班靜雅，馬 巍，萬曉紅，高 博，裴倩楠，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程來水入密云水庫不僅能夠有效提高城市的供水保證率，而且能夠在一定程度上降低密云水庫目前存在的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，保證供水安全。但是，大量的來水使庫區(qū)水位不斷升高，形成了大范圍的淹沒帶，導(dǎo)致密云水庫面臨一定的淹沒帶土壤污染物溶出問題。目前，對(duì)于淹沒帶土壤污染物溶出問題的研究主要是針對(duì)水庫初期蓄水對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的影響。崔磊等［1］采用模擬實(shí)驗(yàn)的方法預(yù)測了瀑河水庫建庫后庫底土壤組分對(duì)水質(zhì)的影響，得出了庫底土壤污染物溶出對(duì)水質(zhì)無顯著不良影響的結(jié)論。王新偉等［2］研究了老虎潭水庫初次蓄水后水質(zhì)變化原因，認(rèn)為淹沒區(qū)土壤污染物釋放是影響初期蓄水水質(zhì)的原因之一。晁立強(qiáng)［3］采用土壤污染物浸泡提取實(shí)驗(yàn)研究了桐梓水庫蓄水初期氮磷污染物的釋放規(guī)律。以往對(duì)于南水北調(diào)來水對(duì)密云水庫水質(zhì)影響的研究主要集中于來水水質(zhì)變化的影響以及與庫區(qū)水質(zhì)的差異，對(duì)于新增土壤中污染物的溶出研究較少。吳曉輝等［4］通過對(duì)比丹江口水庫和密云水庫的水質(zhì)，分析了南水北調(diào)來水對(duì)密云水庫水質(zhì)的影響，但沒有考慮庫區(qū)水位升高后水位變幅帶來土壤污染物釋放的影響；鋼迪嘎等［5］進(jìn)行了南水北調(diào)來水后密云水庫水位變幅帶土壤磷釋放的模擬實(shí)驗(yàn)，并估算了磷的釋放通量，但沒有考慮土壤磷釋放對(duì)庫區(qū)水體的影響程度。南水進(jìn)入密云水庫以后水庫水位和水質(zhì)的變化是否會(huì)引起新增土壤污染物釋放進(jìn)入水體，若新增土壤污染物存在釋放，釋放過程如何、對(duì)庫區(qū)水質(zhì)又有多大影響，這些問題還有待于進(jìn)一步研究。因此，有必要對(duì)南水北調(diào)工程來水后密云水庫新增淹沒區(qū)土壤溶出對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的影響進(jìn)行分析，這對(duì)保障庫區(qū)水質(zhì)安全有十分重要的作用。

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)與模型模擬相結(jié)合的方法，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析淹沒帶土壤中污染物在純水里的最大釋放量，將釋放過程作為“源”項(xiàng)加入建立的水質(zhì)二維模型模擬庫區(qū)水質(zhì)濃度變化，根據(jù)南水北調(diào)工程來水后密云水庫新增淹沒區(qū)土壤溶出模擬結(jié)果對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的影響進(jìn)行研究。

2 密云水庫水環(huán)境問題

密云水庫位于北京市北部，是以綜合防洪、供水為目的的大型水利工程［6］。庫區(qū)最大水面面積188 km2，最大蓄水量43.75億m3，最高蓄水位159.9 m，是華北地區(qū)第一大水庫［7］。密云水庫的主要入庫河流是潮河和白河，以密云水庫為水源，主要有第九水廠輸水隧洞和京密引水渠兩條主動(dòng)脈為北京供水，目前密云水庫是北京市唯一的地表飲用水源地［8］。

由于連續(xù)十年的枯水年，密云水庫長期處于低水位運(yùn)行狀態(tài)，庫區(qū)周邊已形成大面積的灘地，原本在設(shè)計(jì)水位以內(nèi)的水環(huán)境保護(hù)區(qū)域，被開墾種植，形成耕地。同時(shí)，水庫調(diào)蓄采用“連續(xù)蓄水”方案，水體流動(dòng)性減弱，自凈能力降低，可能為水體富營養(yǎng)化的發(fā)生提供靜水條件。因此，密云水庫水體存在一定程度的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

密云水庫長期低水位運(yùn)行的現(xiàn)狀，使其具備了消納南水北調(diào)來水的重要條件，成為了南水北調(diào)工程體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)——南水北調(diào)中線工程的調(diào)節(jié)水庫。密云水庫作為南水北調(diào)工程的補(bǔ)償性調(diào)節(jié)水庫，一方面可對(duì)來水進(jìn)行年際調(diào)節(jié)，提高城市的供水保證率；另一方面，工程大量來水能夠在一定程度上降低庫區(qū)的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也帶來了新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。自2014年12月正式通水至2016年底，南水北調(diào)中線工程已向密云水庫輸水1.62億m3，工程來水使庫區(qū)水位升高7.8 m，淹沒庫區(qū)范圍內(nèi)的大量耕地，形成了大范圍的淹沒帶。淹沒帶大量的耕地類型土壤由于化肥農(nóng)藥的長期施放，造成土壤中氮磷含量過剩［5］，因此可能在淹沒初期對(duì)庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

3 土壤污染物溶出試驗(yàn)

3.1 樣品采集為保證研究的可靠性，在水庫水位升高之前（2015年7月14日），分別在密云水庫庫區(qū)周邊均勻布點(diǎn)。庫區(qū)周邊區(qū)域劃分為黃各莊、后八家、潮河入庫、云湖度假、湖心、白河入庫、北楊各莊、北部灘地西和北部灘地東9個(gè)區(qū)域，在水庫水位升高之前，分別在這9個(gè)區(qū)域進(jìn)行土壤樣品的采集。土壤樣品按照不同高程（130 m、140 m、145 m）每個(gè)樣線采集3個(gè)樣品共42個(gè)表層土樣品（0～20 cm）。具體采樣位置如圖1所示。

圖1 土壤采樣位置

用不銹鋼鏟子采集42個(gè)表層土樣品，采集的所有樣品置于密封袋中以防污染，之后運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室。將土壤樣品于室溫下在室內(nèi)進(jìn)行烘干，將多余的雜質(zhì)，如石頭、樹葉等去除。隨后，將樣品研磨并過0.15 mm尼龍篩進(jìn)行下一步分析。

3.2 試驗(yàn)方法考慮最不利情景，采用純水進(jìn)行土壤浸泡溶出試驗(yàn)，可以得出土壤污染物溶出的最大釋放量和釋放速率，進(jìn)而評(píng)估南水入庫后淹沒土壤污染物釋放的最大風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)將現(xiàn)場采集的土壤樣品混合均勻放于柱狀玻璃容器中，將容器垂直固定，用純水進(jìn)行污染物最大溶出試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的一致性和可比性，容器中土壤樣品的重量統(tǒng)一稱取2.0 kg，上覆水為試驗(yàn)用純水，加水量統(tǒng)一設(shè)為5 L，其水柱高度約30 cm，見圖2。試驗(yàn)采用恒速攪拌器對(duì)試驗(yàn)柱進(jìn)行連續(xù)擾動(dòng)10 min，靜置24 h使水體充分混合并使泥水界面的物質(zhì)交換達(dá)到平衡，采集第一次水樣300 mL，完成第一次采樣，測定樣品CODMn、TP、TN指標(biāo)濃度。補(bǔ)充純水300 mL到試驗(yàn)柱中，再攪動(dòng)10 min，靜置24 h采集水樣。實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)間按照1、2、3、6、20和30 d的時(shí)間間隔進(jìn)行取樣。

圖2 污染物溶出試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析各區(qū)域釋放濃度取樣品平均濃度，試驗(yàn)得出土壤污染物釋放過程如圖3所示。各區(qū)域土壤釋放試驗(yàn)中CODMn和TP濃度均呈遞減趨勢，說明CODMn和TP指標(biāo)僅在淹沒的首日有釋放，之后綜合自凈作用占主導(dǎo)，不會(huì)造成新的CODMn及TP釋放。而土壤釋放試驗(yàn)中TN指標(biāo)濃度呈先增加后減少的趨勢，說明新增淹沒區(qū)TN指標(biāo)在30 d的前期有釋放，后期則沉降作用占主導(dǎo)，不會(huì)造成新的TN釋放。

圖3 土壤污染物30d累積溶出過程圖（單位mg/L）

4 新增淹沒區(qū)土壤溶出對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的影響

4.1 二維模型構(gòu)建采用MIKE21軟件［11］構(gòu)建密云水庫平面二維水動(dòng)力學(xué)-水質(zhì)模型，模型計(jì)算區(qū)域總面積為467.5 km2。采用矩形網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格大小為500 m×500 m，利用軟件提供的插值方法計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)的高程值，并對(duì)局部部位網(wǎng)格點(diǎn)高程進(jìn)行適當(dāng)修正，最終得到模型計(jì)算所必需的網(wǎng)格點(diǎn)水下地形。以高程150 m以下為水下地形，水下地形網(wǎng)格全部參與計(jì)算，實(shí)際計(jì)算水域面積226 km2左右，計(jì)算網(wǎng)格904個(gè)。開邊界為潮河和白河入流，源匯項(xiàng)為白河大壩和第九水廠，水動(dòng)力學(xué)模型開邊界和源匯項(xiàng)均為流量，水質(zhì)模型為污染物濃度。計(jì)算區(qū)域及水下地形如圖4所示，其中紅色區(qū)域?yàn)殛懹蜻吔?，其他區(qū)域?yàn)樗碌匦巍?/p>

采用MIKE21構(gòu)建的平面二維水動(dòng)力學(xué)模型基本方程為：

圖4 模型計(jì)算區(qū)域及水下地形

水質(zhì)模型采用水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型，模型基本方程為：

式中：h為水深，m；C為可以分別為TP、TN、CODMn濃度，mg/L；M為橫向單寬流量，m2/s；N為縱向單寬流量，m2/s；Ex為橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Ey為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S為源（匯）項(xiàng)，g/m2·s；F（C）為生化反應(yīng)項(xiàng)。

圖5 庫區(qū)水位實(shí)測值與模擬值對(duì)比

4.2 模型率定驗(yàn)證以2015年1月1日實(shí)測水位135.8 m為水動(dòng)力學(xué)模型初始條件，以2015年1月庫區(qū)實(shí)測水質(zhì)為水質(zhì)模型初始條件，以2015年白、潮河入庫逐日流量過程和逐月水質(zhì)過程為模型水量、水質(zhì)邊界條件，模擬庫區(qū)2015年水動(dòng)力學(xué)水質(zhì)狀況。采用2015年庫區(qū)白河主壩水位站逐日水位資料對(duì)密云水庫水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)率定，采用庫區(qū)8個(gè)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)資料（采樣頻率為每月一次）對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，庫區(qū)各月平均水位計(jì)算值與實(shí)測值的平均誤差均在1%以內(nèi)（見圖5）；庫區(qū)8個(gè)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（CODMn、TP、TN）的模擬值與實(shí)測值的平均誤差在20%以內(nèi)（僅兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的TN指標(biāo)誤差達(dá)到30%），模型具有良好的計(jì)算精度，水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗(yàn)證結(jié)果見表1及圖6。

表1 密云水庫水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗(yàn)證結(jié)果

圖6 密云水庫CODMn、TP、TN指標(biāo)實(shí)測值與模擬值對(duì)比（以白河主壩站點(diǎn)為例）

4.3 新增淹沒面積統(tǒng)計(jì)據(jù)近年來密云水庫水位變化特性，以水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的無南水北調(diào)來水情況下的2016年最高水位138.8 m為水位正常變動(dòng)的最大高程，超過最大高程即為新增淹沒面積。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，南水北調(diào)來水后于2016年8月6日達(dá)到138.8 m，后期蓄水將產(chǎn)生新增淹沒面積。南水北調(diào)來水后各月庫區(qū)的累計(jì)新增淹沒面積以模型水下網(wǎng)格增加數(shù)量計(jì)算，至2016年11月8日，南水北調(diào)來水造成的新增淹沒面積共約16 km2（水下網(wǎng)格增加數(shù)量×單位網(wǎng)格面積0.25 km2）。2016年南水北調(diào)來水造成的密云水庫庫區(qū)新增淹沒區(qū)范圍如圖7紅色區(qū)域所示。

圖7 庫區(qū)新增淹沒范圍

4.4 土壤污染物釋放量采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的濃度變化趨勢多項(xiàng)式方程對(duì)釋放濃度進(jìn)行擬合修正，擬合的多項(xiàng)式形式為二次多項(xiàng)式：

其中：C修為修正濃度，mg/L；C0為釋放試驗(yàn)檢測濃度，mg/L；A、B、C分別為多項(xiàng)式系數(shù)，不同指標(biāo)、不同區(qū)域系數(shù)不同。

在修正濃度的基礎(chǔ)上，計(jì)算各指標(biāo)的日單位面積釋放量，計(jì)算公式如下：

其中：M為單位面積釋放量，g/m2；C修為修正濃度，mg/L；V為釋放試驗(yàn)上覆水體積，300 mL。

CODMn、TP指標(biāo)僅在首日釋放，其釋放量見表2；TN指標(biāo)淹沒前期（約20日）均有釋放，總釋放量見表2所示。根據(jù)淹沒面積和單位面積釋放量計(jì)算各指標(biāo)總釋放量，其中CODMn釋放總量為10.03 t，TP為0.38 t，TN為34.18 t。各區(qū)域釋放量分配見表3。其中云湖度假區(qū)域土壤釋放量比重最大，與該區(qū)域土壤淹沒面積最大有很大的關(guān)系。

表2 淹沒期各區(qū)域單位面積CODMn、TP指標(biāo)首日釋放量、TN指標(biāo)總釋放量 （單位：g/m2）

表3 淹沒期各區(qū)域釋放總量統(tǒng)計(jì) （單位：kg）

4.5 新增土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的影響根據(jù)新增淹沒區(qū)的土壤污染物釋放過程，采用建立的二維水質(zhì)模型模擬2016年1月1日至11月8日密云水庫淹沒后的水質(zhì)濃度場，對(duì)比新增淹沒區(qū)不考慮土壤污染物溶出的庫區(qū)水質(zhì)，分析土壤污染物溶出對(duì)密云水庫總體水質(zhì)和局部水質(zhì)的影響?？紤]最不利情況，新增淹沒區(qū)按最大釋放能力釋放，且將釋放過程概化于各月月初在當(dāng)月新增淹沒網(wǎng)格作為“源”項(xiàng)加入模型進(jìn)行計(jì)算，即CODMn、TP指標(biāo)于各月1日在該月的新增淹沒網(wǎng)格添加“源”項(xiàng)，TN指標(biāo)自各月1日起按釋放過程在該月的新增淹沒網(wǎng)格添加“源”項(xiàng)。

4.5.1 新增土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)整體水質(zhì)的影響 對(duì)2016年11月末密云水庫濃度場進(jìn)行分析，探討新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)整體水質(zhì)的影響。新增土壤污染物釋放與無釋放情景下的庫區(qū)水質(zhì)濃度場分布對(duì)比見圖8所示。

對(duì)比圖中兩種情景下的濃度場可得到，淹沒區(qū)土壤CODMn溶出僅對(duì)庫區(qū)南部潮河主壩附近水質(zhì)有影響，但影響程度較小，影響面積約為6.25 km2；淹沒區(qū)土壤TP溶出僅對(duì)庫區(qū)中部潮河入庫區(qū)域有一定影響，影響面積約為4.0 km2；淹沒區(qū)土壤TN溶出僅對(duì)北部平原東區(qū)域有微弱影響，影響面積約為0.75 km2。

通過濃度場分析發(fā)現(xiàn)，受庫區(qū)流場影響，新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)整體水質(zhì)的影響與各區(qū)域的污染物釋放量大小無明顯相關(guān)性，在現(xiàn)狀土壤釋放情景下，并非土壤釋放量越大的區(qū)域污染物濃度越高、水質(zhì)越差。

4.5.2 新增土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)局部水質(zhì)的影響 根據(jù)土壤釋放量和整體水質(zhì)狀況，選取代表區(qū)域進(jìn)行新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)局部水質(zhì)的影響分析。其中土壤污染物溶出對(duì)云湖度假區(qū)域水質(zhì)的影響如圖9所示。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)新增淹沒區(qū)土壤CODMn溶出對(duì)各區(qū)域水質(zhì)幾乎沒有影響，僅9月對(duì)云湖度假區(qū)域有微弱影響，造成該區(qū)域CODMn濃度增加約0.017 mg/L。

新增淹沒區(qū)土壤TP溶出對(duì)黃各莊、白河入庫區(qū)域水質(zhì)幾乎沒有影響；對(duì)湖心、北楊各莊、北部平原西區(qū)域影響微弱，造成該區(qū)域TP濃度增加0.0001～0.0002 mg/L；對(duì)后八家、潮河入庫、云湖度假、北部平原東區(qū)域TP濃度影響偏大，造成該區(qū)域TP濃度增加0.0002～0.0006 mg/L。

圖8 新增淹沒區(qū)土壤污染物釋放與無污染物釋放情境下的庫區(qū)水質(zhì)濃度場對(duì)比圖

圖9 土壤溶出對(duì)云湖度假區(qū)域水質(zhì)的影響對(duì)比（單位：mg/L）

新增淹沒區(qū)土壤TN溶出對(duì)黃各莊、白河入庫區(qū)域水質(zhì)幾乎沒有影響，對(duì)后八家、潮河入庫、湖心、北楊各莊、北部平原西、北部平原東區(qū)域影響微弱，造成該區(qū)域TN濃度升高0.017～0.036 mg/L；對(duì)云湖度假區(qū)域TN濃度影響較大，造成該區(qū)域9月份TN濃度升高約0.05 mg/L，但該影響持續(xù)時(shí)間很短，到后期影響將逐漸削弱。

根據(jù)對(duì)比結(jié)果，庫區(qū)局部水質(zhì)受土壤釋放量大小的影響，土壤釋放量最大的云湖度假區(qū)域水質(zhì)變化幅度最大。土壤污染物溶出前期對(duì)區(qū)域水質(zhì)的影響較大，后期在庫區(qū)水體自凈能力不斷增強(qiáng)的情況下，土壤污染物溶出的影響將逐步減弱。

5 結(jié)論

在土壤溶出試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模型模擬計(jì)算結(jié)果，得出南水北調(diào)工程來水后密云水庫新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的影響如下：

（1）根據(jù)土壤溶出試驗(yàn)結(jié)果，各區(qū)域土壤污染物釋放后上覆水中CODMn和TP濃度均呈遞減趨勢，TN指標(biāo)濃度程先增加后減少的趨勢，說明新增淹沒區(qū)CODMn和TP指標(biāo)僅在淹沒的首日有釋放，TN指標(biāo)在前20 d左右有釋放，之后綜合自凈作用占主導(dǎo)，不會(huì)造成新的污染物釋放。

（2）南水北調(diào)來水對(duì)2015年庫區(qū)水位影響較小，不會(huì)新增淹沒面積，基本無土壤污染物溶出問題。2016年南水北調(diào)來水量較大，造成庫區(qū)水位出現(xiàn)較大幅度地升高，將產(chǎn)生一定的新增淹沒面積。根據(jù)水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，2016年南水北調(diào)來水后期蓄水將產(chǎn)生新增淹沒面積共計(jì)15.75 km2。根據(jù)土壤溶出試驗(yàn)及新增淹沒面積計(jì)算的新增淹沒區(qū)土壤CODMn釋放總量為10.03 t，TP釋放總量為0.38 t，TN釋放總量為34.18 t。

（3）在考慮最不利情景下，新增淹沒區(qū)土壤溶出對(duì)密云水庫庫區(qū)整體水質(zhì)影響范圍小且影響程度低。新增淹沒區(qū)土壤污染物溶出對(duì)庫區(qū)整體水質(zhì)的影響與各區(qū)域的污染物釋放量大小無明顯相關(guān)性。新增淹沒區(qū)土壤溶出對(duì)庫區(qū)局部有一定影響，其中對(duì)云湖度假區(qū)域影響最為顯著。但由于新增淹沒區(qū)土壤釋放時(shí)間短、釋放量少，對(duì)局部水質(zhì)的影響將會(huì)在后期衰減和沉降的作用下逐漸減弱。

（4）由于本研究成果應(yīng)用的時(shí)間較短，還需要在以后的運(yùn)行中得到檢驗(yàn)。