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1、第十屆海峽兩岸水利科技交流研討會，2006年11月， 供水水庫泥沙淤積及其對水質影響的初步研究林叔忠廣東省水利廳摘要 水庫是水利工程的重要基礎設施，而水庫的泥沙淤積問題是水庫運行管理過程中的普遍現象。水庫庫底的淤積物既減少了水庫庫容又容易對水庫水質造成二次污染。本文通過對廣東省深圳市S水庫的泥沙淤積狀況調查，分析了S水庫淤積物的來源、成份、形態及淤積規律，初步探討了在不同情況下水庫淤積物對水庫水質污染的影響程度，提出了清除水庫淤積物是供水水庫減少污染保證水質的有效方法，指出實施水庫清淤工程是保持水庫可持續利用的重要舉措。一、水庫泥沙淤積狀況 深圳特區是祖國大陸經濟快速增長的地區，隨著經濟的高速
2、發展，人口快速增加，以及城鎮化進程的加快，深圳市對水的需求量大幅提高，近年來出現了水源緊缺的現狀，多數水庫功能已由過去的農業灌溉型轉變為供水型，水庫水質的好壞也直接影響供水區居民的身體健康乃至區域經濟、社會的持續穩定和發展。S水庫位於深圳的B區，集雨面積44 km2，總庫容3200萬m3，正常水位36.59 m，相應庫容1690萬m3，是深圳B區的主要飲用水源水庫，年供水量達2.3億m3，日供水量最大為75萬m3。水庫建設至今已有45年，大量的泥沙淤積已使有效庫容減少，水質污染影響了水庫功能的正常發揮，水庫淤積物中的銅、鋅、鉛等金屬元素的含量往往高於水體中的含量，懸移質泥沙表面也吸附大量污染物
3、質在庫內積累，加之水庫上游與周邊人為造成水環境污染，引致水庫水質日益變差，水庫泥沙淤積是一個面臨急需解決的問題。目前，政府要投入大量的資金對水庫進行清淤，一是擴大水庫庫容量，二是以減少水庫淤積物對水質的二次污染。1. 泥沙淤積物的來源 深圳市S水庫區為深圳西部羊臺山環狀低丘地貌的一部分，集雨面積內大部分為低山丘谷地，區內上部和表層的土層為花崗岩殘坡積土與沖洪積粘性土、砂土，水土保持尚好，植被較發育。但由於該地區經濟和城市建設的迅速發展，造成部分已開展了水土保持治理的山地、丘陵又出現開發性的水土流失，水土流失已從“農村型”向“城市型”轉變。在暴雨沖刷下，地表泥沙流動，部分粉質粘土和淤泥細砂進入河
4、槽而流入水庫。受農村城市化影響，地表不透水層面積加大，縮短了地表徑流匯流時間，增大了徑流係數和徑流量，也相應增加了入庫泥沙量。同時水庫周邊人為墾殖鬆動土地表層，細礫與粗中細砂隨暴雨直接沖瀉入庫。因此，主河道挾帶泥沙和水庫周邊沖溝泥沙入庫是水庫泥沙淤積物的主要來源。2. 泥沙淤積物的成份 泥沙淤積物礦物成份 從S水庫大壩前到庫尾河口，水庫泥沙淤積物地質層依次為淤泥、粉質粘土、淤泥質細砂、礫砂。其中淤泥厚0.54.0m，流塑軟塑狀態；粉質粘土厚0.62.8m，飽和，可塑；淤泥質細砂：厚1.2m以下，飽和，軟塑；礫砂厚0.44.5m，鬆散，d4mm，成份為石英。 水庫區內水下泥沙淤積物成份，水庫高程
5、31.50m以下平面區域約1.62km2，剖面上從上至下逐層為淤泥、粉質粘土、粉細砂和礫砂。 淤積物物理力學性質 庫區淤積層的物理力學性質如表1.1。 物理力學性質表現為上部流塑軟塑，下部為飽和礫砂層。 表1.1 石岩水庫庫區泥沙物理力學參數 試驗 項目泥沙名稱濕密度幹密度土粒密度孔隙比含水量飽和度摩擦角凝聚力壓縮係數壓縮模量wseWSrCa1-2E1-2g/cm3g/cm3g/cm3%degKpaMpa-1Mpa淤 泥1.520.922.711.93770.490.71.48.61.372.19粘 土1.771.272.721.15139.592.919.522.80.395.79粉質粘土1
6、.861.402.710.95233.592.821.521.40.306.85礫質粘性土1.881.552.670.74822.478.428.129.40.238.11粉 細 砂1.971.612.670.66122.189.624.915.20.256.96礫 砂1.802.653500.179.11 摘自深圳S水庫清淤工程地質勘察報告 庫內淤積物顆粒級配 根據取樣的泥沙顆粒分析，其顆粒級配曲線則如圖1.1 。圖1.1 S水庫淤積泥沙顆粒分析曲線3.泥沙淤積量的計算 庫容曲線 原始庫容曲線是研究水庫淤積的基礎資料。由於建庫時的設計庫容曲線未可尋覓，而水庫在1960年3月初具規模，即於4月
7、蓄水運行，故可將1960年4月12月的運行紀錄結合水庫原設計死水位、正常、設計和校核水位及其相應庫容值，得到原始（1960年）庫容曲線（圖2），庫容V1960（104m3）與水位Z（m）的關係式為 同樣，根據水庫運行紀錄，得出了2004年的庫容曲線及其關係式。 總庫容為，其庫容曲線的關係式為 圖1.2 S水庫新舊庫容曲線對比（1960年/2004年） 水庫泥沙淤積量 以S水庫庫容曲線為基礎，由與計算水庫（19602004年）各級高程的淤積量如表1.2，正常庫容約淤積了171萬m3。而依據庫區地質勘察資料（勘察範圍較前者庫尾段短100m）計算水庫的總淤積量則為155.58萬m3，如表1.2。 表
8、1.2 S水庫（19602004年）各級高程淤積量（萬m3）高程（m）1960年庫容2004年庫容淤積量庫容損失(%)27.5060.060.00.0028.00100.073.027.01.6029.00204.1153.250.93.0130.00329.7242.886.95.1431.00 469.0 355.9 113.1 6.69 32.00 637.2 503.4 133.8 7.91 33.00 842.8 692.4 150.4 8.90 34.00 1064.8 903.4 161.4 9.55 35.00 1306.2 1143.4 162.8 9.63 36.00 15
9、64.1 1400.0 164.1 9.71 36.59 (1690.8)1731.01560.0 (130.8)171.0(7.74)10.11高程（m）庫區淤積面積（萬m）庫區淤積體積（萬m）21.000.00010.0122.000.00300.3023.000.00910.9124.000.04594.5925.000.160616.0626.000.361436.1427.000.584558.4528.000.850385.0329.001.0672106.7230.001.2842128.4231.001.4287142.8732.001.5327153.2733.001.556
10、3155.6334.001.5558155.58表1.3 S水庫庫區淤積量（據勘察資料估算） 對比表1.2和表1.3結果可知，水庫泥沙淤積物總量是一致的，約達170萬m3。二、水庫泥沙淤積形態和淤積規律1. 水庫泥沙淤積形態 圖2 .1 是 S水庫泥沙淤積後的淤積縱剖面，從圖中可知：水庫泥沙淤積物呈帶狀淤積形態。鑽探資料分析，庫尾段平均淤厚約1.7m，中段約1.1m，壩前約0.7m。水庫尾閭庫底高程32.50m向壩前庫底25.0026.00m高程傾斜，縱比降約為3.1。 庫底淤積物成份分佈為：主河槽和各沖溝入庫流路依次是石英礫、礫砂、粗砂；水庫尾石英礫砂、細砂、粉質粘土、淤泥；水庫中段（約2/
11、5庫長）細砂、淤泥；壩前段（約3/10庫長）礫砂、殘坡積土。圖2.1 S水庫2004年水庫區庫底淤積縱剖面2.水庫泥沙淤積規律 新舊庫容曲線表明水庫44年（19602004年）累計淤積量171萬m3，按正常庫容計，庫容損失10.11%。平均年淤積速率為3.886萬m3/a。每年水庫淤廢了正常庫容的0.23%。 各年代石岩水庫淤積量見表2.2，水庫以3.886萬m3/a的速率淤積。從淤積量看，70年代較60年代增淤26.4萬m3，增長161%；80年代較70年代增淤36.1萬m3，增長84.35%；90年代較80年代增淤63.7萬m3，增長80.74%，可知70年代淤積最快。新世紀後，水庫的表徵
12、已由泥沙淤積轉為淤積物對水庫水體污染了。 表2.2 S水庫各年代淤積量高 程（m）水庫年代淤積量（萬m3）1960196919701979198019891990199927.500.00.00.00.028.007.810.212.617.429.0020.527.337.450.230.0026.741.158.080.831.0026.552.269.0101.532.0021.252.876.9117.033.0030.867.290.5132.634.0023.948.873.2136.535.0024.856.571.7133.936.0018.243.967.9127.236.5
13、916.442.878.9142.6三、水庫泥沙淤積物對水庫水質的影響1. 庫底淤泥的有害物質成分含量 根據S水庫底泥15處的採樣分析，測試項目包括總碳、全磷、銅、鎳、鋅、鉻、鉛、汞、砷、有效磷、有效態重金屬等。現將部分底泥測試結果分析如下。 銅的含量平均為112.25mg/kg，最大值達160.23 mg/kg，最小值為69.56 mg/kg，均高於當地土壤最高背景值61.5 mg/kg。 圖3.1 水庫底泥銅含量分佈 鋅的含量平均為342.65mg/kg，最大值達403.89 mg/kg，最小值為201.85 mg/kg，近水庫大壩處含量高於當地土壤最高背景值366 mg/kg，近庫尾處含
14、量低於當地土壤最高背景值。 圖3.2 水庫底泥鋅含量分佈 鎳的含量平均為96.90mg/kg，最大值達180.56 mg/kg，最小值為5.53mg/kg，近水庫大壩處含量高於當地土壤最高背景值17.9 mg/kg，近庫尾處SY09處含量僅5.53mg/kg，低於當地土壤最高背景值。圖3.3 水庫底泥鎳含量分佈 鎘的含量平均為58.15mg/kg，最大值達99.02 mg/kg，SY02點未檢出，均低於當地土壤最高背景值105.8 mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。 圖3.4 水庫底泥鎘含量分佈 鉛的含量平均為74.01mg/kg，最大值達83.60 mg/kg，最小
15、值為47.33mg/kg，低於當地土壤最高背景值193.00mg/kg，各點含量差別不大。 圖3.5 水庫底泥鉛含量分佈 鉻的含量平均為0.34mg/kg，最大值0.63mg/kg，最小值0.12mg/kg，最大值高於當地土壤最高背景值0.359 mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.6 水庫底泥鉻含量分佈 砷的含量平均為6.11mg/kg，最大值8.20mg/kg，最小值2.70mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.7 水庫底泥砷含量分佈 汞的含量平均為0.19g/kg，最大值0.31g/kg，最小值0.11g/kg，均低於當地土壤最高
16、背景值0.632 g/kg，含量變化為近水庫大壩處含量較低，近庫尾處含量較高。 圖3.8 水庫底泥汞含量分佈 庫尾處垂直芯樣化驗結果表明，底泥中表層部分重金屬含量較底層淤泥的含量低(圖3.1-9)，表明近期新淤積的淤泥受污染的程度減輕。圖3.9 水庫底泥重金屬含量的變化分佈 底泥中總磷的含量最大值3954.4mg/kg，最小值1169.1mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.10 水庫底泥總磷含量分佈 底泥中總磷的含量最大值47.96mg/kg，最小值17.94mg/g，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.11 水庫底泥總碳含量分佈 同時，對在自然
17、條件下底泥中重金屬的釋放程度進行了模擬，測定了水庫底泥浸出液重金屬含量。（表3.1）。表3.1 S水庫底泥浸出液部分重金屬含量表編號底泥品質(g)浸出液鉛濃度(ppm)底泥可溶鉛含量(mg/kg)浸出液鋅濃度(ppm)底泥可溶鋅含量(mg/kg)浸出液鎳濃度(ppm)底泥可溶鎳含量(mg/kg)SY0110.1290.13421.3249090.039540.3903640.32853.243163SY0210.1610.11761.1573660.015310.1506740.23592.321622SY0310.0880.12791.2678430.012280.1217290.19271
18、.91019SY0410.1320.14091.3906440.109901.0846820.32983.255034SY0510.9410.13161.2028150.020790.1900190.37293.408281SY069.9890.13201.3214540.111001.1112220.22872.289518SY0710.6010.11791.1121590.169601.5998490.17751.67437SY0810.5460.13211.2526080.094520.896264SY1210.1820.12181.1962290.339603.3352980.1238
19、1.215871SY1410.3520.12691.2258500.24552.371522SY1510.4890.11141.0620650.137401.3099440.14571.389074 從上面的結果表明，水庫水質的惡化使得水庫底部的泥沙淤積物也遭到污染，污染的底泥質在遷移過程中物質的釋放過程又對水庫水質形成了二次污染，說明了泥沙淤積物對水庫水質有一定影響。2. 底泥有害物質對水庫水質的影響分析 底泥浸出液重金屬含量在一定程度上等同于在自然條件下底泥中重金屬的釋放程度。因此，底泥重金屬的釋放量是評估底泥污染物的危害程度的標準。底泥重金屬的釋放量對水庫水質的影響程度和範圍與實驗室的靜
20、態析出試驗結果是完全不同的。據此，分別在底泥面、水深2米和水深0米處取水樣，分析結果作為與清淤過程中水質變化的對比。 水體重金屬污染物含量分析 測試結果表明，銅、鋅、硒、砷和鎘含量在水庫不同位置和不同水深變化不大；汞、鉛和鉻雖有變化，但和底泥的關係較小。與底泥關係較大的是鐵和錳，水庫底層有7處水的鐵和錳含量均超出國家規定的地表水標準，但水庫的所有表層水的鐵和錳均達到國家地表水水質標準。 在自然狀態下，底泥中的銅、鋅、硒、砷和鎘等重金屬的釋放對水質的影響較低。 水庫營養鹽及有機污染綜合指標分析 總磷含量在垂向分佈上表層水含量較低，底層水含量較高（圖3.2.2-1）。在平面分佈上，總磷含量最高的是
21、S6的底層水，達0.63 mg/L，其次為S1的底層水，為0.40 mg/L。總的分佈趨勢仍是近大壩和石岩河口總磷的含量較高，這同樣既與底泥的污染擴散有關，也與近期入庫地表水的污染有關。圖3.12 S水庫水樣中不同水深總磷含量分佈圖 氨氮的含量分佈同樣是底層水高於表層水，底層水氨氮有8處均超出國家地表水標準，特別是S6的底層水氨氮含量達4.62 mg/L，超出標準近9倍。在平面分佈上，近河口的S6和二號沖溝出口處的S8含量較高。可以看出，氨氮含量超標不但與底泥的二次污染有關，更主要的可能與近期的流域污染物入庫有關。 圖3.13 S水庫水樣中不同水深氨氮含量分佈圖3. 清淤過程有害物質對水質的影
22、響度 清淤過程的回水對水質的影響程度 S水庫淤泥擾動前後水樣重金屬和營養物含量見表3.2和表3.3。12表3.2 S水庫淤泥擾動前後水樣重金屬含量表位置Cd(ng/ml)As(ng/ml)Cr(ng/ml)Cu(ng/ml)Hg(mg/ml)Ni(ng/ml)Pb(ng/ml)Se(ng/ml)Zn(ng/ml)Fe (ug/ml)Mn (ug/ml)清水 0.036 0.00113.970 9.544 0.019 20.130 14.923 1.941 11.425 0.315 0.035 無擾動上0.102 0.00111.806 6.348 0.020 12.435 0.000 2.19
23、6 12.238 0.486 0.036 無擾動中0.151 0.00111.938 5.061 0.020 11.876 4.605 1.736 6.775 0.825 0.017 無擾動下0.223 0.004 12.200 4.686 0.017 4.570 3.839 0.975 1.581 0.625 0.048 R擾1上層0.270 0.133 12.386 18.205 0.018 11.417 0.655 0.450 12.954 0.464 0.054 R擾1中層0.334 0.139 12.162 7.231 0.020 8.891 2.438 0.505 15.739 0
24、.402 0.064 R擾1下層0.326 0.130 12.819 5.082 0.020 11.403 6.239 0.745 16.437 0.460 0.052 R擾4上層0.314 0.076 12.165 12.173 0.023 13.762 11.371 1.016 14.196 0.260 0.037 R擾4中層0.260 0.158 12.445 8.027 0.022 9.138 3.675 2.059 13.360 0.380 0.046 R擾4下層0.272 0.095 12.455 4.088 0.021 4.669 2.467 1.286 8.652 1.130
25、0.055 R擾8上層0.116 0.072 12.198 6.494 0.024 5.520 7.176 0.000 15.024 0.307 0.159 R擾8中層0.104 0.070 13.195 5.945 0.024 5.233 9.543 0.442 13.997 0.275 0.163 R擾8下層0.203 0.029 16.361 7.699 0.025 5.195 9.780 0.269 7.492 0.487 0.140 R擾12上0.160 0.0017.194 8.268 0.617 12.640 0.030 R擾12中0.203 0.0015.714 4.425 0
26、.324 4.880 0.004 R擾12下0.153 0.0017.347 6.671 0.000 11.889 0.000 國標5505010000.0550101010000.30.1最大值1123100.0321103.729最小值119100.0111100.010.01 表3.3 S水庫淤泥擾動前後水樣營養物質含量表總P(g/ml)總N(g/ml)NH3-N(g/ml)清 水0.0013.0901.119無擾動上層0.0013.1550.706無擾動中層0.0023.4160.559無擾動下層0.0123.2390.553R擾1上層0.0723.1463.124R擾1中層0.066
27、3.0163.159R擾1下層0.7062.9146.538R擾4上層0.0023.4722.558R擾4中層0.0003.8812.800R擾4下層0.0123.7793.407R擾8上層0.0013.9832.717R擾8中層0.0014.0112.835R擾8下層0.1073.8722.522R擾12上層0.0073.2212.098R擾12中層0.0123.4342.074R擾12下層0.0262.5142.522國標0.100.500.50水庫水樣檢測最大值0.6306.8804.620水庫水樣檢測最小值0.0301.5200.290 從表3.2 和表3.3可以看出，擾動試驗對水質影
28、響最大的為第1天，以後逐漸減弱。擾動後第1天污染物遷移過程可代表水體中污染物最大的影響範圍。 清淤產生的回水中重金屬污染物對水質的影響 圖3.14為S水庫底泥擾動後不同時段水中鎘含量變化。從圖中可以看出，在無擾動狀態下，經過浸泡後清水中鎘隨著水體深度的加深含量也加大；總體上來說，在擾動後的第一天鎘含量達到最大，特別是中層水和地層水。以後隨著水體的靜置和淤泥的沉澱，在擾動第八天后開始趨於穩定，水中鎘的含量與無擾動狀態較接近。從圖上也可以看出，淤泥的存在可以導致水中鎘含量的增加，但是遠遠低於國家二級地表水環境品質標準。圖3.14 S水庫底泥擾動後不同時段水中鎘含量變化圖3.15 S水庫底泥擾動後不
29、同時段水中砷含量變化圖3.16為S水庫底泥擾動後不同時段水中砷含量變化。清水中砷尚未檢出。 在無擾動狀態下底層水受淤泥影響含量略有增大。擾動後第1天各層水砷的含量均顯著增大，擾動後第8天砷含量開始下降，到第12天砷含量趨於0。在整個變化過程中，水體中砷的含量遠低於國家二級地表水標準。 圖3.16為底泥擾動後不同時段水中鉻的含量變化。作為實驗的水體本身鉻的含量較高，在無擾動和擾動狀態下，鉻的含量變化不大。但是，在擾動後的第12天鉻含量減少，這可能與擾動後水中的鉻被淤泥吸附沉降有關。水中鉻的含量也低於國家二級地表水標準。 圖3.16 S水庫底泥擾動後不同時段水中鉻含量變化 研究表明，清淤工程產生的
30、回水對水質中重金屬含量的影響是，水中金屬含量增加後又下降趨於原水含量水準或擾動前後水體含量變化不大。總之，雖然水庫底泥擾動對水體造成的水質變化的影響程度不同，但在底泥擾動後812天左右，水體中的重金屬含量將逐漸趨於擾動前的含量水準。說明在S水庫供水時期實施泥沙淤積清淤工程是可行的。 清淤回水的銨氮對水質的影響 圖3.17是S水庫底泥擾動後不同時段水中總氮含量變化，從表中可以看出，水庫水質檢測中總氮全部超標。淤泥擾動後，水中總氮含量變化變化不大。圖3.17 S水庫底泥擾動後不同時段水中總氮含量變化 圖3.18為水庫底泥擾動後不同時段銨氮含量的變化。可以看出，擾動對銨氮含量變化影響很大，特別是擾動
31、後的第1天，底層水銨氮含量達6.538g/ml。無擾動水銨氮含量基本接近國家二級地表水標準，擾動後水中銨氮含量超過標準多倍。圖3.18 S水庫底泥擾動後不同時段銨氮含量的變化四、結論 1. 深圳市S水庫的泥沙淤積問題已經影響到水庫正常運轉和功能的發揮。上游及庫區快速發展的經濟活動造成了人為水土流失，是入庫泥沙的主要來源。 2. 水庫的泥沙淤積物特別是上層已經污染的淤泥層對水庫水質有一定的影響。水庫周邊地表水的面源污染既可直接污染水庫的庫水水質也可間接地污染到水庫的底泥，並沉澱累積重金屬等有害物質，同時水庫庫底淤積物中的重金屬在外動力作用下又可以浸出反過來污染水庫的水質，形成水庫水質的二次污染，
32、影響到供水水庫的水質保障。 3. 在水庫清淤工程的實施過程中，淤積物的擾動對水質的影響主要是增大水體的濁度和增加銨氮濃度，擾動對重金屬污染物濃度的影響較小，而對營養物質的影響卻較大。在水庫的清淤過程中，某種程度上還可能降低水庫水體中的某些重金屬的含量。 4. 開展供水水庫泥沙淤積物的清淤工程，不僅可擴大水庫的有效庫容，而且可以有效地減少水庫淤積物中的有害物質長期浸出並對水庫水質的二次污染。為保證供水水庫水質，針對水庫泥沙淤積物的清淤工程是至關重要的，也是保持水庫永續利用的根本舉措。致謝 本文為廣東省水利廳科技計畫專案深圳市S水庫泥沙淤積與污染分析研究（編號：200503）的部分研究成果。廣東省水利水電科學研究院、廣州地理研究所、廣東省土壤肥料研究所、深圳市水務局等單位的科研人員做了大量卓有成效的工作，特此致謝！參考文獻1. 林叔忠等主編，水庫泥沙淤積研究及治理技術彙編，2005.122. 陸國琦主編，華南大型水庫泥沙淤積研究，廣東科技出版社，1993.103. 何承偉、林叔忠等主編，廣東水利科技成果，2004.114. 廣州地理研究所，深圳S水庫清淤工程對水質影響研究；2006.2.5. 廣東省水利水電科學研究院，深圳市S水庫泥沙來源、淤積量及淤積規律初步分析；2006.2.6. 深圳市水利規劃設計院，深圳市S水庫清淤工程地質勘察報告， 2003.11.
