷污染物的釋放規(guī)律。以往對于南水北調(diào)來水對密云水庫水質(zhì)影響的研究主要集中于來水水質(zhì)變化的影響以及與庫區(qū)水質(zhì)的差異，對于新增土壤中污染物的溶出研究較少。吳曉輝等［4］通過對比丹江口水庫和密云水庫的水質(zhì)，分析了南水北調(diào)來水對密云水庫水質(zhì)的影響，但沒有考慮庫區(qū)水位升高后水位變幅帶來土壤污染物釋放的影響；鋼迪嘎等［5］進行了南水北調(diào)來水后密云水庫水位變幅帶土壤磷釋放的模擬實驗，并估算了磷的釋放通量，但沒有考慮土壤磷釋放對庫區(qū)水體的影響程度。南水進入密云水庫以后水庫水位和水質(zhì)的變化是否會引起新增土壤污染物釋放進入水體，若新增土壤污染物存在釋放，釋放過程如何、對庫區(qū)水質(zhì)又有多大影響，這些問題還有待于進一步研究。因此，有必要對南水北調(diào)工程來水后密云水庫新增淹沒區(qū)土壤溶出對庫區(qū)水質(zhì)的影響進行分析，這對保障庫區(qū)水質(zhì)安全有十分重要的作用。

本文采用室內(nèi)試驗與模型模擬相結(jié)合的方法，通過室內(nèi)試驗分析淹沒帶土壤中污染物在純水里的最大釋放量，將釋放過程作為“源”項加入建立的水質(zhì)二維模型模擬庫區(qū)水質(zhì)濃度變化，根據(jù)南水北調(diào)工程來水后密云水庫新增淹沒區(qū)土壤溶出模擬結(jié)果對庫區(qū)水質(zhì)的影響進行研究。

2 密云水庫水環(huán)境問題

密云水庫位于北京市北部，是以綜合防洪、供水為目的的大型水利工程［6］。庫區(qū)最大水面面積188 km2，最大蓄水量43.75億m3，最高蓄水位159.9 m，是華北地區(qū)第一大水庫［7］。密云水庫的主要入庫河流是潮河和白河，以密云水庫為水源，主要有第九水廠輸水隧洞和京密引水渠兩條主動脈為北京供水，目前密云水庫是北京市唯一的地表飲用水源地［8］。

由于連續(xù)十年的枯水年，密云水庫長期處于低水位運行狀態(tài)，庫區(qū)周邊已形成大面積的灘地，原本在設(shè)計水位以內(nèi)的水環(huán)境保護區(qū)域，被開墾種植，形成耕地。同時，水庫調(diào)蓄采用“連續(xù)蓄水”方案，水體流動性減弱，自凈能力降低，可能為水體富營養(yǎng)化的發(fā)生提供靜水條件。因此，密云水庫水體存在一定程度的富營養(yǎng)化風險。

密云水庫長期低水位運行的現(xiàn)狀，使其具備了消納南水北調(diào)來水的重要條件，成為了南水北調(diào)工程體系中的一個重要環(huán)節(jié)——南水北調(diào)中線工程的調(diào)節(jié)水庫。密云水庫作為南水北調(diào)工程的補償性調(diào)節(jié)水庫，一方面可對來水進行年際調(diào)節(jié)，提高城市的供水保證率；另一方面，工程大量來水能夠在一定程度上降低庫區(qū)的富營養(yǎng)化風險，但同時也帶來了新的環(huán)境風險。自2014年12月正式通水至2016年底，南水北調(diào)中線工程已向密云水庫輸水1.62億m3，工程來水使庫區(qū)水位升高7.8 m，淹沒庫區(qū)范圍內(nèi)的大量耕地，形成了大范圍的淹沒帶。淹沒帶大量的耕地類型土壤由于化肥農(nóng)藥的長期施放，造成土壤中氮磷含量過剩［5］，因此可能在淹沒初期對庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

3 土壤污染物溶出試驗

3.1 樣品采集為保證研究的可靠性，在水庫水位升高之前（2015年7月14日），分別在密云水庫庫區(qū)周邊均勻布點。庫區(qū)周邊區(qū)域劃分為黃各莊、后八家、潮河入庫、云湖度假、湖心、白河入庫、北楊各莊、北部灘地西和北部灘地東9個區(qū)域，在水庫水位升高之前，分別在這9個區(qū)域進行土壤樣品的采集。土壤樣品按照不同高程（130 m、140 m、145 m）每個樣線采集3個樣品共42個表層土樣品（0～20 cm）。具體采樣位置如圖1所示。

圖1 土壤采樣位置

用不銹鋼鏟子采集42個表層土樣品，采集的所有樣品置于密封袋中以防污染，之后運到實驗室。將土壤樣品于室溫下在室內(nèi)進行烘干，將多余的雜質(zhì)，如石頭、樹葉等去除。隨后，將樣品研磨并過0.15 mm尼龍篩進行下一步分析。

3.2 試驗方法考慮最不利情景，采用純水進行土壤浸泡溶出試驗，可以得出土壤污染物溶出的最大釋放量和釋放速率，進而評估南水入庫后淹沒土壤污染物釋放的最大風險。

試驗將現(xiàn)場采集的土壤樣品混合均勻放于柱狀玻璃容器中，將容器垂直固定，用純水進行污染物最大溶出試驗。為保證試驗的一致性和可比性，容器中土壤樣品的重量統(tǒng)一稱取2.0 kg，上覆水為試驗用純水，加水量統(tǒng)一設(shè)為5 L，其水柱高度約30 cm，見圖2。試驗采用恒速攪拌器對試驗柱進行連續(xù)擾動10 min，靜置24 h使水體充分混合并使泥水界面的物質(zhì)交換達到平衡，采集第一次水樣300 mL，完成第一次采樣，測定樣品CODMn、TP、TN指標濃度。補充純水300 mL到試驗柱中，再攪動10 min，靜置24 h采集水樣。實驗取樣時間按照1、2、3、6、20和30 d的時間間隔進行取樣。

圖2 污染物溶出試驗

3.3 試驗結(jié)果分析各區(qū)域釋放濃度取樣品平均濃度，試驗得出土壤污染物釋放過程如圖3所示。各區(qū)域土壤釋放試驗中CODMn和TP濃度均呈遞減趨勢，說明CODMn和TP指標僅在淹沒的首日有釋放，之后綜合自凈作用占主導，不會造成新的CODMn及TP釋放。而土壤釋放試驗中TN指標濃度呈先增加后減少的趨勢，說明新增淹沒區(qū)TN指標在30 d的前期有釋放，后期則沉降作用占主導，不會造成新的TN釋放。

圖3 土壤污染物30d累積溶出過程圖（單位mg/L）

4 新增淹沒區(qū)土壤溶出對庫區(qū)水質(zhì)的影響

4.1 二維模型構(gòu)建采用MIKE21軟件［11］構(gòu)建密云水庫平面二維水動力學-水質(zhì)模型，模型計算區(qū)域總面積為467.5 km2。采用矩形網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，網(wǎng)格大小為500 m×500 m，利用軟件提供的插值方法計算各網(wǎng)格點的高程值，并對局部部位網(wǎng)格點高程進行適當修正，最終得到模型計算所必需的網(wǎng)格點水下地形。以高程150 m以下為水下地形，水下地形網(wǎng)格全部參與計算，實際計算水域面積226 km2左右，計算網(wǎng)格904個。開邊界為潮河和白河入流，源匯項為白河大壩和第九水廠，水動力學模型開邊界和源匯項均為流量，水質(zhì)模型為污染物濃度。計算區(qū)域及水下地形如圖4所示，其中紅色區(qū)域為陸域邊界，其他區(qū)域為水下地形。

采用MIKE21構(gòu)建的平面二維水動力學模型基本方程為：

圖4 模型計算區(qū)域及水下地形

水質(zhì)模型采用水深平均的平面二維數(shù)學模型，模型基本方程為：

式中：h為水深，m；C為可以分別為TP、TN、CODMn濃度，mg/L；M為橫向單寬流量，m2/s；N為縱向單寬流量，m2/s；Ex為橫向擴散系數(shù)，m2/s；Ey為縱向擴散系數(shù)，m2/s；S為源（匯）項，g/m2·s；F（C）為生化反應(yīng)項。

圖5 庫區(qū)水位實測值與模擬值對比

4.2 模型率定驗證以2015年1月1日實測水位135.8 m為水動力學模型初始條件，以2015年1月庫區(qū)實測水質(zhì)為水質(zhì)模型初始條件，以2015年白、潮河入庫逐日流量過程和逐月水質(zhì)過程為模型水量、水質(zhì)邊界條件，模擬庫區(qū)2015年水動力學水質(zhì)狀況。采用2015年庫區(qū)白河主壩水位站逐日水位資料對密云水庫水動力學模型進行參數(shù)率定，采用庫區(qū)8個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)資料（采樣頻率為每月一次）對水質(zhì)模型進行參數(shù)率定和模型驗證。根據(jù)對比結(jié)果，庫區(qū)各月平均水位計算值與實測值的平均誤差均在1%以內(nèi)（見圖5）；庫區(qū)8個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點3個水質(zhì)指標（CODMn、TP、TN）的模擬值與實測值的平均誤差在20%以內(nèi)（僅兩個監(jiān)測點的TN指標誤差達到30%），模型具有良好的計算精度，水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗證結(jié)果見表1及圖6。

表1 密云水庫水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗證結(jié)果

圖6 密云水庫CODMn、TP、TN指標實測值與模擬值對比（以白河主壩站點為例）

4.3 新增淹沒面積統(tǒng)計據(jù)近年來密云水庫水位變化特性，以水動力學模型計算的無南水北調(diào)來水情況下的2016年最高水位138.8 m為水位正常變動的最大高程，超過最大高程即為新增淹沒面積。根據(jù)計算結(jié)果，南水北調(diào)來水后于2016年8月6日達到138.8 m，后期蓄水將產(chǎn)生新增淹沒面積。南水北調(diào)來水后各月庫區(qū)的累計新增淹沒面積以模型水下網(wǎng)格增加數(shù)量計算，至2016年11月8日，南水北調(diào)來水造成的新增淹沒面積共約16 km2（水下網(wǎng)格增加數(shù)量×單位網(wǎng)格面積0.25 km2）。2016年南水北調(diào)來水造成的密云水庫庫區(qū)新增淹沒區(qū)范圍如圖7紅色區(qū)域所示。

圖7 庫區(qū)新增淹沒范圍

4.4 土壤污染物釋放量采用根據(jù)實驗結(jié)果建立的濃度變化趨勢多項式方程對釋放濃度進行擬合修正，擬合的多項式形式為二次多項式：

其中：C修為修正濃度，mg/L；C0為釋放試驗檢測濃度，mg/L；A、B、C分別為多項式系數(shù)，不同指標、不同區(qū)域系數(shù)不同。

在修正濃度的基礎(chǔ)上，計算各指標的日單位面積釋放量，計算公式如下：

其中：M為單位面積釋放量，g/m2；C修為修正濃度，mg/L；V為釋放試驗上覆水體積，300 mL。

CODMn、TP指標僅在首日釋放，其釋放量見表2；TN指標淹沒前期（約20日）均有釋放，總釋放量見表2所示。根據(jù)淹沒面積和單位面積釋放量計算各指標總釋放量，其中CODMn釋放總量為10.03 t，TP為0.38 t，TN為34.18 t。各區(qū)域釋放量分配見表3。其中云湖度假區(qū)域土壤釋放量比重最大，與該區(qū)域土壤淹沒面積最大有很大的關(guān)系。

表2 淹沒期各區(qū)域單位面積CODMn、TP指標首日釋放量、TN指標總釋放量 （單位：g/m2）

表3 淹沒期各區(qū)域釋放總量統(tǒng)計 （單位：kg）

4.5 新增土壤污染物溶出對庫區(qū)水質(zhì)的影響根據(jù)新增淹沒區(qū)的土壤污染物釋放過程，采用建立的二維水質(zhì)模型模擬2016年1月1日至11月8日密云水庫淹沒后的水質(zhì)濃度場，對比新增淹沒區(qū)不考慮土壤污染物溶出的庫區(qū)水質(zhì)，分析土壤污染物溶出對密云水庫總體水質(zhì)和局部水質(zhì)的影響?？紤]最不利情況，新增淹沒區(qū)按最大釋放能力釋放，且將釋放過程概化于各月月初在當月新增淹沒網(wǎng)格作為“源”項加入模型進行計算，即CODMn、TP指標于各月1日在該月的新增淹沒網(wǎng)格添加“源”項，TN指標自各月1日起按釋放過程在該月的新增淹沒網(wǎng)格添加“源”項。

4.5.1 新增土壤污染物溶出對庫區(qū)整體水質(zhì)的影響 對2016年11月末密云水庫濃度場進行分析，探討新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對庫區(qū)整體水質(zhì)的影響。新增土壤污染物釋放與無釋放情景下的庫區(qū)水質(zhì)濃度場分布對比見圖8所示。

對比圖中兩種情景下的濃度場可得到，淹沒區(qū)土壤CODMn溶出僅對庫區(qū)南部潮河主壩附近水質(zhì)有影響，但影響程度較小，影響面積約為6.25 km2；淹沒區(qū)土壤TP溶出僅對庫區(qū)中部潮河入庫區(qū)域有一定影響，影響面積約為4.0 km2；淹沒區(qū)土壤TN溶出僅對北部平原東區(qū)域有微弱影響，影響面積約為0.75 km2。

通過濃度場分析發(fā)現(xiàn)，受庫區(qū)流場影響，新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對庫區(qū)整體水質(zhì)的影響與各區(qū)域的污染物釋放量大小無明顯相關(guān)性，在現(xiàn)狀土壤釋放情景下，并非土壤釋放量越大的區(qū)域污染物濃度越高、水質(zhì)越差。

4.5.2 新增土壤污染物溶出對庫區(qū)局部水質(zhì)的影響 根據(jù)土壤釋放量和整體水質(zhì)狀況，選取代表區(qū)域進行新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對庫區(qū)局部水質(zhì)的影響分析。其中土壤污染物溶出對云湖度假區(qū)域水質(zhì)的影響如圖9所示。

對比發(fā)現(xiàn)新增淹沒區(qū)土壤CODMn溶出對各區(qū)域水質(zhì)幾乎沒有影響，僅9月對云湖度假區(qū)域有微弱影響，造成該區(qū)域CODMn濃度增加約0.017 mg/L。

新增淹沒區(qū)土壤TP溶出對黃各莊、白河入庫區(qū)域水質(zhì)幾乎沒有影響；對湖心、北楊各莊、北部平原西區(qū)域影響微弱，造成該區(qū)域TP濃度增加0.0001～0.0002 mg/L；對后八家、潮河入庫、云湖度假、北部平原東區(qū)域TP濃度影響偏大，造成該區(qū)域TP濃度增加0.0002～0.0006 mg/L。

圖8 新增淹沒區(qū)土壤污染物釋放與無污染物釋放情境下的庫區(qū)水質(zhì)濃度場對比圖

圖9 土壤溶出對云湖度假區(qū)域水質(zhì)的影響對比（單位：mg/L）

新增淹沒區(qū)土壤TN溶出對黃各莊、白河入庫區(qū)域水質(zhì)幾乎沒有影響，對后八家、潮河入庫、湖心、北楊各莊、北部平原西、北部平原東區(qū)域影響微弱，造成該區(qū)域TN濃度升高0.017～0.036 mg/L；對云湖度假區(qū)域TN濃度影響較大，造成該區(qū)域9月份TN濃度升高約0.05 mg/L，但該影響持續(xù)時間很短，到后期影響將逐漸削弱。

根據(jù)對比結(jié)果，庫區(qū)局部水質(zhì)受土壤釋放量大小的影響，土壤釋放量最大的云湖度假區(qū)域水質(zhì)變化幅度最大。土壤污染物溶出前期對區(qū)域水質(zhì)的影響較大，后期在庫區(qū)水體自凈能力不斷增強的情況下，土壤污染物溶出的影響將逐步減弱。

5 結(jié)論

在土壤溶出試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模型模擬計算結(jié)果，得出南水北調(diào)工程來水后密云水庫新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對庫區(qū)水質(zhì)的影響如下：

（1）根據(jù)土壤溶出試驗結(jié)果，各區(qū)域土壤污染物釋放后上覆水中CODMn和TP濃度均呈遞減趨勢，TN指標濃度程先增加后減少的趨勢，說明新增淹沒區(qū)CODMn和TP指標僅在淹沒的首日有釋放，TN指標在前20 d左右有釋放，之后綜合自凈作用占主導，不會造成新的污染物釋放。

（2）南水北調(diào)來水對2015年庫區(qū)水位影響較小，不會新增淹沒面積，基本無土壤污染物溶出問題。2016年南水北調(diào)來水量較大，造成庫區(qū)水位出現(xiàn)較大幅度地升高，將產(chǎn)生一定的新增淹沒面積。根據(jù)水動力學模型計算結(jié)果，2016年南水北調(diào)來水后期蓄水將產(chǎn)生新增淹沒面積共計15.75 km2。根據(jù)土壤溶出試驗及新增淹沒面積計算的新增淹沒區(qū)土壤CODMn釋放總量為10.03 t，TP釋放總量為0.38 t，TN釋放總量為34.18 t。

（3）在考慮最不利情景下，新增淹沒區(qū)土壤溶出對密云水庫庫區(qū)整體水質(zhì)影響范圍小且影響程度低。新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對庫區(qū)整體水質(zhì)的影響與各區(qū)域的污染物釋放量大小無明顯相關(guān)性。新增淹沒區(qū)土壤溶出對庫區(qū)局部有一定影響，其中對云湖度假區(qū)域影響最為顯著。但由于新增淹沒區(qū)土壤釋放時間短、釋放量少，對局部水質(zhì)的影響將會在后期衰減和沉降的作用下逐漸減弱。

（4）由于本研究成果應(yīng)用的時間較短，還需要在以后的運行中得到檢驗。