翟文亮，曹慧群，羅平安

(長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010)

1 研究背景

砷(As)為非降解型有毒物質(zhì)，具有持久性、隱蔽性、不可降解性、可累積性等特點[1]，并可通過化學(xué)和生物富集作用破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡，進(jìn)入人體可對人體的神經(jīng)系統(tǒng)和器官造成嚴(yán)重的損害，是環(huán)境污染物和潛在有毒物質(zhì)[2-3]。當(dāng)砷進(jìn)入水體后，一部分溶解態(tài)砷被吸附到水體懸移質(zhì)泥沙顆粒表面，隨著懸移質(zhì)泥沙一起運動，這是砷由液相轉(zhuǎn)入固相的主要途徑[4-7]。沉積物在波浪、沖刷等擾動作用下會再懸浮，再懸浮過程容易釋放大量吸附在沉積物上的砷，造成“二次污染”[8-9]。在理化性質(zhì)穩(wěn)定的水體中，砷的分布主要與泥沙(沉積物)有關(guān)。砷在沉積物上吸附的主要機理是分配作用，其大小可以用分配系數(shù)來表示[10]。

水庫是地表水的重要組成部分，是水生生物的重要棲息場所以及工農(nóng)業(yè)和生活水源地。作為城市飲用水源地，水庫砷含量更是與人體健康密切相關(guān)。目前水環(huán)境中砷的時空分布研究主要集中于地表水和淺層沉積物中的砷污染狀況和健康風(fēng)險評價，對水庫砷的時空分布模擬鮮有報道。受區(qū)域地質(zhì)的影響，瀾滄江源頭昂曲水體中砷背景值較高，部分河段接近甚至超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)。

本文以瀾滄江源頭昂曲宗通卡水庫為例，構(gòu)建三維水沙砷預(yù)測模型，采用等溫吸附試驗分析水庫蓄水后泥沙對砷的吸附平衡規(guī)律，模擬成庫后正常運行期庫區(qū)不同水期砷污染分布規(guī)律，并對水庫水質(zhì)進(jìn)行環(huán)境影響評價。

2 水庫水沙與砷數(shù)學(xué)模型的建立

采用三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行泥沙運動和砷輸移的計算。水體中的吸附性砷部分溶解于水相，部分吸附于可溶性物質(zhì)，部分吸附于懸浮泥沙。砷的輸移取決于輸運方程，即

(1)

式中：C為水體中砷濃度；μ、ν、ω分別為在曲線σ坐標(biāo)下x、y、z方向的速度分量；Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向的紊流擴散系數(shù)；H為水體深度；mx、my分別為水平曲線坐標(biāo)x、y方向的比例因子；Qc為外部源匯項；F0為從沉積物中進(jìn)入水體中的砷凈通量，計算公式為

(2)

式中：J0為水體和沉積物中泥沙交換通量；上標(biāo)w和b分別表示水體和沉積床；ρs和ρw為泥沙和水的密度；εr和εd為懸浮和沉降條件下沉積床的表面孔隙比；fp和fd定義為

(3)

式中：P為平衡分配系數(shù)；Cp為顆粒態(tài)砷濃度；Cd為溶解態(tài)砷濃度；θ為孔隙度；S為泥沙濃度。

2.1 研究區(qū)概況

研究對象為擬建宗通卡水庫，位置見圖1。宗通卡水利樞紐水庫正常蓄水位為3 474.0 m，相應(yīng)庫容為1.246億m3，水面面積為5.59 km2，平均河寬為226.2 m，回水長度約22 km，成庫前后河道狀況對比見圖2。庫區(qū)存在2條較大支流——芒達(dá)曲(流域面積249.1 km2)和恩達(dá)曲(流域面積294.3 km2)，且砷的總濃度較高(71.5～129.1 μg/L)。從歷史水質(zhì)監(jiān)測資料分析，昂曲河水的砷有超標(biāo)現(xiàn)象，有可能對庫區(qū)水質(zhì)造成不利影響。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the Zongtongka Reservoir

圖2 宗通卡水庫成庫前后河道狀況對比Fig.2 Comparison of channel status before and after construction of the Zongtongka Reservoir

2.2 模型情況

2.2.1 網(wǎng)格劃分

宗通卡水庫水深較大，邊界線蜿蜒曲折，生成宗通卡庫區(qū)的貼體正交網(wǎng)格，垂直方向上平均劃分為4層，平面上劃分2 240個網(wǎng)格，針對支流進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)為11 424個，網(wǎng)格平均寬度為45.6 m，平均長度為53.4 m，具體見圖3。

圖3 宗通卡庫區(qū)網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of Zongtongka Reservoir area

2.2.2 邊界條件

干支流入庫條件為豐、枯水期流量和沙量過程；水質(zhì)條件分別采用2016年6月、2016年3月宗通卡水庫水樣的水質(zhì)(采樣點見圖4)，由長江科學(xué)院參照《水質(zhì) 65種元素的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 700—2014)測定；壩前水位取正常蓄水位3 474 m。

圖4 宗通卡庫區(qū)水質(zhì)采樣點Fig.4 Sampling points of water quality in Zongtongka Reservoir area

2.3 泥沙對砷的吸附作用

砷的分配系數(shù)表示水體中單位濃度的懸浮固體中顆粒態(tài)濃度與溶解態(tài)濃度的比值。根據(jù)原水溫度、泥沙濃度、砷濃度設(shè)置不同工況，利用原水、原沙開展吸附試驗，確定砷的分配系數(shù)。

吸附試驗條件：溫度(23、15、10 ℃)、天然粒徑泥沙濃度(4 000 mg/L，初始砷含量19.990 mg/kg)、水溶液初始砷濃度(0.50、0.25、0.10 mg/L)。

結(jié)果顯示，泥沙對砷的吸附規(guī)律符合Langmuir吸附等溫式，擬合結(jié)果見圖5。根據(jù)吸附試驗平衡后顆粒態(tài)濃度、溶解態(tài)濃度及泥沙濃度計算分配系數(shù)。

圖5 天然泥沙下砷的吸附等溫式擬合結(jié)果Fig.5 Isothermal equation fittings of arsenic adsorption with natural particle

砷的分配系數(shù)與初始濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溫度成正相關(guān)關(guān)系。利用砷吸附試驗成果得到不同溫度、不同初始濃度下分配系數(shù)之間的比例關(guān)系，推求溫度、初始濃度與分配系數(shù)的定量關(guān)系，見圖6。針對不同水期，計算平均溫度，根據(jù)公式推出豐、枯水期砷的分配系數(shù)，分別為0.41、0.30 L/mg。

圖6 天然泥沙下分配系數(shù)隨溫度的變化Fig.6 Distribution coefficient varying with temperature under natural particle size

3 模型率定與驗證

宗通卡水庫目前尚未蓄水，河道兩岸山勢比較陡峻，水流湍急，具有山區(qū)河流的特點；蓄水后庫區(qū)淹沒范圍增加，河道的地形條件、水動力條件等將發(fā)生顯著變化。以現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)率定驗證模型參數(shù)誤差較大，因此采用宗通卡水庫附近的水動力、水環(huán)境條件相似的果多庫區(qū)實測數(shù)據(jù)，對模型重要參數(shù)進(jìn)行率定和驗證，以模擬水庫正常運行期庫區(qū)砷的分布。

果多水庫位于扎曲下游，距扎曲河口約59 km，距宗通卡水庫直線距離約35 km(見圖1)，目前已建成運行。果多水庫與宗通卡水庫條件相似，主要表現(xiàn)為：①地理位置相近，水文、泥沙、氣象、水質(zhì)、地質(zhì)條件相似；②庫容較接近，宗通卡水庫與果多水庫庫區(qū)回水長度分別為19.6 km與22.0 km，水庫的水質(zhì)演變過程相似。果多水庫與宗通卡水庫對比如表1所示。

表1 果多水庫與宗通卡水庫對比Table 1 Comparison between Guoduo Reservoir and Zongtongka Reservoir

利用果多庫區(qū)2016年3月、6月現(xiàn)場調(diào)查的水位、泥沙濃度、流量、砷濃度實測數(shù)據(jù)，率定、驗證得到模型重要參數(shù)，包括糙率(0.025)、泥沙沉降速率(0.000 008 m/s)、泥沙沉積臨界剪應(yīng)力(0.000 5 m2/s2)、泥沙再懸浮臨界剪應(yīng)力(0.000 45 m2/s2)，率定結(jié)果見表2。

表2 果多庫區(qū)泥沙濃度、砷濃度模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差Table 2 Comparison of simulation of sediment concentration and As concentration with measured data in Guoduo Reservoir

泥沙濃度的模擬值與實測值相對誤差在±25%以內(nèi)，砷總濃度的模擬值與實測值相對誤差在±20%以內(nèi)，模擬精度較高，模型設(shè)置的重要參數(shù)能夠較好地模擬水庫水環(huán)境的演變規(guī)律。

4 水庫水沙與砷的時空分布規(guī)律

宗通卡水庫蓄水后，庫區(qū)水位升高，水面面積增大，水深增加，流速減小，泥沙沉降作用明顯，砷被泥沙吸附并隨之沉降。

4.1 豐水期、枯水期變化規(guī)律

宗通卡庫區(qū)泥沙濃度呈現(xiàn)豐水期高于枯水期的規(guī)律(見圖7)，主要與干支流含沙量季節(jié)變化有關(guān)。豐、枯水期干流來沙量分別為983.6、73.6 mg/L，庫區(qū)平均泥沙濃度分別為687.7、56.8 mg/L。庫區(qū)砷濃度整體呈現(xiàn)枯水期高于豐水期的特征，主要與干支流來水砷濃度季節(jié)變化相關(guān)，豐、枯水期干流來水砷濃度分別為11.64、19.44 μg/L，庫區(qū)砷平均濃度分別為13.89、20.93 μg/L。

圖7 豐水期、枯水期宗通卡庫區(qū)泥沙濃度、砷濃度的平面分布Fig.7 Plane distribution of sediment concentration and As concentration in Zongtongka Reservoir in wet and dry periods

4.2 縱向分布規(guī)律

豐水期、枯水期宗通卡庫區(qū)干流泥沙濃度均呈現(xiàn)沿程下降的變化規(guī)律，見圖8(a)。其中,庫尾—壩前2 km變化幅度較小，壩前2 km內(nèi)泥沙濃度陡降，泥沙大量沉降，豐水期、枯水期分別降至364.5、25.0 mg/L。

豐水期、枯水期宗通卡庫區(qū)干流砷濃度均呈現(xiàn)沿程波動下降的變化規(guī)律，見圖8(b)。其中,庫尾—芒達(dá)曲上游呈現(xiàn)緩慢下降變化；芒達(dá)曲匯入口至恩達(dá)曲匯入口的干流河段，由于2條高砷濃度的支流匯入，匯入口下游砷濃度陡升(芒達(dá)曲匯入后干流砷濃度上升40%～75%，恩達(dá)曲匯入后砷濃度上升11%～28%)。豐水期在支流匯入口一側(cè)形成明顯的岸邊污染帶；恩達(dá)曲匯入口—壩前河段砷濃度沿程下降幅度較大，壩前砷濃度相對較低，豐水期、枯水期分別降至8.70、11.90 μg/L。

圖8 豐水期、枯水期宗通卡庫區(qū)泥沙濃度、砷濃度的沿程變化Fig.8 Evolution of sediment concentration and As concentration in Zongtongka Reservoir along the stream in wet and dry periods

4.3 垂向分布規(guī)律

宗通卡水庫蓄水后，壩前水深約59 m，泥沙濃度、砷濃度垂向分布由表層至底層均呈現(xiàn)增大的變化規(guī)律(如圖9所示)，泥沙大量沉降，泥沙濃度由表層的8.9～13.1 mg/L增大至底層的42.5～767.5 mg/L。砷濃度由表層的0.2～5.3 μg/L增大至底層的16.5～20.6 μg/L。

圖9 豐水期、枯水期宗通卡壩前泥沙濃度、砷濃度的垂向分布Fig.9 Vertical distribution of sediment concentration and As concentration in front of dam in wet and dry periods

5 結(jié) 論

本文建立了宗通卡水庫水沙與砷數(shù)學(xué)模型，采用室內(nèi)吸附試驗確定了模型分配系數(shù)，利用相近水庫——果多水庫資料對模型關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了率定驗證，模型精度較高。利用模型模擬了宗通卡水庫蓄水后不同水期庫區(qū)泥沙和砷的三維時空分布，得到以下結(jié)論：

蓄水后水庫泥沙濃度和砷濃度呈沿程下降的變化規(guī)律。泥沙濃度呈現(xiàn)豐水期大于枯水期的特征，壩前泥沙濃度由表層至底層呈現(xiàn)明顯增大的變化規(guī)律；砷濃度呈現(xiàn)豐水期小于枯水期的特征，受支流匯入影響呈現(xiàn)沿程波動下降的規(guī)律，支流濃度較大時會形成岸邊污染帶，壩前濃度最低，壩前砷濃度由表層至底層均呈現(xiàn)明顯增大的變化規(guī)律。