南水人密云水庫對水質(zhì)及水環(huán)境的影響

李萬智　楊進(jìn)新　石維新　李振海

摘要：南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程思路優(yōu)化了南水北調(diào)中線總體布局，實(shí)現(xiàn)了南北聯(lián)調(diào)、豐枯相濟(jì)，同時(shí)恢復(fù)密云水庫在供水任務(wù)中的重要地位，提高了北京水資源戰(zhàn)略儲備。由于丹江口水庫和密云水庫分屬于兩個(gè)不同的流域，且分別位于兩個(gè)氣候區(qū)，因此水體水質(zhì)可能存在一定的差異。為避免調(diào)水可能帶來的水質(zhì)及水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在前期設(shè)計(jì)階段與相關(guān)單位聯(lián)合開展了兩庫水質(zhì)調(diào)查、水質(zhì)混合試驗(yàn)，構(gòu)建密云水庫平面二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：工程運(yùn)行后兩庫水混合，對密云水庫的水質(zhì)、水溫及其他理化指標(biāo)沒有產(chǎn)生不利影響，密云水庫庫區(qū)整體富營養(yǎng)化狀態(tài)將逐年改善，調(diào)南水入密云水庫有利于改善現(xiàn)狀密云水庫常年低水位運(yùn)行所面臨的富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化等問題。

關(guān)鍵詞：影響評價(jià);水環(huán)境;水質(zhì);密云水庫;南水北調(diào)

中圖分類號：TV68

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.018

南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程從團(tuán)城湖取水，通過京密引水渠新建6級泵站反向輸水至懷柔水庫，輸水流量20 m³/s，渠道總長73 km。經(jīng)懷柔水庫調(diào)節(jié)，部分水回補(bǔ)水源地，10 m³/s流量的水再經(jīng)3級加壓后反向送人密云水庫。輸水線路全長103 km.總揚(yáng)程132.85 m。平均每年約有3.6億m3水量可調(diào)往密云水庫或回補(bǔ)水源地。密云水庫庫水位將由136.08 m（2014年7月底蓄水量10.58億m³）抬升至汛限水位152.00 m[l]。由于丹江口水庫和密云水庫分屬于兩個(gè)不同的流域，且分別位于兩個(gè)氣候區(qū)，因此水體水質(zhì)可能存在一定的差異。另外，隨著調(diào)水工程的實(shí)施，密云水庫水位逐漸抬升，水面面積不斷加大，庫區(qū)整體水流流速和庫流形態(tài)可能發(fā)生變化[2]。因此，需要客觀分析南水進(jìn)入密云水庫后在不同時(shí)間段對密云水庫水質(zhì)的空間分布影響范圍和程度，評價(jià)密云水庫混合南水后的水質(zhì)變化，并提出水質(zhì)保障、風(fēng)險(xiǎn)防范合理化建議。

1 丹江口水庫水質(zhì)調(diào)查

丹江口水庫水質(zhì)情況來自于《南水北調(diào)中線一期工程環(huán)境影響復(fù)核報(bào)告書》（以下簡稱“中線復(fù)核報(bào)告”）中2004年監(jiān)測數(shù)據(jù)和2012年4月水利部水質(zhì)監(jiān)測中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)。中線復(fù)核報(bào)告中2004年水庫水質(zhì)指標(biāo)包括pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總氮、總磷、砷、銅、鎘、鉛、錳、汞、鋅、氰化物、揮發(fā)酚、石油、陰離子表面活性劑和糞大腸菌群等，從評價(jià)結(jié)果看，水質(zhì)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB3838-2002）Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

2012年4月，水利部水質(zhì)監(jiān)測中心考慮到丹江口水庫為飲用水源地，進(jìn)行了除常規(guī)指標(biāo)以外的有毒有機(jī)物指標(biāo)采樣分析。在水庫共設(shè)置了陶岔和壩前兩個(gè)采樣斷面，每個(gè)斷面分別設(shè)左、中、右3個(gè)采樣點(diǎn)。主要監(jiān)測項(xiàng)目包括21項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目（pH、色度、礦化度、高錳酸鹽指數(shù)、總硬度、酸度、總堿度、碳酸鹽堿度、重碳酸鹽堿度、氨氮、總磷、總氮、硝酸鹽氮、氯化物、氟化物、硫酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂、硫化物），8項(xiàng)重金屬元素（鐵、汞、銅、鋅、鉛、鎘、砷、硒），以及揮發(fā)性有機(jī)物VOCs、有機(jī)氯化物（百菌清、六六六HCHs、滴滴涕DDTs、多氯聯(lián)苯PCBs等）、有機(jī)磷和其他半揮發(fā)性有機(jī)污染物等共計(jì)66項(xiàng)。部分監(jiān)測結(jié)果見表1、表2。

由表1、表2可以看出：丹江口水庫表層水樣滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（ GB5749-2006）。對照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB3838-2002），除總氮和汞超標(biāo)外，其他指標(biāo)均能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明丹江口水庫存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)和富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)：丹江口水庫表層水樣中揮發(fā)性有毒有機(jī)物、有機(jī)氯化合物、有機(jī)磷及其他半揮發(fā)性有毒有機(jī)物的濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB3838-2002）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值，說明由此引起的健康風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

2 密云水庫水質(zhì)調(diào)查及評價(jià)

密云水庫水質(zhì)分析依據(jù)1990-2011年北京水質(zhì)監(jiān)測中心監(jiān)測數(shù)據(jù)和2012年4月水利部水質(zhì)監(jiān)測中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（1）監(jiān)測斷面。密云水庫庫區(qū)常設(shè)8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)，分別為白河主壩、庫西、套里、恒河、庫東、金溝、水源九廠和潮河主壩，如圖1所示。

（2）監(jiān)測指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)包括水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、鐵和錳等29項(xiàng)，部分監(jiān)測結(jié)果見表1、表2。

可以看出：密云水庫表層水樣滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（ GB5749-2006）。對照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB3838-2002），除總氮和汞超標(biāo)外，其他指標(biāo)均能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明密云水庫存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)和富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。密云水庫表層水樣中揮發(fā)性有毒有機(jī)物、有機(jī)氯化合物、有機(jī)磷及其他半揮發(fā)性有毒有機(jī)物的濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB3838-2002）規(guī)定的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，說明由此引起的健康風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

3 丹江口水庫和密云水庫水質(zhì)混合試驗(yàn)

3.1 常規(guī)指標(biāo)混合試驗(yàn)

從兩庫水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果對比情況來看，丹江口水庫的氨氮、氟化物、氯化物、硫酸鹽、鈉、總硬度、鉀、鎂、礦化度、碳酸鹽堿度、重碳酸鹽堿度、總堿度均比密云水庫的相應(yīng)指標(biāo)低，兩庫水體的pH值、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、硫化物、鈣離子濃度5項(xiàng)指標(biāo)差別不顯著，而丹江口水庫硝酸鹽氮、總氮濃度要高于密云水庫的。丹江口水庫總氮濃度高于密云水庫的原因主要是丹江口水庫的硝酸鹽氮濃度明顯高于密云水庫的，丹江口水庫硝酸鹽氮濃度偏高原因主要是長江流域水體硝酸鹽氮背景值偏高。

根據(jù)工程調(diào)水方案，從2014年到2019年逐年向密云水庫調(diào)水3億-4億m³，共計(jì)17.9億m3。密云水庫現(xiàn)有庫水約10億m³，到2019年將達(dá)到防洪限制水位152.0 m，按此調(diào)水方案確定水體混合比例，分別為1：2、1：1和2：1（丹江口水庫水體：密云水庫水體），進(jìn)行3組混合試驗(yàn)。為反映不同水體混合比例下水質(zhì)的變化，混合試驗(yàn)停留時(shí)間分別為1、5、10 d。

兩庫水樣按比例混合后的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表3-表5。混合比例由小到大時(shí)，氟離子、氯離子、硫酸根離子、鈉離子、鎂離子和鉀離子濃度呈下降態(tài)勢，表明兩種原水混合后，主要的陰陽離子組分發(fā)生了物理混合作用。

綜上所述，丹江口水庫水體中大多數(shù)化學(xué)組分濃度低于密云水庫的，是優(yōu)質(zhì)的地表水，適合作為飲用水源?；旌显囼?yàn)體現(xiàn)了丹江口水庫地表水與密云水庫地表水之間較為顯著的物理混合特征，雖然水質(zhì)混合后引起陰陽離子濃度升高，但滿足飲用水要求。由于丹江口水庫硝酸鹽氮和總氮濃度高于密云水庫的，混合試驗(yàn)表現(xiàn)出兩項(xiàng)指標(biāo)濃度升高，因此蓄水工程要預(yù)防密云水庫富營養(yǎng)化現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 重金屬指標(biāo)混合試驗(yàn)

丹江口水庫與密云水庫中重金屬元素含量對比（密云/丹江口）見圖2?？梢钥闯?，密云水庫水體中鐵、汞、銅、鎘、砷和硒含量略高于丹江口水庫，而密云水庫水體中鋅和鉛含量略低于丹江口水庫。丹江口水庫和密云水庫重金屬含量基本相當(dāng)，均遠(yuǎn)低于國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)（ GB5749-2006）規(guī)定的限制。

為了驗(yàn)證丹江口水庫和密云水庫原水混合對密云水庫水質(zhì)的影響，以兩水庫混合水樣為研究對象，通過測定兩水庫原水混合水樣在不同混合時(shí)間下的重金屬元素含量變化，來初步確定水樣的混合作用對密云水庫水質(zhì)產(chǎn)生的影響。不同時(shí)間混合后的水樣中重金屬元素濃度測定結(jié)果見圖3。可以看出，由于丹江口水庫和密云水庫水體中重金屬元素含量都很低，兩庫地表水混合后重金屬指標(biāo)除了銅、鋅和鉛外，其他元素濃度隨混合時(shí)間的延長都有所降低，因此可以初步確定南水調(diào)入密云水庫后重金屬風(fēng)險(xiǎn)較小。

綜上所述，丹江口水庫和密云水庫地表水中多數(shù)重金屬濃度很低，符合GB5749-2006標(biāo)準(zhǔn)限制。混合試驗(yàn)表明，兩庫水體混合后重金屬含量沒有出現(xiàn)顯著升高現(xiàn)象，鐵、汞、鎘、砷和硒濃度隨混合時(shí)間的延長均有所降低，因此調(diào)水后密云水庫供水的重金屬風(fēng)險(xiǎn)較小。

4 調(diào)水對密云水庫水環(huán)境的影響

為預(yù)測調(diào)水后密云水庫水環(huán)境變化及其富營養(yǎng)化趨勢，基于密云水庫庫區(qū)的自然環(huán)境特征、水質(zhì)空間分布特點(diǎn)和庫區(qū)水動力特性，選取Mike21水動力模型（HD）和對流擴(kuò)散模型（AD）構(gòu)建密云水庫平面二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并將2009年資料用于模型參數(shù)率定，2010年資料用于模型參數(shù)驗(yàn)證。從庫區(qū)環(huán)流形態(tài)、水流流速大小及現(xiàn)狀年庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)年內(nèi)水質(zhì)變化過程模擬結(jié)果來看，構(gòu)建的密云水庫平面二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型具有較高的精度，能夠滿足南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫后庫區(qū)水質(zhì)變化及其影響預(yù)測的需要。

（1）數(shù)學(xué)模型的建立。采用Mike2IHD模型模擬二維非恒定流運(yùn)動，表達(dá)式為

根據(jù)計(jì)算區(qū)域的大小，初步確定密云水庫計(jì)算網(wǎng)格尺寸為150 mx150 m，個(gè)數(shù)超過2萬。計(jì)算水質(zhì)指標(biāo)大于4個(gè)，方程采用有限體積法進(jìn)行求解。

（2）計(jì)算工況初步設(shè)計(jì)。根據(jù)丹江口水庫不同典型年75%、50%及25%保證率的調(diào)水量，對應(yīng)密云水庫的不同典型年水文及水環(huán)境條件，分析調(diào)水對密云水庫水體的影響。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究枯水期和豐水期密云水庫水體水質(zhì)變化。分別計(jì)算現(xiàn)狀水平年和設(shè)計(jì)水平年庫區(qū)水動力學(xué)變化特性和各水質(zhì)指標(biāo)的變化特征。

（3）邊界條件。密云水庫水流運(yùn)動主要受風(fēng)力驅(qū)動，常年主導(dǎo)風(fēng)向（SW）和多年平均風(fēng)速（2.24 m/s）下庫區(qū)水流流速約為0.86 cm/s;常年次主導(dǎo)風(fēng)向（NE）和多年平均風(fēng)速（2.51 m/s）下庫區(qū)水流流速約為0.90cm/s。受庫區(qū)蓄水和南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫的影響，庫區(qū)水面面積逐步增大，風(fēng)場對庫區(qū)表層水體的驅(qū)動能力增強(qiáng)，但隨著庫區(qū)水位逐步升高、水深增大，風(fēng)場對庫區(qū)水體的整體驅(qū)動能力有所減弱，庫區(qū)水流流速趨緩。南水北調(diào)來水對庫區(qū)整體水流流速和庫流形態(tài)影響非常小。

基于密云水庫流域十多個(gè)代表性雨量站多年降雨資料，并結(jié)合潮河和白河長系列入庫流量資料，綜合確定1996年、1997年和2002年為密云水庫流域豐、平、枯典型水文年的代表年型，再采用經(jīng)過模型參數(shù)調(diào)試與校準(zhǔn)的HSPF，預(yù)測各典型水文年水情條件下蓄水期間密云水庫匯水區(qū)入庫污染物量及其時(shí)空分布狀況。綜合庫區(qū)降雨降塵量和庫區(qū)內(nèi)源釋放量研究成果，蓄水期間密云水庫入庫水量及污染物總量分別為：豐水年水量6.53億m3/a、總氮總量2 275 t/a、總磷總量44.8 t/a、高錳酸鹽總量1 946 t/a;平水年水量3.54億m3/a、總氮總量1 349 t/a、總磷總量28.9 t/a、高錳酸鹽總量1 289 t/a;枯水年水量1.74億m3/a、總氮總量886 t/a、總磷總量23.2 t/a、高錳酸鹽總量902 t/a。

（4）模擬結(jié)果。在確定上述邊界條件的基礎(chǔ)上，通過模型預(yù)測得到如下結(jié)論：

南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄后，枯水年蓄水期末密云水庫高錳酸鹽濃度基本不變（均為1.87 mg/L），總磷濃度略有改善，由補(bǔ)水前0.009 mg/L下降到補(bǔ)水后0.008 mg/L;總氮濃度略有升高，由補(bǔ)水前0.60 mg/L變?yōu)檠a(bǔ)水后的0.64 mg/L。平水年蓄水期末密云水庫高錳酸鹽和總氮濃度在補(bǔ)水后基本不變（補(bǔ)水前后高錳酸鹽濃度均為1.79 mg/L.總氮濃度均為0. 69 mg/L），總磷濃度略有改善（由補(bǔ)水前0.009 mg/L下降到補(bǔ)水后0.008 mg/L）。豐水年高錳酸鹽在補(bǔ)水后基本不變（高錳酸鹽濃度均為1.67 mg/L），總磷和總氮濃度均有一定程度的改善（總磷濃度由補(bǔ)水前0.009 mg/L下降到補(bǔ)水后0.007 mg/L，總氮濃度由補(bǔ)水前0.76 mg/L下降到補(bǔ)水后0.74 mg/L）。南水北調(diào)來水后，密云水庫高錳酸鹽、總磷、總氮指標(biāo)水質(zhì)類別分屬I類、I類和Ⅲ類。

現(xiàn)狀年密云水庫各水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值為34 -41，都處于中營養(yǎng)水平，其中金溝和庫東兩站的評分（綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)≥40）明顯高于其他站點(diǎn)，表明金溝和庫東所在庫區(qū)發(fā)生水華的概率明顯大于其他監(jiān)測站點(diǎn)所代表的庫區(qū)：5種營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)中，葉綠素a和總氮的評分明顯高于其他3個(gè)指標(biāo)，同時(shí)表明總磷是當(dāng)前密云水庫發(fā)生水華的限制性營養(yǎng)因子。至蓄水期末，不同設(shè)計(jì)水情條件下密云水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)評價(jià)指數(shù)為30- 31，屬中營養(yǎng)狀態(tài)水平，并處于貧營養(yǎng)與中營養(yǎng)等級的臨界點(diǎn)，較蓄水前（現(xiàn)狀年）的庫區(qū)富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)值（36）下降5-6，降幅為14.8% - 17.0%，較密云水庫多年平均值（35）下降4-5，降幅為10.5% - 12.8%。南水北調(diào)來水入庫后，蓄水期末各年型下庫區(qū)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值均為30，處于貧營養(yǎng)與中營養(yǎng)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的臨界點(diǎn)。受庫區(qū)引水和蓄水的共同影響，蓄水期間庫區(qū)的整體富營養(yǎng)化狀態(tài)將呈逐年改善趨勢，其中枯水年改善趨勢相對最好。

5 結(jié)語

密云水庫是北京最為重要的地表水源地，水質(zhì)問題敏感，南水進(jìn)入密云水庫后對其水質(zhì)、水環(huán)境等是否造成不利影響，是建設(shè)密云水庫調(diào)蓄工程的決定性因

（下轉(zhuǎn)第99頁）（上接第93頁）素。通過開展專項(xiàng)研究表明，隨著工程建成運(yùn)行，密云水庫蓄水量逐年增大，對水質(zhì)、水溫及其他水體理化指標(biāo)、重金屬等沒有產(chǎn)生不利影響，隨著密云水庫蓄水量的增大，密云水庫現(xiàn)狀存在的水體富營養(yǎng)化問題逐年改善，因此該工程的建設(shè)對密云水庫有利。工程建成后密云水庫的水質(zhì)等監(jiān)測一直在進(jìn)行，監(jiān)測成果與預(yù)測結(jié)果基本一致，密云水庫水體水質(zhì)一直維持在地表水Ⅱ類，滿足飲用水水源要求。

參考文獻(xiàn)：

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