南水人密云水庫對水質及水環境的影響

李萬智　楊進新　石維新　李振海

摘要：南水北調來水調入密云水庫調蓄工程思路優化了南水北調中線總體布局，實現了南北聯調、豐枯相濟，同時恢復密云水庫在供水任務中的重要地位，提高了北京水資源戰略儲備。由于丹江口水庫和密云水庫分屬于兩個不同的流域，且分別位于兩個氣候區，因此水體水質可能存在一定的差異。為避免調水可能帶來的水質及水環境風險，在前期設計階段與相關單位聯合開展了兩庫水質調查、水質混合試驗，構建密云水庫平面二維水環境數學模型并進行了分析。研究結果表明：工程運行后兩庫水混合，對密云水庫的水質、水溫及其他理化指標沒有產生不利影響，密云水庫庫區整體富營養化狀態將逐年改善，調南水入密云水庫有利于改善現狀密云水庫常年低水位運行所面臨的富營養化、水質惡化等問題。

關鍵詞：影響評價;水環境;水質;密云水庫;南水北調

中圖分類號：TV68

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.018

南水北調來水調入密云水庫調蓄工程從團城湖取水，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。經懷柔水庫調節，部分水回補水源地，10 m³/s流量的水再經3級加壓后反向送人密云水庫。輸水線路全長103 km.總揚程132.85 m。平均每年約有3.6億m3水量可調往密云水庫或回補水源地。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不同的流域，且分別位于兩個氣候區，因此水體水質可能存在一定的差異。另外，隨著調水工程的實施，密云水庫水位逐漸抬升，水面面積不斷加大，庫區整體水流流速和庫流形態可能發生變化[2]。因此，需要客觀分析南水進入密云水庫后在不同時間段對密云水庫水質的空間分布影響范圍和程度，評價密云水庫混合南水后的水質變化，并提出水質保障、風險防范合理化建議。

1 丹江口水庫水質調查

丹江口水庫水質情況來自于《南水北調中線一期工程環境影響復核報告書》（以下簡稱“中線復核報告”）中2004年監測數據和2012年4月水利部水質監測中心的監測數據。中線復核報告中2004年水庫水質指標包括pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、總氮、總磷、砷、銅、鎘、鉛、錳、汞、鋅、氰化物、揮發酚、石油、陰離子表面活性劑和糞大腸菌群等，從評價結果看，水質均滿足《地表水環境質量標準》（ GB3838-2002）Ⅱ類標準限值。

2012年4月，水利部水質監測中心考慮到丹江口水庫為飲用水源地，進行了除常規指標以外的有毒有機物指標采樣分析。在水庫共設置了陶岔和壩前兩個采樣斷面，每個斷面分別設左、中、右3個采樣點。主要監測項目包括21項常規監測項目（pH、色度、礦化度、高錳酸鹽指數、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項重金屬元素（鐵、汞、銅、鋅、鉛、鎘、砷、硒），以及揮發性有機物VOCs、有機氯化物（百菌清、六六六HCHs、滴滴涕DDTs、多氯聯苯PCBs等）、有機磷和其他半揮發性有機污染物等共計66項。部分監測結果見表1、表2。

由表1、表2可以看出：丹江口水庫表層水樣滿足《生活飲用水衛生標準》（ GB5749-2006）。對照《地表水環境質量標準》（ GB3838-2002），除總氮和汞超標外，其他指標均能達到Ⅱ類水質標準，說明丹江口水庫存在一定的健康風險和富營養化風險：丹江口水庫表層水樣中揮發性有毒有機物、有機氯化合物、有機磷及其他半揮發性有毒有機物的濃度均低于《地表水環境質量標準》（ GB3838-2002）規定的標準限值，說明由此引起的健康風險相對較小。

2 密云水庫水質調查及評價

密云水庫水質分析依據1990-2011年北京水質監測中心監測數據和2012年4月水利部水質監測中心的監測數據。

（1）監測斷面。密云水庫庫區常設8個水質監測站點，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）監測指標。水質指標包括水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發酚、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，部分監測結果見表1、表2。

可以看出：密云水庫表層水樣滿足《生活飲用水衛生標準》（ GB5749-2006）。對照《地表水環境質量標準》（ GB3838-2002），除總氮和汞超標外，其他指標均能達到Ⅱ類水質標準，說明密云水庫存在一定的健康風險和富營養化風險。密云水庫表層水樣中揮發性有毒有機物、有機氯化合物、有機磷及其他半揮發性有毒有機物的濃度均低于《地表水環境質量標準》（ GB3838-2002）規定的Ⅱ類水質標準限值，說明由此引起的健康風險相對較小。

3 丹江口水庫和密云水庫水質混合試驗

3.1 常規指標混合試驗

從兩庫水質常規指標監測結果對比情況來看，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指標低，兩庫水體的pH值、高錳酸鹽指數、總磷、硫化物、鈣離子濃度5項指標差別不顯著，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。

根據工程調水方案，從2014年到2019年逐年向密云水庫調水3億-4億m³，共計17.9億m3。密云水庫現有庫水約10億m³，到2019年將達到防洪限制水位152.0 m，按此調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），進行3組混合試驗。為反映不同水體混合比例下水質的變化，混合試驗停留時間分別為1、5、10 d。

兩庫水樣按比例混合后的監測數據分析結果見表3-表5。混合比例由小到大時，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勢，表明兩種原水混合后，主要的陰陽離子組分發生了物理混合作用。

綜上所述，丹江口水庫水體中大多數化學組分濃度低于密云水庫的，是優質的地表水，適合作為飲用水源。混合試驗體現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，混合試驗表現出兩項指標濃度升高，因此蓄水工程要預防密云水庫富營養化現象的出現。

3.2 重金屬指標混合試驗

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。可以看出，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，均遠低于國家飲用水標準（ GB5749-2006）規定的限制。

為了驗證丹江口水庫和密云水庫原水混合對密云水庫水質的影響，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產生的影響。不同時間混合后的水樣中重金屬元素濃度測定結果見圖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除了銅、鋅和鉛外，其他元素濃度隨混合時間的延長都有所降低，因此可以初步確定南水調入密云水庫后重金屬風險較小。

綜上所述，丹江口水庫和密云水庫地表水中多數重金屬濃度很低，符合GB5749-2006標準限制。混合試驗表明，兩庫水體混合后重金屬含量沒有出現顯著升高現象，鐵、汞、鎘、砷和硒濃度隨混合時間的延長均有所降低，因此調水后密云水庫供水的重金屬風險較小。

4 調水對密云水庫水環境的影響

為預測調水后密云水庫水環境變化及其富營養化趨勢，基于密云水庫庫區的自然環境特征、水質空間分布特點和庫區水動力特性，選取Mike21水動力模型（HD）和對流擴散模型（AD）構建密云水庫平面二維水環境數學模型，并將2009年資料用于模型參數率定，2010年資料用于模型參數驗證。從庫區環流形態、水流流速大小及現狀年庫區水質監測站點年內水質變化過程模擬結果來看，構建的密云水庫平面二維水環境數學模型具有較高的精度，能夠滿足南水北調來水調入密云水庫后庫區水質變化及其影響預測的需要。

（1）數學模型的建立。采用Mike2IHD模型模擬二維非恒定流運動，表達式為

根據計算區域的大小，初步確定密云水庫計算網格尺寸為150 mx150 m，個數超過2萬。計算水質指標大于4個，方程采用有限體積法進行求解。

（2）計算工況初步設計。根據丹江口水庫不同典型年75%、50%及25%保證率的調水量，對應密云水庫的不同典型年水文及水環境條件，分析調水對密云水庫水體的影響。在此基礎上，重點研究枯水期和豐水期密云水庫水體水質變化。分別計算現狀水平年和設計水平年庫區水動力學變化特性和各水質指標的變化特征。

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

基于密云水庫流域十多個代表性雨量站多年降雨資料，并結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，再采用經過模型參數調試與校準的HSPF，預測各典型水文年水情條件下蓄水期間密云水庫匯水區入庫污染物量及其時空分布狀況。綜合庫區降雨降塵量和庫區內源釋放量研究成果，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）模擬結果。在確定上述邊界條件的基礎上，通過模型預測得到如下結論：

南水北調來水調入密云水庫調蓄后，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，由補水前0.009 mg/L下降到補水后0.008 mg/L;總氮濃度略有升高，由補水前0.60 mg/L變為補水后的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水后基本不變（補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（由補水前0.009 mg/L下降到補水后0.008 mg/L）。豐水年高錳酸鹽在補水后基本不變（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（總磷濃度由補水前0.009 mg/L下降到補水后0.007 mg/L，總氮濃度由補水前0.76 mg/L下降到補水后0.74 mg/L）。南水北調來水后，密云水庫高錳酸鹽、總磷、總氮指標水質類別分屬I類、I類和Ⅲ類。

現狀年密云水庫各水質監測站點的綜合營養狀態指數值為34 -41，都處于中營養水平，其中金溝和庫東兩站的評分（綜合營養狀態指數≥40）明顯高于其他站點，表明金溝和庫東所在庫區發生水華的概率明顯大于其他監測站點所代表的庫區：5種營養狀態評價指標中，葉綠素a和總氮的評分明顯高于其他3個指標，同時表明總磷是當前密云水庫發生水華的限制性營養因子。至蓄水期末，不同設計水情條件下密云水庫富營養化狀態評價指數為30- 31，屬中營養狀態水平，并處于貧營養與中營養等級的臨界點，較蓄水前（現狀年）的庫區富營養化狀態指數值（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%。南水北調來水入庫后，蓄水期末各年型下庫區的綜合營養狀態指數值均為30，處于貧營養與中營養等級劃分標準的臨界點。受庫區引水和蓄水的共同影響，蓄水期間庫區的整體富營養化狀態將呈逐年改善趨勢，其中枯水年改善趨勢相對最好。

5 結語

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

（下轉第99頁）（上接第93頁）素。通過開展專項研究表明，隨著工程建成運行，密云水庫蓄水量逐年增大，對水質、水溫及其他水體理化指標、重金屬等沒有產生不利影響，隨著密云水庫蓄水量的增大，密云水庫現狀存在的水體富營養化問題逐年改善，因此該工程的建設對密云水庫有利。工程建成后密云水庫的水質等監測一直在進行，監測成果與預測結果基本一致，密云水庫水體水質一直維持在地表水Ⅱ類，滿足飲用水水源要求。

參考文獻：

[1] 北京市水利規劃設計研究院，北京市南水北調配套工程南水北調來水調入密云水庫調蓄工程初步設計報告[R].北京：北京市水利規劃設計研究院，2013：121- 126.

[2] 北京市水利規劃設計研究院，南水北調來水調入密云水庫調蓄工程環境影響報告書[R].北京：北京市水利規劃設計研究院，2012：319-653.