水源型水庫水質(zhì)研究進(jìn)展與我國代表性水庫現(xiàn)狀
水源型水庫水質(zhì)研究進(jìn)展
對非點(diǎn)源污染的研究階段
水源地水源保護(hù)條例始于20世紀(jì)70年代，美國、英國等國家通過制定水源保護(hù)條例，嚴(yán)格控制點(diǎn)源污染，削減非點(diǎn)源污染，許多國家水源保護(hù)條例明確規(guī)定禁止污染物直接排入水源。因此，非點(diǎn)源污染研究是城市地表飲用水源保護(hù)的重點(diǎn)。
70年代的初期非點(diǎn)源污染研究僅局限于特征、影響因子、單次暴雨以及長期平均污染負(fù)荷輸出。模型主要有農(nóng)藥遷移和徑流模型(pesticide transport runoff model，PTR)以及城市暴雨管理模型(storm water management model，SWMM)。之后的幾十年，非點(diǎn)源污染研究迅猛發(fā)展，研究點(diǎn)擴(kuò)展到了非點(diǎn)源污染相關(guān)因素分析和污染區(qū)空間分析。模型主要集中到了農(nóng)業(yè)化學(xué)品遷移模型(agricultural chemical transport and migration model，ACTMO)、城市地表徑流數(shù)學(xué)模型(storage treatment overflow runoff model，STORM)等。80年代非點(diǎn)源污染主要集中在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物方面建模，比如CREAM模型和WEPP(water erosion prediction project)模型等。90年代水源型水庫中非點(diǎn)源污染轉(zhuǎn)到微生物遷移和地下水的補(bǔ)給，同時這一階段模型研究相對廣泛，包括微生物模型、殺蟲劑模型及與GIS相結(jié)合建立地表水監(jiān)測網(wǎng)混合專家系統(tǒng)等，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)首次提出。
對多重污染下水質(zhì)變化機(jī)理的研究階段
21世紀(jì)后，對水源型水庫水質(zhì)的研究越來越側(cè)重于水質(zhì)變化機(jī)理、多重污染物聯(lián)合作用、水華和藍(lán)藻暴發(fā)以及水質(zhì)監(jiān)測。例如，在湖泊水庫型飲用水源管理國際研討會上，Yang分析了水源型水庫中典型的“水體嗅味”問題，通過大量現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，提出了利用水位調(diào)節(jié)等策略來預(yù)防或抑制嗅藻生長。但并非所有水庫都適合采用水位調(diào)節(jié)策略，其關(guān)鍵取決于水庫的可調(diào)節(jié)度及可調(diào)節(jié)水量，如北京密云水庫、上海青草沙水庫這類大庫容水庫，水位調(diào)節(jié)方法明顯奏效，但特定氣候條件，如夏季和冬季，藻類暴發(fā)的機(jī)理還有待研究。
水源型水庫水質(zhì)影響因素分析
上游來水污染影響
對于我國來說，除西藏自治區(qū)和新疆自治區(qū)地表飲用水水源保護(hù)區(qū)基本不存在上游來水污染的問題外，全國其余地區(qū)上游來水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象較為普遍，這是水源型水庫污染的重要原因。此外，農(nóng)業(yè)面源污染是水源地水庫污染的潛在污染源。目前，我國化肥有效利用率僅為30%左右，農(nóng)藥的吸收率僅為30%～40%，未吸收的氮、磷和農(nóng)藥大多通過地表徑流、農(nóng)田排水進(jìn)入地表和地下水，是水體富營養(yǎng)化和其他水體污染的主要因素。近20多年來，我國農(nóng)村面源污染問題日益嚴(yán)重，在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)尤為明顯。很多飲用水源保護(hù)區(qū)上游或飲用水源附近村鎮(zhèn)的生活污水、養(yǎng)殖污水未經(jīng)任何處理就直接排入水體，嚴(yán)重影響了飲用水源的水質(zhì)；大量生活垃圾和養(yǎng)殖廢物隨意堆放，嚴(yán)重污染周圍地下水和地面水。
雨洪影響
Khan等研究表明，極端天氣容易引起水源型水庫飲用水污染。根據(jù)世界衛(wèi)生組織指南，極端天氣可能導(dǎo)致許多水質(zhì)變化，包括對沉積物負(fù)荷、化學(xué)成分、總有機(jī)碳含量和微生物質(zhì)量的影響。極端天氣事件中最常見的為暴雨和洪水，易導(dǎo)致飲用水水源污染。雨洪過后，水在湖泊和水庫的停留時間會大大減少，影響溶解有機(jī)碳(DOC)的自然降解，從而增加了腐殖質(zhì)到達(dá)水處理廠的濃度。同時，劇烈的暴雨會導(dǎo)致水庫水體垂直混合，改變水庫的內(nèi)部動力學(xué)。例如，美國俄亥俄河發(fā)生洪水后，地表水樣本中致病菌和病毒水平升高，微量金屬包括砷、銅、鐵、鉛和鋅的含量也升高。
干旱影響
干旱因素也會影響水源型水庫水質(zhì)。干旱導(dǎo)致河流自然徑流減少，點(diǎn)源污染相對于入庫流量貢獻(xiàn)增加，點(diǎn)源污染物的環(huán)境濃度也會增加。通過對導(dǎo)電率、硝酸鹽等污染物的分析，證明湖泊總?cè)芙夤腆w濃度的增加與嚴(yán)重干旱條件有關(guān)。干旱可以從根本上改變流域和水庫內(nèi)的營養(yǎng)循環(huán)和生物群，從而在事件發(fā)生后的數(shù)月或數(shù)年內(nèi)影響水質(zhì)，且較高的營養(yǎng)濃度以及較高的溫度有利于藻類的繁殖。澳大利亞和美國都曾出現(xiàn)因干旱導(dǎo)致飲的用水水質(zhì)問題，如渾濁度、味道、嗅味化合物(2-甲基異奧酚和土臭素)、顏色、病原體等。
高溫影響
夏季高溫會影響水源型水庫水質(zhì)。高溫會促進(jìn)藻類生長，Johnk等的研究表明，2003年歐洲夏季高溫是導(dǎo)致北歐湖泊藍(lán)藻濃度增加4倍的一個關(guān)鍵因素。高溫不僅促進(jìn)藍(lán)藻的繁殖，還會增加水體垂直層面的穩(wěn)定性，減少垂直方向的湍流混合，改變原庫體水力平衡，可為藍(lán)藻繁殖提供有利環(huán)境。
低溫影響
低溫同樣也會對水源型水庫水質(zhì)造成影響。溫度的快速降低會迅速破壞水體溫度梯度，導(dǎo)致水庫中的表層水和深層水混合，潛伏的水質(zhì)因素，如鐵、錳或深層的營養(yǎng)物質(zhì)積累會和表層水混合，影響水庫表層水體的水質(zhì)。2007年南半球冬季，澳大利亞悉尼低溫導(dǎo)致其主要水源型水庫出現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā)。
此外，集水區(qū)水土保持林火災(zāi)等其他突發(fā)事件也會影響水源型水庫水質(zhì)。
我國水源型水庫水質(zhì)及調(diào)控現(xiàn)狀案例
中國有34個省級行政區(qū)，大部分地區(qū)都由其水源型水庫供水。根據(jù)全國25個典型湖庫型飲用水源地非點(diǎn)源風(fēng)險遙感監(jiān)測的結(jié)果，我國非點(diǎn)源污染風(fēng)險源分布普遍存在且類型多樣。非點(diǎn)源污染風(fēng)險源主要包括水產(chǎn)養(yǎng)殖、居民點(diǎn)、農(nóng)業(yè)用地、畜禽養(yǎng)殖、開采用地、旅游用地6種，其中農(nóng)業(yè)用地占地面積最大，占全部非點(diǎn)源風(fēng)險源的77.6%；其次是居民點(diǎn)、開采類用地與水產(chǎn)養(yǎng)殖；其他類型的比例均在1%以下。水源地污染風(fēng)險大小在全國的分布沒有明顯的區(qū)域性規(guī)律及聚群分布特征，但與水源地位置遠(yuǎn)離城市情況、當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門對水源地重視程度、配套的管理措施及歷史狀況等因素相關(guān)。
北京水源型水庫
北京市主要有兩大供水系統(tǒng)，官廳水庫—永定河引水渠和密云水庫—京密引水渠。由于上游污染日益嚴(yán)重，官廳水庫水質(zhì)已不符合飲用水源地要求，白河堡水庫每年向官廳水庫補(bǔ)水約1億m3，以改善官廳水庫水質(zhì)。密云水庫作為北京市的主要飲用水水源地，年供水量約占全市年地表水供水量的73.3%。目前，密云水庫的氮、磷水平屬于中營養(yǎng)，水體的營養(yǎng)程度屬于中營養(yǎng)型，水質(zhì)尚好，但庫區(qū)水體向富營養(yǎng)化發(fā)展的趨勢比較明顯。
對密云水庫流域非點(diǎn)源現(xiàn)狀的初步研究表明，非點(diǎn)源污染主要有化肥損失、畜禽糞便流失和水土流失3種類型。其中，水土流失是最主要、最直接的污染源，同時也是其他兩種污染的載體。不同的土地利用類型及耕作方式對污染物流失影響強(qiáng)烈，坡耕地和荒草坡單位面積土壤流失量比較嚴(yán)重，汛期污染物流失量約占全年流失量的60%，表明非點(diǎn)源污染已成為影響水庫水質(zhì)的主要污染源。通過分析氮、磷的流失特點(diǎn)，村莊中溶解態(tài)氮的流失量最多，村莊和坡耕地都是氮、磷流失的重點(diǎn)區(qū)域。因此，要防止密云水庫的水體富營養(yǎng)化，應(yīng)重點(diǎn)控制水庫上游流域的土壤侵蝕和水土流失，減輕水庫吸附態(tài)氮、磷的負(fù)荷量。
上海水源型水庫
上海地處我國東部平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，水資源總量較為豐富，但隨著近年來區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程，河道水質(zhì)逐漸惡化，水質(zhì)型缺水現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。對于上海水源地水質(zhì)而言，上游污染和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)排放以及新興復(fù)合污染物污染風(fēng)險導(dǎo)致總氮、總磷高(外源)。其次，上海4大水庫都是淺水型水庫(內(nèi)源)，易引發(fā)藻類及藻源性嗅味以及pH高等問題，導(dǎo)致水廠處理工藝復(fù)雜。另外，上海市飲用水源地周邊環(huán)境介質(zhì)中重金屬已出現(xiàn)不同程度的累積，道路灰塵重金屬含量普遍較高，對水環(huán)境的長期影響不容忽視。
目前，上海水源型水庫面臨的問題與挑戰(zhàn)是上海水源型水庫易受上游來水和河網(wǎng)水質(zhì)影響，水源水質(zhì)仍不滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，需要不斷提升安全能級：開展流域水質(zhì)預(yù)警、污染防控、生態(tài)補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)和機(jī)制研究，積極儲備以水環(huán)境健康為目標(biāo)的太湖、長江流域水資源聯(lián)合調(diào)度方案，以有效提升流域水環(huán)境安全風(fēng)險防控能級。上海青草沙水庫采用實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)(特別是咸潮入侵時)，為預(yù)防咸潮入侵，分別設(shè)計(jì)咸潮期和非咸潮期水庫泵閘取水方式，以維持庫內(nèi)良好水質(zhì)。同時，還配有實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測，進(jìn)行在線監(jiān)測、移動監(jiān)測和其他生態(tài)監(jiān)測，嚴(yán)格控制水質(zhì)。為控制藻類生長，盡可能縮短水庫的水力停留時間(20 d左右)；生物調(diào)控，投放高效濾食性動物；種植濕地植物，降低水體富營養(yǎng)化風(fēng)險。
上海建成4大水源型水庫后，原水水質(zhì)大幅提升，但對比國內(nèi)外領(lǐng)先水平，差距依然巨大，特別是水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用方面仍有較大的提升空間。目前，我國臺灣省38個水庫應(yīng)用實(shí)時定量基因擴(kuò)增熒光檢測系統(tǒng)(QPCR)來監(jiān)測藍(lán)藻毒素和嗅味物質(zhì)，其特點(diǎn)是儀器少、檢測時間短、操作簡單、結(jié)果精確；美國加州采用水聲探測技術(shù)來診斷湖泊和水庫的狀況，主要應(yīng)用在計(jì)算水庫深度、底部沉積物的特征及其在湖中的分布(湖泊沉積物質(zhì)遷移方面)，還用于確定浮游動物和水生昆蟲的數(shù)量和行為(漁業(yè))。
總結(jié)與建議
我國水源型水庫具有普遍存在各種污染源、環(huán)境風(fēng)險隱患突出、抗風(fēng)險能力薄弱和缺乏有效的水源地水質(zhì)安全監(jiān)管和預(yù)警手段的特點(diǎn)。結(jié)合國內(nèi)外研究，對水源型水庫保護(hù)對策與建議如下。
加強(qiáng)水源地集水區(qū)管理
治理上游及飲用水保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源、加強(qiáng)水源地集水區(qū)管理，是保證水源型水庫水質(zhì)的首要條件。保護(hù)提升水源型水庫的水質(zhì)，可減少后續(xù)處理的過程，大大降低制水成本，同時也為城市供水安全帶來保障。
明確水質(zhì)檢測指標(biāo)，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測
水質(zhì)的監(jiān)測與分析是進(jìn)行水質(zhì)狀況評價的必要手段，應(yīng)對標(biāo)國內(nèi)外領(lǐng)先水平，建立完善的水質(zhì)檢測指標(biāo)，并進(jìn)行定期和不定期的水質(zhì)監(jiān)測。例如，巴黎每年需對50 000個水樣約300 000個參數(shù)進(jìn)行分析；東京也定期和不定期對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，以及時應(yīng)對突發(fā)事件，保證飲用水水質(zhì)質(zhì)量。
加快水務(wù)信息化的步伐
參考國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國特點(diǎn)，應(yīng)通過水務(wù)信息化建設(shè)，建立多級聯(lián)動的機(jī)制，保障水源地水庫的水質(zhì)安全。包括，研究影響水源型水庫水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)與特征污染物，明確當(dāng)?shù)厮畮焖|(zhì)特征和變化規(guī)律，隨時監(jiān)測和追溯水源型水庫水質(zhì)特征污染物的來源、變化，及時預(yù)警，并做出應(yīng)對突發(fā)情況的處理方案；完善監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)；建立雨水測報系統(tǒng)，做出適應(yīng)不同情況的水源型水庫運(yùn)行方案等。
水庫設(shè)計(jì)上確立超前意識，高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格化
在水源型水庫設(shè)計(jì)上，確立長遠(yuǎn)、超前意識；在施工上高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格化，是水源型水庫供水及水質(zhì)調(diào)控長遠(yuǎn)發(fā)展的保證。如香港水庫的設(shè)計(jì)建設(shè)，一是堅(jiān)持超前意識的設(shè)計(jì)理念，二是堅(jiān)持高起點(diǎn)的設(shè)計(jì)施工，在其建造過程中就在壩體內(nèi)預(yù)埋了儀器，這些儀器一直到現(xiàn)在還在提供壩體內(nèi)防滲材料的狀態(tài)參數(shù)，供安全分析使用。