水库重金属锰污染特征及原因分析

叶 操

（上饶市科信水利水电勘察设计咨询有限公司,江西 上饶 334000）

1 引言

锰是一种常见的天然元素,它对骨骼生长发育、糖和脂肪的新陈代谢都起到了很好的促进作用,但是如果过量摄入,会引起神经传递素的失调,从而产生神经毒性。在水库的水源中,锰的含量超标是比较普遍的。在水库中,主要有两种类型：一是内源释放,二是外源汇入。内源释放是水库的沉积物经过复杂的理化以及生物反应,以锰的各种形态存在于水体和生物体中[1-2]。另外,由于工业生活污水、矿山开采和土壤侵蚀等容易随降雨汇入地下水,成为水库水体中锰的重要来源[3]。

根据该水库水质指标的逐月监测和逐日监测气象等资料,深入分析了该水库水体的锰污染特征以及造成锰污染的原因,可为该水库锰含量超标提供预警,以及为同类型水库锰含量超标治理提供理论支撑。

2 材料与方法

某水库以供水与防洪为主,同时兼顾发电、灌溉。该水库控制河道的长度为25.10 km,流域为231.0 km2,库容为1.10亿m3,标准蓄水位为244.0 m。坝址位于下游约1km左右,每年为该地区的供水量约为7300万m3,是供水总量的1/3。在库区设置了一个长期的水厂监测站,逐月监测水库表层水下0.5 m的水质。从2012开始,水库连续出现了几起严重的锰超标问题。水质调查分析在该水库大坝坝址下游设置了若干个采样断面,在坝址附近采集了不同深度的水样,而其他采样点主要对水体表层0.5 m处进行取样。根据GB/T 11911-1989[3]进行了铁、锰含量测定。

3 结果与分析

3.1 水库水体锰的垂直分布特征

为了研究水库中锰的来源,在2015年1月针对水库第一次锰污染超标（标准为0.1 mg /L）,于2015年1月份至2016年12月份对该水库水下0.5 m（表层）、10 m、20 m的水体进行了水质监测。发现随着深度加深,锰含量也会增加。这表明了水库的内源污染。但也不是各个时期水库表层的锰含量都低于底层,特别是近两年11个月（柱形红色）,表明表层中的锰含量明显小于深层,表明仍有外源污染物伴随着较大的降雨。特别是在汛期后,随着库容逐渐下降,周围的岩体暴露,在降水的作用下,河流的水流会对周围的岩体造成很大的冲击,并将大量的污染物带入水中,使水库表层水体的锰浓度上升,超过10 m～20 m处的锰含量。因此,该水库的锰污染由内源和外源两部分组成。

在2016年年初,该水库水体锰含量严重超标,通过研究结果表明：当表层和底层都低于标准值,而中层的锰含量超标,也就是说,在垂直方向,整体的锰矿呈中层偏高、上下层偏低的趋势。其水库水体垂向的锰浓度呈现出梭形分布,在2014年11月份的抽样调查中也出现了同样的现象,在此期间各深度的锰浓度分布见图1。这种分布的原因可能是因为库区内存在着水的分层,在深水区,往往存在着显著的热分层作用。当水库的锰含量超标时,由于自重和沉淀的吸附,底层的锰会慢慢地向底部集中,而在中层和上层则不能向底层对流,当水库表层的锰被氧化沉淀,中层的锰浓度也随之减少,从而形成了这样的梭形分布。这种分布形式的出现,会导致中段长期维持高的浓度,从而给表层水体锰含量超标造成潜在的危险和危害。

图1 锰含量随水深变化

3.2 表层水体锰超标的原因及规律

根据研究期间的每日最大温度和最小温度,以及历史观测资料,发现在过去的四次水库水体锰含量超标中,有3次都是在接近年最低温度时发生,表明该水库表层的锰含量与极端的低温天气有关。温度下降使表层水体温度下降,同时密度增加,表层水在自重的作用下向底层下沉,造成了上层和上层的强烈对流,使底层锰的污染得以释放到水库表层水体。

通过对该研究区的历史气象资料进行了深入的分析：2014年6月份以来,连续出现了3次极端降雪天气,其恰好与该水库水体3次锰含量超过标准对应。由于极端气候往往会导致温度急剧变化,而低温降雨又会加速表层水温的急剧降低,从而导致上层和上层的强烈对流,而以往的锰含量超标都是在水位下降期出现的,这容易导致底层的超标锰含量释放到表层水体。因此,该水库锰含量超标与较低的气温和水位以及降雪等极端天气有关。

在2014年年底,锰含量超标对应着以下条件：干旱后出现较强的降雨事件,水库的水位降低,气温的急剧降低,这几个条件都有可能导致锰含量超过标准。水位降低导致周围的岩石经常会出现裸露,由于长时间的干旱,岩石中的锰会转化成易于溶解的悬浮微粒,同时由于短期降雨带来的大量的含锰微粒会流入水库,再加上温度下降,使得表层水体温度下降,导致底层的超标锰含量释放到表层水体,从而造成表层水体锰含量超过标准值。

综合考虑,低气温和低水位、极端天气（如降雪）等原因,都可能导致水库表层锰含量超标。此外,干旱后的强降雨也可能导致水库表层锰含量超标。因此,在多种因素重合时必须加强对水库水体水质的监测。

3.3 其他水质指标变化

通过对2018年2月份库区表层水体中的锰含量超标为例进行研究,结果表明：铁、锰含量的变化趋势具有一致性；以及在超标初期DO出现异常下降。从图2可见,铁、锰的含量变化具有很强的一致性,拟合曲线相关系数R2为0.88。Mn的含量从1.23 mg/L逐步减少到0.11 mg/L,而 Fe的浓度则从0.22 mg/L逐步减少到检测限以下,说明两者很可能具有相同的来源和类似的变化规律。国内和国际上很多大中型水库的铁、锰含量均存在相似的规律性。在该类水库中,普遍认为铁锰均来自于水库底部水体的沉积物释放。

图2 水库表层锰铁含量变化及相关性分析

通过对水库水体DO的监测,发现在超标前期,在大坝坝址周边 DO出现反常的降低。2018年2月份,该水库的取水口DO浓度为5.6（饱和度42.80%）,比多年同期均值8.6低,而同时上游3 km处DO为7.8。由于当时的观测数据表明,没有还原因素导致 DO的减少,且没有出现环境变化,因此,这样的异常减少可能是由于水库底部水体氧气含量较低,与地表高含氧量的水体进行了对流,从而导致了表层水体中的锰含量超标。经过持续监控,DO逐步升高到7.3,表明 DO值的异常降低不会持久,因此,通过对DO的连续监控,可以提前发现水库表层水体中的锰含量超标现象。

4 结论

该水库表层水体锰含量超标的主要来自于坝址底部,少数来自于降雨后径流汇流至水库。低气温和低水位、极端天气（如降雪）都可能导致水库表层锰含量超标,此外锰含量超标还与干旱后的强降雨和岩石的裸露有关。在水库表层锰含量超标往往伴随着水体中的铁浓度的升高,超标初期水体中的DO出现异常降低。因此,提出适时建立低温时期锰含量超标的预警体系。在春冬两季,应该加强关注水库的水质状况,同时在低气温、低水位、降雪等极端气候条件下,要加大对水库水环境的监控力度,并设置DO等实时监控装置,要尤其注意水库短期内DO的异常变化。