季節(jié)性缺氧水庫(kù)鐵、錳垂直分布規(guī)律及優(yōu)化分層取水研究.doc

環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE1999年 第19卷 第2期VOL.19 NO.2 1999季節(jié)性缺氧水庫(kù)鐵、錳垂直分布規(guī)律及優(yōu)化分層取水研究*徐毓榮徐鐘際向申胡其樂(lè)封珩摘要經(jīng)多年對(duì)阿哈水庫(kù)Fe,Mn污染的研究表明，F(xiàn)e、Mn分布隨著季節(jié)變化、水庫(kù)水溫分層而變化，呈現(xiàn)明顯的垂直分布規(guī)律，高濃度Fe、Mn主要出現(xiàn)在水溫分層期水庫(kù)中、下層，與庫(kù)底缺氧、pH下降、沉積物中的Fe、Mn向上覆水釋放造成的二次污染等密切相關(guān).為自來(lái)水廠優(yōu)化分層取水提供了依據(jù).關(guān)鍵詞垂直分布；水溫分層；季節(jié)性缺氧；沉積物；分層取水.Vertical distribution of Fe and Mn and optimal pumpingdepth in a seasonal oxygen shortage reservoirXU Yurong, XU Zhongji, XIANG Shen, HU Qile, FENG Heng1(1.Guizhou Institute of Environmental Protection, Guiyang 550002; 2.Guizhou Institute of Metollargical and Chemical Industry; 3.Water Company of Guiyang City)AbstractDistribtuion of Fe and Mn along vertical profile in Aha Reservoir, a seasonal oxygen shortage water body with stratificated temperatures, was studied for evaluation of optimal pumping depth of a water supply plant. It was revealed that Fe and Mn distribution varies with different seasons and water states and show a typical vertical distribution. In summer and autumn, water of reservoir is stratificated. Upper stratum is in oxygen-enriched status, at which Fe and Mn concentrations are less than 0.3mg/L and 0.1mg/L respectively. The effect of oxygen shortage in middle and lower states of the wather leads to release of Fe and Mn in deposit sediment to super jacentwater. The effects of bioturbation as well as changes of hydraulic factors lead to acceleration for release of interstitial water to reservoir water through resuspended the suspended particle in deposit sediment. As a consequence, high concentrations of Fe and Mn in middle and lower strata of water are emerged. The concentrations of Fe and Mn pumped by a water plant is high since the pumping inlet is set in lower stratum of reservoir and would be reduced by moving the inlet to optimal stratum.Keywordsvertical distribution, stratification, water temperatures, oxygen shortage, pumping, Fe, Mn.阿哈水庫(kù)位于貴陽(yáng)市西南郊6 km處(東經(jīng)10639，北緯2633).流域面積190 km2，正常水位1108 m時(shí)，庫(kù)容0.445億m3；死水位1090 m時(shí)，庫(kù)容270萬(wàn)m3，是一個(gè)季節(jié)性缺氧人工湖泊.水庫(kù)最深處可達(dá)26 m，是貴陽(yáng)市的主要飲用水源地，日供水量23萬(wàn)t.分布在入庫(kù)河流(游魚(yú)河、白巖河、菜沖河)流域內(nèi)的4個(gè)大煤礦和261個(gè)小煤窯，排放的礦坑廢水以及煤矸石等經(jīng)雨水沖刷形成的面源廢水，含有大量的懸浮物及Fe、Mn匯入水庫(kù)，使水庫(kù)受到嚴(yán)重污染，致使自來(lái)水廠取水水質(zhì)Fe、Mn超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn).對(duì)城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)、人們生活、工業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展造成很大影響.因此，對(duì)水庫(kù)Fe、Mn垂直分布規(guī)律研究，旨在為水廠尋找獲得較好水質(zhì)的取水方式提供依據(jù).1實(shí)驗(yàn)部分1.1樣點(diǎn)設(shè)置及采樣在距取水口約500 m的取水區(qū)域，向庫(kù)中區(qū)方向呈60角設(shè)二條采樣垂線(xiàn)，各垂線(xiàn)每隔1 m為取樣點(diǎn).于1992年在水溫分層的夏秋季(7月10月)及水溫不分層的冬春季(1月4月)進(jìn)行取樣分析，每月連續(xù)采樣2天，以了解季節(jié)變化、水溫分層對(duì)pH、DO、Fe、Mn垂直分布的影響.1.2分析方法pH值的測(cè)定采用玻璃電極法；DO值的測(cè)定采用碘量法；Fe、Mn值的測(cè)定采用原子吸收分光光度法1.2結(jié)果與討論2.1分析結(jié)果將水樣分析數(shù)據(jù)按各季取算術(shù)平均值，結(jié)果見(jiàn)表1.表1阿哈水庫(kù)Fe、Mn垂直分布狀況Table 1 Status of Fe、Mn vertical distribution in Aha Reservoir during summer,autumn, winter,spring夏季秋季水深，m水溫，pHDOFe,mg/LMn,mg/L水深，m水溫，pHDOFe,mg/LMn,mg/Lmg/L飽和率,%mg/L飽和率,%125.07.929.001000.0240.001124.07.807.1084.50.3250.014225.28.008.341000.0080.001222.07.856.7076.70.2990.058325.08.048.301000.0270.001322.07.706.5074.50.2890.018425.08.158.341000.0490.001422.07.816.3572.70.2800.031523.07.634.6554.30.094-522.07.766.6575.70.2680.016621.57.484.0546.10.026-621.07.544.5651.10.4830.495721.07.474.0645.60.0100.001721.06.914.5551.10.7480.303820.07.434.4649.10.061-821.07.475.0058.20.2970.343920.07.474.3648.00.039-921.07.655.1057.30.2610.0451019.57.423.9642.10.0220.0061020.06.855.1556.70.3450.1931118.07.463.3735.70.0230.00031120.06.694.9054.00.6660.4621216.07.431.5816.00.0190.0121220.06.464.8553.40.2820.3451316.07.501.7818.10.0270.0761320.06.524.4048.51.0600.6851416.07.512.3824.10.0380.1771420.06.413.9043.00.4391.0861516.07.402.3024.00.0260.4721519.57.223.8542.00.4970.9791618.57.323.0032.10.3101.544冬季春季水深，m水溫，pHDOFe,mg/LMn,mg/L水深，m水溫，pHDOFe,mg/LMn,mg/Lmg/L飽和率,%mg/L飽和率,%112.08.228.9282.80.050.01112.08.208.9282.80.050.01212.08.218.8281.90.050.01212.08.208.9082.60.050.01312.28.219.1485.30.050.01312.08.229.1084.50.050.01412.28.149.0384.20.050.01412.48.109.0584.80.050.01512.28.108.8282.30.050.01512.48.148.8282.60.050.01612.48.138.8282.60.050.01612.58.138.8282.80.050.01712.48.139.3587.60.050.01712.48.138.8582.90.050.01812.28.109.2885.60.050.01812.28.139.1486.30.050.01912.28.118.7181.20.050.01912.48.159.1485.60.050.011012.58.108.3878.70.050.011012.68.118.4079.10.050.011112.28.108.7181.20.050.011112.68.108.7182.00.050.011212.48.119.0985.20.050.011212.68.068.9884.50.050.011312.48.069.0384.60.050.011312.88.099.0385.40.050.011412.48.068.8282.60.050.011412.88.109.0785.70.050.012.2水溫分層與pH溶解氧的變化關(guān)系從表1看出，在夏季氣溫升高，水體呈現(xiàn)穩(wěn)定分層狀態(tài)，上層水溫14 m為25，由于大氣復(fù)氧及藻類(lèi)的光合作用吸收CO2放出氧氣，因此DO、pH較高，DO為9.008.34 mg/L、pH 7.928.15.溫躍層511 m水溫為2318、DO4.653.37 mg/L、pH7.637.46，下層12 m以下水溫為16，上下水體被溫躍層分開(kāi)而缺少對(duì)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致溶解氧無(wú)法穿過(guò)溫躍層，原有的溶解氧被有機(jī)物分解，底棲生物和還原性污染物所消耗，使中下層水體缺氧呈現(xiàn)還原狀態(tài)，DO降至1.582.38 mg/L.這時(shí)厭氧細(xì)菌活躍，有機(jī)物分解產(chǎn)生CO2，下部水體pH值逐漸下降，到夏末秋初，pH由中性偏堿降至偏酸(pH 6.41).秋末冬初表層水溫隨氣溫逐漸下降，庫(kù)水形成對(duì)流，這種對(duì)流可到達(dá)底部，帶去的溶解氧也能到達(dá)這一層，為中下部水體增加了溶解氧，使中下部水體逐漸轉(zhuǎn)入氧化狀態(tài).隨冬季向春季過(guò)渡，水體pH值逐漸回升，恢復(fù)到中性偏堿性水平，水體各項(xiàng)指標(biāo)基本呈均勻分布狀態(tài).與庫(kù)水對(duì)流運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的是，庫(kù)水的中下部水體一年四季周而復(fù)始地呈現(xiàn)出了氧化狀態(tài)還原狀態(tài).上層水體由于風(fēng)的混合，大氣復(fù)氧及浮游植物的光和作用，一年四季富氧且pH值較高.2.3水庫(kù)鐵、錳季節(jié)性垂直分布特征表1表明，冬春季水溫上、下層大致趨于等溫狀態(tài)時(shí)，庫(kù)水溶解氧及pH高，這時(shí)整個(gè)水體處于氧化狀態(tài).在氧化環(huán)境條件下，F(xiàn)e、Mn處于高價(jià)態(tài)而形成難溶化合物，遷移能力很低，逐步沉積于庫(kù)水底部，在沉積物與水界面附近沉淀2，并儲(chǔ)積于沉積物表層，導(dǎo)致沉積物Fe、Mn含量的增高(Fe:166000 mg/kg、Mn:18800 mg/kg).冬季及初春由于水體富氧且水動(dòng)力穩(wěn)定，F(xiàn)e、Mn的氧化還原反應(yīng)循環(huán)在沉積物內(nèi)部完成，而不會(huì)向上覆水體釋放，此時(shí)庫(kù)水Fe、Mn上下層趨于一致，達(dá)GB383888地面水二類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)(Fe0.3 mg/L、Mn0.1 mg/L).在夏季及初秋，由于溫躍層的形成，溫躍層以下的水體逐漸因缺氧而呈現(xiàn)還原狀態(tài)，這時(shí)沉積于庫(kù)底沉積物中的高價(jià)態(tài)Fe、Mn還原為低價(jià)態(tài)而溶于水中，同時(shí)由于夏季暴雨使水庫(kù)水力學(xué)變化引起沉積物表層微粒再懸浮，使沉積物間隙水中的Fe、Mn向上覆水釋放，另外有機(jī)物腐爛產(chǎn)生的氣泡、生物擾動(dòng)懸浮物微粒，使其遷移能力增強(qiáng)，從而使庫(kù)區(qū)中、下層Fe、Mn含量超過(guò)地面水二類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn).但水面至溫躍層頂部的水體由于風(fēng)力攪動(dòng)、大氣復(fù)氧及藻類(lèi)光合作用增氧，始終處于氧化狀態(tài)，故Fe、Mn濃度仍低于地面水二類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn).3阿哈水庫(kù)取水區(qū)優(yōu)化分層取水技術(shù)及實(shí)施南郊水廠1993年前直接從阿哈水庫(kù)底層以固定取水口方式取水，其進(jìn)廠水質(zhì)見(jiàn)表2. 表2南郊水廠進(jìn)水Fe、Mn濃度年均值Table 2 Average Fe and Mn Concentrations in water take by Nanjiao water plant1986年1988年1989年1990年1991年GB383888二類(lèi)水Fe，mg/L0.1230.3580.2560.5730.400.3Mn,mg/L0.3670.4890.1501.041.600.1從表中看出，進(jìn)廠水質(zhì)年均值點(diǎn)源和面源均超過(guò)地面水二類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，要在短期內(nèi)全面實(shí)施水庫(kù)流域Fe、Mn的污染控制，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)和實(shí)施上還存在相當(dāng)大的困難.因此，為了能盡快改善進(jìn)廠水質(zhì)，在對(duì)阿哈水庫(kù)Fe、Mn垂直分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化分層的取水技術(shù)，貴陽(yáng)市政府已于1993年批準(zhǔn)實(shí)施.圖1水庫(kù)分層取水塔水孔的設(shè)置Fig.1 The lay|out of water in pumping tower at optimum depth3.1優(yōu)化分層取水技術(shù)根據(jù)上述研究可知，如果水廠采用傳統(tǒng)的將取水口固定在水庫(kù)底部的取水方式，當(dāng)水溫分層時(shí)，水廠所取到的是含高濃度Fe、Mn的下層水；當(dāng)水溫不分層時(shí)，庫(kù)水下層Fe、Mn濃度雖達(dá)地面水二類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，但庫(kù)底沉積物由于取水口高速水流的水力攪動(dòng)作用，使沉積微粒再懸浮，間隙水中高濃度Fe、Mn向上覆水釋放，水廠取到的仍是Fe、Mn濃度超標(biāo)的水.優(yōu)化分層取水則要解決：取水口固定在水庫(kù)下層所碰到的水質(zhì)問(wèn)題；取水口隨水位變化，在水溫分層時(shí)，如何獲得優(yōu)質(zhì)的上層水，在水溫不分層時(shí)怎樣獲得Fe、Mn達(dá)標(biāo)、藻類(lèi)和懸浮物低的中上層水；有利于沉積于取水口周?chē)某练e物排出，以減少Fe、Mn向上覆水的釋放總量.3.1.1分層取水塔分層取水塔水孔位置示意圖見(jiàn)圖1.為取水庫(kù)優(yōu)質(zhì)水，在高程1096.5 m、1101.0 m、1105.5 m、1110.0 m上設(shè)4個(gè)取水窗口，在1092.0 m高程設(shè)放水底孔，使庫(kù)水能從底孔流入泄水隧洞，水位在1110.0 m下可由泄水隧洞泄洪，并將沉積于附近含高濃度Fe、Mn的淤泥排出.3.1.2分層取水塔優(yōu)化取水分析分層取水塔取水層位的水質(zhì)狀況，與取水塔的構(gòu)造密切相關(guān)，也即是其取水孔的大小形狀，取水孔的垂直分布，將決定取水層位及進(jìn)廠的水質(zhì)，為此對(duì)設(shè)計(jì)的分層取水塔可能出現(xiàn)的取水層位進(jìn)行預(yù)測(cè)分析.(1)分層取水塔取水范圍計(jì)算取水流量(見(jiàn)圖1)：在單孔口全開(kāi)時(shí)，采用下式3：Q=A2gHQ取水口流量，m3/s;流量系數(shù)，取0.61；A取水口過(guò)流面積(1.4 m1.4 m);g重力加速度，9.8 m/s2;H取水口中心線(xiàn)以上水頭.孔口吸出高度：h1=0.342(Q2)/(gB2)1/3h1取水口吸出高度，m;Q取水口流量，m3/s;g重力加速度，9.8 m/s2;B取水口寬度，為1.4 m.取水范圍為：水位Hh1.根據(jù)Fe、Mn垂直分布，在夏、秋季庫(kù)水中下層水質(zhì)最差時(shí)，為使優(yōu)化分層取水工程能保證獲取較好水質(zhì)的水，對(duì)在各級(jí)水位下取水孔運(yùn)行程序進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.表3優(yōu)化取水塔取水程序表Table 3 Pumping Prcess of Pumping fower at optimum depth水位,m1105.5 m孔位1101.0 m孔位1096.5 m孔位H,mQ,m3/sh,m取水范圍，mH，mQ,m3/sh,m取水范圍，mH,mQ,m3/sh,m取水范圍，m11081.87.10.961105.241107.2411070.84.730.741105.461106.94開(kāi)啟此孔1106關(guān)閉此孔4.310.971.291100.411102.9911053.39.61.181100.521102.8811042.38.031.051100.651102.7511031.36.040.871100.831102.57開(kāi)啟此孔1102關(guān)閉此孔4.811.61.341085.91088.5411013.810.311.241096.01098.411002.88.851.121096.11083.310991.87.10.961096.241098.1610980.84.730.741086.461097.941097關(guān)閉此孔(2)取水范圍計(jì)算結(jié)果分析從表3中看出，當(dāng)水位在11081107 m間變化時(shí)，開(kāi)啟第三門(mén)，水位在11061103 m間變化時(shí)，關(guān)閉第三門(mén)，開(kāi)啟第二門(mén)，水位在11011098 m間變化時(shí)，關(guān)閉第二門(mén)，開(kāi)啟第一門(mén)，在上述水位以下5 m內(nèi)，能保證取到優(yōu)質(zhì)水；而當(dāng)水位在11071106 m、11031101 m間變化時(shí)，取水范圍超過(guò)5 m，也能取到較好水質(zhì)，但是，這時(shí)既取了部分優(yōu)質(zhì)水，又取了部分水質(zhì)稍差層位的水.通過(guò)分析，采取分層取水塔式進(jìn)行優(yōu)化分層取水，將會(huì)使取水水質(zhì)有所提高.3.2分層取水塔優(yōu)化取水效果分析分層取水塔于1993年底實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控，將其水質(zhì)與未實(shí)施分層取水前的水質(zhì)進(jìn)行比較(見(jiàn)表4)，從表中可看出，在未實(shí)施分層取水前，進(jìn)廠水質(zhì)Fe有5個(gè)月超標(biāo)，最高超標(biāo)倍數(shù)為2.7倍，Mn最高超標(biāo)倍數(shù)為22.1倍，除5月和12月未超標(biāo)外，其它10個(gè)月都超標(biāo).實(shí)施分層取水后，進(jìn)廠水質(zhì)大有好轉(zhuǎn)，F(xiàn)e全年達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，Mn 9個(gè)月全部達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)廠水質(zhì)的改善，效果是非常明顯的.79月Mn超標(biāo)或稍超標(biāo)，主要是當(dāng)時(shí)水位處于11071106 m，開(kāi)啟1101.0 m孔位，所取水為優(yōu)質(zhì)水和稍差水的混合水所致，這可通過(guò)泄水隧洞適當(dāng)泄洪，排出含高濃度Fe、Mn沉積物污泥，并控制水位在1106m，從而獲得優(yōu)質(zhì)水.因此，把優(yōu)化分層取水運(yùn)行與泄洪排出含F(xiàn)e、Mn沉積物的措施結(jié)合起來(lái)，進(jìn)廠水質(zhì)將進(jìn)一步提高. 表4南郊水廠優(yōu)化取水前后進(jìn)廠水質(zhì)比較Table 4 Comparison of water quality pumped from different depth月份1990年進(jìn)廠水質(zhì)(底層取水)1995年進(jìn)廠水質(zhì)(優(yōu)化取水)Fe，mg/L超標(biāo)倍數(shù)Mn，mg/