水庫(kù)重金屬錳污染特征及原因分析

葉 操

（上饒市科信水利水電勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,江西 上饒 334000）

1 引言

錳是一種常見的天然元素,它對(duì)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育、糖和脂肪的新陳代謝都起到了很好的促進(jìn)作用,但是如果過(guò)量攝入,會(huì)引起神經(jīng)傳遞素的失調(diào),從而產(chǎn)生神經(jīng)毒性。在水庫(kù)的水源中,錳的含量超標(biāo)是比較普遍的。在水庫(kù)中,主要有兩種類型：一是內(nèi)源釋放,二是外源匯入。內(nèi)源釋放是水庫(kù)的沉積物經(jīng)過(guò)復(fù)雜的理化以及生物反應(yīng),以錳的各種形態(tài)存在于水體和生物體中[1-2]。另外,由于工業(yè)生活污水、礦山開采和土壤侵蝕等容易隨降雨匯入地下水,成為水庫(kù)水體中錳的重要來(lái)源[3]。

根據(jù)該水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)的逐月監(jiān)測(cè)和逐日監(jiān)測(cè)氣象等資料,深入分析了該水庫(kù)水體的錳污染特征以及造成錳污染的原因,可為該水庫(kù)錳含量超標(biāo)提供預(yù)警,以及為同類型水庫(kù)錳含量超標(biāo)治理提供理論支撐。

2 材料與方法

某水庫(kù)以供水與防洪為主,同時(shí)兼顧發(fā)電、灌溉。該水庫(kù)控制河道的長(zhǎng)度為25.10 km,流域?yàn)?31.0 km2,庫(kù)容為1.10億m3,標(biāo)準(zhǔn)蓄水位為244.0 m。壩址位于下游約1km左右,每年為該地區(qū)的供水量約為7300萬(wàn)m3,是供水總量的1/3。在庫(kù)區(qū)設(shè)置了一個(gè)長(zhǎng)期的水廠監(jiān)測(cè)站,逐月監(jiān)測(cè)水庫(kù)表層水下0.5 m的水質(zhì)。從2012開始,水庫(kù)連續(xù)出現(xiàn)了幾起嚴(yán)重的錳超標(biāo)問題。水質(zhì)調(diào)查分析在該水庫(kù)大壩壩址下游設(shè)置了若干個(gè)采樣斷面,在壩址附近采集了不同深度的水樣,而其他采樣點(diǎn)主要對(duì)水體表層0.5 m處進(jìn)行取樣。根據(jù)GB/T 11911-1989[3]進(jìn)行了鐵、錳含量測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 水庫(kù)水體錳的垂直分布特征

為了研究水庫(kù)中錳的來(lái)源,在2015年1月針對(duì)水庫(kù)第一次錳污染超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)為0.1 mg /L）,于2015年1月份至2016年12月份對(duì)該水庫(kù)水下0.5 m（表層）、10 m、20 m的水體進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)隨著深度加深,錳含量也會(huì)增加。這表明了水庫(kù)的內(nèi)源污染。但也不是各個(gè)時(shí)期水庫(kù)表層的錳含量都低于底層,特別是近兩年11個(gè)月（柱形紅色）,表明表層中的錳含量明顯小于深層,表明仍有外源污染物伴隨著較大的降雨。特別是在汛期后,隨著庫(kù)容逐漸下降,周圍的巖體暴露,在降水的作用下,河流的水流會(huì)對(duì)周圍的巖體造成很大的沖擊,并將大量的污染物帶入水中,使水庫(kù)表層水體的錳濃度上升,超過(guò)10 m～20 m處的錳含量。因此,該水庫(kù)的錳污染由內(nèi)源和外源兩部分組成。

在2016年年初,該水庫(kù)水體錳含量嚴(yán)重超標(biāo),通過(guò)研究結(jié)果表明：當(dāng)表層和底層都低于標(biāo)準(zhǔn)值,而中層的錳含量超標(biāo),也就是說(shuō),在垂直方向,整體的錳礦呈中層偏高、上下層偏低的趨勢(shì)。其水庫(kù)水體垂向的錳濃度呈現(xiàn)出梭形分布,在2014年11月份的抽樣調(diào)查中也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象,在此期間各深度的錳濃度分布見圖1。這種分布的原因可能是因?yàn)閹?kù)區(qū)內(nèi)存在著水的分層,在深水區(qū),往往存在著顯著的熱分層作用。當(dāng)水庫(kù)的錳含量超標(biāo)時(shí),由于自重和沉淀的吸附,底層的錳會(huì)慢慢地向底部集中,而在中層和上層則不能向底層對(duì)流,當(dāng)水庫(kù)表層的錳被氧化沉淀,中層的錳濃度也隨之減少,從而形成了這樣的梭形分布。這種分布形式的出現(xiàn),會(huì)導(dǎo)致中段長(zhǎng)期維持高的濃度,從而給表層水體錳含量超標(biāo)造成潛在的危險(xiǎn)和危害。

圖1 錳含量隨水深變化

3.2 表層水體錳超標(biāo)的原因及規(guī)律

根據(jù)研究期間的每日最大溫度和最小溫度,以及歷史觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)在過(guò)去的四次水庫(kù)水體錳含量超標(biāo)中,有3次都是在接近年最低溫度時(shí)發(fā)生,表明該水庫(kù)表層的錳含量與極端的低溫天氣有關(guān)。溫度下降使表層水體溫度下降,同時(shí)密度增加,表層水在自重的作用下向底層下沉,造成了上層和上層的強(qiáng)烈對(duì)流,使底層錳的污染得以釋放到水庫(kù)表層水體。

通過(guò)對(duì)該研究區(qū)的歷史氣象資料進(jìn)行了深入的分析：2014年6月份以來(lái),連續(xù)出現(xiàn)了3次極端降雪天氣,其恰好與該水庫(kù)水體3次錳含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。由于極端氣候往往會(huì)導(dǎo)致溫度急劇變化,而低溫降雨又會(huì)加速表層水溫的急劇降低,從而導(dǎo)致上層和上層的強(qiáng)烈對(duì)流,而以往的錳含量超標(biāo)都是在水位下降期出現(xiàn)的,這容易導(dǎo)致底層的超標(biāo)錳含量釋放到表層水體。因此,該水庫(kù)錳含量超標(biāo)與較低的氣溫和水位以及降雪等極端天氣有關(guān)。

在2014年年底,錳含量超標(biāo)對(duì)應(yīng)著以下條件：干旱后出現(xiàn)較強(qiáng)的降雨事件,水庫(kù)的水位降低,氣溫的急劇降低,這幾個(gè)條件都有可能導(dǎo)致錳含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。水位降低導(dǎo)致周圍的巖石經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裸露,由于長(zhǎng)時(shí)間的干旱,巖石中的錳會(huì)轉(zhuǎn)化成易于溶解的懸浮微粒,同時(shí)由于短期降雨帶來(lái)的大量的含錳微粒會(huì)流入水庫(kù),再加上溫度下降,使得表層水體溫度下降,導(dǎo)致底層的超標(biāo)錳含量釋放到表層水體,從而造成表層水體錳含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

綜合考慮,低氣溫和低水位、極端天氣（如降雪）等原因,都可能導(dǎo)致水庫(kù)表層錳含量超標(biāo)。此外,干旱后的強(qiáng)降雨也可能導(dǎo)致水庫(kù)表層錳含量超標(biāo)。因此,在多種因素重合時(shí)必須加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)水體水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。

3.3 其他水質(zhì)指標(biāo)變化

通過(guò)對(duì)2018年2月份庫(kù)區(qū)表層水體中的錳含量超標(biāo)為例進(jìn)行研究,結(jié)果表明：鐵、錳含量的變化趨勢(shì)具有一致性；以及在超標(biāo)初期DO出現(xiàn)異常下降。從圖2可見,鐵、錳的含量變化具有很強(qiáng)的一致性,擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.88。Mn的含量從1.23 mg/L逐步減少到0.11 mg/L,而 Fe的濃度則從0.22 mg/L逐步減少到檢測(cè)限以下,說(shuō)明兩者很可能具有相同的來(lái)源和類似的變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)和國(guó)際上很多大中型水庫(kù)的鐵、錳含量均存在相似的規(guī)律性。在該類水庫(kù)中,普遍認(rèn)為鐵錳均來(lái)自于水庫(kù)底部水體的沉積物釋放。

圖2 水庫(kù)表層錳鐵含量變化及相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)水庫(kù)水體DO的監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)在超標(biāo)前期,在大壩壩址周邊 DO出現(xiàn)反常的降低。2018年2月份,該水庫(kù)的取水口DO濃度為5.6（飽和度42.80%）,比多年同期均值8.6低,而同時(shí)上游3 km處DO為7.8。由于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,沒有還原因素導(dǎo)致 DO的減少,且沒有出現(xiàn)環(huán)境變化,因此,這樣的異常減少可能是由于水庫(kù)底部水體氧氣含量較低,與地表高含氧量的水體進(jìn)行了對(duì)流,從而導(dǎo)致了表層水體中的錳含量超標(biāo)。經(jīng)過(guò)持續(xù)監(jiān)控,DO逐步升高到7.3,表明 DO值的異常降低不會(huì)持久,因此,通過(guò)對(duì)DO的連續(xù)監(jiān)控,可以提前發(fā)現(xiàn)水庫(kù)表層水體中的錳含量超標(biāo)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

該水庫(kù)表層水體錳含量超標(biāo)的主要來(lái)自于壩址底部,少數(shù)來(lái)自于降雨后徑流匯流至水庫(kù)。低氣溫和低水位、極端天氣（如降雪）都可能導(dǎo)致水庫(kù)表層錳含量超標(biāo),此外錳含量超標(biāo)還與干旱后的強(qiáng)降雨和巖石的裸露有關(guān)。在水庫(kù)表層錳含量超標(biāo)往往伴隨著水體中的鐵濃度的升高,超標(biāo)初期水體中的DO出現(xiàn)異常降低。因此,提出適時(shí)建立低溫時(shí)期錳含量超標(biāo)的預(yù)警體系。在春冬兩季,應(yīng)該加強(qiáng)關(guān)注水庫(kù)的水質(zhì)狀況,同時(shí)在低氣溫、低水位、降雪等極端氣候條件下,要加大對(duì)水庫(kù)水環(huán)境的監(jiān)控力度,并設(shè)置DO等實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置,要尤其注意水庫(kù)短期內(nèi)DO的異常變化。