翟文亮，曹慧群，罗平安

(长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010)

1 研究背景

砷(As)为非降解型有毒物质，具有持久性、隐蔽性、不可降解性、可累积性等特点[1]，并可通过化学和生物富集作用破坏生态系统平衡，进入人体可对人体的神经系统和器官造成严重的损害，是环境污染物和潜在有毒物质[2-3]。当砷进入水体后，一部分溶解态砷被吸附到水体悬移质泥沙颗粒表面，随着悬移质泥沙一起运动，这是砷由液相转入固相的主要途径[4-7]。沉积物在波浪、冲刷等扰动作用下会再悬浮，再悬浮过程容易释放大量吸附在沉积物上的砷，造成“二次污染”[8-9]。在理化性质稳定的水体中，砷的分布主要与泥沙(沉积物)有关。砷在沉积物上吸附的主要机理是分配作用，其大小可以用分配系数来表示[10]。

水库是地表水的重要组成部分，是水生生物的重要栖息场所以及工农业和生活水源地。作为城市饮用水源地，水库砷含量更是与人体健康密切相关。目前水环境中砷的时空分布研究主要集中于地表水和浅层沉积物中的砷污染状况和健康风险评价，对水库砷的时空分布模拟鲜有报道。受区域地质的影响，澜沧江源头昂曲水体中砷背景值较高，部分河段接近甚至超过《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)。

本文以澜沧江源头昂曲宗通卡水库为例，构建三维水沙砷预测模型，采用等温吸附试验分析水库蓄水后泥沙对砷的吸附平衡规律，模拟成库后正常运行期库区不同水期砷污染分布规律，并对水库水质进行环境影响评价。

2 水库水沙与砷数学模型的建立

采用三维数学模型进行泥沙运动和砷输移的计算。水体中的吸附性砷部分溶解于水相，部分吸附于可溶性物质，部分吸附于悬浮泥沙。砷的输移取决于输运方程，即

(1)

式中：C为水体中砷浓度；μ、ν、ω分别为在曲线σ坐标下x、y、z方向的速度分量；Ax、Ay、Az分别为x、y、z方向的紊流扩散系数；H为水体深度；mx、my分别为水平曲线坐标x、y方向的比例因子；Qc为外部源汇项；F0为从沉积物中进入水体中的砷净通量，计算公式为

(2)

式中：J0为水体和沉积物中泥沙交换通量；上标w和b分别表示水体和沉积床；ρs和ρw为泥沙和水的密度；εr和εd为悬浮和沉降条件下沉积床的表面孔隙比；fp和fd定义为

(3)

式中：P为平衡分配系数；Cp为颗粒态砷浓度；Cd为溶解态砷浓度；θ为孔隙度；S为泥沙浓度。

2.1 研究区概况

研究对象为拟建宗通卡水库，位置见图1。宗通卡水利枢纽水库正常蓄水位为3 474.0 m，相应库容为1.246亿m3，水面面积为5.59 km2，平均河宽为226.2 m，回水长度约22 km，成库前后河道状况对比见图2。库区存在2条较大支流——芒达曲(流域面积249.1 km2)和恩达曲(流域面积294.3 km2)，且砷的总浓度较高(71.5～129.1 μg/L)。从历史水质监测资料分析，昂曲河水的砷有超标现象，有可能对库区水质造成不利影响。

图1 研究区概况Fig.1 Map of the Zongtongka Reservoir

图2 宗通卡水库成库前后河道状况对比Fig.2 Comparison of channel status before and after construction of the Zongtongka Reservoir

2.2 模型情况

2.2.1 网格划分

宗通卡水库水深较大，边界线蜿蜒曲折，生成宗通卡库区的贴体正交网格，垂直方向上平均划分为4层，平面上划分2 240个网格，针对支流进行加密，网格总数为11 424个，网格平均宽度为45.6 m，平均长度为53.4 m，具体见图3。

图3 宗通卡库区网格划分Fig.3 Meshing of Zongtongka Reservoir area

2.2.2 边界条件

干支流入库条件为丰、枯水期流量和沙量过程；水质条件分别采用2016年6月、2016年3月宗通卡水库水样的水质(采样点见图4)，由长江科学院参照《水质 65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》(HJ 700—2014)测定；坝前水位取正常蓄水位3 474 m。

图4 宗通卡库区水质采样点Fig.4 Sampling points of water quality in Zongtongka Reservoir area

2.3 泥沙对砷的吸附作用

砷的分配系数表示水体中单位浓度的悬浮固体中颗粒态浓度与溶解态浓度的比值。根据原水温度、泥沙浓度、砷浓度设置不同工况，利用原水、原沙开展吸附试验，确定砷的分配系数。

吸附试验条件：温度(23、15、10 ℃)、天然粒径泥沙浓度(4 000 mg/L，初始砷含量19.990 mg/kg)、水溶液初始砷浓度(0.50、0.25、0.10 mg/L)。

结果显示，泥沙对砷的吸附规律符合Langmuir吸附等温式，拟合结果见图5。根据吸附试验平衡后颗粒态浓度、溶解态浓度及泥沙浓度计算分配系数。

图5 天然泥沙下砷的吸附等温式拟合结果Fig.5 Isothermal equation fittings of arsenic adsorption with natural particle

砷的分配系数与初始浓度成负相关关系，与温度成正相关关系。利用砷吸附试验成果得到不同温度、不同初始浓度下分配系数之间的比例关系，推求温度、初始浓度与分配系数的定量关系，见图6。针对不同水期，计算平均温度，根据公式推出丰、枯水期砷的分配系数，分别为0.41、0.30 L/mg。

图6 天然泥沙下分配系数随温度的变化Fig.6 Distribution coefficient varying with temperature under natural particle size

3 模型率定与验证

宗通卡水库目前尚未蓄水，河道两岸山势比较陡峻，水流湍急，具有山区河流的特点；蓄水后库区淹没范围增加，河道的地形条件、水动力条件等将发生显著变化。以现有监测数据率定验证模型参数误差较大，因此采用宗通卡水库附近的水动力、水环境条件相似的果多库区实测数据，对模型重要参数进行率定和验证，以模拟水库正常运行期库区砷的分布。

果多水库位于扎曲下游，距扎曲河口约59 km，距宗通卡水库直线距离约35 km(见图1)，目前已建成运行。果多水库与宗通卡水库条件相似，主要表现为：①地理位置相近，水文、泥沙、气象、水质、地质条件相似；②库容较接近，宗通卡水库与果多水库库区回水长度分别为19.6 km与22.0 km，水库的水质演变过程相似。果多水库与宗通卡水库对比如表1所示。

表1 果多水库与宗通卡水库对比Table 1 Comparison between Guoduo Reservoir and Zongtongka Reservoir

利用果多库区2016年3月、6月现场调查的水位、泥沙浓度、流量、砷浓度实测数据，率定、验证得到模型重要参数，包括糙率(0.025)、泥沙沉降速率(0.000 008 m/s)、泥沙沉积临界剪应力(0.000 5 m2/s2)、泥沙再悬浮临界剪应力(0.000 45 m2/s2)，率定结果见表2。

表2 果多库区泥沙浓度、砷浓度模拟结果与实测数据误差Table 2 Comparison of simulation of sediment concentration and As concentration with measured data in Guoduo Reservoir

泥沙浓度的模拟值与实测值相对误差在±25%以内，砷总浓度的模拟值与实测值相对误差在±20%以内，模拟精度较高，模型设置的重要参数能够较好地模拟水库水环境的演变规律。

4 水库水沙与砷的时空分布规律

宗通卡水库蓄水后，库区水位升高，水面面积增大，水深增加，流速减小，泥沙沉降作用明显，砷被泥沙吸附并随之沉降。

4.1 丰水期、枯水期变化规律

宗通卡库区泥沙浓度呈现丰水期高于枯水期的规律(见图7)，主要与干支流含沙量季节变化有关。丰、枯水期干流来沙量分别为983.6、73.6 mg/L，库区平均泥沙浓度分别为687.7、56.8 mg/L。库区砷浓度整体呈现枯水期高于丰水期的特征，主要与干支流来水砷浓度季节变化相关，丰、枯水期干流来水砷浓度分别为11.64、19.44 μg/L，库区砷平均浓度分别为13.89、20.93 μg/L。

图7 丰水期、枯水期宗通卡库区泥沙浓度、砷浓度的平面分布Fig.7 Plane distribution of sediment concentration and As concentration in Zongtongka Reservoir in wet and dry periods

4.2 纵向分布规律

丰水期、枯水期宗通卡库区干流泥沙浓度均呈现沿程下降的变化规律，见图8(a)。其中,库尾—坝前2 km变化幅度较小，坝前2 km内泥沙浓度陡降，泥沙大量沉降，丰水期、枯水期分别降至364.5、25.0 mg/L。

丰水期、枯水期宗通卡库区干流砷浓度均呈现沿程波动下降的变化规律，见图8(b)。其中,库尾—芒达曲上游呈现缓慢下降变化；芒达曲汇入口至恩达曲汇入口的干流河段，由于2条高砷浓度的支流汇入，汇入口下游砷浓度陡升(芒达曲汇入后干流砷浓度上升40%～75%，恩达曲汇入后砷浓度上升11%～28%)。丰水期在支流汇入口一侧形成明显的岸边污染带；恩达曲汇入口—坝前河段砷浓度沿程下降幅度较大，坝前砷浓度相对较低，丰水期、枯水期分别降至8.70、11.90 μg/L。

图8 丰水期、枯水期宗通卡库区泥沙浓度、砷浓度的沿程变化Fig.8 Evolution of sediment concentration and As concentration in Zongtongka Reservoir along the stream in wet and dry periods

4.3 垂向分布规律

宗通卡水库蓄水后，坝前水深约59 m，泥沙浓度、砷浓度垂向分布由表层至底层均呈现增大的变化规律(如图9所示)，泥沙大量沉降，泥沙浓度由表层的8.9～13.1 mg/L增大至底层的42.5～767.5 mg/L。砷浓度由表层的0.2～5.3 μg/L增大至底层的16.5～20.6 μg/L。

图9 丰水期、枯水期宗通卡坝前泥沙浓度、砷浓度的垂向分布Fig.9 Vertical distribution of sediment concentration and As concentration in front of dam in wet and dry periods

5 结 论

本文建立了宗通卡水库水沙与砷数学模型，采用室内吸附试验确定了模型分配系数，利用相近水库——果多水库资料对模型关键参数进行了率定验证，模型精度较高。利用模型模拟了宗通卡水库蓄水后不同水期库区泥沙和砷的三维时空分布，得到以下结论：

蓄水后水库泥沙浓度和砷浓度呈沿程下降的变化规律。泥沙浓度呈现丰水期大于枯水期的特征，坝前泥沙浓度由表层至底层呈现明显增大的变化规律；砷浓度呈现丰水期小于枯水期的特征，受支流汇入影响呈现沿程波动下降的规律，支流浓度较大时会形成岸边污染带，坝前浓度最低，坝前砷浓度由表层至底层均呈现明显增大的变化规律。