引言

密云水库是北京市城市饮用地表水主要水源。自1999年以来, 北京地区持续多年干旱少雨, 水库水量急剧减少, 而城市用水量逐年增加。为缓解北京市水资源短缺, 抗旱增雨, 北京市政府在2003年7—9月启动了以密云、官厅2大水库蓄水为目的人工增雨应急方案, 在水库上游进行了大规模的飞机、火箭蓄水型人工增雨催化作业, 到目前为止, 已连续开展3年。在实施人工增雨作业中, 所用碘化银催化剂产生降水是否会对水库水质产生影响, 这是政府及公众所一直关注的问题。

从20世纪60年代开始, 美国、加拿大、前苏联等国家先后对人工增雨催化作业后降水中的Ag⁺及化学组分进行监测分析^{[1, 2]}; 1980年代我国湖南、福建等省相继开展人工降水中Ag⁺分布研究^[3]; 但关于人工增雨影响区域地表水中Ag⁺及化学组分变化特征研究报告相对少得多。因此, 从2004年汛期(5—9月)开始对密云水库和白河入口处水质进行定期、定点监测, 主要是以飞机播撒AgI催化剂为主的水库蓄水型增雨试验, 利用收集的样品序列资料, 对水库中Ag⁺浓度变化、化学特征进行了分析研究。

北京地区位于华北平原的西北端, 其东北部、北部和西部三面环山, 东临渤海, 西北高、东南低, 属温带大陆性气候。由于受地形的影响年降水量分布极不均匀, 多集中在夏季6—9月, 冬季稀少。因此飞机人工增雨时间为每年5—9月, 区域位于38—42°N、113°30′—118°30′E之间。主要集中在北京地区西北—北—东北, 即延庆、怀柔、昌平、密云、平谷及与此紧邻的河北省境内地区。同时利用密云、延庆白河流域6个流动火箭点, 延庆等区(县) 15个固定火箭发射点和河北省承德、张家口地区丰宁、赤城、怀来、涿鹿和宣化5个县, 开展区域合作进行火箭增雨作业。

1 水质测定 1.1 水样采集

对水库定期取样, 了解水库水质现状及变化, 尤其是催化作业后Ag⁺浓度增加与否, 是否会对水库水质、周边环境产生影响, 是进行人工影响天气实施催化作业首先需要考虑的问题。本次对水库南坝(代表水库水质)、黑龙潭桥下(代表水库上游白河入口处水质, 文中以入口处表示) 2个采集点水质进行连续监测。水样使用经过严格洗涤处理后聚乙烯贮样盒取样。

1.2 检测项目、测试设备

化学组分测定除Ag⁺外, 还进行pH值、电导率等共16种检测项目。其中SO₄^2-、NO₃^-、Cl^-、F^-由离子色谱法测定, Ag⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、用原子吸收光谱法、氨氮则用紫光分光光度法测定。使用SB-24电感耦合等离子体质谱仪、SB-01原子吸收光谱仪AAS、SB-03离子色谱仪DX-100Ion等测试设备。Ag⁺检出限为1×10^-12g·mL^-1。

1.3 采样时间与监测频率

5—9月为飞机人工增雨作业期, 其余月份为非作业期。2004年作业期每月监测2次, 其它月份每月监测一次; 从2005年5月开始每月均监测2次。每个监测点一次同时取2个水样(除个别月份), 取其均值。2004年6月—2005年7月, 共取水样40个。所取样品送交北京市理化中心测试。

2 评价依据

根据国家及有关部门对生活饮用水水源、水质有关标准和规定, 评价依据选用《生活饮用水水质卫生标准》 (GB 5749—85)、《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) ^{[4, 5]}。生活饮用水水质中Ag⁺卫生标准为50μg·L^-1。

3 测试结果分析

通过2个采样点2004年6月—2005年7月时段内16项测定结果见表 1。总体上看, 作业期大多数监测结果要低于非作业期间(氨氮除外), 但每项测定结果在空间分布上差异不很大, 只有钙、铁变化较明显。2个采样点比较, 作业期和非作业期, 水库中各项测定值都基本略低于入口处, 说明水库水质好于入口处。主要原因在于：水库水域面积大, 流速小, 使进入水库的各种物质得到稀释, 同时水体中悬浮颗粒逐渐沉积, 致使水库水质组分浓度降低。分析表明：(a)2个采样点的pH值均在正常值范围内(7.4~8.5之间), 水体无酸度或碱度过高现象, 符合地表水环境质量标准; (b)水中重金属离子、阴离子含量较低, 符合文献[4]标准; (c)氨氮在水库水量多的7、8月份含量高, 为三类水体, 水量少的月份低^[6]符合一类水体标准; (d)水库水体中Ag⁺月变化情况(见图 1)分析表明：作业期(5—9月)为低值区, 非作业期为高值区。作业期间所测Ag⁺一次浓度最大值0.90μg·L^-1、最小值0.48μg·L^-1, 均未超过50μg·L^-1生活饮用水水质卫生标准。在非作业期所监测的Ag⁺一次浓度最大值1.0μg·L^-1 (11月份)高出作业期。(e)作业期间, 水库Ag⁺浓度值降低与入口处不是同步而是滞后; 而非作业期间, 2个采样点的Ag⁺变化趋势基本一致。

4 影响水库中Ag⁺变化分析

飞机作业区域为水库上游汇水区, 取其上游及周边5个站点(延庆、佛爷顶、汤河口、上甸子、密云)月降水量与当月的增雨率得出汇水区月增雨量。增雨量的求算方法是依据长序列历史资料和较长作业资料, 分别对飞机和火箭增雨效果进行统计分析, 以其分析结果为基础, 使用催化覆盖面积加权法分析综合增雨率, 得出2004年汛期密云水库流域增雨作业可增加降水量13 %左右, 有关上述增雨量计算已在相关文章中介绍^[7]。图 2给出了汇水区月降水量、增雨量与AgI播撒量间的变化关系, 其月变化趋势是一致的, 即作业区月AgI播撒量增加时相应月降水量也增大。7月份降水量、增雨量和播撒量均为最大值表明AgI催化剂有很好的增雨效果。

4.1 AgI播撒量

图 3展示了水库、水库上游白河入口处2个采样点Ag⁺月变化与作业区中A gI月播撒量相互间的对应关系。A gI播撒量与水库中Ag⁺月变化呈反相关、与上游入口处Ag⁺月变化呈正相关。AgI播撒量7月份最大值, 而水库中Ag⁺月变化则是7月份为最小值, 不播撒作业的月份Ag⁺浓度反而高。据统计资料表明：作业期间AgI播撒总量为16494g, 增雨量约为66.9mm^[7], 影响面积以1.5×10⁴km²计算得到增加降水量约为100350×10⁴m³; 据水利部门计算水库在此间增加水量1929×10⁴m³, 相当于约有317g AgI进入水库, 与16504×10⁴m³水库入库水量相比其浓度为0.01921g/10⁴m³, 相当于1.921×10^-6 mg·L^-1, 其浓度是极低的。因此, 作业后水库入库水量越大, 稀释作用越强, 使得Ag⁺浓度值相对降低。由于河流水体的更新速度比水库来得快, 对水体稀释自净能力也相对较高^[8]。所以水库上游入口处水体Ag⁺月变化与播撒量变化趋势基本相同。

4.2 降水量

增雨作业后汇水区月降水量增加(见图 4)对水库、上游入口处2个采样点Ag⁺月变化影响可从图 4上看到, 对降水量最明显的6、7、8月份, 水库上游白河入口处Ag⁺月变化幅度虽然不很大, 但趋势与其相同; 而水库中Ag⁺月变化却与其相反。降水量最大7月份, 水库Ag⁺浓度值最低。

4.3 水库增水量

由水利部门提供资料来看, 7、8月份水库增水量最大, 但并未引起水库中Ag⁺浓度值的突增, 相反7、8月Ag⁺降到最低(见图 5)。对于作业期间径流进入水库的水量中Ag⁺远小于水库中原有Ag⁺含量, 并不足以使水库中Ag⁺含量提高, 水库水量的增加起到稀释其Ag⁺含量的作用。另外, 由于水库水域宽广, 水体本身具有较好的自净能力, 使得水库中Ag⁺浓度降低, 并未随着水库水量的增加而增加, 相反基本呈下降趋势。

5 个例分析

为表明作业期间, 水库与入口处在作业前后水体中Ag⁺浓度变化情况, 特选2004年一个例过程。

6月18日—7月9日此期间只进行过一次飞行作业(6月30日), 当天2个架次的飞行9：26—11：12、14：00—15：25共作业3小时11分。飞行区域为河北丰宁、怀来、赤城及延庆、怀柔、密云、昌平, 共使用烟条13根。在上述日期及地区内共施放增雨炮弹78发、火箭弹158枚, AgI播撒量为1801g。此期间降水量约为134.9mm, 降水中所含Ag约为1.6197×10^-5 μg·L^-1; 同时水库日入库量由原来25×10⁴m³增加到84×10⁴m³, 这对水库及白河入口处水中Ag⁺变化产生不同程度影响(图 6中, 作业前指6月18日、作业后指7月9日)。由图 6可发现：在作业前6月18日, 水库中Ag⁺浓度值明显高于白河入口处, 其差值为0.11μg·L^-1。经过6月30日进行飞机人工催化增雨作业后, 由于水库水量的增加, 作业后7月9日Ag⁺监测结果, 水库Ag⁺浓度值作业后比作业前下降0.13μg·L^-1, 而白河入口处水质中Ag⁺浓度增加了0.04 μg·L^-1, 但作业后白河入口处水质中Ag⁺浓度仍低于作业前水库Ag⁺浓度值, 其差值为0.07μg·L^-1。说明入库水Ag⁺要低于作业前水库Ag⁺原有浓度值。

6 结语

因对资料的占有量不够充分, 以上的分析结果也只是初步的。就目前观测结果而言, 经过实施飞机人工催化增雨作业后, 水库、白河入口处水质pH值均在正常值范围内; 虽然水库中水量增加, 但所测组分浓度值均比作业前有所下降(氨氮除外); 尤其是水库中Ag⁺有明显的月变化, 最低值出现在水库增水量最多的7、8月份, 与水库增水量基本呈反相关; 且作业期间水库Ag⁺浓度值低于非作业期间; 在全年监测中, Ag⁺一次浓度最大值未超过50μg·L^-1生活饮用水水质卫生标准。尽管水库中Ag⁺月变化的原因目前并不清楚, 但这些监测资料表明, 实施飞机人工催化增雨作业期间, 降水量的增加并未影响到水库中Ag⁺离子浓度的增加。