柴河水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分合理性研究分析

郭子揚(yáng)，程 然，夏建新

（中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京100081）

0 引言

飲用水安全是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。生態(tài)環(huán)境部新出臺(tái)的《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（HJ 338-2018），明確提出，提供飲用水功能的大型水庫要采取水質(zhì)模擬技術(shù)，確定污染物在水庫中衰減距離，保證取水口水質(zhì)要求，合理劃分水源保護(hù)地。因此，分析水庫水動(dòng)力過程和水質(zhì)變化是劃分飲用水水源地保護(hù)區(qū)的重要依據(jù)。

鄔容偉等［1］以能滿足大型水庫——老營(yíng)盤水庫現(xiàn)有環(huán)境污染和水質(zhì)達(dá)到Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的前提下，類比經(jīng)驗(yàn)法劃分飲用水水源各級(jí)保護(hù)區(qū)；王曉輝等［2］通過類比經(jīng)驗(yàn)法，考慮到水源地之間補(bǔ)水干渠缺少相應(yīng)規(guī)范，對(duì)補(bǔ)水干渠劃定保護(hù)區(qū)。劃分飲用水水源保護(hù)區(qū)需要精確、定量地分析水庫內(nèi)部水動(dòng)力狀況且較好反應(yīng)水庫內(nèi)部水質(zhì)分布狀況，類比經(jīng)驗(yàn)法不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。隨著各類水環(huán)境數(shù)值模型的蓬勃發(fā)展，其科學(xué)性、準(zhǔn)確性已得到較好的驗(yàn)證，開展飲用水水源地劃分工作，對(duì)隨水流遷移的污染物進(jìn)行模擬，對(duì)重點(diǎn)易污染區(qū)域加強(qiáng)防范和采取有效防治措施，合理劃分柴河水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)。孫滔滔等［3］使用EFDC 對(duì)南方某水庫存在水華風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，構(gòu)建三維富營(yíng)養(yǎng)化模型分析水體總磷、葉綠素等因子，為水庫后續(xù)的水質(zhì)和水生態(tài)預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐；尹魁浩等［4］通過使用WQRRSRM 對(duì)丹江口水庫生態(tài)模擬，預(yù)測(cè)水庫生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化和采取防治措施后的效果。飲用水水源地劃分在新版《規(guī)范》之前多采用類比經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)合類比經(jīng)驗(yàn)法采用數(shù)值模擬法綜合評(píng)判水源地保護(hù)區(qū)劃分工作的案例較少。

在此基礎(chǔ)上，本文以柴河水庫為例，以EFDC 模型為手段，模擬分析了柴河水庫水動(dòng)力過程，水齡以及主要污染物衰減規(guī)律等，評(píng)估了水庫富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)和水庫取水口水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，為劃分柴河水庫飲用水水源地保護(hù)區(qū)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

柴河水庫是位于遼河流域柴河上的一座河道型水庫，主要提供集中飲用水服務(wù)功能，兼有發(fā)電、漁業(yè)等功能的綜合大型水庫。柴河水庫的最高洪水位是116.8 m，正常水位是108.0 m，防洪限制水位是105.2 m，死水位是84.0 m［5-7］。通過類比經(jīng)驗(yàn)法將柴河水庫飲用水水源地的一級(jí)保護(hù)區(qū)劃分范圍：庫區(qū)正常水位線（108 m）以外200 m，且不超過山脊線范圍內(nèi)的水域和陸域［8-10］。

2 模型構(gòu)建

EFDC 模型是由美國(guó)環(huán)保署（USEPA）資助開發(fā)，EFECExplorer目前由DSI公司集成商業(yè)運(yùn)營(yíng)，有沉積物、水質(zhì)、水動(dòng)力及泥沙輸運(yùn)等諸多模塊，前處理與后處理較為方便，相關(guān)科研工作者廣泛地應(yīng)用EFDC 于內(nèi)陸淡水系統(tǒng)、河口和海洋水體的污染物遷移轉(zhuǎn)化的研究中［11］。

2.1 模型建立

2.1.1 計(jì)算網(wǎng)格劃分

柴河水庫各區(qū)域水體空間尺度變化較大，在保證EFDC 模型較低計(jì)算誤差和較高計(jì)算效率的前提下，采用100 m×100 m的矩形網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格總數(shù)為2 001 個(gè)，由CVLGrid1.1 程序生成。柴河水庫的庫底高程采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 柴河水庫底部高程圖Fig.1 Map of bottom elevation of Chaihe Reservoir

2.1.2 計(jì)算條件及相關(guān)參數(shù)

由于污染物的遷移擴(kuò)散受河流水動(dòng)力條件影響，因此根據(jù)柴河2008-2017年10年間流量數(shù)據(jù)選取豐平枯3 種典型年條件，充分模擬不同水動(dòng)力條件造成污染狀況。通過P-Ⅲ曲線確定2012年為豐水年，年徑流量為3.77 億m3；2008年為平水年，年徑流量為2.37 億m3，2017年為枯水年，年徑流量為1.46億m3。

水體富營(yíng)養(yǎng)化是大多數(shù)水庫長(zhǎng)期面臨的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，所以選取柴河監(jiān)測(cè)資料完整的氨氮和總磷作為模擬污染物來進(jìn)行水庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。柴河水庫為河道型水庫，僅有1 條入庫河流和出庫河流，柴河水庫的污染物入庫濃度常年維持在地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以下，因此在污染物邊界條件中，將氨氮設(shè)計(jì)濃度為1.0 mg/L，總磷設(shè)計(jì)濃度為0.05 mg/L。同時(shí)通過數(shù)值計(jì)算［12］，結(jié)合遼寧省其他同等規(guī)模的水庫降解系數(shù)［13］從而確定柴河水庫的氨氮和總磷降解速率分別為5.5×10-3/d、7.4×10-3/d。模型求解算法采用固定時(shí)間步長(zhǎng)5 s，干濕節(jié)點(diǎn)水深為0.05 m，底部糙率為0.01。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)已有的水文資料，選取柴河豐水年、平水年、枯水年的出庫水位作為驗(yàn)證指標(biāo)（圖2）。

由圖2 可以看出，柴河水庫水位的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，但為了克服模擬過程中變量出現(xiàn)極大的平均值現(xiàn)象［14］，采用相對(duì)均方根誤差（RelRMS）和納什效率系數(shù)（NSE）定量評(píng)價(jià)柴河水庫水位模擬的精度。RelRMS在模擬江河、湖泊、水庫、河口海灣等地區(qū)時(shí)來驗(yàn)證水動(dòng)力模型模擬結(jié)果的優(yōu)劣［15］。NSE值越小，表明模型擬合效果越差［16］。

表1 可見，柴河水庫3 種水文年出庫水位與庫容誤差都在合理范圍內(nèi)，表明水動(dòng)力模型構(gòu)建的合理性和可靠性。

表1 柴河水庫驗(yàn)證誤差Tab.1 Calibration error of water level and storage capacity of Chaihe Reservoir

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 水動(dòng)力過程模擬結(jié)果

3.1.1 流場(chǎng)變化

由于柴河水庫屬河道型水庫，水庫流場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)作用主要來源于出入流，風(fēng)速對(duì)水庫流場(chǎng)影響較小。選取平水期柴河流場(chǎng)分布狀況，由圖3 可以看出，流場(chǎng)變化主要分布在水庫主河道處，庫尾流速相對(duì)較慢。在柴河水庫上游，入流點(diǎn)附近流速明顯大于庫區(qū)水體流速，柴河水庫存在較明顯的死水區(qū)，此區(qū)域水體交換能力相對(duì)較弱，容易滯留污染物引發(fā)水庫的水環(huán)境污染。

圖3 柴河水庫流場(chǎng)變化圖Fig.3 Flow field distribution of Chaihe Reservoir

3.1.2 水齡變化

污染物濃度及其在水體的滯留時(shí)間是水環(huán)境發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。與外界發(fā)生水體交換可用水齡來表示，該指標(biāo)能反映水體交換強(qiáng)度，因此采用其來研究柴河水庫豐、平、枯3種典型年水動(dòng)力條件下水體交換過程的變化特征。

柴河水庫水齡的模擬結(jié)果（圖4）表明，在3 種典型年水動(dòng)力條件下，自上游至下游水庫水齡依次增加。污染物在水環(huán)境中的遷移能力隨著水齡增加而減小，其中平水期的水齡大于262 d，豐水期水齡大于228 d，而在枯水期的在模擬期內(nèi)未到達(dá)取水口。這說明柴河水庫在豐水年和平水年都能進(jìn)行水體交換；而在枯水年由于水動(dòng)力較小，不能在一年內(nèi)進(jìn)行水體交換。因此一旦柴河水庫在枯水年發(fā)生污染泄漏事故，應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)其污染治理，防止污染事故對(duì)水庫造成持續(xù)的影響。

圖4 柴河水庫不同水文年水齡變化Fig.4 Spatial variation of water age under three hydrodynamic conditions in Chaihe Reservoir

3.2 主要污染物時(shí)空變化

氨氮和總磷對(duì)水庫水質(zhì)影響較大，水體中氮磷比一旦失控容易發(fā)生水華，因此選取氨氮和總磷作為模擬污染物。在3 種不同水動(dòng)力條件下，柴河水庫氨氮和總磷變化模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 豐、平、枯水年條件下污染物濃度分布Fig.5 Pollutant concentration distribution under three hydrodynamic conditions

圖5表明，在不同的典型年和不同入庫污染物濃度下，結(jié)果表明，污染物在庫首濃度均小于庫尾濃度。在豐水年的水文條件下，柴河徑流量增加，減少污染物在柴河水庫的滯留與降解時(shí)間，水流對(duì)污染物的運(yùn)移能力增強(qiáng)，柴河兩岸土地上殘留污染物隨徑流涌入水庫，水質(zhì)整體相對(duì)其他時(shí)期較差，氨氮和總磷從水庫入庫口降解到Ⅱ類水水質(zhì)時(shí)距壩前最近分別是581、345 m。平水年時(shí)水源地發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較小，水庫的入庫流量小于豐水年，氨氮和總磷降解到達(dá)標(biāo)時(shí)距壩前的最近分別是2 983、2 842 m。在枯水年條件下水源地發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)最小，污染物在水庫中的停留和降解時(shí)間最長(zhǎng)，氨氮和總磷從水庫入庫口降解至達(dá)標(biāo)距壩前最近分別是6 007、5 642 m。

4 水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)已有資料顯示［17］，柴河水庫總氮超過地表水水源地相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且柴河水庫總氮在“十二五”期間的年均值為1.35～2.81 mg/L。根據(jù)綜合富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法，在“十二五”期間柴河水庫綜合富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)在37.71～38.51，柴河水庫處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)［18-20］。

通過模擬柴河水庫3 種典型年水動(dòng)力情況表明，柴河水庫僅有一條入流河，水動(dòng)力條件受到上游來水條件制約，水庫在枯水期水齡最長(zhǎng)，無法在當(dāng)年內(nèi)開始進(jìn)行水體交換。柴河水庫為磷限制水庫，而模擬結(jié)果中，壩址附近總磷控制在二類水水質(zhì)濃度以下，水庫發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化而影響取水口水質(zhì)的幾率較小。雖然柴河水庫對(duì)于污染物有較強(qiáng)的消解能力，但仍應(yīng)加強(qiáng)對(duì)柴河上游農(nóng)田灌溉與生活廢水排放的污染控制，防止水庫在枯水期發(fā)生大面積富營(yíng)養(yǎng)化，在豐水期和平水期發(fā)生局部水域富營(yíng)養(yǎng)化。

4.2 取水口主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)分析

柴河水庫在3 種典型年條件下，通過模擬入流水質(zhì)為地表三類水的情況下，污染物經(jīng)過水庫稀釋、降解等過程，在庫首處污染物濃度均達(dá)到地表水二類標(biāo)準(zhǔn)（圖6所示），但在豐水年水庫的氨氮和總磷均存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。這充分表明柴河水庫對(duì)污染物具有較強(qiáng)消解能力，即使在豐水年模擬期內(nèi)，庫中水流速度相對(duì)較快，水力停留時(shí)間短，水流在到達(dá)取水口時(shí)，污染物仍能得到充分降解，污染物濃度滿足地表水二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明柴河水庫具有較強(qiáng)的納污能力，取水口水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖6 不同水文年取水口氨氮與總磷濃度Fig.6 Concentration of contaminants in water intake in different hydrological years

通過類比經(jīng)驗(yàn)法所劃分的柴河水庫一級(jí)飲用水水源地保護(hù)區(qū)能保證取水口水質(zhì)安全，充分考慮了上游河流及水庫沿岸的人類活動(dòng)對(duì)水庫的污染。加大上游入庫河流水質(zhì)監(jiān)控力度，入庫污染物及其濃度盡可能減少和降低，特別是在夏秋季節(jié)的洪水期，氨氮及總磷濃度在入庫口處盡量減小到Ⅱ類水以下。

模擬結(jié)果表明，在豐、平、枯3種典型年水動(dòng)力條件下，取水口處水質(zhì)均保持達(dá)標(biāo)狀態(tài)，由于此次模擬未考慮水庫已有污染物，因此柴河水庫仍然存在污染物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，且根據(jù)柴河水庫往期資料顯示，水庫中總氮濃度基本達(dá)到環(huán)境容量，總氮超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較大［21，22］。通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，對(duì)柴河水庫飲用水水源地劃定的水域保護(hù)區(qū)是合理的。

5 結(jié)論

柴河水庫作為鐵嶺市重要的飲用水水源地，柴河水庫飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分工作對(duì)該地區(qū)生產(chǎn)生活具有重要現(xiàn)實(shí)意義。為了研究典型的河流型水庫的水動(dòng)力和水質(zhì)，本文對(duì)柴河水庫在豐平枯3 種典型年情境下進(jìn)行模擬分析，構(gòu)建柴河水庫二維水質(zhì)模型，分析柴河水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的科學(xué)性與合理性。

（1）通過對(duì)水庫的水動(dòng)力進(jìn)行模擬，表明柴河水庫在枯水期時(shí)，水庫完成水體交換時(shí)間較長(zhǎng)，在此期間發(fā)生水污染事故，將對(duì)鐵嶺市人民的生產(chǎn)生活造成極大不便。為保護(hù)水源地水質(zhì)安全，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水域重點(diǎn)監(jiān)控，采取工程措施控制柴河上游沿岸面源污染隨徑流進(jìn)入水庫。

（2）在豐水年、平水年、枯水年的水動(dòng)力條件下，氨氮降解至Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)距壩最近距離分別為581、2 983、6 007 m；總磷最近距離分別為345、2 842、5 642 m。總磷、氨氮均降解達(dá)標(biāo)，水質(zhì)保證率較高。

（3）根據(jù)《規(guī)范》中規(guī)定采用類比經(jīng)驗(yàn)法，將108 m水位線以外200 m范圍內(nèi)的水域和陸域作為為一級(jí)水域保護(hù)區(qū)。在模擬污染物結(jié)果中，污染物在取水口處均達(dá)標(biāo)，柴河水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分是合理的?！?/p>