第14卷第5期长江流域资源与环境Vol.14No.5
2005年9月ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinSep.2005
文章编号:1004-8227(2005)05-0605-06
长江三峡水库水污染控制若干问题
张代钧1,2,许丹宇1,任宏洋1,曹海彬1,郑 敏1,刘惠强3
(1.重庆大学环境科学系,重庆400044;2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆400044;
3.重庆市大渡口区环境保护局,重庆400080)
摘 要:论述了三峡水库几个重要水环境问题,对近年来三峡水库水污染控制科学研究工作进行回顾,评述了一些重要研究成果,就三峡水库水质模拟、水体富营养化、水库泥沙截留淤积和重金属污染等问题进行了深入探讨。基于国际水协会最新推出的河流水质模型,提出了三峡水库水环境模拟研究的观点和方法;基于湖泊(水库)生态动力学模型原理,在对水体中磷元素预测的基础上,从营养盐含量、水深、流速、温度因素等与富营养化非线性映射关系出发,初步建立三峡水库水体富营养化人工神经网络模型,对三峡水库水体富营养化潜势进行研究,分析讨论了一些初步结果;论述了水库泥沙截留淤积及其与水体中污染物,特别是重金属污染的相互作用;建议三峡水库近期内应予以重视的一些重要水环境科学问题。
关键词:三峡水库;水环境容量;富营养化;水环境模拟;水污染控制;泥沙沉积文献标识码:A
三峡水库正常蓄水位175m,调度蓄水位168.6m,蓄水3.93@1010m3;水库长江干流自白沙)))三斗坪超过700km,主要支流包括嘉陵江和乌江,水库面积1080km。涉及湖北省的4个县、重庆市的15个区县和重庆市主城区。三峡库区地处我国西部地区,区域经济和社会发展水平还不高,长期以来库区废水和垃圾处理率低。2000年,库区工业废水达标率低于70%,生活污水集中处理率低于10%,城市垃圾无害化处理率不足7%;再加上库区上游(包括库区影响区和上游地区)大量废水(约33@10m)和生活垃圾(约557@10t),对库区水环境保护造成巨大压力。三峡水库的水环境保护一直是国内外极其关注的重大问题,本文就三峡水库几个重大水环境问题进行论述。
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库岸稳定、地震、泥沙、生物、水库淹没与移民、自然疫源性疾病及地方病等进行了一系列研究探索。
1980年,长江流域水资源保护局提出了《三峡建坝的环境生态问题》,这是第一个有关三峡工程环境影响的研究报告。1983年,长江流域水资源保
②
护局提出了《三峡建坝对环境的影响》报告。1984年,国家科委将/长江三峡工程对生态与环境的影响及其对策研究0列为三峡工程前期重大科研项目,同年以中国科学院为首组织国内多学科专家承担国家科委下达的/长江三峡工程对生态与环境的影响及其对策研究0项目,出版《长江三峡工程对生态与环境的影响和对策研究》专著,随后中国科学院继续组织/三峡工程与生态环境0研究,出版/三峡工程与生态环境0系列丛书。1985年形成《三峡水利枢纽环境影响报告书》。为了论证三峡工程水位方案,1986年,由生态、环境、水利等方面55名专家组成专家组,对已往三峡工程生态与环境研究的成果进行了审查和复核。1991年,中国科学院环境评价部
③
[1]
①
1 三峡工程水环境科学研究简要回顾
20世纪50年代,专家们在进行长江流域综合利用规划研究和三峡水利枢纽初步设计研究时,就针对三峡工程对一些环境因素的影响,如回水影响、
收稿日期:2004-08-30;修回日期:2004-11-10
基金项目:教育部优秀青年教师资助计划(教人司[2003]355号)
作者简介:张代钧(1963~ ),男,重庆人,教授、博士生导师,主要从事水污染防治研究.E-mail:dzhang@cqu.edu.cn① 长江流域水资源保护局.三峡建坝的环境生态问题.1980.② 长江流域水资源保护局.三峡建坝对环境的影响.1983.
③ 长江流域水资源保护局.三峡水利枢纽环境影响报告书(150m方案).1985.
606 长江流域资源与环境 第14卷
三峡水库水质数学模型[4],研究三峡水库一维总体水环境容量和岸边排放二维总体水环境容量。结果表明,三峡水库水体自净能力较建库前增大约3倍,且大于一维总体容量;库区水环境容量较建库前明显增大,其中,CODCr容量增加约37%,NH3-N容量增加约50%,特别是涪陵区以下江段的水环境容量增加最大。
三峡水库整体一维水质数学模型[4]主要模拟DO、BOD5、CODMn、NH3-N、NO-2-N、NO-3-N、TP、TN、悬浮物(SS)、酚、汞、铬、油、水温等14项水质指标。但模型存在以下问题:①将河流流动简化为一维,意味着排放污染物立刻在河流横断面与河水完成混合;②用BOD作为状态变量进行质量平衡,不能反映全部的可降解有机物质;③沉积物没有纳入质量平衡,组分一旦沉积河底,在质量平衡中就不再考虑;④质量平衡未考虑浮游型和固着型微生物以及藻类的数量和特性;⑤没有完整地反映深水处的污染物降解作用。因此,三峡水库水环境容量和自净能力变化还需进一步深入研究。
三峡水库库区江段形态复杂,水体宽、深比大,平均流速较缓(建库前0.85m/s,建库后0.17m/s),江面突扩、突缩现象显著,水力条件十分复杂。污染物在迁移、扩散时,不仅在各个方向存在浓度梯度,而且还会受到岸边的反射;同时,各种微生物、藻类、悬浮物和河床底泥与水体间的相互作用也将影响污染物的迁移、转化规律。所以建立包括各种微生物、藻类、悬浮物和河床底泥等影响的二维乃至三维的水流水质数学模型,才能全面反映污染物的迁移、扩散和转化规律,确定三峡水库的水环境容量和自净能力。
图1表达了一个由耦合在水文介质的生物和非生物元素组成的流水生态系统模型。在这些元素里或元素之间的复杂过程,可用一系列物理、化学、水文形态学和生物学参数表征,可用纵向、横向、竖
向和时间梯度描述流水系统的生物和非生物结构。
[6]
[5]
和长江水资源保护科学研究所联合完成了《长江三
[2]
峡水利枢纽环境影响报告书》,该报告针对三峡工
程规模巨大、对生态与环境影响深远的特点,将长江流域作为一个完整的大系统,对三峡建库而引起的库区、长江中下游地区及河口区的自然环境、社会环境,包括局地气候、水质、生物、水库淹没与移民、自然景观与文物等,用数学模型、特征指标、工程类比等定性、定量综合评价方法,按23个环境子系统和68个环境因子进行了评价,对长江三峡工程建设前期的环境影响评价进行了跟踪研究,提出了一些新问题和解决途径等一系列的研究论证报告,比较完整地对三峡工程可能引起的生态环境问题进行了论证分析和系统回答,将三峡工程引起的重大水环境问题归纳为:①三峡水库的水环境容量和自净能力变化,②三峡水库富营养化,③水库泥沙淤积对水环境的影响等。2000年,中国科学院组织完成的/九五0重大研究项目/长江流域生态环境建设与经济可持续发展研究0,出版了《长江流域可持续发展研[3]究》。
1996~2003年,国务院三峡建设委员会办公室水库管理司负责组织实施了/三峡水库水污染控制研究0课题。课题历时8年,国内多家科研机构和大学参与,对我国大江大河首次实现了大范围、多水期、不同类型河段的水文、水质和污染源的同步观测。1999年1月,国务院批准了《长江上游水污染整治规划》。2001年11月,国务院批准了《三峡库区及其上游水污染防治规划》。这些成果为三峡水库的水污染控制和水资源监督管理提供了科学依据。
为了全面了解和掌握三峡库区的生态与环境情况和变化,1996年组建了三峡工程生态与环境监测系统。系统包括水质、水文、泥沙、污染源、局地气候、农业生态、河口生态系统、土壤环境、陆生动植物、人群健康、鱼类与水生生物、山地灾害等子系统,由1个中心站、10个重点站、5个实验站和58个基层站构成。2002年,三峡工程生态与环境监测系统信息管理中心在中国科学院成立,为监测系统各重点站和有关部门提供了信息共享和交换的平台,为公众提供了了解三峡工程生态环境保护的窗口。
2 三峡水库的水环境容量和自净能力变化
/三峡水库水污染控制研究0课题将库区江段和排污口混合区分别简化为一维和二维问题,建立了
图1 流水生态系统概化模型[6]
Fig.1 faRunningW[6]
第5期 张代钧等:长江三峡水库水污染控制若干问题表层与下层之间,特别是与冲刷沉积区之间的作用十分强烈;另外,冲刷沉积区的上部同时用作深水生物的栖息地和代谢作用的反应区。Borchardt等
[7]
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测结果表明,库区干流水体总氮、总磷长期偏高,其中,总磷浓度0.15~0.25mg/L,总氮浓度在1.5~0.28mg/L,超过国际上确定的暴发水华的临界总磷、总氮,但至今库区干流却没有大规模的水华发生,说明在三峡水库的富营养化研究中,除氮、磷营养组分外,还必须把水体的流态特征和气候条件作为重要影响因素来考虑。
作者利用LHakanson等人推荐的LEEDs模型[12,13],考虑到三峡水库在汛期时泥沙含量较大,在原模型中加入泥沙影响模块,得到三峡水库磷的生态动力学模型,对2005年三峡水库中各种形态磷进行了预测,结果如图2
所示。
[11]
①
借助示踪试验和水组分的连续检测,对表层与下层水流的连通性,以及河流淤积区的质量流率进行了研究。结果发现,很高的溶解氧日变化可一直延伸到淤积区的很深处;随着水在浅滩流过,裂隙水中的氧迅速降低;污水溢流可能导致淤积区溶解氧很低,甚至出现长时间的缺氧,而此时河流水体中的溶解氧却接近于饱和状态。实验室研究发现取自河水样品的转化过程比在河流中观察到的慢很多,认为这与固着于河床的藻类和细菌的转化作用有关[8]。
2000年,国际水协会推荐了河流水质1号模型。模型使用碳、氮、磷等元素表征水质组分,描述水和沉积物中的氧、氮和磷循环;建立了各种污染物转化过程中的电子平衡;引入了与沉积、深水流、附着型细菌和藻类、大型植物相关的作用过程,消除了以往模型中普遍存在的缺乏封闭质量平衡的问题;纳入和改进了对硝化、反硝化和厌氧生物化学过程的描述。这些改进增强了模型对河流水质多重非线性问题的预测能力,尤其适合于解决具有重要时间和空间影响特征的河流水质问题,如:①暴雨洪水与非点源污染相结合的动力学问题;②事故排放污染负荷的影响评价问题;③受人为影响(如建坝)河流的水质动态模拟等。特别需要指出的是,由于在模型开发时就考虑了与活性污泥模型(ASM)相容性问题,可以将其与活性污泥模型(ASM)相结合,研究开发区域集成化污染物排放削减策略。目前,河流水质1号模型的应用研究在国际上还处于探索阶段,我国应结合该模型开展三峡水库水环境容量和自净能力变化的研究工作。
[6,9,10]
图2 2005年库区各组分磷浓度变化(吸附颗粒态磷,Capps;游离态颗粒磷,Cfpps;胶粒态磷,Ccps;溶解态磷,Cdps;总磷,Ctps)
Fig.2 PredictionofPhosphorusConstitutionforYear2005
intheYangtzeRiverThreeGorgescReservoir(Capps,ParticulatePhosphorusAdsorbedinSoilandSand;
Cfpps,FreeParticulatePhosphorus;Ccps,ColloidalPhosphorus;Cdps,DissolvedPhosphorus;Ctps:TotalPhosphorus)
从图中可以看出,在汛期由于雨的淋蚀作用,土地面源中大量的磷被冲到水体中,库区水体总磷在7、8、9月最大;由于汛期是处于夏季,水体温度较高,因此游离态颗粒磷,和胶粒态磷向溶解态磷的转化较为强烈,导致溶解态磷的浓度也在汛期达到最大,而游离态颗粒磷在汛期浓度较小;泥沙吸附颗粒态磷在总磷中的比例最大,因此在泥沙吸附颗粒磷浓度最高的汛期,总磷也达到最大值。由于泥沙对颗粒态磷的吸附和解析作用规律尚不完全清楚,可能导致游离颗粒态磷浓度的误差。
总磷、氮等营养盐含量,以及水深、流速、温度等各个因素对富营养化的影响机理十分复杂,通常呈非线性映射关系。采用目前流行的专业数学软件
3 三峡水库富营养化
随着三峡库区城市化进程的加快,库区城市生活污水排放量将大大增加,同时由于区域内大量的农业面源以及污染严重的小企业的存在,造成三峡
水库的氮、磷等污染负荷快速增加,若不采取有效措施,水库发生富营养化的可能性将加大。
三峡水库回水长600多千米,水流特征变化明显,一年中气候条件的变化也十分明显,具有巨大的时间和空间跨度。三峡库区主要监测断面的多年监
①..,2001.
608 长江流域资源与环境 第14卷
合,通过模拟结果的相互印证,保证模型参数选择的科学性和预测结果的可靠性。
Matlab,作者建立了三峡水库富营养化潜势B-P网络预测模型。模型以溶解态磷X1、胶态磷X2、颗粒态磷X3、总氮X4、CODX5、流速X6、水深X7及温度X8,8个系统参数作为输入变量,以表征富营养化程度的富营养化指标W作为输出,中间的隐含层设一层,8个神经单元。其结构示意图如图3所示。经过学习,可以初步建立水深、流速、温度以及营养盐等因素和水体富营养化之间的映射关系,预测发现在3月和9月,月平均气温在17.5e、水深为5m、流速约为0.02m/s时,富营养化指标最大,发生富
营养化的可能性最大。
4 三峡水库泥沙问题
三峡大坝建成后,河流平均流速一般不超过0.17m/s,库尾最大不超过1.3m/s,增加了泥沙淤积。研究表明,三峡库区的重点产沙区主要集中在两大片,嘉陵江上游的重点产沙区和金沙江下游重点产沙区。嘉陵江上游产沙区面积约为4.2万
km2,其中尤以白龙江中游和西汉水中游大桥以上地区产沙强度大,面积约为0.9万km,多年平均产沙模数高达每年3000t/km2。金沙江下游的重点产沙区面积约为8.6万km2,多年平均产沙模数大于每年2000t/km的产沙区面积约为3.7万km2[14]。降雨及其产生的地表径流是影响该年输沙量变化的主要因素,呈现水大沙丰、水小沙少的规律。
三峡库区的泥沙粒径分布,干流中以寸滩站为例,多年平均粒径0.052mm,中值粒径0.032mm,最大粒径0.711mm;支流嘉陵江中以武胜站为例,平均粒径0.077mm,中值粒径0.0214mm,粒径小于0.010mm的占34.4%,小于0.100mm的占
2
2
图3 人工神经网络模型
Fig.3 ModelofArtificialNeuralNetwork
83.9%[15]。
泥沙进入水体,首先影响水体的视觉感观,降低水体的透明度和复氧速度;同时,由于泥沙本身含有相当数量的粘土和有机、无机胶体,可以吸附种类繁多的污染物,因此具有某种程度的净化水体的作用。研究表明,泥沙本底及其所吸附外来污染物在一般条件下不会解吸释放,但当温度、pH值发生变化时,吸附的污染物会发生解吸作用。但一般情况下,泥沙的吸附量大于解吸释放量。
通过对高锰酸钾指数、总磷、镉、铅、铜5个水质指标的清、浊水样进行对比实验,以CODMn为例,在汛期(6~9月)CODMn(清)/CODMn(浊)
[16]
三峡水库与一般的湖泊有着显著区别。首先,其流速分布不均,干流流速与支流流速,干流中心的
流速与岸边流速,一般情况下的流速与弯道、回流沱之间的流速之间都有很大差别;其次,流场不同位置间存在巨大的水深差异;另外,不同季节的气温对藻类生长影响也有很大差别。未来在对水库的富营养化程度进行预测的时候,应根据上述建立的水深、流速、温度以及营养盐与富营养化的初步映射关系,在GIS系统的支持下,建立整个水库干流、支流的水体总体富营养化程度的实时监测体系。
三峡库区中总磷含量较大,成分十分复杂,仅将其分为泥沙吸附颗粒态磷、游离颗粒态磷、胶粒态磷和溶解态磷显得较为粗糙,应从环境因子和生物因子两方面考虑,深入研究不同形态的磷在藻类生长过程中的具体作用和影响机理,考虑藻类生长和各种磷组分之间的关系以及水体中各种营养物质之间复杂的协同作用对藻类生长的影响;同时加强环境因子对藻类生长过程影响的研究。另外,有必要将。水体
中的氮含量与水体中泥沙含量的相关性不大,而磷含量却与水体中的泥沙含量有很大相关性,特别是泥沙含量和颗粒态磷含量之间的正相关性较为明显
[17]
。泥沙对水体中的重金属有着明显的吸附作
用,泥沙浓度较大时,大量的泥沙对重金属有一定的稀释和分散作用,而单位重量的泥沙对重金属的吸附能力受到抑制,当泥沙浓度较低时,泥沙对重金属,
粒径的泥沙对于重金属的吸附能力有一定差异,粒径小于0.025mm的细沙是承载污染物的主要成分,大于0.025mm的粗沙的吸附能力则较弱
[18]
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。
另外,微生物在泥沙表面吸附、聚集、生长形成
膜状结构,促进了水体中污染物的降解、转化。三峡水库西南乌江下游,正处于武陵山高汞背景区,区域内汞矿开发引起水体汞污染,并且泥沙吸附的微生物形成的生物膜结构可能加强水体中汞的甲基化,将无机汞转化为毒性更大的甲基汞。甲基汞极易被微生物吸收,并且在脂肪中的溶解度很高,并通过食物链逐级传递,将会对库区生态和沿岸人民身体健康造成重大危害。
目前,关于三峡水库泥沙的污染作用研究还处于起步阶段,大量的问题还有待探究。泥沙的沉积过程不仅仅是一个简单的物理化学过程,而是一个包含物理、化学、生物过程相互作用的综合过程,其中包含的沉淀、吸附、解吸和生物降解之间相互作用的生物地球过程将是今后研究的重点。
5 结论
长江三峡水利枢纽工程的建设将在我国经济建设和社会发展中发挥重要作用,它与已经实施的/南水北调工程0一起在我国水环境安全方面起到重要作用,被称为我国的/生命线工程0。因此,三峡水库的科学、安全运营和调度管理意义重大。三峡水库水污染控制和水环境保护是三峡水库运行管理的重要内容。过去50多年来,围绕三峡工程建设的生态环境保护问题,我国环境科学工作者开展了大量科学研究和论证工作,为工程建设提供了可靠的科学依据。但是,人们对长江三峡水利枢纽运营和调度管理中的水污染控制和水环境保护科学问题的研究还不够,需要加大力量开展这方面的工作。近期内亟需开展的三峡水库水污染控制科学问题研究包括:三峡水库水环境和水质的动态模型及模拟,污染源和水库水环境一体化管理模型及对策,水库富营养化潜势预测及对策,悬浮物和淤积泥沙与污染物的相互作用规律及其对水库水质的影响等。
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(1.DepartmentofEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;
2.TheKeyLaboratoryoftheExploitationofSouthwestResourcesExploitation&theEnvironmentalHazardsControlEngineering,
StateMinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;3.EnvironmentalProtectionBureauofDadukouDistrict,Chongqing400080,China)
Abstract:PrimarywaterenvironmentalproblemsintheYangtzeRiverThreeGorges'Reservoirweredis-cussed.Someimportantresultsfromrecentresearchprojectswerereviewedindetailandsomeimportantscientificproblemswhichneedtobefurtherstudiedmorecarefullyinthenearfutureweresuggested.They
arethewaterenvironmentalmodellingoftheYangtzeRiverThreeGorges'Reservoir,thesystematiceng-ineeringofpollutionresourcescontrol,theeutrophicationofthereservoirwater,andthesedimentofsoilandsandinthereservoir,thepollutionofheavymetalsinthereservoir.BasedontheRiverWaterQualityModel(RWQM)suggestedbytheInternationalWaterAssociation(IWA),somepointsofviewandmeth-odsforfurtherresearchonthewaterenvironmentalmodellingintheYangtzeRiverThreeGorges'Reser-voirwereputforward.Basedonanewlakeeutrophicationmodel,afterforecastingthecontentofphos-phorus,throughthenon-linearityamongthewatereutrophicationanditseffectingfactors,suchasthenu-trients,waterdepth,waterflowrate,climatetemperature,etc,theartificialneuralnetworkmodelwasmade,andthepotentialoftheeutrophicationofthereservoirwaterwasprimarilystudied.Someprimaryresultswerepresentedanddiscussed.Theprocessofsoilandsandsedimentandinteractionofthesedimentofsoilandsandwithheavymetalsinthereservoirwasdiscussed,someimportantwaterenvironmentalproblemsintheYangtzeRiverThreeGorgescReservoirneededtobefocussedinnearfuture.
Keywords:theYangtzeRiverThreeGorgescReservoir;waterenvironmentalcapacity;eutrophication;
waterenvironmentalmodeling;waterpollutioncontrol;soilandsandsediment