西北干旱区典型水库锰超标原因分析及防治对策

朱国建，张盼伟

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着社会的快速发展，人类活动对自然的影响程度越来越深，河流、湖泊受到人类活动的影响越来越大，目前我国部分河流和湖泊已经受到人类活动的严重影响，许多湖泊、水库出现了富营养化、重金属及有机污染物的污染。水库作为一种特殊的生态系统，具有河流与湖泊的混合特性，其在我国供水水网中具有很多特殊功能，人类饮水、农业灌溉和水产养殖等生产、生活活动越来越依赖于水库供水[1- 3]，尤其在我国西北干旱地区，由于降水稀少，河流径流量小，天然湖泊稀缺，因此，水库在供水、农业灌溉方面必将发挥着极其重要的作用，其水质要求也必然十分严格。在水库人为调度过程中，蓄水排水使其成为高度动态而又复杂的生态系统[4]，库底沉积物与上层水体之间发生着较强烈的物质与能量交换[5]。目前，针对天然湖泊富营养化的形成机制、治理对策方面的研究已经很多[6- 8]，但对供水水库中锰超标及控制措施方面的研究还较少，对我国西北干旱区水库水体中锰超标的研究更少。本研究以我国西北地区某典型水库为研究对象，探讨西北干旱区典型水库水体锰超标原因，并与国内外水库锰超标情况进行比较分析，提出相应的防治与治理对策。

1 水中锰超标危害及我国部分水库锰超标状况

1.1 水体锰超标的危害

锰是人体必需的微量元素之一，饮用水中含有低浓度锰时，一般对人体无害。但是人体长期摄入过量的锰元素就有可能诱发许多疾病，如出现慢性中毒症状、食欲不振、骨质疏松等疾病，甚至还会影响人体的中枢神经系统；我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中规定饮用水中锰的标准限值为0.1mg/L，当水体中锰的含量超过0.3mg/L时，能使水体产生异味，色度也发发生改变[9]。当水体中锰的含量超过1.0mg/L时，水体的色度就会明显增加，而且水中会产生明显的金属气味。在城市供水行业中，含有高浓度锰元素的水源水会造成制水成本升高，同时还会缩短输水管道使用寿命，降低出厂水和管网水质，对经济和社会效益方面造成一定程度的负面影响。

1.2 我国部分水库锰超标状况

已有研究结果表明，我国有许多供水水库都出现过水体锰超标情况，水库中锰的分布随季节、水温分层而变化，在水库水体中会呈现出明显的垂直分布规律。一般来说，水库水体中锰浓度较高的区域一般在水库的中、下层，主要与水库底部缺氧、pH值下降有关，由于水库底部氧气减少，水库底部的氧化还原环境发生改变，水库底部还原作用占据优势，造成已经沉积于沉积物中的锰向上覆水体中释放[10]，如贵阳市阿哈水库[11]、揭阳市某水库[12]、保定市西大洋水库[13]、石家庄岗南水库[14]、福建古田溪水库[15]、台州市长潭水库[16]、合肥市大房郢水库[9]、南宁市峙村河水库[17]等都出现过类似的现象。

表1 我国部分水库锰超标状况

2 研究区概况及水质状况

2.1 研究区概况

该水库位于我国西北内陆地区，水库属地气候干旱，年平均降水量为251.6mm，年平均蒸发量为1543.8mm，11月到来年3月属于低温天气，常有积雪覆盖，最低气温达-30℃，具有典型的大陆干旱气候特征，发育的河流水量逐渐变小，水资源量匮乏。

水库为饮用水地表水源一级保护区，由人工建坝四面围筑而成的平原注入式水库，蓄水期自每年5月开始，至9月蓄水结束。目前库容为0.91亿m3，水库水面面积24km2，全年入库水量1.20亿m3。水库主体工程建设内容包括：均质土坝、放水兼放空涵洞、入库渠道、供退水渠等，属大(2)型水库[18]。水库为周边工农业及部分城市供水，年供水量1.5亿m3，供水方式采用底部供水。水库水循环较慢，内源污染会对水环境带来不良影响。

2.2 水库水质状况

该水库水体水质整体感官较好，水体较清澈。为更好的了解水库水体的水质状况，2021年8月在水库取水口采集表层水样，对水体29项指标进行监测，见表2，发现取水口表层水体各项指标均满足饮用水标准规定的限值。

由于水库采用的是底层供水方式，水库管理部门在2021年7月～8月对水库底层水体进行持续性监测，根据库区供水管理部门提供的水质监测报告，发现库区整体水质指标较好，但是作为集中式生活饮用水地表水源地补充项目的锰指标，出现了持续季节性超标现象，见图1。

依据《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007)及《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)对该水库供水锰指标进行标准评价，超标倍数按下式计算。

表2 水库出水表层水质指标

图1 水库底层水体锰及标准限值

(1)

式中，Bi—水质指标超标倍数；Ci—水质项目超标浓度，mg/L；Si—水质项目的Ⅲ类标准限值，mg/L。

地表水中锰的Ⅲ类标准限值为0.1mg/L，水库底层水体中锰浓度在2021年7月～8月间达到0.129～0.257mg/L，按上式计算，其超过标准限值的 0.3～1.6倍。

3 水库水体锰污染原因探析

3.1 水温分层情况

为研究水库的水温分层情况，本研究采用“参数α-β判别法”判断该水库水温分层情况[19]，具体公式见式(2)。

(2)

式中，α—库区水体交换次数；β—洪水对库区水体的交换次数。

当α<10时，水库水温为稳定分层型；当10<α<20时，水库水温为不稳定分层型；当α>20时，水库水温为混合型。对于分层型水库，β值如果大于1，水库水温将可能出现临时混合现象，β值如果小于0.5，则洪水对水库水温的分层结构不会产生影响。目前该水库总库容为0.91亿m3，多年平均径流量为1.2亿m3，故α=1.65，可判断该水库水温为稳定分层型。根据该水库2021年水文监测数据可知，该水库上游流域未发生洪水现象，所以洪水对该水库水温分层不产生影响。

该水库夏季水温分层明显，水温分层现象会在水体中形成水体屏障，水库上、中、下层水体被温跃层分开，进而降低上、下层水体的对流运动，导致库底水体与表层水体难以进行交换，水库底部水体中原有的溶解氧不断被有机物的分解作用、底栖生物和还原性污染物所消耗，由于温跃层的屏障作用，水库表层氧气难以进入水库底部造成底部水体氧气得不到补充，造成库区底层沉积物及水体中溶解氧不断降低，造成库区底部形成厌氧环境，进而造成库底沉积物中的锰重新还原为离子态，进而释放入上覆水中，进而造成库区底部沉积物上覆水中锰元素浓度大幅度升高。该水库在2021年7月～8月，水库底部水体中锰浓度持续超标，且在部分时段超标1.6倍。在寒冷的冬、春季节，该水库水温上、下层温差较小或处于等温状态，库区水体不会形成温跃层，库区水体溶解氧及pH值较高，整个库区水体大部分处于氧化状态；在氧化环境条件下，水体中的锰大部分为高价态而形成难溶的化合物，常与水体中颗粒物吸附，最终在库区底部沉积物与水界面附近沉积，并储存于库区沉积物表层，造成沉积物中锰含量的上升，水中锰浓度相应降低，所以该水库在冬、春季节未出现锰超标现象。

3.2 水库底层溶解氧含量

图2 水库底层水体溶解氧及标准限值

3.3 外源污染

由于该水库为人工水库，其主要来水水源为上游来水，库区周边以戈壁滩为主，在库区的上风向有部分工业企业。经过对库区周边干、湿沉降样品进行检测，检测结果显示，干湿沉降样品中锰浓度均低于0.01mg/L，说明工业企业烟尘排放对库区水体中锰的影响较小，库区沉积物中锰主要来源于区域本底或上游来水汇入。

4 防治对策

水库为有别于河流和天然湖泊的水生生态系统，大部分属于封闭和半封闭的状态，库区水体完全更换一次的周期较长，其自身的净化能力有限，如遇污染水团汇入或内源污染，将造成水体水质快速恶化，如地表径流中含有大量重金属元素、有机污染物、营养盐等物质进入水体，如果水库水体交换周期较长、更新较慢，将造成污染物会长期滞留于库内，并逐渐在沉积物中累积，如果库底氧化还原条件发生改变，沉积物中蓄积的污染物将再次释放进入水体环境，造成库区水体的二次污染。因此针对稳定分层型水库锰超标现状，防治水库供水受锰污染具有一定的挑战性，针对我国西北某典型稳定型水温分层水库锰超标现象提出以下几方面的改进建议。

4.1 供水工艺改进

水库管理部门可在夏季适当提高取水高度，通过加装叠梁门，以获取溶解氧含量较高的表层水。还可以在水库底部取水口处安装自动增氧机，增加取水口附近各层水体中溶解氧的含量，也可在取水口附近添加氧化剂，使水库底部取水口长期处于氧化环境，进而将水中低价态锰转化为高价态锰沉淀至底泥中，可有效降低底层水中锰的含量。

4.2 外源整治

由于该水库水源主要来自上游来水及部分降水，集雨区面积不大，可以在集雨区内对枯枝落叶进行打捞；在库区尽量减少人工投放饲料，尽可能减少有机质进入库区水体。同时可以在水库集雨区范围内增加水源涵养林的种植以减少水土流失，减少含锰的表土进入库区水体造成污染。

5 结语

该水库水温为稳定分层型，中、上层水体中锰浓度未超过我国相关标准规定的限值。2021年7～8月底层水体出现锰超标现象，是由于水温分层导致库底溶解氧低，处于还原状态，富集在沉积物中的锰又以离子态形式释放入水体中，由于该水库为底层供水水库，所以造成供水水厂出现锰浓度超标现象。针对这种情况，建议改进供水方式，通过加装叠粱门，将底层供水方式改为取表层水供水，可以应对供水管网水体中锰超标的问题。