西北干旱區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受到人類活動的嚴重影響，許多湖泊、水庫出現了富營養化、重金屬及有機污染物的污染。水庫作為一種特殊的生態系統，具有河流與湖泊的混合特性，其在我國供水水網中具有很多特殊功能，人類飲水、農業灌溉和水產養殖等生產、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，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、農業灌溉方面必將發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而又復雜的生態系統[4]，庫底沉積物與上層水體之間發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化的形成機制、治理對策方面的研究已經很多[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，對我國西北干旱區水庫水體中錳超標的研究更少。本研究以我國西北地區某典型水庫為研究對象，探討西北干旱區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許多疾病，如出現慢性中毒癥狀、食欲不振、骨質疏松等疾病，甚至還會影響人體的中樞神經系統；我國《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中規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，能使水體產生異味，色度也發發生改變[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，而且水中會產生明顯的金屬氣味。在城市供水行業中，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，降低出廠水和管網水質，對經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過水體錳超標情況，水庫中錳的分布隨季節、水溫分層而變化，在水庫水體中會呈現出明顯的垂直分布規律。一般來說，水庫水體中錳濃度較高的區域一般在水庫的中、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境發生改變，水庫底部還原作用占據優勢，造成已經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]等都出現過類似的現象。

表1 我國部分水庫錳超標狀況

2 研究區概況及水質狀況

2.1 研究區概況

該水庫位于我國西北內陸地區，水庫屬地氣候干旱，年平均降水量為251.6mm，年平均蒸發量為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，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]。水庫為周邊工農業及部分城市供水，年供水量1.5億m3，供水方式采用底部供水。水庫水循環較慢，內源污染會對水環境帶來不良影響。

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項指標進行監測，見表2，發現取水口表層水體各項指標均滿足飲用水標準規定的限值。

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性監測，根據庫區供水管理部門提供的水質監測報告，發現庫區整體水質指標較好，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，出現了持續季節性超標現象，見圖1。

依據《地表水資源質量評價技術規程》(SL 395—2007)及《地表水環境質量標準》(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；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—庫區水體交換次數；β—洪水對庫區水體的交換次數。

當α<10時，水庫水溫為穩定分層型；當10<α<20時，水庫水溫為不穩定分層型；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臨時混合現象，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定分層型。根據該水庫2021年水文監測數據可知，該水庫上游流域未發生洪水現象，所以洪水對該水庫水溫分層不產生影響。

該水庫夏季水溫分層明顯，水溫分層現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，造成庫區底層沉積物及水體中溶解氧不斷降低，造成庫區底部形成厭氧環境，進而造成庫底沉積物中的錳重新還原為離子態，進而釋放入上覆水中，進而造成庫區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超標，且在部分時段超標1.6倍。在寒冷的冬、春季節，該水庫水溫上、下層溫差較小或處于等溫狀態，庫區水體不會形成溫躍層，庫區水體溶解氧及pH值較高，整個庫區水體大部分處于氧化狀態；在氧化環境條件下，水體中的錳大部分為高價態而形成難溶的化合物，常與水體中顆粒物吸附，最終在庫區底部沉積物與水界面附近沉積，并儲存于庫區沉積物表層，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、春季節未出現錳超標現象。

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，庫區周邊以戈壁灘為主，在庫區的上風向有部分工業企業。經過對庫區周邊干、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，說明工業企業煙塵排放對庫區水體中錳的影響較小，庫區沉積物中錳主要來源于區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系統，大部分屬于封閉和半封閉的狀態，庫區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生改變，沉積物中蓄積的污染物將再次釋放進入水體環境，造成庫區水體的二次污染。因此針對穩定分層型水庫錳超標現狀，防治水庫供水受錳污染具有一定的挑戰性，針對我國西北某典型穩定型水溫分層水庫錳超標現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境，進而將水中低價態錳轉化為高價態錳沉淀至底泥中，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，集雨區面積不大，可以在集雨區內對枯枝落葉進行打撈；在庫區盡量減少人工投放飼料，盡可能減少有機質進入庫區水體。同時可以在水庫集雨區范圍內增加水源涵養林的種植以減少水土流失，減少含錳的表土進入庫區水體造成污染。

5 結語

該水庫水溫為穩定分層型，中、上層水體中錳濃度未超過我國相關標準規定的限值。2021年7～8月底層水體出現錳超標現象，是由于水溫分層導致庫底溶解氧低，處于還原狀態，富集在沉積物中的錳又以離子態形式釋放入水體中，由于該水庫為底層供水水庫，所以造成供水水廠出現錳濃度超標現象。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，可以應對供水管網水體中錳超標的問題。