水库型饮用水水源地保护理论与技术 : 以丹江口水库为例

第1章 绪论 饮用水水源地是指为居民生活及公共服务供水的水源地域，其主要类型有河流、湖泊、水库、地下水等，其水质安全作为国家公共卫生安全的重要保障，与人民群众的健康和社会稳定密切相关。根据水利部发布的2018 年《中国水资源公报》，全国31 个省（直辖市、自治区）共评价1 045个集中式饮用水水源地，全年水质合格率在80%及以上的水源地占评价总数的83.5%。水库型饮用水水源地在我国的供水系统中占有重要地位。当前，我国水库的水质现状不容乐观，水库型饮用水水源地保护面临较大的压力。 1.1 水库型饮用水水源地基本特征 1.1.1 水库生态系统特征 水库是通过人工筑坝形成的水体，一般建造于河谷，是人类利用工程手段来调节和利用水资源的主要方式。在我国，库容小于0.1 亿m3 的水库为小型水库，大于1 亿m3 的水库为大型水库，库容在0.1 亿～1 亿m3 的水库为中型水库。水库是一种半人工半自然的水体类型，水域面积与流域面积之比一般在1∶20～1∶100，远大于同面积的天然湖泊，从而使流域特征对水库的影响更为剧烈（韩博平，2010）。水库形成后会对河流形成明显的缓流效应。根据水库的形态结构，水库由入水口到大坝可依次分为河流区（riverine zone）、过渡区（transition zone）和湖泊区（lacustrine zone）（Wetzel，1990）。河流区位于水库入水口处，窄而浅。河水流速在河流区开始变慢，但河流区仍是水库中流速*快、水力滞留时间*短的区域。过渡区结构上宽而深，水流流速进一步减缓，粒径小的淤泥、黏土和细颗粒物大量沉积。湖泊区位于水库大坝处，是水库*宽*深的区域，极易出现水温、物质浓度垂直分层现象。湖泊区水流流速*慢，由于颗粒物大量沉降，水体透明度在3个区中*高。 除供水功能外，水库通常同时具有防洪、发电、灌溉、航运等功能，水库的水位主要受到水库调度的影响。相对于湖泊，水库具有更加剧烈的水位波动，水位的变化节律具有很强的人工调控属性。以丹江口水库为例，根据水利部批复的《丹江口水利枢纽调度规程（试行）》，丹江口水库在汛期未发生洪水时，水库按不高于防洪限制水位运行。即夏汛期6 月21 日～8 月20 日，防洪限制水位为160 m；8 月21～31 日为夏汛期向秋汛期的过渡期；秋汛期9 月1 日～10 月10 日，其中9 月1～30 日防洪限制水位为163.5 m 。从10 月1 日起，视汉江汛情和水文气象预报，水库可以逐步充蓄；10 日之后可蓄至正常蓄水位170 m。考虑泄水设施启闭运行、水情预报误差，实时调度时，水库运行水位可在防洪限制水位上下0.5 m 范围内变动。为保证防洪需要，汛前水位应逐步平稳消落，在6 月20 日应消落至160 m ；水库调洪蓄水后，在洪水退水过程中，应统筹考虑下游防洪要求、枢纽运行安全和水库供水等，使水库水位尽快消落至防洪限制水位。可见，水库的水位波动具有明显的冬季高夏季低的特点，与自然湖泊的丰枯节律具有明显的差异。 消落带是水库特有的形态结构，对水源地水质的影响不容忽视。消落带周期性淹水和落干会造成一些繁殖较快的草本植物形成生长-死亡-腐解的循环，有机物不断累积释放（肖丽微等，2017）；一些大中型水库的消落带土壤肥沃，库周群众的无序耕种较多，农业生产活动产生的面源污染问题突出（孙盼盼等，2014）。我国自20 世纪50 年代初就在三峡工程对生态环境影响的研究中提到水库消落带可引发生态环境问题。但直至90 年代初，有学者提出三峡库区蓄水导致的大面积消落带将造成严重的环境污染问题，才将水库消落带问题再次带到人们面前（郑海金等，2010）。丹江口大坝加高蓄水后，水库消落带高程范围上移，由于消落带管理机制尚不完善，库周土地无序利用的现象比较普遍。农业耕作活动破坏植被，增加了水土流失，不可避免地产生一定的面源污染，特别是农民在种植过程中，难免少量使用化肥、农药，对库区生态环境和水质带来一定风险。另外，很多水库型饮用水水源地还存在内源污染问题，水库淤积物氮、磷物质的不断溶出和释放可能对上覆水水质造成威胁（周建军等，2006）。 由于水体缓流和水位消落等基本特征，水库型饮用水水源地一般面临富营养化、库滨屏障功能不足等问题。根据丹江口水库水质监测数据，丹江口水库整体处于中营养状态，但部分水动力条件较差的库湾水体出现轻度富营养状态，富营养化风险较高。丹江口大坝加高后，正常蓄水位170 m 与夏季防洪限制水位160 m 之间形成了变幅达10 m的消落区，植被退化明显，严重削弱了水源地的水质安全保障能力。在过去的几十年里，国际上对水库水质的管理一直沿袭对湖泊的管理经验。随着对水库生态系统的深入研究，人们逐步意识到水库和湖泊生态系统在动力学过程及机制上差异较大。因此，基于水库的基本特征开展水库型饮用水水源地保护的针对性研究十分必要。 1.1.2 流域生态环境特征 水库型饮用水水源地一般位于山区，流域范围多为农村，污染类型以面源污染为主。农村地区面源污染来源多、分布广，包括农业种植、农村养殖、农村生活污水和垃圾、水土流失等。农业种植方面，山区农村地少人多，农田耕种强度大，化肥过量施用和流失的问题比较突出。不同耕作方式对污染物流失影响强烈，其中坡耕地流失量*大。农村地区生活污水散排现象比较普遍。很多水库型饮用水水源地作为水利风景区，流域内旅游人口的生活污水排放更为突出。研究显示，旅游村的人均生活污水排放系数是普通村的4～5 倍（尹洁等，2009），厨余废水、洗浴废水和洗衣废水构成生活污水的主要部分。很多村落的生活垃圾和养殖废物没有规范化收集处理，随意堆放，也会影响沟道水体的输出水质（王旭旭，2016）。水库型饮用水水源地一般划定了禁养区和限养区，近年来随着水源地管理和保护力度的加强，规模化养殖的问题逐步解决，但还是存在分散畜禽和水产养殖污染问题，对北京的密云水库、云南的鱼洞水库等水源地的调查都发现分散养殖对流域的污染负荷影响不容忽视（庞树江等，2017；全勇等，2015）。水土流失也是重要面源污染来源，尤其是在水库的拦截和缓流效应下，水土流失携带的颗粒物更容易滞留，对水源地水质造成影响。对丹江口水库（龚世飞等，2019）、洋河水库（陈平等，2018）、汾河水库等水源地的研究结果也都表明水土流失是非常重要的面源污染来源。 从土地利用类型上看，水库型饮用水水源地流域范围多以林地为主，水源涵养林在流域生态系统中地位突出。水源涵养林包括原始森林、次生林和人工林。森林通过庞大的林冠层、丰富的枯枝落叶层，既能够吸附、截留一定的降雨，又能够有效减轻或防止雨水冲击和土壤侵蚀，且具有深厚的疏松土壤层，利于降雨过程中的雨水下渗，水土保持和涵养水源的效益十分显著。水库型饮用水水源地通过流域范围的森林系统对区域降雨进行调蓄缓冲，实现水资源的调节与水质净化的效果。很多水库位于山区丘陵，地形地质条件加上森林砍伐、农业耕种等原因，水土流失问题比较突出，水源涵养林建设成为水库型饮用水水源地保护的重要任务。例如，丹江口水库在20 世纪60 年代，由于林木被大量砍伐，植被以灌木草本为主，乔木数量少，森林植被非常脆弱。随着长江防护林、天然林保护工程的建设和退耕还林政策的逐步落实，库区及上游的森林植被有较大的改善，水土流失问题得到一定程度的缓解。根据水利部发布的《中国水土保持公报（2018 年），水源区仍有2.85 万km2的水土流失面积，平均年土壤侵蚀量达0.69 亿t，平均侵蚀模数为》3 177 t/（km2 a）。 在区域社会经济发展方面，水库型饮用水水源地的生态环境保护要求与区域经济发展需求容易形成冲突。水库型饮用水水源地通常位于丘陵山区，交通不便，土地资源不足，很多都属于贫困地区。为确保水源地的供水安全，维护良好的生态环境，水源地的经济发展往往受到限制，致使水源地经济发展速度与其他地区的差距不断拉大。部分大型水库流域范围分布有城镇甚至大型城市，区域的社会经济发展必须优先考虑水源地的生态环境保护要求和承载能力，产业发展存在诸多限制，经济发展的需求非常强烈。水库型饮用水水源地保护与城乡经济社会发展有着密切的联系，农村地区的经济发展水平决定农村污染控制措施的推广效果，城市规模的不断扩大也会导致水源地保护的压力不断增加。在区域经济发展水平较低的条件下，水土流失治理，污水处理厂建设、运行、提标改造等工作都会受到制约，农村和农业面源污染治理更是难以全面推广。近年来，我国污染治理力度不断加大，水源地作为优先重点保护的水体，城镇点源问题基本得到有效控制（雷阿林等，2013），但农村面源、城镇发展带来的污染增量、水土流失等始终是影响水库型饮用水水源地水质安全的潜在因素。 1.2 水库型饮用水水源地保护基本思路和技术框架 1.2.1 水源地保护分区 水库水域与汇流区内的陆域在水文循环过程中是一个有机整体。对水源地的保护，如果忽视生态系统的完整性、水文循环的纽带作用，忽视水域周边的生态与环境对水体的影响，就不能从根本上保障水源地的安全。水库型饮用水水源地，尤其是大中型水库，流域面积大，涉及因素多，水源地保护工作必须进行分区分级。水源地保护区划分是饮用水水源地安全保障的基础和前提，保护区划分须遵循水文循环规律，从问题出发，进行科学划定（陈敏建等，2006）。国外关于水源地水质保护分区研究起源很早，如德国于18 世纪末期在科隆地区划分了**个水源保护区，随后针对不同水体分别出台了《地下水水源保护区条例》《水库水水源保护区条例》《湖泊水水源保护区条例》（李建新，1998）。我国的饮用水水源地保护工作按照一级保护区、二级保护区和准保护区三个分区分别保护的思路开展，并制定了《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ/T 338—2018）。 《饮用水水源保护区划分技术规范》是2018 年环境保护部颁布的指导性标准，根据各省份公布的水源保护区划分方案，全国至少有119 处大中型水库按照该规范划定了水源保护区，涉及北京、河北、山西、吉林、黑龙江、江苏、安徽、福建、山东、河南、湖北、湖南、广东、重庆、四川、云南等多个省份（王民等，2018）。不少学者指出，现行的饮用水水源地保护区划分方法不尽合理（卢士强等，2010 ；常德政等；2010），也有学者提出不同的分区方案。陈敏建等（2006 ）提出，湖库作为独特的产汇流区域，根据流域的地理学特征、污染物的发生特征和输出特征，可将其划分为三个控制单元：湖库水体、入库径流及周边汇流区域，其中周边汇流区域又分为岸带和坡面带。湖库水体主要的污染来源为来往船只的排污、水产养殖及部分水域可能发生的底泥释放；入库径流主要为上游点源排放，并承接上游小流域面源污染，携带泥沙入库；汇流区域岸带主要威胁为库岸崩塌、开挖、采砂及固体废弃物，坡面带（包括水库上游小流域）重点控制水土流失、面源污染等。吴问琦（2011）提出生态保护区、生态保育区、生态建设区、生态防护区的分区方案。其中生态保护区主要为一级水源保护区，生态保育区主要包括现状基本农田、林地保护区域，生态建设区主要包括水库周边集镇区、城市建设区及规划生态休闲旅游区等建设区，生态防护区包括入库河渠水系绿带、道路防护林带、高压线走廊等空间形式的生态廊道。 总体来看，虽然《饮用水水源保护区划分技术规范》对水源保护区的划分提出了明确的要求和方案，但是该规范对水源地，尤其是水库型饮用水水源地的流域整体性考虑不足，因此在水库型饮用水水源地分区保护工作中还存在较大的优化空间。 1.2.2 关键污染源区识别 面源污染的发生受土壤、地形、气候、水文、土地利用和管理方式等众多因素的影响，流域内不同景观单元的污染负荷输出系数可能差异十分显著，少数景观单元往往占据了整个流域污染负荷的绝大部分。有研究表明，在很多流域磷的关键源区只占整个流域的一小部分，磷流失量的90% 来自10%的区域（周慧平等，2005）。识别流域范围内的关键