柴河水庫飲用水水源保護區劃分合理性研究分析

郭子揚，程 然，夏建新

（中央民族大學生命與環境科學學院，北京100081）

0 引言

飲用水安全是社會經濟發展的基礎。生態環境部新出臺的《飲用水水源保護區劃分技術規范》（HJ 338-2018），明確提出，提供飲用水功能的大型水庫要采取水質模擬技術，確定污染物在水庫中衰減距離，保證取水口水質要求，合理劃分水源保護地。因此，分析水庫水動力過程和水質變化是劃分飲用水水源地保護區的重要依據。

鄔容偉等［1］以能滿足大型水庫——老營盤水庫現有環境污染和水質達到Ⅱ標準的前提下，類比經驗法劃分飲用水水源各級保護區；王曉輝等［2］通過類比經驗法，考慮到水源地之間補水干渠缺少相應規范，對補水干渠劃定保護區。劃分飲用水水源保護區需要精確、定量地分析水庫內部水動力狀況且較好反應水庫內部水質分布狀況，類比經驗法不能滿足現實需求。隨著各類水環境數值模型的蓬勃發展，其科學性、準確性已得到較好的驗證，開展飲用水水源地劃分工作，對隨水流遷移的污染物進行模擬，對重點易污染區域加強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區。孫滔滔等［3］使用EFDC 對南方某水庫存在水華風險進行評估，構建三維富營養化模型分析水體總磷、葉綠素等因子，為水庫后續的水質和水生態預測提供技術支撐；尹魁浩等［4］通過使用WQRRSRM 對丹江口水庫生態模擬，預測水庫生態系統富營養化和采取防治措施后的效果。飲用水水源地劃分在新版《規范》之前多采用類比經驗法，結合類比經驗法采用數值模擬法綜合評判水源地保護區劃分工作的案例較少。

在此基礎上，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力過程，水齡以及主要污染物衰減規律等，評估了水庫富營養化風險和水庫取水口水質達標情況，為劃分柴河水庫飲用水水源地保護區提供依據。

1 研究區域概況

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功能，兼有發電、漁業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］。通過類比經驗法將柴河水庫飲用水水源地的一級保護區劃分范圍：庫區正常水位線（108 m）以外200 m，且不超過山脊線范圍內的水域和陸域［8-10］。

2 模型構建

EFDC 模型是由美國環保署（USEPA）資助開發，EFECExplorer目前由DSI公司集成商業運營，有沉積物、水質、水動力及泥沙輸運等諸多模塊，前處理與后處理較為方便，相關科研工作者廣泛地應用EFDC 于內陸淡水系統、河口和海洋水體的污染物遷移轉化的研究中［11］。

2.1 模型建立

2.1.1 計算網格劃分

柴河水庫各區域水體空間尺度變化較大，在保證EFDC 模型較低計算誤差和較高計算效率的前提下，采用100 m×100 m的矩形網格，劃分網格總數為2 001 個，由CVLGrid1.1 程序生成。柴河水庫的庫底高程采用實測數據，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 計算條件及相關參數

由于污染物的遷移擴散受河流水動力條件影響，因此根據柴河2008-2017年10年間流量數據選取豐平枯3 種典型年條件，充分模擬不同水動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。

水體富營養化是大多數水庫長期面臨的風險挑戰，所以選取柴河監測資料完整的氨氮和總磷作為模擬污染物來進行水庫風險評價。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類標準以下，因此在污染物邊界條件中，將氨氮設計濃度為1.0 mg/L，總磷設計濃度為0.05 mg/L。同時通過數值計算［12］，結合遼寧省其他同等規模的水庫降解系數［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間步長5 s，干濕節點水深為0.05 m，底部糙率為0.01。

2.2 模型驗證

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

由圖2 可以看出，柴河水庫水位的模擬數據與實測數據基本吻合，但為了克服模擬過程中變量出現極大的平均值現象［14］，采用相對均方根誤差（RelRMS）和納什效率系數（NSE）定量評價柴河水庫水位模擬的精度。RelRMS在模擬江河、湖泊、水庫、河口海灣等地區時來驗證水動力模型模擬結果的優劣［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，表明水動力模型構建的合理性和可靠性。

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

3 計算結果與分析

3.1 水動力過程模擬結果

3.1.1 流場變化

由于柴河水庫屬河道型水庫，水庫流場的驅動作用主要來源于出入流，風速對水庫流場影響較小。選取平水期柴河流場分布狀況，由圖3 可以看出，流場變化主要分布在水庫主河道處，庫尾流速相對較慢。在柴河水庫上游，入流點附近流速明顯大于庫區水體流速，柴河水庫存在較明顯的死水區，此區域水體交換能力相對較弱，容易滯留污染物引發水庫的水環境污染。

圖3 柴河水庫流場變化圖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間是水環境發生富營養化的主要原因。與外界發生水體交換可用水齡來表示，該指標能反映水體交換強度，因此采用其來研究柴河水庫豐、平、枯3種典型年水動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果（圖4）表明，在3 種典型年水動力條件下，自上游至下游水庫水齡依次增加。污染物在水環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未到達取水口。這說明柴河水庫在豐水年和平水年都能進行水體交換；而在枯水年由于水動力較小，不能在一年內進行水體交換。因此一旦柴河水庫在枯水年發生污染泄漏事故，應著重加強對其污染治理，防止污染事故對水庫造成持續的影響。

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 主要污染物時空變化

氨氮和總磷對水庫水質影響較大，水體中氮磷比一旦失控容易發生水華，因此選取氨氮和總磷作為模擬污染物。在3 種不同水動力條件下，柴河水庫氨氮和總磷變化模擬結果如圖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間，水流對污染物的運移能力增強，柴河兩岸土地上殘留污染物隨徑流涌入水庫，水質整體相對其他時期較差，氨氮和總磷從水庫入庫口降解到Ⅱ類水水質時距壩前最近分別是581、345 m。平水年時水源地發生風險較小，水庫的入庫流量小于豐水年，氨氮和總磷降解到達標時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生風險最小，污染物在水庫中的停留和降解時間最長，氨氮和總磷從水庫入庫口降解至達標距壩前最近分別是6 007、5 642 m。

4 水源地環境風險評估

4.1 富營養化風險分析

根據已有資料顯示［17］，柴河水庫總氮超過地表水水源地相關水質標準，且柴河水庫總氮在“十二五”期間的年均值為1.35～2.81 mg/L。根據綜合富營養指數法，在“十二五”期間柴河水庫綜合富營養指數在37.71～38.51，柴河水庫處于中營養狀態［18-20］。

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

4.2 取水口主要水質指標達標分析

柴河水庫在3 種典型年條件下，通過模擬入流水質為地表三類水的情況下，污染物經過水庫稀釋、降解等過程，在庫首處污染物濃度均達到地表水二類標準（圖6所示），但在豐水年水庫的氨氮和總磷均存在超標風險。這充分表明柴河水庫對污染物具有較強消解能力，即使在豐水年模擬期內，庫中水流速度相對較快，水力停留時間短，水流在到達取水口時，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標準，說明柴河水庫具有較強的納污能力，取水口水質超標風險較小。

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

通過類比經驗法所劃分的柴河水庫一級飲用水水源地保護區能保證取水口水質安全，充分考慮了上游河流及水庫沿岸的人類活動對水庫的污染。加大上游入庫河流水質監控力度，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。

模擬結果表明，在豐、平、枯3種典型年水動力條件下，取水口處水質均保持達標狀態，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風險，且根據柴河水庫往期資料顯示，水庫中總氮濃度基本達到環境容量，總氮超標風險較大［21，22］。通過數值模擬結果可知，對柴河水庫飲用水水源地劃定的水域保護區是合理的。

5 結論

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區劃分工作對該地區生產生活具有重要現實意義。為了研究典型的河流型水庫的水動力和水質，本文對柴河水庫在豐平枯3 種典型年情境下進行模擬分析，構建柴河水庫二維水質模型，分析柴河水庫飲用水水源保護區劃分的科學性與合理性。

（1）通過對水庫的水動力進行模擬，表明柴河水庫在枯水期時，水庫完成水體交換時間較長，在此期間發生水污染事故，將對鐵嶺市人民的生產生活造成極大不便。為保護水源地水質安全，應加強對水域重點監控，采取工程措施控制柴河上游沿岸面源污染隨徑流進入水庫。

（2）在豐水年、平水年、枯水年的水動力條件下，氨氮降解至Ⅱ類水質標準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、氨氮均降解達標，水質保證率較高。

（3）根據《規范》中規定采用類比經驗法，將108 m水位線以外200 m范圍內的水域和陸域作為為一級水域保護區。在模擬污染物結果中，污染物在取水口處均達標，柴河水庫飲用水水源保護區劃分是合理的。□