西北干旱區(qū)典型水庫錳超標原因分析及防治對策

朱國建，張盼偉

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

隨著社會的快速發(fā)展，人類活動對自然的影響程度越來越深，河流、湖泊受到人類活動的影響越來越大，目前我國部分河流和湖泊已經(jīng)受到人類活動的嚴重影響，許多湖泊、水庫出現(xiàn)了富營養(yǎng)化、重金屬及有機污染物的污染。水庫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，其在我國供水水網(wǎng)中具有很多特殊功能，人類飲水、農(nóng)業(yè)灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖等生產(chǎn)、生活活動越來越依賴于水庫供水[1- 3]，尤其在我國西北干旱地區(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，其水質要求也必然十分嚴格。在水庫人為調度過程中，蓄水排水使其成為高度動態(tài)而又復雜的生態(tài)系統(tǒng)[4]，庫底沉積物與上層水體之間發(fā)生著較強烈的物質與能量交換[5]。目前，針對天然湖泊富營養(yǎng)化的形成機制、治理對策方面的研究已經(jīng)很多[6- 8]，但對供水水庫中錳超標及控制措施方面的研究還較少，對我國西北干旱區(qū)水庫水體中錳超標的研究更少。本研究以我國西北地區(qū)某典型水庫為研究對象，探討西北干旱區(qū)典型水庫水體錳超標原因，并與國內外水庫錳超標情況進行比較分析，提出相應的防治與治理對策。

1 水中錳超標危害及我國部分水庫錳超標狀況

1.1 水體錳超標的危害

錳是人體必需的微量元素之一，飲用水中含有低濃度錳時，一般對人體無害。但是人體長期攝入過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、骨質疏松等疾病，甚至還會影響人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)；我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)中規(guī)定飲用水中錳的標準限值為0.1mg/L，當水體中錳的含量超過0.3mg/L時，能使水體產(chǎn)生異味，色度也發(fā)發(fā)生改變[9]。當水體中錳的含量超過1.0mg/L時，水體的色度就會明顯增加，而且水中會產(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造成制水成本升高，同時還會縮短輸水管道使用壽命，降低出廠水和管網(wǎng)水質，對經(jīng)濟和社會效益方面造成一定程度的負面影響。

1.2 我國部分水庫錳超標狀況

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

表1 我國部分水庫錳超標狀況

2 研究區(qū)概況及水質狀況

2.1 研究區(qū)概況

該水庫位于我國西北內陸地區(qū)，水庫屬地氣候干旱，年平均降水量為251.6mm，年平均蒸發(fā)量為1543.8mm，11月到來年3月屬于低溫天氣，常有積雪覆蓋，最低氣溫達-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。

水庫為飲用水地表水源一級保護區(qū)，由人工建壩四面圍筑而成的平原注入式水庫，蓄水期自每年5月開始，至9月蓄水結束。目前庫容為0.91億m3，水庫水面面積24km2，全年入庫水量1.20億m3。水庫主體工程建設內容包括：均質土壩、放水兼放空涵洞、入庫渠道、供退水渠等，屬大(2)型水庫[18]。水庫為周邊工農(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。水庫水循環(huán)較慢，內源污染會對水環(huán)境帶來不良影響。

2.2 水庫水質狀況

該水庫水體水質整體感官較好，水體較清澈。為更好的了解水庫水體的水質狀況，2021年8月在水庫取水口采集表層水樣，對水體29項指標進行監(jiān)測，見表2，發(fā)現(xiàn)取水口表層水體各項指標均滿足飲用水標準規(guī)定的限值。

由于水庫采用的是底層供水方式，水庫管理部門在2021年7月～8月對水庫底層水體進行持續(xù)性監(jiān)測，根據(jù)庫區(qū)供水管理部門提供的水質監(jiān)測報告，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)整體水質指標較好，但是作為集中式生活飲用水地表水源地補充項目的錳指標，出現(xiàn)了持續(xù)季節(jié)性超標現(xiàn)象，見圖1。

依據(jù)《地表水資源質量評價技術規(guī)程》(SL 395—2007)及《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)對該水庫供水錳指標進行標準評價，超標倍數(shù)按下式計算。

表2 水庫出水表層水質指標

圖1 水庫底層水體錳及標準限值

(1)

式中，Bi—水質指標超標倍數(shù)；Ci—水質項目超標濃度，mg/L；Si—水質項目的Ⅲ類標準限值，mg/L。

地表水中錳的Ⅲ類標準限值為0.1mg/L，水庫底層水體中錳濃度在2021年7月～8月間達到0.129～0.257mg/L，按上式計算，其超過標準限值的 0.3～1.6倍。

3 水庫水體錳污染原因探析

3.1 水溫分層情況

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

(2)

式中，α—庫區(qū)水體交換次數(shù)；β—洪水對庫區(qū)水體的交換次數(shù)。

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

該水庫夏季水溫分層明顯，水溫分層現(xiàn)象會在水體中形成水體屏障，水庫上、中、下層水體被溫躍層分開，進而降低上、下層水體的對流運動，導致庫底水體與表層水體難以進行交換，水庫底部水體中原有的溶解氧不斷被有機物的分解作用、底棲生物和還原性污染物所消耗，由于溫躍層的屏障作用，水庫表層氧氣難以進入水庫底部造成底部水體氧氣得不到補充，造成庫區(qū)底層沉積物及水體中溶解氧不斷降低，造成庫區(qū)底部形成厭氧環(huán)境，進而造成庫底沉積物中的錳重新還原為離子態(tài)，進而釋放入上覆水中，進而造成庫區(qū)底部沉積物上覆水中錳元素濃度大幅度升高。該水庫在2021年7月～8月，水庫底部水體中錳濃度持續(xù)超標，且在部分時段超標1.6倍。在寒冷的冬、春季節(jié)，該水庫水溫上、下層溫差較小或處于等溫狀態(tài)，庫區(qū)水體不會形成溫躍層，庫區(qū)水體溶解氧及pH值較高，整個庫區(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，最終在庫區(qū)底部沉積物與水界面附近沉積，并儲存于庫區(qū)沉積物表層，造成沉積物中錳含量的上升，水中錳濃度相應降低，所以該水庫在冬、春季節(jié)未出現(xiàn)錳超標現(xiàn)象。

3.2 水庫底層溶解氧含量

圖2 水庫底層水體溶解氧及標準限值

3.3 外源污染

由于該水庫為人工水庫，其主要來水水源為上游來水，庫區(qū)周邊以戈壁灘為主，在庫區(qū)的上風向有部分工業(yè)企業(yè)。經(jīng)過對庫區(qū)周邊干、濕沉降樣品進行檢測，檢測結果顯示，干濕沉降樣品中錳濃度均低于0.01mg/L，說明工業(yè)企業(yè)煙塵排放對庫區(qū)水體中錳的影響較小，庫區(qū)沉積物中錳主要來源于區(qū)域本底或上游來水匯入。

4 防治對策

水庫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)，庫區(qū)水體完全更換一次的周期較長，其自身的凈化能力有限，如遇污染水團匯入或內源污染，將造成水體水質快速惡化，如地表徑流中含有大量重金屬元素、有機污染物、營養(yǎng)鹽等物質進入水體，如果水庫水體交換周期較長、更新較慢，將造成污染物會長期滯留于庫內，并逐漸在沉積物中累積，如果庫底氧化還原條件發(fā)生改變，沉積物中蓄積的污染物將再次釋放進入水體環(huán)境，造成庫區(qū)水體的二次污染。因此針對穩(wěn)定分層型水庫錳超標現(xiàn)狀，防治水庫供水受錳污染具有一定的挑戰(zhàn)性，針對我國西北某典型穩(wěn)定型水溫分層水庫錳超標現(xiàn)象提出以下幾方面的改進建議。

4.1 供水工藝改進

水庫管理部門可在夏季適當提高取水高度，通過加裝疊梁門，以獲取溶解氧含量較高的表層水。還可以在水庫底部取水口處安裝自動增氧機，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，使水庫底部取水口長期處于氧化環(huán)境，進而將水中低價態(tài)錳轉化為高價態(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

由于該水庫水源主要來自上游來水及部分降水，集雨區(qū)面積不大，可以在集雨區(qū)內對枯枝落葉進行打撈；在庫區(qū)盡量減少人工投放飼料，盡可能減少有機質進入庫區(qū)水體。同時可以在水庫集雨區(qū)范圍內增加水源涵養(yǎng)林的種植以減少水土流失，減少含錳的表土進入庫區(qū)水體造成污染。

5 結語

該水庫水溫為穩(wěn)定分層型，中、上層水體中錳濃度未超過我國相關標準規(guī)定的限值。2021年7～8月底層水體出現(xiàn)錳超標現(xiàn)象，是由于水溫分層導致庫底溶解氧低，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，由于該水庫為底層供水水庫，所以造成供水水廠出現(xiàn)錳濃度超標現(xiàn)象。針對這種情況，建議改進供水方式，通過加裝疊粱門，將底層供水方式改為取表層水供水，可以應對供水管網(wǎng)水體中錳超標的問題。