丹江口水库水质与水质混合影响因素分析

丹江口水库水质与水质混合影响因素分析

北移工程是缓解北方干旱，特别是北京水资源短缺的国家战略举措。工程自陕鄂豫交界处的丹江口水库引水,经河南、河北进入北京。引水后,在北京段利用多个调蓄池调节水源,余裕水可采取地下、地表水库等储存措施进一步调节,力求充分利用、保存珍贵的水资源。余裕水的地下储存既可避免蒸发,又可充分利用北京西郊现有的水源地超采形成的地下空间,依托地质条件,人工建构地下水库。然而,不同水源水相混合必定会引起一定的水岩相互作用,为此,需要开展相应的研究。本次研究首先开展两地水的混合试验研究,以探索二者不同比例混合引起的水质变化,为进一步的研究提供基础,并为北京市的水源混合供水提供参考依据。1采样、测试和比较1.1采集地表和微生物样品本课题的研究需要采集南水北调水源水样和北京南水北调蓄水池团城湖附近浅层地下水水样。南水北调水源水样采集地点为丹江口水库南水北调工程渠首。为保证远距离采样的水质,在2010年11月份气温较低时,至丹江口水库采集地表水水样,共采集水样50L,其中10L为测微生物的样品。在团城湖附近利用浅层地下水井采集水样50L。1.2两地水源的卫生指标检测水样采集后即送至实验室进行水质检测,两地水源检测的一般化学指标为:钾(K+)、钠(Na+)、钙(Ca2+)、镁(Mg2+)、硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、氨氮(NH3-N)、氯化物(Cl-)、硫酸盐(SO42-)、重碳酸盐(HCO3-)、碳酸盐(CO32-)、氟化物(F-)、氰化物(CN-)、总硬度(TH)、溶解性总固体(TDS)、高锰酸钾指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD)、总磷(TP)、pH值,计19项。检测的重金属指标包括:铝(Al)、锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、铅(Pb)、镍(Ni)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr),计9项。水质检测指标共计28项。根据两地水源水质检测结果,除团城湖附近地下水中的的铁、锰有检出外,其余重金属均未检出。两地水源的一般检测指标中,即使有检出,也未超过国家饮用水标准(GB5749-2006),详见表1。丹江口水库的各项指标浓度均较低,适宜作为集中式生活饮用水地表水源。1.3降低水化学成分序列两地水样均采集了测试微生物的样品,但因地下水水样本身原因,未能测定出其基因序列。丹江口水库水样的微生物测试,测定了微生物的数量及其基因序列。1.3.1利用涂布平板法,测定丹江口水库水样中微生物的数量约为1.085×103个/mL。在一般地表水体中,每毫升水中的微生物数量可达104~105数量级,可见,丹江口水库水样中的微生物数量很少,未受到人类活动的剧烈影响,是可以作为优良地表水饮用水源的原因之一。1.3.2地表微生物群落特征水中的微生物种类及其组成特征可以表征水质状况。利用16SrDNA方法测定微生物的基因序列,判断丹江口水库水样中的微生物组成。经水中微生物的基因序列分析,利用Classifier程序确定微生物的系统发育类群,步骤如下:(1)根据测试,确定基因序列的基因频率;(2)将测定的基因序列与数据库中已有的序列进行对比分析,判断测定的基因序列与已知微生物种的同源性;(3)统计基因序列所属的基因类群,估算水中各类微生物的占比。统计分析结果表明:本次测定的细菌克隆的16SrDNA序列分属11个细菌类群(图1),分别为Alphaproteobacteria(31%)、Actinobacteria(28%)、Betaproteobacteria(20%)、Cyanobacteria(8%)、Gammaproteobacteria(4%)、Planctomycetes(2%)、Nitrospira(2%)、Deltaproteobacteria(1%)、Bacteroidetes(1%)、Gemmatimonadetes(1%)、Unidentifiedbacteria(2%)。根据各类微生物所占比例以及微生物特征,可对丹江口水库地表水做出如下判断:(1)丹江口水库的细菌群落主要由普通地表水体的常见种组成,未发现目前已知的常见致病菌;(2)从细菌群落组成来看,与降解有关的微生物在群落中所占比例很低,证明该水体没有受到严重的有机污染;(3)蓝细菌门(Cyanobacteria)在细菌群落中所占比例仅为8%,证明该水体没有富营养化趋势。2混合试验2.1水样前处理及检测在两地原水测试的同时,开展不同比例的原水混合试验。为反映南水北调水与地下水混合后的水质变化,将丹江口水库水样与团城湖附近地下水水样混合比例依次设定为7∶1、3∶1、1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9等七种比例。水样配制完毕后,将配制的水样轮流放置在恒温水浴振荡器上摇匀。每次水质测试采样之前,均将水样放置在恒温水浴振荡器上摇匀,水温与实验室内温度基本一致,保持在17℃。由于两地原水的水质质量好,重金属含量极低,且一般指标中如BOD5、CODMn等浓度很低,因此,混合试验不再测试这些指标,只测试能够反映水质特征的常规指标:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-、NO3-、pH值等10项指标。根据水质测试次数和每个检测指标一次测试所需水样量,每个混合水样配制2L。为反映不同混合比例下水质的历时变化,分别于配水当日(2010年11月15日)、11月17日、11月22日、11月29日,检测上述各指标的浓度,共检测4次,检测结果见表2。根据检测数据,结合两地原水的水质分析数据,可分析同一时刻不同比例混合的水质变化规律和同一比例不同时刻的水质历时变化规律。2.2原水混合过程中各组分的含量根据两地原水的水质测试和不同比例混合后的水质测试结果,可绘制出同一时刻不同比例混合后的常规化学指标(NO3-N、Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+、pH值)的水质变化曲线(图2)。图中水平虚线表示团城湖附近地下水水质,水平实线表示丹江口水库水质。从图2可以看出,丹江口水库地表水中的硝酸盐氮浓度高于北京团城湖附近地下水,且同一时刻丹江口地表水与北京地下水混合比例由大变小时,硝酸盐氮浓度呈显著的下降趋势,并且同一比例不同时刻的硝酸盐氮浓度差异不大,表明两种水溶液混合后对于硝酸盐氮而言,主要发生了物理机械混合作用。从氯离子、硫酸根离子、钠离子、镁离子浓度变化曲线可以看出,北京地下水的这四种组分浓度高于丹江口地表水,且同一时刻丹江口地表水与北京地下水混合比例由大到小时,四种组分的浓度呈显著的升高态势,表明两种原水混合后,这四种组分主要发生了物理机械混合作用。然而,钙离子浓度和重碳酸根离子浓度的变化打破了上述物理机械混合的规律。由重碳酸根离子、钙离子浓度变化曲线可以看出,尽管由于北京地下水中重碳酸根离子和钙离子浓度高于丹江口地表水,丹江口地表水与北京地下水混合比例由大变小时,也呈现出二者浓度升高的趋势,但随着混合时间的延长,重碳酸根离子和钙离子的浓度均呈现出降低的趋势,具体表现为:(1)2010年11月22日和11月29日的重碳酸根离子浓度和钙离子浓度显著低于2010年11月15日和11月17日;(2)丹江口水库地表水与北京地下水之间的混合比例越小,重碳酸根离子和钙离子的浓度降低愈明显。同一时刻不同混合比例的pH值未随着二者混合比例由大变小呈现出明显降低的变化趋势,而主要表现为:(1)随着混合时间的推移,所有混合比例下的溶液pH值总体呈现升高的变化趋势,且均高于丹江口地表原水的pH值;(2)在所有混合比例下pH值总体升高的同时,随着丹江口地表水与北京地下水混合比例的减小,溶液pH值呈降低趋势。2.3混合过程中各组分的季节性变化根据不同比例混合溶液的水质历时检测数据,可绘制出同一比例不同时刻的水质变化曲线。因氯离子、硫酸根离子、钠离子和镁离子基本表现为物理混合,图3仅体现硝酸盐氮、钙离子、重碳酸根离子、pH值在同一比例下不同时刻的历时变化。四种组分的变化体现为:(1)当丹江口水库地表水与北京地下水的比例大于1∶5时,硝酸盐氮浓度均呈现出随混合时间延长升高的变化趋势;(2)当丹江口水库地表水与北京地下水之间的比例越来越小时,钙离子和重碳酸根离子浓度随混合时间的加长,降低幅度越来越大;(3)不同比例的混合溶液随着混合时间的延长,pH值呈现升高的变化趋势。丹江口水库地表水与北京地下水之间的混合比例越高,pH值升高现象愈明显。3蓄池周边浅层地下水混合根据不同比例混合溶液的历时水质检测结果,丹江口水库地表水与南水北调调蓄池附近浅层地下水的混合主要体现为物理混合作用,尤其体现于氯离子、硫酸根离子、钠离子、镁离子和硝酸盐氮等化学组分。但钙离子、重碳酸根离子和pH值的变化较大,表明混合溶液中发生了与碳酸平衡相关的化学变化。3.1地表细菌群落对硝化反应的影响从图3可以看出,当丹江口地表水与北京地下水的混合比例越高时,硝酸盐氮浓度升高幅度越大。当二者比例为1∶9时,混合溶液中的硝酸盐氮浓度基本未发生变化。这表明当二者比例较高时,混合溶液中很有可能发生了硝化反应,反应方程式如下:根据丹江口水库地表水中的细菌类群测试情况,α变形杆菌类群占31%和β变形杆菌类群占20%,占比较大。在α变形杆菌类群中许多细菌具有硝化功能,在β变形杆菌类群中许多细菌具有亚硝化功能。另外,丹江口地表水中还有2%的硝化螺旋菌群,也为硝化反应提供了微生物判据。当混合溶液中丹江口地表水占比较大时,溶解氧充足,氧气和地下水中的氨氮为硝化反应提供了有利条件,硝化反应持续发生。当混合溶液中地下水占比较大时,因溶解氧浓度较低,抑制了硝化反应的发生,硝化反应不明显。3.2影响碳酸钙平衡的矿物碳酸平衡是水中最重要的水化学平衡之一,碳酸平衡变化主要由水环境变化所致。影响碳酸平衡的主要矿物为方解石和白云石。在环境条件一定时,碳酸平衡的移动往往取决于水中方解石和白云石的饱和指数,并可用溶液中的二氧化碳分压表征。3.2.1不同比例混合水溶液中二氧化碳的释放特征根据不同混合比例水样的历时水质检测数据和两地原水的水质数据,可估算出水样中方解石、白云石的饱和指数,以判断水样是否处于饱和状态。计算二者的饱和指数时,考虑水溶液中的各种离子的活度系数,该系数可根据迪拜—休克尔方程求得。在水溶液中,溶解组分以各种形式存在,在计算饱和指数时有必要考虑水中的络合组分,主要考虑以下10种络合离子对,即:CaSO40、MgSO40、NaSO4-、KSO4-、CaHCO3+、MgHCO3+、NaHCO30、CaCO30、MgCO30、NaCO3-。在考虑活度系数和络合离子对的基础上,即可计算出两地原水和不同比例混合溶液的方解石的饱和指数(SIC)和白云石的饱和指数(SID)以及二氧化碳分压(PCO2)。丹江口原水中的SIC为0.67,SID为0.20,PCO2为10-2.59巴,北京团城湖附近地下水中的SIC为1.17,SID为0.79,PCO2为10-1.80巴。同一比例混合随时间变化的饱和指数和PCO2历时曲线如图4所示。据图4,各比例下的PCO2随着时间的推移呈降低趋势。当丹江口地表水与北京地下水比例越高时,降幅越大,表明混合溶液体系中二氧化碳释放明显。丹江口地表水与北京地下水比例大于1∶3时,饱和指数随时间推移呈升高趋势,并渐大于1;当二者比例小于1∶3时,则呈降低趋势,且溶液处于非饱和状态。3.2.2混合溶液中方解石和白云石的饱和指数ca2尽管不同比例混合溶液在历时过程中均发生了pH值升高现象,但机理不尽相同:(1)当混合溶液中丹江口地表水占比较高时,发生了硝化反应,硝化作用产生了二氧化碳。据图3,随着混合时间的推移,溶液中的二氧化碳分压不断降低,表明二氧化碳从溶液中释放出来,由此导致了溶液pH值的大幅升高。而二氧化碳的释放,改变了碳酸氢钙的平衡:Ca(HCO3)2→Ca2++CO32-+H2O+CO2,使得混合溶液体系中产生了更多游离的碳酸根离子,伴随着时间的推移,方解石和白云石的饱和指数升高,溶液由非饱和状态过渡到过饱和状态。由非饱和状态过渡到过饱和状态,但因体系中Ca2+、Mg2+浓度较低,方解石和白云石析晶有滞后效应,溶液中的Ca2+和Mg2+浓度虽有所降低,但降低幅度很小。(2)当混合溶液中丹江口水库地表水占比较低,当比例为DB1∶5~DB1∶9时,混合溶液中的硝化作用较弱。由于溶液中方解石饱和指数大于1,且溶液中的二氧化碳分压显著高于大气圈,在溶液震荡过程中,溶液中的二氧化碳分压降低,表明溶液释放了二氧化碳,引起pH值升高。二氧化碳的释放直接导致碳酸氢钙的平衡(Ca(HCO3)2→Ca2++CO32-+H2O+CO2)向右移动,因体系中Ca2+、Mg2+浓度较高,方解石结晶容易析出,溶液中的Ca2+和HCO3-浓度大幅降低。随着时间的推移和方解石结晶析出,溶液由过饱和状态过渡到非饱和状态。由此可见,不同比例混合溶液中的碳酸平衡既与硝化反应有关,又与溶液中方解石饱和状况及二氧化碳分压有关。当混合溶液中丹江口地表水占比较大时,硝化作用在碳酸平衡中占主导地位,并由此使得方解石和白云石由非饱和状态过渡到饱和状态。当北京地下水在混合溶液中占比较大时,方解石的过饱和状态与较高的二氧化碳分压在碳酸平衡中占主导地位,使方解石由过饱和状态向非饱和状态过渡。可见,硝化作用和溶液中方解石的饱和状况是引起溶液碳酸平衡发生的重要原因。3.3混合液中二氧化碳等共享物质对ph值的影响在方解石过