水庫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計咨詢有限公司,江西 上饒 334000）

1 引言

錳是一種常見的天然元素,它對骨骼生長發育、糖和脂肪的新陳代謝都起到了很好的促進作用,但是如果過量攝入,會引起神經傳遞素的失調,從而產生神經毒性。在水庫的水源中,錳的含量超標是比較普遍的。在水庫中,主要有兩種類型：一是內源釋放,二是外源匯入。內源釋放是水庫的沉積物經過復雜的理化以及生物反應,以錳的各種形態存在于水體和生物體中[1-2]。另外,由于工業生活污水、礦山開采和土壤侵蝕等容易隨降雨匯入地下水,成為水庫水體中錳的重要來源[3]。

根據該水庫水質指標的逐月監測和逐日監測氣象等資料,深入分析了該水庫水體的錳污染特征以及造成錳污染的原因,可為該水庫錳含量超標提供預警,以及為同類型水庫錳含量超標治理提供理論支撐。

2 材料與方法

某水庫以供水與防洪為主,同時兼顧發電、灌溉。該水庫控制河道的長度為25.10 km,流域為231.0 km2,庫容為1.10億m3,標準蓄水位為244.0 m。壩址位于下游約1km左右,每年為該地區的供水量約為7300萬m3,是供水總量的1/3。在庫區設置了一個長期的水廠監測站,逐月監測水庫表層水下0.5 m的水質。從2012開始,水庫連續出現了幾起嚴重的錳超標問題。水質調查分析在該水庫大壩壩址下游設置了若干個采樣斷面,在壩址附近采集了不同深度的水樣,而其他采樣點主要對水體表層0.5 m處進行取樣。根據GB/T 11911-1989[3]進行了鐵、錳含量測定。

3 結果與分析

3.1 水庫水體錳的垂直分布特征

為了研究水庫中錳的來源,在2015年1月針對水庫第一次錳污染超標（標準為0.1 mg /L）,于2015年1月份至2016年12月份對該水庫水下0.5 m（表層）、10 m、20 m的水體進行了水質監測。發現隨著深度加深,錳含量也會增加。這表明了水庫的內源污染。但也不是各個時期水庫表層的錳含量都低于底層,特別是近兩年11個月（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,河流的水流會對周圍的巖體造成很大的沖擊,并將大量的污染物帶入水中,使水庫表層水體的錳濃度上升,超過10 m～20 m處的錳含量。因此,該水庫的錳污染由內源和外源兩部分組成。

在2016年年初,該水庫水體錳含量嚴重超標,通過研究結果表明：當表層和底層都低于標準值,而中層的錳含量超標,也就是說,在垂直方向,整體的錳礦呈中層偏高、上下層偏低的趨勢。其水庫水體垂向的錳濃度呈現出梭形分布,在2014年11月份的抽樣調查中也出現了同樣的現象,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為庫區內存在著水的分層,在深水區,往往存在著顯著的熱分層作用。當水庫的錳含量超標時,由于自重和沉淀的吸附,底層的錳會慢慢地向底部集中,而在中層和上層則不能向底層對流,當水庫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,會導致中段長期維持高的濃度,從而給表層水體錳含量超標造成潛在的危險和危害。

圖1 錳含量隨水深變化

3.2 表層水體錳超標的原因及規律

根據研究期間的每日最大溫度和最小溫度,以及歷史觀測資料,發現在過去的四次水庫水體錳含量超標中,有3次都是在接近年最低溫度時發生,表明該水庫表層的錳含量與極端的低溫天氣有關。溫度下降使表層水體溫度下降,同時密度增加,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烈對流,使底層錳的污染得以釋放到水庫表層水體。

通過對該研究區的歷史氣象資料進行了深入的分析：2014年6月份以來,連續出現了3次極端降雪天氣,其恰好與該水庫水體3次錳含量超過標準對應。由于極端氣候往往會導致溫度急劇變化,而低溫降雨又會加速表層水溫的急劇降低,從而導致上層和上層的強烈對流,而以往的錳含量超標都是在水位下降期出現的,這容易導致底層的超標錳含量釋放到表層水體。因此,該水庫錳含量超標與較低的氣溫和水位以及降雪等極端天氣有關。

在2014年年底,錳含量超標對應著以下條件：干旱后出現較強的降雨事件,水庫的水位降低,氣溫的急劇降低,這幾個條件都有可能導致錳含量超過標準。水位降低導致周圍的巖石經常會出現裸露,由于長時間的干旱,巖石中的錳會轉化成易于溶解的懸浮微粒,同時由于短期降雨帶來的大量的含錳微粒會流入水庫,再加上溫度下降,使得表層水體溫度下降,導致底層的超標錳含量釋放到表層水體,從而造成表層水體錳含量超過標準值。

綜合考慮,低氣溫和低水位、極端天氣（如降雪）等原因,都可能導致水庫表層錳含量超標。此外,干旱后的強降雨也可能導致水庫表層錳含量超標。因此,在多種因素重合時必須加強對水庫水體水質的監測。

3.3 其他水質指標變化

通過對2018年2月份庫區表層水體中的錳含量超標為例進行研究,結果表明：鐵、錳含量的變化趨勢具有一致性；以及在超標初期DO出現異常下降。從圖2可見,鐵、錳的含量變化具有很強的一致性,擬合曲線相關系數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逐步減少到檢測限以下,說明兩者很可能具有相同的來源和類似的變化規律。國內和國際上很多大中型水庫的鐵、錳含量均存在相似的規律性。在該類水庫中,普遍認為鐵錳均來自于水庫底部水體的沉積物釋放。

圖2 水庫表層錳鐵含量變化及相關性分析

通過對水庫水體DO的監測,發現在超標前期,在大壩壩址周邊 DO出現反常的降低。2018年2月份,該水庫的取水口DO濃度為5.6（飽和度42.80%）,比多年同期均值8.6低,而同時上游3 km處DO為7.8。由于當時的觀測數據表明,沒有還原因素導致 DO的減少,且沒有出現環境變化,因此,這樣的異常減少可能是由于水庫底部水體氧氣含量較低,與地表高含氧量的水體進行了對流,從而導致了表層水體中的錳含量超標。經過持續監控,DO逐步升高到7.3,表明 DO值的異常降低不會持久,因此,通過對DO的連續監控,可以提前發現水庫表層水體中的錳含量超標現象。

4 結論

該水庫表層水體錳含量超標的主要來自于壩址底部,少數來自于降雨后徑流匯流至水庫。低氣溫和低水位、極端天氣（如降雪）都可能導致水庫表層錳含量超標,此外錳含量超標還與干旱后的強降雨和巖石的裸露有關。在水庫表層錳含量超標往往伴隨著水體中的鐵濃度的升高,超標初期水體中的DO出現異常降低。因此,提出適時建立低溫時期錳含量超標的預警體系。在春冬兩季,應該加強關注水庫的水質狀況,同時在低氣溫、低水位、降雪等極端氣候條件下,要加大對水庫水環境的監控力度,并設置DO等實時監控裝置,要尤其注意水庫短期內DO的異常變化。