許士國，汪天祥

(大連理工大學水利工程學院，遼寧大連 116024)

水庫作為重要的水利工程，在區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展中扮演了重要的角色，不僅保障了下游地區(qū)的防洪安全，還能夠提供飲用水、電力、漁業(yè)等資源。隨著我國的城市化水平的提高，集中式飲用水源水庫的需求進一步增大，同時對水質(zhì)的要求也進一步提高，因此保障水質(zhì)安全顯得尤為重要。然而，在經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中產(chǎn)生了大量的污染物，特別是經(jīng)濟發(fā)展初期，沒有經(jīng)過處理的廢水、廢棄物直接排放到水庫、河道等天然水體，流域內(nèi)的污染物及其次生污染物通過直接排放、降雨沖刷等途徑越來越多地進入并蓄積在水庫內(nèi)部，成為供水安全的隱患，甚至會在無外源性污染物輸入及上層水質(zhì)較好的情況下爆發(fā)水質(zhì)污染［1-2］。目前，水源水庫已經(jīng)通過減少排放和污水回用等措施進行水污染治理，基本上控制住了點源污染，面源污染通過設置植物隔濾帶、前置庫等措施也取得了較好的治污效果［3］，但對于蓄積庫內(nèi)的內(nèi)源污染，尚沒有較好的防治辦法。水庫內(nèi)源污染對水質(zhì)的影響來自于外部的“入-出”蓄積過程和內(nèi)部的“源-匯”轉換過程2個層面。目前已有研究主要集中在pH值、溫度、溶解氧等水體微環(huán)境因素與內(nèi)源污染物吸附或釋放的響應機制上，通過現(xiàn)場監(jiān)測或短期的室內(nèi)模擬，分析內(nèi)源污染物的時空分布［4］、界面運移［5］、水體擾動［6］、沉積形態(tài)［7-8］、吸附釋放［9-10］等特性，提出了底泥疏浚［11，1］、原位覆蓋、揚水曝氣［2］等末端局部治理措施，取得了大量的研究成果。但對水庫內(nèi)源污染蓄積過程尚欠缺深入討論，水庫內(nèi)源污染作為一個復雜的環(huán)境系統(tǒng)，實質(zhì)上是庫內(nèi)的污染物(入庫的污染物減去出庫的污染物)在受到多因素綜合影響下快速蓄積的結果，并在一定的條件下會釋放出來，影響水庫水質(zhì)。本文系統(tǒng)地從污染物的入庫來源、出庫途徑、蓄積影響因素，以及內(nèi)源污染對水庫水質(zhì)的影響等方面進行論述，探討水庫內(nèi)源污染蓄積過程和影響，為保障水庫水質(zhì)安全與內(nèi)源污染源頭治理提供新思路。

1 水庫內(nèi)源污染物入庫來源

1．1 點源排放

水源水庫上游的工業(yè)廢水、生活污水等直接或間接排放進入水庫的點源污染是水庫局部內(nèi)源污染物的主要來源，這些污染物通過上游河道或直接排放進入水庫，在排放口附近污染沉積最為嚴重。以三峽庫區(qū)為例，每年有15萬～32萬t化學需氧量、約2.8萬t氨氮隨著城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水注入水庫，此外三峽庫區(qū)船舶全年排放含油污水超過82萬t，排放污染物103.1 t，其中石油類33.7 t，懸浮物69.1 t，生活污水總量約為628萬t，化學需氧量排放量約為628 t［3］。

1．2 降雨驅(qū)動

發(fā)生洪水時，沖進河道的垃圾、動物尸體、植物等隨著水流直接進入水庫，一部分被沖走，另一部分則沉積在庫底形成內(nèi)源污染。2010年7月31日在距離豐滿水庫大壩35 km處的上游湖面上發(fā)現(xiàn)大量漂浮物，以玉米秸稈等為主，平均厚度約為40cm，最厚達1 m，綿延數(shù)千米，最后都沉積入庫;同時流域內(nèi)溶解出的化肥、農(nóng)藥等隨著洪水進入水庫的污染物也增大了內(nèi)源污染負荷。以尼爾基水庫為例［4］，該庫總庫容86.11億m3，年均淹沒耕地28170 hm2，進入水庫的氮、磷分別為16.58 t/a、5.43 t/a。此外，徑流沖刷導致流域內(nèi)的泥沙及其富含的污染物一同進入水庫，逐漸積累在水庫中，成為內(nèi)源污染的主要來源之一。大伙房水庫1995年一次大洪水的淤積量就達 2229.98 萬 m3，占總庫容的1%［12］，同年，在底泥受到擾動釋放出的污染物和外源性污染物共同作用下，水庫總磷質(zhì)量濃度達0.13 mg/L，遠高于其他年份。降雨驅(qū)動下流域內(nèi)的廢棄物，溶解出的化肥、農(nóng)藥和泥沙等攜帶的污染物被沖入水庫，隨著流速的降低逐漸沉積在庫底，積累形成內(nèi)源污染，具有覆蓋面廣、污染量大的特點。

1．3 庫內(nèi)沉積

水庫內(nèi)的藻類、底棲動物、細菌等排泄物及其死亡后的尸體也增加了內(nèi)源污染負荷。研究認為藍藻水華的暴發(fā)促進了磷內(nèi)源負荷的增加［13］。此外，過度的養(yǎng)殖也會降低水庫水質(zhì)等級，例如，鮭鱒魚每消化100 g飼料就可排放糞25～30 g［14］。網(wǎng)箱養(yǎng)魚的飼料除去一部分被魚消耗外，其余都沉入庫底與魚類糞便一起沉積成為內(nèi)源污染，如黑龍灘水庫一年沉積在庫底的殘餌、糞便就達1625t，且網(wǎng)箱區(qū)底泥磷質(zhì)量分數(shù)為0. 0163，大于網(wǎng)箱周圍區(qū)域的0.006～0.008［15］。網(wǎng)箱養(yǎng)魚不僅增加沉積物中的有機質(zhì)、總氮、總磷，造成水體二次污染，而且還會形成一個300～500 m的環(huán)狀污染區(qū)域［16］，導致庫內(nèi)局部區(qū)域污染負荷增加顯著。

1．4 大氣沉降

煤炭、廢棄物的燃燒和工業(yè)廢氣的排放使氮、硫、有機物等各種污染物進入空氣中，在大氣遷移和干/濕沉降的作用下進入水體，并沉積在水體底部［17-18］，是部分內(nèi)源污染物的主要來源，如貴州紅楓湖水庫沉積物中的多溴聯(lián)苯醚主要來源于大氣沉降［19］。

水源水庫內(nèi)源污染物來源廣泛，其中外源性污染物入庫是內(nèi)源污染形成的根本，入庫后大量的污染物逐漸以懸浮態(tài)或沉積態(tài)蓄積在庫底，成為污染物的“匯聚庫”，在長期的運行下庫內(nèi)蓄積的污染物越來越多，開始向水體釋放成為污染物的“釋放源”，這時即使限制外源性污染物的輸入，在庫內(nèi)污染物的影響下水庫仍維持高污染負荷狀態(tài)。因此遵循水循環(huán)與水生態(tài)規(guī)律，建設流域生態(tài)系統(tǒng)，減少污染排放對降低水庫內(nèi)源污染有著重要作用。

2 水庫內(nèi)源污染物出庫途徑

水源水庫出于防洪興利的目的，水量交換和湖泊有所不同，水庫基于保障供水的目的，很少棄水，污染物主要由汛期溢流、底孔放水和水庫取水等表層或者中層水體攜帶流出水庫。

2．1 汛期溢流

防洪是水庫最主要的任務之一，水庫通過汛期溢流起到“錯峰”的作用，保障下游安全。溢流時部分降雨徑流輸入水庫的污染物和洪水擾動底部沉積的污染物通過溢洪道被沖出水庫，一定程度上降低了水庫負荷，但在“錯峰”過程蓄積的污染物仍然大量蓄積在庫底。

2．2 水庫供水

水庫的一項重要功能是保障供水，由于生活、灌溉、工業(yè)用水對水質(zhì)都有要求，因此，通常取水口的位置在死水位之上，這部分取走的水并沒有減少內(nèi)源負荷。由于擔心汛期后沒有足夠的水量，許多水庫不開啟底孔沖淤，使得庫內(nèi)污染物無法沖出水庫，尤其是我國北方由于缺水嚴重，棄水機會很少，底孔泄流的機會更少，例如碧流河水庫近10年沒有底孔放水，這使得大量的污染物蓄積形成內(nèi)源污染。

2．3 生態(tài)放水

當前生態(tài)環(huán)境問題受到普遍關注，通過底孔進行生態(tài)放水，保障下游河道生態(tài)需水，成為水庫調(diào)度需要考慮的重要因素。隨著底孔生態(tài)放水，一部分淤積的污染物也將被帶出水庫，從而減少水庫內(nèi)源污染負荷。1978—1979年馮家山水庫通過底孔放水排出了洪峰輸沙量的23% ～65%［20］。汛期底孔開啟最好與壩前降低水位排水同步，以利于粗沙的排出［21］。此外，遼寧省部分水庫考慮到海水倒灌，在水庫調(diào)度時通過底孔放水“壓鹽”，從而沖出部分沉積污染物，這也能減少水庫內(nèi)源污染負荷。

內(nèi)源污染物出庫途徑主要受到水庫運行管理方式的影響，因此研究內(nèi)源污染蓄積分布規(guī)律及蓄積影響因素，優(yōu)化水庫調(diào)度與分質(zhì)供水方法，對于降低內(nèi)源污染負荷與保障優(yōu)質(zhì)供水有著重大意義。

3 水庫內(nèi)源污染蓄積影響因素

入庫的污染物減去出庫的污染物即為庫內(nèi)的污染物，其中一部分以生物吸收、水體交換、水庫取水等形式消耗，另一部分逐漸沉積在庫底形成內(nèi)源污染，這個蓄積過程主要受到水庫蓄污取清運行方式、水庫水體交換率、污染物沉積特性、季節(jié)等因素影響。

a．水庫蓄污取清運行方式。污染物的入庫過程和出庫過程都受到水庫運行方式的影響，不同的水庫運行方式對污染物的積累速度影響顯著。通常水庫在汛前要排空，以便于在汛期蓄水，汛期洪水攜帶流域內(nèi)的枯枝爛葉、河道垃圾及其次生污染物等沖入水庫，逐漸沉積到庫底，而正常的水庫取水都是以小流量均勻地從水庫中層或者上層取水，這種蓄污取清的運行方式使污染物大量沉積形成內(nèi)源污染，并導致水庫水質(zhì)的惡化。目前，汛期水庫常采用敞泄排水、蓄清排渾、異重流清淤等運行方式［22］，結合非汛期日常的水庫發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉等運行方式可以減少一部分內(nèi)源污染負荷［23-27］。已有研究主要集中在壩前淤積的內(nèi)源污染物的排出上，缺乏從整個庫區(qū)的角度進行研究，今后應結合內(nèi)源污染特征與沖淤規(guī)律優(yōu)化水庫運行方式，以減少水庫內(nèi)源污染負荷。

b．水庫水體交換率。水庫的一個特點是水體交換率低，尤其是水源水庫，為了保障供水，汛期以大流量蓄積入庫，而日常供水以均勻的小流量出庫。以大連市碧流河水庫為例，該水庫多年各月平均入庫水量主要集中在汛期，7、8月的入庫水量占全年的70%左右，對應的出庫水量則較為均勻，各月間差異相對較小。此外，水庫底孔也很少開放，也不利于水體交換。和我國主要湖泊相比，水庫的換水周期更長，水體交換率更低(表1)。

各種入庫的污染物沉積在庫底，在一定的條件下沉積在庫底的污染物會釋放出來，促進庫內(nèi)藻類生長并影響魚類養(yǎng)殖，同時藻類、底棲動物、細菌等生物的死亡沉積又進一步加重了沉積負荷，漫長的水體換水周期加上這種沉積-釋放-沉積的模式使得內(nèi)源污染迅速形成。

表1 水庫與湖泊換水周期［28-29］

c．污染物沉積特性。通常入庫污染物隨著流速的降低，逐漸沉積在庫內(nèi)，沉積速率為每年數(shù)厘米，一般建庫初期沉積率較大，之后逐漸減小，與水庫淤積平衡演化趨勢一致［30］，運行50年后，蓄積污染物的平均深度可達0.5 m。依照粒徑大小表現(xiàn)出不同的沉積形式:粒徑小、質(zhì)量小的懸浮在庫底，形成懸浮層;粒徑大、質(zhì)量大的沉積在庫底。粒徑小的顆粒在吸附、絮凝的作用下可以變成大的顆粒沉降到庫底。而沉積在庫底粒徑較大的顆粒在生物、水動力等因素的擾動作用下也可以變成粒徑較小的懸浮態(tài)。研究表明懸浮態(tài)的污染物濃度是沉積態(tài)的數(shù)倍［31］。受水力條件、庫區(qū)地形、入庫水量、含沙量等因素的影響，容易產(chǎn)生庫尾集中淤積、沿程比較均勻的帶狀淤積、錐狀淤積3種分布形式［32］。各水庫由于流域背景與庫底地形不同導致內(nèi)源污染分布不一，需要對不同水庫的內(nèi)源污染問題進行針對性的研究。

d．季節(jié)影響。季節(jié)轉變帶來的暴雨擾動、溫度變化等對內(nèi)源污染有著深刻的影響。夏季突降暴雨引發(fā)上覆蓋水體發(fā)生垂直運動，水體劇烈攪動，致使內(nèi)源污染中的有毒物質(zhì)擴散到水層中，威脅水體安全，例如紅楓湖水庫、百花湖水庫、武漢龍陽湖漁場都因為突降暴雨發(fā)生了嚴重的“死魚”事件［33］;此外，季節(jié)變遷導致庫內(nèi)水體溫度變化，也促進了內(nèi)源污染物在水庫內(nèi)部的交換。由于水在4℃時密度最大，而冬春交際時溫度升高，表層水體溫度升高到4℃，秋冬交際時溫度降低，表層水體溫度下降到4℃時，表層水體下沉到等密度處，形成“翻庫”［34］，并將污染物帶至表層，研究表明水源水庫春季釋放的營養(yǎng)物促進了藻類的繁殖［35］。對于深水水庫，夏季往往會形成“溫躍層”，減少了下層水體溶解氧的交換，使得溶解氧降低，如大伙房水庫夏季水深15 m處溶解氧不足4.0 mg/L［34］。此外，我國北方地區(qū)漫長的“冰封期”阻止了溶解氧的交換，使得水庫底部長期處于厭氧狀態(tài)，促進了庫底污染物的釋放、。暴雨擾動和春秋兩季的“翻庫”將內(nèi)源污染釋放的污染物帶至表層，促進了藻類的生長、繁殖和死亡，而藻類的死亡又加速了內(nèi)源污染的積累。

4 內(nèi)源污染對水庫水質(zhì)的影響

內(nèi)源污染物在低溶解氧、pH值大于10或小于4、水體擾動等條件下，容易將蓄積的污染物重新釋放至水體，降低水庫水質(zhì)甚至暴發(fā)污染事件。調(diào)查表明，20世紀80年代以來河北洋河水庫由于內(nèi)源污染的釋放每年夏季都暴發(fā)水華［36-37］，2007年吉林新立城水庫由于內(nèi)源沉積磷釋放暴發(fā)了藍藻［38］，2008年湯河水庫由于內(nèi)源污染釋放暴發(fā)了硫化氫污染事件［1，39］，2009 年貴州阿哈水庫由于內(nèi)源污染釋放導致了魚類死亡［33，40］，2012年遼寧碧流河水庫由于內(nèi)源污染釋放導致汛期水庫底層水體出現(xiàn)白色絮狀物質(zhì)。此外。研究表明汾河水庫的沉積物中富含的PAHs能夠引起中度的負面生物效應，從而引起水庫的生態(tài)環(huán)境改變［41］。紅楓湖水庫和百花湖表層沉積物中 Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、As等重金屬的調(diào)查表明這兩個水庫蓄積的重金屬對庫底的生物能夠產(chǎn)生中度的生態(tài)風險［42］。內(nèi)源污染物能夠釋放營養(yǎng)鹽、重金屬、難降解持久性有機污染物等多種不同的污染物質(zhì)，持久地在富營養(yǎng)化、毒理性、富集性多個方面影響水庫水質(zhì)。以上諸水庫是兼具防洪、供水等多種功能的大型水源水庫，大多于20世紀60年代建成，僅運行40～50 a，就迅速地蓄積形成內(nèi)源污染，導致水庫水質(zhì)安全事件暴發(fā)。因此，內(nèi)源污染問題不容忽視，需要從外部的蓄積過程及內(nèi)在的釋放機制方面進行深入研究。

5 水庫內(nèi)源污染研究發(fā)展趨勢

水庫內(nèi)源污染是流域及庫內(nèi)污染長期蓄積而形成的，會對水庫的生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響。采集代表性的樣本來掌握水庫實際的環(huán)境狀態(tài)，并通過研究污染釋放機制從而研發(fā)針對性的治理技術是今后內(nèi)源污染研究的熱點。

5．1 研發(fā)適應性的樣本采集設備

水庫水體內(nèi)部呈現(xiàn)水體、懸浮物、沉積物共存的狀態(tài)，污染物在不同介質(zhì)中的賦存形態(tài)和遷移轉化方式都有所差異。采集代表性的樣本是研究內(nèi)源污染問題的基礎。水庫樣本采集通常是水下操作，由于水下流態(tài)、地形復雜，難以控制水下采集過程，降低了樣本的代表性。對于水體采樣而言，充分的水交換以確保采集到指定深度的水樣并以原狀保存是樣本采集的關鍵，多數(shù)采水器都能滿足充分水交換的需求，但均存在樣品二次轉移或樣品預干擾的情況。水中懸浮物的含量可借助于超聲波、遙感等技術等進行解析，借助于差量法也可以分析出其吸附的污染物質(zhì)。但受限于懸浮物含量低且結構形態(tài)容易破損，難以在短時間內(nèi)采集具有時效性的濃縮懸浮物樣本，不能滿足懸浮物深入分析的需求。而且沉積物表層含水率大，難以支撐過重的采集設備，但當前主流的采集設備多為重力式，不僅耗費人力，采樣成功率也較難保證。因此，建議針對水庫復雜的采樣條件和所采集樣本的需求研發(fā)適應性的采集設備，為內(nèi)源污染研究提供技術支持。

5．2 內(nèi)源污染物進出庫情況和分布狀態(tài)監(jiān)測

內(nèi)源污染是污染物入庫和出庫的差值蓄積而成，需要根據(jù)不同水庫的特點選擇代表性指標進行監(jiān)測，分析內(nèi)源污染形成原因和分布狀態(tài)?？紤]到污染物的不同來源(如點源排放、非點源輸入、庫內(nèi)沉積、大氣沉降等)，應加強對入庫河道、庫區(qū)分層水體、雨水的監(jiān)測。對于出庫水體除常規(guī)的取水口水質(zhì)監(jiān)測外，還應加強汛期溢流及底孔放水的水質(zhì)監(jiān)測。同時還應對水庫的內(nèi)源污染分布進行調(diào)查，包括監(jiān)測污染物在水體、懸浮物、沉積物中的含量與分布，及時識別出水質(zhì)的污染風險，以便于和污染物進出水庫情況相驗證。通過積累長期的監(jiān)測資料，以便準確掌握內(nèi)源污染物的蓄積過程和分布狀態(tài)，為內(nèi)源污染問題研究提供數(shù)據(jù)支撐。此外，監(jiān)測時還需要結合時序變化、空間差異、特殊事件等因素及時優(yōu)化調(diào)整監(jiān)測方案。

5．3 解析內(nèi)源污染源匯機制與效應

污染物在水體、懸浮物、沉積物中的分布決定了內(nèi)源污染的吸附和釋放方向，即源匯機制，不同的作用機制會對水庫水體產(chǎn)生不同的水環(huán)境效應。需要從吸附動力學過程、等溫吸附過程、單因素釋放模擬、多因素釋放通量模擬等方面解析識別內(nèi)源污染源匯機制。在此基礎上結合現(xiàn)場監(jiān)測和水動力模擬分析內(nèi)源污染吸附或釋放過程對水體污染負荷和生態(tài)環(huán)境的影響。除此之外，長期的大尺度的環(huán)境效應和內(nèi)源污染輸移、轉化、蓄積模型也需要進一步研究，為水庫水質(zhì)保障提供理論基礎。

5．4 內(nèi)源污染綜合治理技術的研究與應用

水庫內(nèi)源污染是外源污染輸入和庫內(nèi)污染蓄積的結果，具有時序變化性和空間差異性。對于不同污染特點、不同污染水平、不同環(huán)境條件的水庫，應當分別研究適應性的內(nèi)源污染綜合治理技術。可以綜合運用清淤、原位覆蓋、曝氣、換水等工程技術治理內(nèi)源污染，構建生態(tài)流域系統(tǒng)，以便從源頭減少污染入庫，同時加強庫內(nèi)漁業(yè)、旅游等管理，從而形成一套內(nèi)源污染綜合治理的技術。此外，還應加強生態(tài)修復技術在內(nèi)源污染治理方面的應用研究，綜合利用多種污染治理技術來提高水庫水質(zhì)等級。

6 結語

水庫內(nèi)源污染已經(jīng)成為供水安全隱患。在人類活動的影響下，污染物通過各種途徑進入水庫，如點源排放的污染物通過上游河道或直接排放進入水庫;網(wǎng)箱養(yǎng)魚產(chǎn)生的污染物沉積在庫底;在降雨的驅(qū)動下，河道廢棄物、洪水淹沒耕地浸出的污染物、流域內(nèi)的泥沙、土壤攜帶的污染物隨徑流進入水庫;水庫內(nèi)自身生物新陳代謝沉積和大氣中污染物沉降在水庫中。入庫的污染物減去出庫的污染物后在多因素的影響下逐漸積累形成內(nèi)源污染，并會在一定的條件下釋放出來，增大水質(zhì)安全隱患。由此可知內(nèi)源污染來源廣泛，蓄積影響因素復雜，需要進行深入系統(tǒng)的研究，從而為保障水庫生態(tài)環(huán)境安全提供理論與技術支撐。

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