柴河水库饮用水水源保护区划分合理性研究分析

郭子扬，程 然，夏建新

（中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081）

0 引言

饮用水安全是社会经济发展的基础。生态环境部新出台的《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ 338-2018），明确提出，提供饮用水功能的大型水库要采取水质模拟技术，确定污染物在水库中衰减距离，保证取水口水质要求，合理划分水源保护地。因此，分析水库水动力过程和水质变化是划分饮用水水源地保护区的重要依据。

邬容伟等［1］以能满足大型水库——老营盘水库现有环境污染和水质达到Ⅱ标准的前提下，类比经验法划分饮用水水源各级保护区；王晓辉等［2］通过类比经验法，考虑到水源地之间补水干渠缺少相应规范，对补水干渠划定保护区。划分饮用水水源保护区需要精确、定量地分析水库内部水动力状况且较好反应水库内部水质分布状况，类比经验法不能满足现实需求。随着各类水环境数值模型的蓬勃发展，其科学性、准确性已得到较好的验证，开展饮用水水源地划分工作，对随水流迁移的污染物进行模拟，对重点易污染区域加强防范和采取有效防治措施，合理划分柴河水库饮用水水源保护区。孙滔滔等［3］使用EFDC 对南方某水库存在水华风险进行评估，构建三维富营养化模型分析水体总磷、叶绿素等因子，为水库后续的水质和水生态预测提供技术支撑；尹魁浩等［4］通过使用WQRRSRM 对丹江口水库生态模拟，预测水库生态系统富营养化和采取防治措施后的效果。饮用水水源地划分在新版《规范》之前多采用类比经验法，结合类比经验法采用数值模拟法综合评判水源地保护区划分工作的案例较少。

在此基础上，本文以柴河水库为例，以EFDC 模型为手段，模拟分析了柴河水库水动力过程，水龄以及主要污染物衰减规律等，评估了水库富营养化风险和水库取水口水质达标情况，为划分柴河水库饮用水水源地保护区提供依据。

1 研究区域概况

柴河水库是位于辽河流域柴河上的一座河道型水库，主要提供集中饮用水服务功能，兼有发电、渔业等功能的综合大型水库。柴河水库的最高洪水位是116.8 m，正常水位是108.0 m，防洪限制水位是105.2 m，死水位是84.0 m［5-7］。通过类比经验法将柴河水库饮用水水源地的一级保护区划分范围：库区正常水位线（108 m）以外200 m，且不超过山脊线范围内的水域和陆域［8-10］。

2 模型构建

EFDC 模型是由美国环保署（USEPA）资助开发，EFECExplorer目前由DSI公司集成商业运营，有沉积物、水质、水动力及泥沙输运等诸多模块，前处理与后处理较为方便，相关科研工作者广泛地应用EFDC 于内陆淡水系统、河口和海洋水体的污染物迁移转化的研究中［11］。

2.1 模型建立

2.1.1 计算网格划分

柴河水库各区域水体空间尺度变化较大，在保证EFDC 模型较低计算误差和较高计算效率的前提下，采用100 m×100 m的矩形网格，划分网格总数为2 001 个，由CVLGrid1.1 程序生成。柴河水库的库底高程采用实测数据，如图1所示。

图1 柴河水库底部高程图Fig.1 Map of bottom elevation of Chaihe Reservoir

2.1.2 计算条件及相关参数

由于污染物的迁移扩散受河流水动力条件影响，因此根据柴河2008-2017年10年间流量数据选取丰平枯3 种典型年条件，充分模拟不同水动力条件造成污染状况。通过P-Ⅲ曲线确定2012年为丰水年，年径流量为3.77 亿m³；2008年为平水年，年径流量为2.37 亿m³，2017年为枯水年，年径流量为1.46亿m³。

水体富营养化是大多数水库长期面临的风险挑战，所以选取柴河监测资料完整的氨氮和总磷作为模拟污染物来进行水库风险评价。柴河水库为河道型水库，仅有1 条入库河流和出库河流，柴河水库的污染物入库浓度常年维持在地表水Ⅲ类标准以下，因此在污染物边界条件中，将氨氮设计浓度为1.0 mg/L，总磷设计浓度为0.05 mg/L。同时通过数值计算［12］，结合辽宁省其他同等规模的水库降解系数［13］从而确定柴河水库的氨氮和总磷降解速率分别为5.5×10-3/d、7.4×10-3/d。模型求解算法采用固定时间步长5 s，干湿节点水深为0.05 m，底部糙率为0.01。

2.2 模型验证

根据已有的水文资料，选取柴河丰水年、平水年、枯水年的出库水位作为验证指标（图2）。

由图2 可以看出，柴河水库水位的模拟数据与实测数据基本吻合，但为了克服模拟过程中变量出现极大的平均值现象［14］，采用相对均方根误差（RelRMS）和纳什效率系数（NSE）定量评价柴河水库水位模拟的精度。RelRMS在模拟江河、湖泊、水库、河口海湾等地区时来验证水动力模型模拟结果的优劣［15］。NSE值越小，表明模型拟合效果越差［16］。

表1 可见，柴河水库3 种水文年出库水位与库容误差都在合理范围内，表明水动力模型构建的合理性和可靠性。

表1 柴河水库验证误差Tab.1 Calibration error of water level and storage capacity of Chaihe Reservoir

3 计算结果与分析

3.1 水动力过程模拟结果

3.1.1 流场变化

由于柴河水库属河道型水库，水库流场的驱动作用主要来源于出入流，风速对水库流场影响较小。选取平水期柴河流场分布状况，由图3 可以看出，流场变化主要分布在水库主河道处，库尾流速相对较慢。在柴河水库上游，入流点附近流速明显大于库区水体流速，柴河水库存在较明显的死水区，此区域水体交换能力相对较弱，容易滞留污染物引发水库的水环境污染。

图3 柴河水库流场变化图Fig.3 Flow field distribution of Chaihe Reservoir

3.1.2 水龄变化

污染物浓度及其在水体的滞留时间是水环境发生富营养化的主要原因。与外界发生水体交换可用水龄来表示，该指标能反映水体交换强度，因此采用其来研究柴河水库丰、平、枯3种典型年水动力条件下水体交换过程的变化特征。

柴河水库水龄的模拟结果（图4）表明，在3 种典型年水动力条件下，自上游至下游水库水龄依次增加。污染物在水环境中的迁移能力随着水龄增加而减小，其中平水期的水龄大于262 d，丰水期水龄大于228 d，而在枯水期的在模拟期内未到达取水口。这说明柴河水库在丰水年和平水年都能进行水体交换；而在枯水年由于水动力较小，不能在一年内进行水体交换。因此一旦柴河水库在枯水年发生污染泄漏事故，应着重加强对其污染治理，防止污染事故对水库造成持续的影响。

图4 柴河水库不同水文年水龄变化Fig.4 Spatial variation of water age under three hydrodynamic conditions in Chaihe Reservoir

3.2 主要污染物时空变化

氨氮和总磷对水库水质影响较大，水体中氮磷比一旦失控容易发生水华，因此选取氨氮和总磷作为模拟污染物。在3 种不同水动力条件下，柴河水库氨氮和总磷变化模拟结果如图5所示。

图5 丰、平、枯水年条件下污染物浓度分布Fig.5 Pollutant concentration distribution under three hydrodynamic conditions

图5表明，在不同的典型年和不同入库污染物浓度下，结果表明，污染物在库首浓度均小于库尾浓度。在丰水年的水文条件下，柴河径流量增加，减少污染物在柴河水库的滞留与降解时间，水流对污染物的运移能力增强，柴河两岸土地上残留污染物随径流涌入水库，水质整体相对其他时期较差，氨氮和总磷从水库入库口降解到Ⅱ类水水质时距坝前最近分别是581、345 m。平水年时水源地发生风险较小，水库的入库流量小于丰水年，氨氮和总磷降解到达标时距坝前的最近分别是2 983、2 842 m。在枯水年条件下水源地发生风险最小，污染物在水库中的停留和降解时间最长，氨氮和总磷从水库入库口降解至达标距坝前最近分别是6 007、5 642 m。

4 水源地环境风险评估

4.1 富营养化风险分析

根据已有资料显示［17］，柴河水库总氮超过地表水水源地相关水质标准，且柴河水库总氮在“十二五”期间的年均值为1.35～2.81 mg/L。根据综合富营养指数法，在“十二五”期间柴河水库综合富营养指数在37.71～38.51，柴河水库处于中营养状态［18-20］。

通过模拟柴河水库3 种典型年水动力情况表明，柴河水库仅有一条入流河，水动力条件受到上游来水条件制约，水库在枯水期水龄最长，无法在当年内开始进行水体交换。柴河水库为磷限制水库，而模拟结果中，坝址附近总磷控制在二类水水质浓度以下，水库发生富营养化而影响取水口水质的几率较小。虽然柴河水库对于污染物有较强的消解能力，但仍应加强对柴河上游农田灌溉与生活废水排放的污染控制，防止水库在枯水期发生大面积富营养化，在丰水期和平水期发生局部水域富营养化。

4.2 取水口主要水质指标达标分析

柴河水库在3 种典型年条件下，通过模拟入流水质为地表三类水的情况下，污染物经过水库稀释、降解等过程，在库首处污染物浓度均达到地表水二类标准（图6所示），但在丰水年水库的氨氮和总磷均存在超标风险。这充分表明柴河水库对污染物具有较强消解能力，即使在丰水年模拟期内，库中水流速度相对较快，水力停留时间短，水流在到达取水口时，污染物仍能得到充分降解，污染物浓度满足地表水二类水质标准，说明柴河水库具有较强的纳污能力，取水口水质超标风险较小。

图6 不同水文年取水口氨氮与总磷浓度Fig.6 Concentration of contaminants in water intake in different hydrological years

通过类比经验法所划分的柴河水库一级饮用水水源地保护区能保证取水口水质安全，充分考虑了上游河流及水库沿岸的人类活动对水库的污染。加大上游入库河流水质监控力度，入库污染物及其浓度尽可能减少和降低，特别是在夏秋季节的洪水期，氨氮及总磷浓度在入库口处尽量减小到Ⅱ类水以下。

模拟结果表明，在丰、平、枯3种典型年水动力条件下，取水口处水质均保持达标状态，由于此次模拟未考虑水库已有污染物，因此柴河水库仍然存在污染物超标风险，且根据柴河水库往期资料显示，水库中总氮浓度基本达到环境容量，总氮超标风险较大［21，22］。通过数值模拟结果可知，对柴河水库饮用水水源地划定的水域保护区是合理的。

5 结论

柴河水库作为铁岭市重要的饮用水水源地，柴河水库饮用水水源地保护区划分工作对该地区生产生活具有重要现实意义。为了研究典型的河流型水库的水动力和水质，本文对柴河水库在丰平枯3 种典型年情境下进行模拟分析，构建柴河水库二维水质模型，分析柴河水库饮用水水源保护区划分的科学性与合理性。

（1）通过对水库的水动力进行模拟，表明柴河水库在枯水期时，水库完成水体交换时间较长，在此期间发生水污染事故，将对铁岭市人民的生产生活造成极大不便。为保护水源地水质安全，应加强对水域重点监控，采取工程措施控制柴河上游沿岸面源污染随径流进入水库。

（2）在丰水年、平水年、枯水年的水动力条件下，氨氮降解至Ⅱ类水质标准距坝最近距离分别为581、2 983、6 007 m；总磷最近距离分别为345、2 842、5 642 m。总磷、氨氮均降解达标，水质保证率较高。

（3）根据《规范》中规定采用类比经验法，将108 m水位线以外200 m范围内的水域和陆域作为为一级水域保护区。在模拟污染物结果中，污染物在取水口处均达标，柴河水库饮用水水源保护区划分是合理的。□