南水人密云水库对水质及水环境的影响

李万智　杨进新　石维新　李振海

摘要：南水北调来水调入密云水库调蓄工程思路优化了南水北调中线总体布局，实现了南北联调、丰枯相济，同时恢复密云水库在供水任务中的重要地位，提高了北京水资源战略储备。由于丹江口水库和密云水库分属于两个不同的流域，且分别位于两个气候区，因此水体水质可能存在一定的差异。为避免调水可能带来的水质及水环境风险，在前期设计阶段與相关单位联合开展了两库水质调查、水质混合试验，构建密云水库平面二维水环境数学模型并进行了分析。研究结果表明：工程运行后两库水混合，对密云水库的水质、水温及其他理化指标没有产生不利影响，密云水库库区整体富营养化状态将逐年改善，调南水入密云水库有利于改善现状密云水库常年低水位运行所面临的富营养化、水质恶化等问题。

关键词：影响评价;水环境;水质;密云水库;南水北调

中图分类号：TV68

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.018

南水北调来水调入密云水库调蓄工程从团城湖取水，通过京密引水渠新建6级泵站反向输水至怀柔水库，输水流量20 m³/s，渠道总长73 km。经怀柔水库调节，部分水回补水源地，10 m³/s流量的水再经3级加压后反向送人密云水库。输水线路全长103 km.总扬程132.85 m。平均每年约有3.6亿m3水量可调往密云水库或回补水源地。密云水库库水位将由136.08 m（2014年7月底蓄水量10.58亿m³）抬升至汛限水位152.00 m[l]。由于丹江口水库和密云水库分属于两个不同的流域，且分别位于两个气候区，因此水体水质可能存在一定的差异。另外，随着调水工程的实施，密云水库水位逐渐抬升，水面面积不断加大，库区整体水流流速和库流形态可能发生变化[2]。因此，需要客观分析南水进入密云水库后在不同时间段对密云水库水质的空间分布影响范围和程度，评价密云水库混合南水后的水质变化，并提出水质保障、风险防范合理化建议。

1 丹江口水库水质调查

丹江口水库水质情况来自于《南水北调中线一期工程环境影响复核报告书》（以下简称“中线复核报告”）中2004年监测数据和2012年4月水利部水质监测中心的监测数据。中线复核报告中2004年水库水质指标包括pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、总氮、总磷、砷、铜、镉、铅、锰、汞、锌、氰化物、挥发酚、石油、阴离子表面活性剂和粪大肠菌群等，从评价结果看，水质均满足《地表水环境质量标准》（ GB3838-2002）Ⅱ类标准限值。

2012年4月，水利部水质监测中心考虑到丹江口水库为饮用水源地，进行了除常规指标以外的有毒有机物指标采样分析。在水库共设置了陶岔和坝前两个采样断面，每个断面分别设左、中、右3个采样点。主要监测项目包括21项常规监测项目（pH、色度、矿化度、高锰酸盐指数、总硬度、酸度、总碱度、碳酸盐碱度、重碳酸盐碱度、氨氮、总磷、总氮、硝酸盐氮、氯化物、氟化物、硫酸盐、钾、钠、钙、镁、硫化物），8项重金属元素（铁、汞、铜、锌、铅、镉、砷、硒），以及挥发性有机物VOCs、有机氯化物（百菌清、六六六HCHs、滴滴涕DDTs、多氯联苯PCBs等）、有机磷和其他半挥发性有机污染物等共计66项。部分监测结果见表1、表2。

由表1、表2可以看出：丹江口水库表层水样满足《生活饮用水卫生标准》（ GB5749-2006）。对照《地表水环境质量标准》（ GB3838-2002），除总氮和汞超标外，其他指标均能达到Ⅱ类水质标准，说明丹江口水库存在一定的健康风险和富营养化风险：丹江口水库表层水样中挥发性有毒有机物、有机氯化合物、有机磷及其他半挥发性有毒有机物的浓度均低于《地表水环境质量标准》（ GB3838-2002）规定的标准限值，说明由此引起的健康风险相对较小。

2 密云水库水质调查及评价

密云水库水质分析依据1990-2011年北京水质监测中心监测数据和2012年4月水利部水质监测中心的监测数据。

（1）监测断面。密云水库库区常设8个水质监测站点，分别为白河主坝、库西、套里、恒河、库东、金沟、水源九厂和潮河主坝，如图1所示。

（2）监测指标。水质指标包括水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮、铁和锰等29项，部分监测结果见表1、表2。

可以看出：密云水库表层水样满足《生活饮用水卫生标准》（ GB5749-2006）。对照《地表水环境质量标准》（ GB3838-2002），除总氮和汞超标外，其他指标均能达到Ⅱ类水质标准，说明密云水库存在一定的健康风险和富营养化风险。密云水库表层水样中挥发性有毒有机物、有机氯化合物、有机磷及其他半挥发性有毒有机物的浓度均低于《地表水环境质量标准》（ GB3838-2002）规定的Ⅱ类水质标准限值，说明由此引起的健康风险相对较小。

3 丹江口水库和密云水库水质混合试验

3.1 常规指标混合试验

从两库水质常规指标监测结果对比情况来看，丹江口水库的氨氮、氟化物、氯化物、硫酸盐、钠、总硬度、钾、镁、矿化度、碳酸盐碱度、重碳酸盐碱度、总碱度均比密云水库的相应指标低，两库水体的pH值、高锰酸盐指数、总磷、硫化物、钙离子浓度5项指标差别不显著，而丹江口水库硝酸盐氮、总氮浓度要高于密云水库的。丹江口水库总氮浓度高于密云水库的原因主要是丹江口水库的硝酸盐氮浓度明显高于密云水库的，丹江口水库硝酸盐氮浓度偏高原因主要是长江流域水体硝酸盐氮背景值偏高。

根据工程调水方案，从2014年到2019年逐年向密云水库调水3亿-4亿m³，共计17.9亿m3。密云水库现有库水约10亿m³，到2019年将达到防洪限制水位152.0 m，按此调水方案确定水体混合比例，分别为1：2、1：1和2：1（丹江口水库水体：密云水库水体），进行3组混合试验。为反映不同水体混合比例下水质的变化，混合试验停留时间分别为1、5、10 d。

两库水样按比例混合后的监测数据分析结果见表3-表5。混合比例由小到大时，氟离子、氯离子、硫酸根离子、钠离子、镁离子和钾离子浓度呈下降态势，表明两种原水混合后，主要的阴阳离子组分发生了物理混合作用。

综上所述，丹江口水库水体中大多数化学组分浓度低于密云水库的，是优质的地表水，适合作为饮用水源。混合试验体现了丹江口水库地表水与密云水库地表水之间较为显著的物理混合特征，虽然水質混合后引起阴阳离子浓度升高，但满足饮用水要求。由于丹江口水库硝酸盐氮和总氮浓度高于密云水库的，混合试验表现出两项指标浓度升高，因此蓄水工程要预防密云水库富营养化现象的出现。

3.2 重金属指标混合试验

丹江口水库与密云水库中重金属元素含量对比（密云/丹江口）见图2。可以看出，密云水库水体中铁、汞、铜、镉、砷和硒含量略高于丹江口水库，而密云水库水体中锌和铅含量略低于丹江口水库。丹江口水库和密云水库重金属含量基本相当，均远低于国家饮用水标准（ GB5749-2006）规定的限制。

为了验证丹江口水库和密云水库原水混合对密云水库水质的影响，以两水库混合水样为研究对象，通过测定两水库原水混合水样在不同混合时间下的重金属元素含量变化，来初步确定水样的混合作用对密云水库水质产生的影响。不同时间混合后的水样中重金属元素浓度测定结果见图3。可以看出，由于丹江口水库和密云水库水体中重金属元素含量都很低，两库地表水混合后重金属指标除了铜、锌和铅外，其他元素浓度随混合时间的延长都有所降低，因此可以初步确定南水调入密云水库后重金属风险较小。

综上所述，丹江口水库和密云水库地表水中多数重金属浓度很低，符合GB5749-2006标准限制。混合试验表明，两库水体混合后重金属含量没有出现显著升高现象，铁、汞、镉、砷和硒浓度随混合时间的延长均有所降低，因此调水后密云水库供水的重金属风险较小。

4 调水对密云水库水环境的影响

为预测调水后密云水库水环境变化及其富营养化趋势，基于密云水库库区的自然环境特征、水质空间分布特点和库区水动力特性，选取Mike21水动力模型（HD）和对流扩散模型（AD）构建密云水库平面二维水环境数学模型，并将2009年资料用于模型参数率定，2010年资料用于模型参数验证。从库区环流形态、水流流速大小及现状年库区水质监测站点年内水质变化过程模拟结果来看，构建的密云水库平面二维水环境数学模型具有较高的精度，能够满足南水北调来水调入密云水库后库区水质变化及其影响预测的需要。

（1）数学模型的建立。采用Mike2IHD模型模拟二维非恒定流运动，表达式为

根据计算区域的大小，初步确定密云水库计算网格尺寸为150 mx150 m，个数超过2万。计算水质指标大于4个，方程采用有限体积法进行求解。

（2）计算工况初步设计。根据丹江口水库不同典型年75%、50%及25%保证率的调水量，对应密云水库的不同典型年水文及水环境条件，分析调水对密云水库水体的影响。在此基础上，重点研究枯水期和丰水期密云水库水体水质变化。分别计算现状水平年和设计水平年库区水动力学变化特性和各水质指标的变化特征。

（3）边界条件。密云水库水流运动主要受风力驱动，常年主导风向（SW）和多年平均风速（2.24 m/s）下库区水流流速约为0.86 cm/s;常年次主导风向（NE）和多年平均风速（2.51 m/s）下库区水流流速约为0.90cm/s。受库区蓄水和南水北调来水调入密云水库的影响，库区水面面积逐步增大，风场对库区表层水体的驱动能力增强，但随着库区水位逐步升高、水深增大，风场对库区水体的整体驱动能力有所减弱，库区水流流速趋缓。南水北调来水对库区整体水流流速和库流形态影响非常小。

基于密云水库流域十多个代表性雨量站多年降雨资料，并结合潮河和白河长系列入库流量资料，综合确定1996年、1997年和2002年为密云水库流域丰、平、枯典型水文年的代表年型，再采用经过模型参数调试与校准的HSPF，预测各典型水文年水情条件下蓄水期间密云水库汇水区入库污染物量及其时空分布状况。综合库区降雨降尘量和库区内源释放量研究成果，蓄水期间密云水库入库水量及污染物总量分别为：丰水年水量6.53亿m3/a、总氮总量2 275 t/a、总磷总量44.8 t/a、高锰酸盐总量1 946 t/a;平水年水量3.54亿m3/a、总氮总量1 349 t/a、总磷总量28.9 t/a、高锰酸盐总量1 289 t/a;枯水年水量1.74亿m3/a、总氮总量886 t/a、总磷总量23.2 t/a、高锰酸盐总量902 t/a。

（4）模拟结果。在确定上述边界条件的基础上，通过模型预测得到如下结论：

南水北调来水调入密云水库调蓄后，枯水年蓄水期末密云水库高锰酸盐浓度基本不变（均为1.87 mg/L），总磷浓度略有改善，由补水前0.009 mg/L下降到补水后0.008 mg/L;总氮浓度略有升高，由补水前0.60 mg/L变为补水后的0.64 mg/L。平水年蓄水期末密云水库高锰酸盐和总氮浓度在补水后基本不变（补水前后高锰酸盐浓度均为1.79 mg/L.总氮浓度均为0. 69 mg/L），总磷浓度略有改善（由补水前0.009 mg/L下降到补水后0.008 mg/L）。丰水年高锰酸盐在补水后基本不变（高锰酸盐浓度均为1.67 mg/L），总磷和总氮浓度均有一定程度的改善（总磷浓度由补水前0.009 mg/L下降到补水后0.007 mg/L，总氮浓度由补水前0.76 mg/L下降到补水后0.74 mg/L）。南水北调来水后，密云水库高锰酸盐、总磷、总氮指标水质类别分属I类、I类和Ⅲ类。

现状年密云水库各水质监测站点的综合营养状态指数值为34 -41，都处于中营养水平，其中金沟和库东两站的评分（综合营养状态指数≥40）明显高于其他站点，表明金沟和库东所在库区发生水华的概率明显大于其他监测站点所代表的库区：5种营养状态评价指标中，叶绿素a和总氮的评分明显高于其他3个指标，同时表明总磷是当前密云水库发生水华的限制性营养因子。至蓄水期末，不同设计水情条件下密云水库富营养化状态评价指数为30- 31，属中营养状态水平，并处于贫营养与中营养等级的临界点，较蓄水前（现状年）的库区富营养化状态指数值（36）下降5-6，降幅为14.8% - 17.0%，较密云水库多年平均值（35）下降4-5，降幅为10.5% - 12.8%。南水北调来水入库后，蓄水期末各年型下库区的综合营养状态指数值均为30，处于贫营养与中营养等级划分标准的临界点。受库区引水和蓄水的共同影响，蓄水期间库区的整体富营养化状态将呈逐年改善趋势，其中枯水年改善趋势相对最好。

5 结语

密云水库是北京最为重要的地表水源地，水质问题敏感，南水进入密云水库后对其水质、水环境等是否造成不利影响，是建设密云水库调蓄工程的决定性因

（下转第99页）（上接第93页）素。通过开展专项研究表明，随着工程建成运行，密云水库蓄水量逐年增大，对水质、水温及其他水体理化指标、重金属等没有产生不利影响，随着密云水库蓄水量的增大，密云水库现状存在的水体富营养化问题逐年改善，因此该工程的建设对密云水库有利。工程建成后密云水库的水质等监测一直在进行，监测成果与预测结果基本一致，密云水库水体水质一直维持在地表水Ⅱ类，满足饮用水水源要求。

参考文献：

[1] 北京市水利规划设计研究院，北京市南水北调配套工程南水北调来水调入密云水库调蓄工程初步设计报告[R].北京：北京市水利规划设计研究院，2013：121- 126.

[2] 北京市水利规划设计研究院，南水北调来水调入密云水库调蓄工程环境影响报告书[R].北京：北京市水利规划设计研究院，2012：319-653.