摘 要
黄河万家寨水库位于黄河北干流托克托至龙口河段峡谷内，其主要功能为供水、发电。然而，水库建成后，库区水质未能达到环境影响评价所要求的地面水环境质量标准的III类水水质标准。本文通过工程竣工环境保护验收环境调查所收集到的资料，从万家寨水库水质污染的现状分析与污染原因探讨着手，提出了万家寨水库的水质保护与防治对策。
关键词: 万家寨；水质；污染；对策
随着经济的发展，人民生活水平的提高，优质水资源的供求矛盾将愈加突出，水资源不足、水质恶化可能会影响到区域经济的可持续发展。因此，以供水为主要功能的万家寨水库，要确保其水源优质，防止水质恶化，协调水质保护与区域经济发展的关系变成了水库日后运行管理工作的主要任务。
1 工程概况
黄河万家寨水库位于黄河北干流上段托克托至龙口河段峡谷内，其左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗，是黄河中游八个梯级规划开发的第一个，是以供水、调峰发电为主，同时兼有防洪、防凌等综合效益的国家一等大（I）型水利枢纽工程，总库容8.96亿m3，总装机容量108万kWh。主体工程于1994年11月3日开工，1998年10月1日下闸蓄水，1998年11月28日首台机组发电，2000年底六台机组全部发电，2001年底给太原进行了试供水，工程实际总投资49.14亿元人民币。目前工程的单项验收或鉴定已完毕，正准备工程的全面验收，尔后投入正式运营。
万家寨水库控制流域面积39.48万km2，多年平均径流量248亿m3，多年平均流量790 m3/s，多年平均输沙量1.49亿t；年供水量14亿m3，其中向内蒙古自治区准格尔旗供水2.0亿m3，向山西平朔、大同供水5.6亿m3，向太原供水6.4亿m3。枢纽发电后，电力分别接入山西及蒙西电网。
2 水质现状与问题
2.1 环评水质评价回顾
万家寨水库工程环评报告书于1987年8月编制完成，水质评价标准采用的是国家1988年颁布的《地面水环境质量标准》(GB 3838-1988) Ⅲ类水质标准，其中Hg和Cd两项采用的是国家1985年颁布的《生活饮用水标准》(GB 5749-1985)。选用的水质指标有16项，未包括CODCr、石油类、大肠菌群、铁、锰、总磷和总氮等指标。评价方法采用的是综合污染指数法。
评价结果是上游来水水质除1986年枯水低温期Pb略微超标（超标倍数为0.24）使该时段水体呈轻污染外，其它各时段（包括全年平均）水质均达到水体主要功能要求，呈尚清洁。万家寨坝址水体水质均达到水体功能要求，呈尚清洁。
水库环评预测分为入库水体水质趋势性预测和库区水质预测分析两个方面。入库水体水质趋势性预测指标有5项即酚、氰化物、砷、汞和高锰酸盐指数。预测结果表明2000年水平，万家寨水库回水末端水质预测指标均能达到地面水环境质量标准第Ⅲ类。库区水质有机污染物预测结果表明，高锰酸盐指数、BOD5各段均在第三类标准限值内，符合饮用水功能要求。上游入库重金属浓度也能达到生活饮用水标准。环评报告同时提出了水污染防治措施。
2.2 目前水库水质现状
万家寨水库水质监测主要委托黄委会中游局水环境监测中心来实施，从1998年到2001年共进行了7次水质监测。监测断面3-7个，即支流的红河口断面、龙王沟口断面、黑岱沟口断面与干流的入库断面、库中小沙湾断面、坝前断面和坝下出库断面。监测项目的指标数量从20项到42项不等。监测断面和监测项目虽然每次因调查目的和重点有所不同，但最基本的监测项目均包括在内。监测结果表明，万家寨水库试运行期4年7次的水质均不符合环境影响评价所要求的III类水质。
2.2.1 1998-2000年的监测
1998年9、10、11月即库区蓄水前、蓄水期和蓄水后三次采集水样，监测断面5个，监测指标42项。结果表明万家寨入库水质、库区水质和出库水质为IV-劣V类水质标准，受到污染。造成库区水质污染的主要原因是，总锰和总铁含量严重超标，其次是来自支流龙王沟和红河的污染。总锰和总铁主要来自吸附于黄河泥沙中的锰、铁在加酸条件下的解吸，如果不考虑总锰和总铁的因素，喇嘛湾入库水质仍为劣V类水质，库区水质和出库水质为IV类水质。
但从水库蓄水前、蓄水期和蓄水后3个时段来看，库区蓄水后水质明显好转，仅锌超标，为IV类水，出库水质也为IV类水；并且超标项目数也在减少，如坝前断面蓄水前、蓄水期和蓄水后，超标项目数分别为3、2、1项（表1）。
1999年6月监测20项指标、5个断面，水质评价结果为V-劣V类水质，见表2。超标项目：CODCr 5个断面均超标，超标倍数为0.36-1.11倍，其次为非离子氨，4个断面超标（除库中断面），超标倍数为0.5-2.0倍，石油类2个断面超标，并且是坝前和坝下断面。而库中断面仅有一个指标（CODCr）超标。从超标指标的数值来看，CODCr入库超标0.86倍，到库中后减少为0.36倍，坝前为0.61倍，而出库后增加到1.11倍；非离子氨入库超标2倍，到库中后达标，到坝前又超标1.5倍，出库后为0.5倍。
2000年5月的监测表明，三个断面均为V-劣V类水质。3个断面都超标的污染物有CODCr、非离子氨两项。以入库断面超标最严重，超标项目有9项，而坝前断面仅有3项指标超标（表2）。值得注意的是有2个断面汞和亚硝酸盐氮也超标。
2.2.2 2001年的监测
2001年进行了3次监测。2001年7月监测29项指标、7个断面，监测结果（表3）表明，入库支流红河口断面超标项目有9项，即总磷、氨氮、非离子氨、总氮、铁、锰为V-超V类水质；CODCr、石油类、大肠菌群为IV类水质。龙王沟口断面超标项目有12项，即总磷、CODCr、BOD5、氨氮、非离子氨、亚硝酸盐氮、总氮为V-超V类水质；总锰、石油类、大肠菌群、DO、CODMn为IV类水质。
干流断面的结果是库尾喇嘛湾入库断面超标项目有10项，即CODMn、CODCr、氨氮、总氮、总铁为V-超V类水质；非离子氨、亚硝酸盐氮、总锰、大肠菌群、总磷为IV类水质。库中小沙湾断面超标项目有11项，即总磷、CODMn、CODCr、氨氮、总氮、总铁为V-超V水质；非离子氨、亚硝酸盐氮、总锰、石油类、大肠菌群为IV类水质。坝前断面超标项目有5项，即CODCr、总氮为超V类水质；总磷、非离子氨、石油类为IV类水质。坝下断面超标项目有6项，即CODCr、总氮为超V类水质；CODMn为V类水质；非离子氨、石油类、大肠菌群为IV类水质。
由此可见，入库断面超标最严重，超标项目有10项，而坝前断面仅有5项指标超标。这5项指标中新出现的有1项，为石油类，2项指标值（CODCr和非离子氨）下降了，2项指标值（总氮和总磷）增加了，5项指标（CODMn、氨氮、亚硝酸盐氮、锰和大肠菌群）通过水库的作用达标了。
2001年9月监测指标34项、7个断面，监测结果（表4）同样表明，仍以入库断面超标最严重，超标项目有10项，而坝前断面仅有4项指标超标。这4项指标中只有总氮指标略增加，其它3项指标值（石油类、总大肠菌群、CODCr）均下降，6项指标通过水库的作用达标了。2001年12月监测指标20项、3个断面，监测结果（表4）也表明，仍以入库断面超标最严重，超标项目有7项，而坝前断面为5项。这5项指标中石油类、氨氮指标值增加，阴离子表面活性剂没有变化，其它2项指标值（CODCr、BOD）均下降，2项指标通过水库的作用达标了。
*：0.54/V，前面数字0.54代表实测值，后面V代表水质类别，下同；
**：斜体为参照标准即GHZB 1-1999，下同
2.3 水库的水环境问题
通过对万家寨水库水质现状的分析，尽管坝前水质通过水体的净化作用有所改善，但仍然不能满足环评所要求的III类水质标准，也达不到给山西省引黄供水的水质标准。水库主要的水环境问题：一是CODCr、石油类、非离子氨超标出现的几率较多，二是入库没有的指标在坝前出现了，部分指标污染程度反而加重了；三是库区水质达到中―富营养化程度，每年的6-8月水体发黑，水体感官形象很差；四是工程原来设计的供水时间与目前实际的水质监测供水水质标准不相吻合。原来设计的供水时间是非汛期，汛期排沙，而从水质监测结果来看，汛期水质好于非汛期。
3 水质污染原因分析
万家寨工程的环评是20世纪80年代后期完成的，如今经过10多年的发展，黄河流域乃至全球，整个生态环境与气候、工农业生产与经济发展发生了较大的变化。一方面黄河上游取水、用水不断增加，另一方面上游三省、区有大小企业无数家，不断排放未经处理的污水，导致有限的黄河河道纳污能力降低，超过了水环境承载能力的阈值。
3.1 黄河上游水文水资源的变化分析
整个黄河流域近10年来，降水量明显偏少，2000年黄河流域平均降水量为381.8 mm，与常年降水量比较，全流域平均偏少14.4%。兰州以上是黄河径流的主要产流区，多年平均降水量为426.4 mm。从年代变化来看，60年代降水较多年平均偏多了2.6%，70年代和80年代基本持平，90年代平均偏少5.7%。汛期降水量，多年平均为309.6mm，从年代变化来看，与多年平均相比，60年代、70年代和80年代基本持平，50年代偏多了2.8%，90年代偏少6.1%。
从黄河流域近11年（1987-1997年，下同）降水量的变化特征分析，黄河流域近11年降水量较以往（1950-1986年，下同）偏少了7.5%，其中汛期偏少了7.7%。年降水量兰州以上偏少了5.6%，兰州至头道拐区间偏少了2.9%。特别是1997年为历史上罕见的干旱少雨年份。流域降水量平均偏少25.7%，其中兰州以上偏少2.1%，兰州至头道拐偏少28.8%。
河川径流是黄河流域重要的水资源。兰州站1950-1997年平均天然年径流量为337.8亿m3，1990-1997年为280.8亿m3，比平均年径流量少16.9%。近11 年与以往相比，平均年径流量减少了48.5亿m3，相对减少了13.9%。兰州至头道拐区间来水很少，对黄河干流来讲基本上是不产流区，年平均天然年径流量仅为3.2亿m3。
随着黄河流域工农业用水的逐年增加，黄河干流主要水文站的实测年径流，普遍呈现出衰减的趋势。兰州站1950-1997年平均天然年径流量为320.0亿m3，1990-1997年为263.4亿m3，比平均年径流量少17.7%。近11 年与以往相比，平均年径流量减少了19.6%。头道拐水文站多年平均天然年径流量为232.9亿m3。1990-1997年为161.5亿m3，比平均年径流量少30.7%。近11 年与以往相比，平均年径流量减少了33.5%。
径流量的减少正是由于人类活动加剧了水资源的开发利用所导致的，如兰州站人类活动影响水量20世纪50年代只有8.5亿m3，到了90年代上升到17.4亿m3，增加了1.05倍。兰州至头道拐区间50年代为69.6亿m3，到了90年代上升到110.9亿m3，增加了59.3%。可见，万家寨上游人类活动影响水量随年代变化呈稳步增长的趋势。因此，黄河上游近10多年来降水量、天然径流量、实测径流量均减少，人类活动影响水量而上升，这是万家寨水库乃至整个黄河流域水质污染的一个不可忽视的因素之一。
3.2 黄河上游水质污染分析
近几年黄河流域废污水排放总量在逐渐增加，从1997年的40.01亿t增加到2000年的42.22亿t。废污水达标排放量1997年约为4.899亿t，仅占总量的12.2%。黄河流域19个流域分区中，废污水排放主要集中在渭河、龙羊峡至兰州干流区间、汾河、下河沿至石嘴山等分区中，如1997年结果，依次分别占流域总量的16.4%、15.9%、13.4%和12.2%，黄河上游占了2个。
1997年黄河流域干流IV-V类水质河长占总河长的84.0%，1998年为63.3%，2000年为40.5%。主要污染项目为氨氮、铜、铅等重金属。2000年上游污染较严重的是五佛寺、石嘴山、乌达桥河段等。2001年黄河上游的重点河段即进入万家寨水库的喇嘛湾入库断面水质为IV―劣V类水。
从黄河上游甘肃、宁夏、内蒙古3个省、区1996-2000年的水环境现状评价结果来看，宁夏污染较为严重。2000年，黄河宁夏段内的各监测断面均为Ⅴ类、劣Ⅴ类水体，其入境断面有6项污染物超标，到出境断面就有12项污染物超标。全区工业废水排放总量为10942万吨，达标率仅为35％。据了解，宁夏区域内95％以上的工业废水和生活污水经城市排水管网或农田排灌沟渠进入黄河。其中，日排放量100吨以上的重点污染企业94家，主要集中在造纸、化工、制药、酿造、淀粉等行业。甘肃的白银段、内蒙的三湖河和喇嘛湾断面水质状况为V―劣V类水。
从环保系统在黄河中上游布设的水质自动监测（监测8项指标、每周一次）重点断面来看，2001年到2002年3月的监测结果是甘肃兰州新城桥断面水质均为II-III类水，内蒙古包头画匠营子断面多数周为IV-劣V类水，特别是进入2002年以来，没有过III类水。
黄河上游各省入黄支流污染更为严重，2000年内蒙古入黄支流全为V-劣V类水，并且劣V类水断面占到81.8%，尤其是包头支流和呼市支流总汞严重超标。甘肃入黄支流大夏河，1996-2000年多为V-劣V类水，主要污染物为化学需氧量。
4 水质保护与防治对策
万家寨水库其主要功能为供水，其次为调峰发电。工程本身并未对黄河或水库的水质造成影响，并通过了国家环保总局的验收，但作为主要供水功能的水库其功能并未实现。库区上游随着水资源量的急剧减少，不少地区有些污染物已明显超过黄河水环境承载能力，即使每个企业都达到了排放标准，但总体上仍不能达到区域环境质量标准。加之西部大开发，库区上游地区经济将会有一个大的发展，未来几年内上游水质不可能有所改善；上游取用水量也只能增加，不可能减少。因此，必须加强开展万家寨水库水源工程及其影响区水质安全、水质保证预测与对策的研究，这不仅是对山西和内蒙古人民饮用水造福，而且也对整个黄河流域开展水环境承载能力与生态需水的关系研究，实施总量控制和流域水资源综合管理，具有重要意义，特别是为万家寨水库饮用水水源保护的长远发展规划以及黄河流域水资源保护提供科学依据。
4.1 依法保护水源
万家寨水利枢纽工程是由水利部、山西省、内蒙古自治区三方投资组建的股份有限公司，库区涉及山西、内蒙古两个省区。因此，必须积极与地方政府联系，争取政府颁布《万家寨水利枢纽管理办法》，以促进库区水质保护工作。特别是需要得到内蒙古自治区的大力支持，因为库区及库周95%的范围属于内蒙古自治区，而供水主要是供给山西省。已起草的《万家寨水利枢纽管理办法》，将库区水源保护范围划分为一、二级保护区，保护区内严格执行国家环境保护的法律法规与标准。加强检查和监督，防患于未然，对有污染水质行为的单位和个人，按有关条款和规定予以处罚并责令其纠正，做到执法必严、违法必纠。
4.2 严格控制污染源
库区及库周与库区上游的当地政府应大力加强对上游和库周污染源的监督检查，控制污染源的达标排放。库尾到坝前主要的入库支流为红河、龙王沟、黑岱沟、杨家川、窑沟支流等。根据调查库周内蒙古黑岱沟地方煤矿年产煤炭170万t，窑沟地方煤矿年产煤炭40万t，无任何环境保护措施。虽然这两沟常年基本无水，但一旦发生大暴雨，日积月累的散落煤粉等污染物将会大部分流入库区，最终对库区水质也产生一定的不利影响。
此外，准煤公司电厂和准煤公司的污水处理厂也排放废污水，通过龙王沟流入库区，需加强监督和检查。黄河中游水环境监测中心对煤田所流经的龙王沟季节性河流1998年进行了监测，入黄小沙湾断面亚硝酸盐氮、非离子氨和BOD为劣V类水质标准。库周一些“十五小”企业还在铤而走险，时停时产。
离库区较近的大黑河是黄河较大的支流，呼和浩特地区的什拉乌素河、小黑河接纳了呼和浩特地区大部分外排污染物后经大黑河排入黄河。主要的污染企业有呼和浩特炼油厂、内蒙古化肥厂、伊利公司、内蒙古啤酒厂等。这些企业排放的污染物经水体净化后，残余部分最终也流入库区。
4.3 建立万家寨水库水环境信息数据库
加强库区水环境监测站网的建设和运行管理，整理水库已有的水质监测资料及其相配套的水量水文信息与库周已有的污染源资料及其相关的信息；收集调查上游三省、区（甘肃、宁夏、内蒙古）重点断面入黄支流、干流污染源排放情况，目前水质状况，面源污染状况等，最终建立万家寨水库水源工程及其影响区水环境信息数据库（包括水质、水文水资源、气象、社会经济、工农业用水、功能区区划、可供水量分配方案等），并进行动态更新，为库区水质安全保证与预测提供依据。
4.4 开展水库水源工程及其影响区水质保证预测与对策的研究
首先要开展水库上游及其库周水质水量的时空动态变化规律研究，选取主要污染指标（主要为CODCr、氮、磷），重点研究典型河段水质污染的规律与来水水量间的相互关系，建立水质污染指标与来水水量之间的动态预测曲线，典型河段的水环境承载能力与水量的关系。
第二，进行万家寨库区供水水质与水量的相互关系研究，开展不同水文条件下（分汛期、非汛期、汛期的第一场暴雨等条件），库区水质演变状况与规律的研究，结合库区蓄水状况，研究库区供水水质与水量的相互关系，建立坝前供水水质与来水水量的动态预测曲线，为引黄供水提供依据。
最终要在上述研究的基础上，提出并预测库区最佳供水期、影响库区水质的范围区域以及保证水质安全的措施与对策。
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Analysis of Water Pollution and Its Countermeasures
of Wanjiazhai Reservoir in Yellow River
LI Guibao CHEN Kaiqi
(Department of Water Environment, China Institute of Water Resources and Hydropower Research)
ABSTRACT
Wanjiazhai reservoir in Yellow River is located in gorge from Tuoketuo to Longkou, which function is mainly utilized for water supply and electric generation. However, water quality can not meet the third standard of surface water of Environmental Quality Standard for Surface Water (GB 3838-88) after reservoir was built. At the basis of analysing water quality status and studying cause of water pollution of reservoir by collecting a lot data about water resources and water quality of Yellow River, protection of water quality and countermeasures of preventing water pollution were put forward.
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