南水北調中線工程運行的環境問題及風險分析

黃 繩，農 翕 智，梁 建 奎2，邵 東 國，鐘 華

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072； 2.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038)

南水北調中線工程是為緩解我國黃淮海平原水資源嚴重短缺、實現我國南北方水資源優化配置的重大戰略性基礎設施。 截至2018年10月16日，中線工程已累計向京津冀豫四省(市)調水175億m3，從根本上改變了受水區的供水格局，改善了受水區城市用水水質，提高了受水區多座城市的供水保證率，受水區地下水位開始回升，南水北調中線工程在社會、經濟、生態等方面的效益日益凸顯。

然而，分析研究南水北調中線工程日常運營情況和輸水調度過程發現，中線工程水源地、中線總干渠和漢江中下游都存在一定的生態環境問題和潛在風險。雷沛等[1]討論了中線水源地丹江口水庫可能面臨的支流沉積物重金屬污染及生態風險；張乃群等[2]對南水北調中線水源區水體浮游植物進行了調查，討論了浮游植物對中線水質的影響；左海鳳等[3]對南水北調中線沿線劣質地下水對輸水水質的潛在風險進行了分析，并建立了典型渠段數值模型；劉丙軍等[4]從水資源可持續利用的角度,系統地分析了南水北調中線工程和漢江中下游地區水資源利用相互關系；鐘華平等[5]研究了合理的地下水生態水位對南水北調受水區內地下水污染防治的必要性；任仲宇等[6]對南水北調中線干渠水污染途徑進行了研究，討論了中線總干渠沿線地下水的水質保護對總干渠水質的影響；王光謙等[7]以南水北調中線工程水源區老鸛河流域為研究對象，建立了農業非點源污染的識別模型，對中線水源區的農業非點源污染進行了風險評價和污染源區的識別。另有許多學者從外界環境因子對水質的影響[8-10]、水質時空變化規律[11-13]和水質風險分析[14-17]等角度，討論了南水北調中線工程可能存在的部分生態環境問題和潛在風險。這些問題直接影響著中線工程的水質安全、生態系統健康和運行穩定，及時發現并解決以上問題具有重要的工程、生態和社會意義。由于南水北調中線工程的特殊性、區域性和封閉性，目前對南水北調中線工程運營的環境問題及風險分析的研究成果較少，還需要對中線工程水源地、總干渠以及因調水引起的漢江中下游的主要生態環境問題及潛在風險進行更為深入的研究。

1 水源地主要生態環境問題

丹江口水庫是南水北調中線工程的水源地，為國家一級水源保護區。近年來，國家和地方政府采取了多項針對性措施，嚴格控制水源保護區內工業、生活污水等點源污染物排放，丹江口水庫水質目前較穩定保持在國家地表水Ⅱ類及以上標準。但參考丹江口市飲用水水源地水質狀況報告(2018年第一季度)的監測數據發現，該季度監測點的水質狀況比去年同期有所下降，說明水質存在惡化趨勢。整體而言，水源地當前面臨的主要生態環境問題有以下幾個方面。

1.1 農業面源污染

南水北調中線工程水源地丹江口水庫位于湖北、河南、陜西三省交界處，周邊大部分是農業生產區，農業面源污染問題日益凸顯，已成為水源區水體氮、磷污染的主要來源。2017年實施的《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十三五”規劃》指出：農業和農村的污染已成為庫區主要污染源，對主要污染物化學需氧量、氨氮和總氮排放量的貢獻比例分別達到49%、43%、74%。丹江口庫區農業面源污染主要包括水產畜禽養殖、區域水土流失和化肥污染以及農村生活污水排放等[18-20]。孟令廣等[21]采用輸出系數法計算得出，畜禽養殖業、耕地和農村生活污水導致的氮磷排放占水源區氮磷面源排放總量的70%以上。2017年中央環保督察整改，加大了水產畜禽養殖污染整治力度，采取關閉搬遷養殖欄舍、取締網箱養殖等措施，但庫區仍有水產有效養殖面積約 6.2萬hm2，且存在部分水域投餌性網箱密度設置過大、未充分考慮水體合理承載力等問題[22]。水土流失和化肥污染是庫區面源污染的另一重要來源?！笆濉币巹澠陂g丹江口水庫及其上游地區開展了一定的水土保持工作，但問題仍然突出。據統計，2017年丹江口庫區水土流失面積為12 000 km2左右，占總土地面積40%以上，庫濱緩沖帶的水土流失比例高達69%[23]。由于庫區所在流域的地形以山地丘陵為主，多數耕地位于坡面處，化肥容易隨地表徑流進入庫區，坡地的水土流失增加了耕地農藥化肥污染水質的風險。根據統計數據，2002～2014年水源地化肥施用明顯過量且逐年增加，施用強度是我國生態縣建設化肥施用符合標準的2.47倍[24]。另外庫區內耕地施用方法不夠科學合理，多為拋灑淺施，導致保肥性差[25]，如丹江口市化肥利用率只有30%～40%左右。

1.2 重金屬污染

丹江口水源地的重金屬污染風險主要來自3個方面。

(1) 淹沒區土壤中的重金屬釋放。丹江口大壩加高后，水庫正常蓄水位從157 m提高到170 m，新增淹沒區面積305 km2[26]。被淹沒的土地成為新的水庫底質，其中包含的重金屬元素在一定條件下可以釋放到上覆水體中造成水環境二次污染[27-29]。水庫沉積物中，Cd，Hg，As，Zn，Cu，Pb等重金屬均有一定程度的富集，尤其是Cd元素，快速解吸釋放的風險較大[30-31]。

(2) 水庫流域內的污水排放。由于工業廢水和生活污水的直接排放或間接性匯入，漢江流域和丹江流域的入庫支流受到了不同程度的重金屬污染，直接增加了庫區重金屬含量[32-33]。尹煒等[34]利用主成分分析法研究了16條主要入庫支流，發現老灌河、泗河、天河的重金屬污染相對最為嚴重。

(3) 流域內尾礦的淋濾和重金屬的釋放。丹江口水庫及其上游地區多座尾礦庫對水源地水質安全構成了較大威脅。據統計，水源區內有尾礦庫300余座，且大部分建設時間較早，建設標準低，安全基礎差，環保設施缺乏，尾礦廢水可以通過滲流進入水體和土壤，這種污染不僅危害性大，而且作用時間長、不易被人察覺[35]。另外潰壩更能引起地表水體大范圍的污染。欒川縣近年來就發生了多次尾礦潰壩事件[36]。繼洛鉬集團大東坡三道溝尾礦庫塌方事故后，2017年2月14日龍宇鉬業有限公司尾礦庫6號溢流井發生坍塌，造成庫內循環水流入河道引起污染。

1.3 消落帶生態問題

消落帶處于水陸生態系統的過渡區，是周圍泥沙、有機物和化肥農藥等進入庫區的最后一道生態屏障，是水庫脆弱敏感、易污染、易破壞的地帶[37]。因季節變化和運行調度的需要，丹江口水庫水位漲落使庫區周圍土地在淹沒和出露兩種狀態間交替[38]，其中145～170 m區域為主要消落帶，估算面積約540 km2。消落帶的主要覆被類型即為耕地，淹沒時土壤中氮磷和重金屬等物質進入水體引起水質污染，出露時庫區周圍農戶的無序開墾造成水土流失、土壤退化，同時水位變動也影響了土壤中黑炭對微量污染物的吸收[39-40]。調水人為地改變水庫水文變化規律，消落帶內諸如細葉水芹、狗牙根等物種受水淹影響較大，物種多樣性受到破壞，生態系統的結構和功能也變得簡單化[41]。目前丹江口水庫的消落帶尚未穩定形成，生物群落還沒適應環境變化，消落帶植被群落的恢復和構建也正在研究之中[42]。由于庫區消落帶具有狹長、橫向延伸小等自然條件和干濕交替的水文條件，難以從群落尺度進行遙感監測[43]，同時消落區諸多生態環境的演變過程還不能為人們所認識[44]，因此對丹江口水庫建立生態監測網絡以長期關注其消落帶演變方式是十分必要的。

2 總干渠環境問題和風險

南水北調中線工程總干渠溝通長江、淮河、黃河、海河四大流域，全線利用地形高差，基本為自流輸水形式。由于輸水距離長，總干渠在運行過程中受到很多不確定性因素的影響[45]。為保障總干渠正常運行，必須重視以下環境問題和潛在風險。

2.1 藻類貝類增殖風險

南水北調中線干渠水深較小，光照條件好，生物群落多樣性相對簡單，以菌-藻-小型水生動物為主。出現氮、磷等污染源擾動情況時，干渠生境容易改變，會使生物群落結構和優勢種群發生變化，尤其是藻類、貝類等低等水生生物，在適宜條件下可能快速生長繁殖。由于干渠的營養元素、水溫、光照、流速等條件均較適宜，2015年以來干渠硅藻、金藻等藻密度呈現自南向北沿程升高的趨勢，也發現了淡水殼菜等貝類大量增殖的風險。藻類異常增殖不僅增加“水華”爆發風險，其殘體沉降還導致底泥營養鹽和有機物蓄積量增加，一旦釋放將會產生二次污染。而貝類在輸水管渠和水工建筑上附著生長，不僅增加糙率系數，降低輸水效率，還可能堵塞管道，腐蝕結構，威脅工程安全[46-47]。

2.2 路橋運輸事故和施工污染

總干渠沿線跨渠橋梁超過1 200座，運送危險化學品、石油和其他液體的車輛經過時，存在傾覆和化學品入渠的風險，導致突發性事故[48]。例如，2016年張石高速易縣境內一輛拉運甲醇的車輛被貨車追尾，使甲醇泄漏到下方中線干渠造成污染，由于干渠建有排水溝等防護設施且工作人員及時處理，事故未對輸水水質造成嚴重影響。Wang等[49]基于貝葉斯網絡進行風險評估，北京-石家莊段跨渠橋梁發生危險品運輸事故的概率為0.08%，并且在最不利路況下事故最高可能性可以達到0.17%,并且事故發生后，往往造成輸水干渠的大范圍退水和斷流，同時污染退水區，因此此類運輸事故可能造成的污染問題不容忽視。另外，跨渠橋梁在施工時存在泥漿、油污、廢水、廢渣等污染物質[50]。橋面的粉塵、油污等污染物被雨水沖刷后，也可能通過伸縮縫等結構破損處進入干渠，造成潛伏性、長期性的污染。

2.3 地表水及地下水污染

中線總干渠沿線穿越上千條大小河流，河水水質較渠水往往差很多，有的甚至是黑臭水體，另外部分渠段所在位置是地表匯流聚集區，受到區域農業面源污染和垃圾堆放點等點源污染的威脅。工程設計時利用渡槽、倒虹吸、涵洞三大類交叉建筑物使河流與干渠不發生水交換，另外還布置截流溝攔截排污口和地面匯流[51]。盡管建筑物防洪等級較高，但長時間運行后，起初洪水計算的地形等條件變化較大，暴雨下污水漫溢風險仍然存在，如保定段西側大清河淺山區就曾出現洪水漫溢串流?？辈榘l現，主要風險點包括個別低位渡槽、阻塞的截流溝、交叉穿越的排污廊道和建筑物等[52]。此外，工程設計時為防止地下水壓力破壞，干渠附近地下水水質不滿足Ⅲ類標準時通過自流或抽水的形式外排到相鄰水系，以減小對渠道的壓力；地下水水質滿足Ⅲ類標準則通過單向逆止閥內排減壓。但在運行過程中，逆止閥損壞或者強排井判斷失誤都可能引起水質不達標的地下水入渠的問題。即便是當時符合標準的內排水，由于沿線污染型企業廢水滴漏和垃圾場淋濾液下滲，水質可能已經劣于Ⅳ類甚至更差，例如河北段就有40 km地段地下水水質超Ⅳ類[53]。

2.4 大氣干濕沉降污染

我國大氣污染比較嚴重，特別是華北地區已成為全球大氣污染物沉降量最高區域之一[54]。大氣中的污染物質以酸雨或降塵的形式落入渠中，成為總干渠水體污染的來源之一。黃河以北的中線總干渠沿岸分布著大量的燃煤發電、化工、制藥、冶金等企業，大氣干濕沉降帶入氮、磷、重金屬等污染物對中線總干渠輸水水質的影響不容忽視。根據現場監測數據和相關研究成果換算污染負荷，按照最不利情況估算，頂寬取130 m，明渠長度按1 156 km計，加權平均過水量取47.5億m3，則大氣干濕沉降共引起干渠SS濃度增加1.440 0 mg/L，TN濃度增加0.209 0 mg/L，氨氮增加0.088 0 mg/L，TP增加0.001 3 mg/L[54]。

3 工程運行引起的生態環境問題

南水北調中線工程調水后，漢江流域中下游地區水量減少，水文情勢發生變化，由此帶來了漢江中下游的生態環境問題。近10 a來，漢江中下游爆發了多次硅藻水華事件。據調查，漢江下游東荊河幾乎每年春季都會出現不同程度的硅藻水華問題[55]。根據以往學者的研究成果，丹江口水庫下泄流量不足導致漢江中下游流量減小、流速減慢是水華在枯水期爆發的重要原因。謝平等[56]通過定量計算(不考慮引江濟漢工程)認為，南水北調中線工程調水后漢江水華發生概率高達13.6%。為改善漢江中下游河段生態、灌溉、航運等用水條件，建設實施了引江濟漢工程，于2014年9月正式通水。但根據報道，2015年2月下旬和2016年3月上旬，漢江中下游干流仍然出現了一定程度的水華污染，采取水利調度措施下泄流量后才得以控制。謝敏等[57]采用觀察流量法分析漢江得出結論，水華發生的臨界流量約為500 m3/s，與南水北調中線工程《生態與環境影響研究》專題報告的成果基本一致。因此，丹江口水庫以下河段如何進行聯合調度以控制水華的爆發，是南水北調中線工程當前面臨的重要問題。此外，由于丹江口水庫下泄水量減少而導致水環境容量不足，漢江沿岸的排污引起的中下游水環境問題變得更為突出，應引起重視。

4 應對問題的建議

(1) 對于丹江口水庫水源區，首先要解決農業面源污染問題，升級和轉化農業生產方式，提高農藥化肥的利用率，大力開展水土保持工作。全面貫徹落實河長制，禁止生活污水和工業廢水未經處理排入水源區，提高流域內尾礦庫的安全性；構建水庫的水質監測網絡，加強各部門協調配合，嚴格把關入庫支流水質，尤其是總氮和重金屬含量。同時出臺相關政策法規和保障制度，指導農民有序合理開墾，保護水陸交錯帶生態。

(2) 對于輸水總干渠，最重要的是構建水質預警及應急調控管理平臺，實現中線總干渠全線水質監測，提高對突發性水污染事件的應急處置能力，研制渠道內快速高效去除污染物和藻類的技術設備，及時充分地應對藻類貝類異常增殖、化工品運輸事故等污染事件。另外，既要提高跨渠建筑物施工技術，減少施工污染物進入干渠，又要完善跨區域多部門水質管理協作機制及數據共享平臺，定期巡查并規范化管理周邊垃圾堆放場、企業廢氣廢水等污染源，防止地表水、地下水和大氣沉降的污染物長期累積。

(3) 對于漢江中下游，要加強監視漢江水量水情變化，聯合調度漢江梯級樞紐，研究面向生態補水的最優調度方案，緩解工程引起的漢江水量減少問題，確保中下游水量滿足生態環境需求，同時積極開展漢江中下游水污染防治工作。

5 結 語

綜上所述，南水北調中線工程在運營過程中還面臨很多環境方面的問題和潛在風險。流域內農業面源污染、因排污和尾礦所引起的重金屬污染以及丹江口水庫消落帶的脆弱性是南水北調中線水源地所面臨的主要環境問題。而總干渠輸水過程所面臨的環境問題，主要來自于跨渠路橋事故中污染物的排放風險及建筑物施工帶來的污染，另外，因地表水地下水侵入、大氣沉降等原因造成的污染物輸入及渠道內藻類貝類增殖和水華風險也不可忽視。工程運行所引發的生態環境問題主要是漢江中下游流量變小所引起的富營養化和水質問題。對于這些問題，應當結合當前形勢與政策，迅速有效地采取一系列針對性措施，切實保障南水北調中線工程的穩定運營。