溫州飲用水源地珊溪水庫水質的時空分析

李 平，陳 強，王 婷，龔 健，商 栩

（溫州醫科大學 環境與衛生學院，浙江 溫州 325035）

溫州飲用水源地珊溪水庫水質的時空分析

李 平，陳 強，王 婷，龔 健，商 栩*

（溫州醫科大學 環境與衛生學院，浙江 溫州 325035）

在一年時間內對珊溪水庫水質在重點支流的水平和垂直方向上的分布狀況進行監測，分析庫區水體水質的時空變化特征。結果表明，珊溪水庫主庫水體氮的季節分布特征明顯，春秋季含量高于夏冬季，磷元素含量在不同季節變化不大。水庫水質隨氣象水文條件的垂直分布研究表明，主庫40～50m水體長期存在熱分層現象，且常年處于缺氧狀況。庫底水體及沉積物中的缺氧、厭氧環境有利于有機物的厭氧分解，并在底層水體中累積形成高于表層水體的氮、磷濃度。水庫主庫30m以上水體在秋冬季又會發生垂直水層間的傳質交換，可以改變氮、磷轉化途徑，也可能將底層水體中的營養物質帶至表層，誘發藻華。

珊溪水庫；時空變化；熱分層；垂直交換

近年來，多數城市主要供水水源湖庫的水質問題已顯現［1］，其中水體富營養化是最突出的問題之一。水體富營養化會造成水生生物大量死亡、水質惡化、發腥發臭等［1］，并且對人類和生態健康都存在潛在的威脅［2］。飲用型水庫的營養源來源分析一直都是學術界和管理部門的關注重點，然而長期以來水庫水源地的污染研究多集中于工農業和生活畜禽養殖等方面［3-6］，而對于內源釋放來源污染的研究相對較少。內源釋放方面的研究大多關注水—沉積物界面上的氮、磷吸附解吸行為［7-14］，對底層厭氧水體中釋放的營養物質能否及如何影響上層水質了解不多。

珊溪水庫是溫州市最大的供水水源，它控制著溫州地區將近80%的水資源，被溫州人民譽為“大水缸”。近幾年來水庫水質呈下降趨勢，曾出現藍藻水華等富營養化現象，常發生季節性的水質惡化事件。作為一個河道型水庫，珊溪水庫受到水庫地形地貌和子匯水區情況差異等的影響，其水體中各種水溶性和不溶性物質的時空分布必然很不均勻，現有的少數固定點表層水質數據難以充分反映水中污染物的分布狀況。特別是作為一個最大水深超過百米的深水水庫，不僅其水質的水平分布呈現區域差異，在垂直方向上的水質分布差異必然客觀存在。河道型深水水庫這種立體的水質分布特征不僅是各種水環境要素以及不同來源污染物入庫的結果，更是各種物質經過生物地球化學循環過程作用的結果。本文在對珊溪水庫水質常規監測的基礎上，新增對水質的垂直空間分布狀況以及各種水文條件的測定，從而更加全面地了解不同污染來源對珊溪水庫水質的影響的貢獻大小，為水庫水質的模擬和預測乃至整個水環境監測管理信息系統的構建提供依據，為今后珊溪水庫全流域的科學管理、治理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

珊溪水庫位于溫州市文成縣境內的飛云江干流中游河段，全流域面積3252km2，距溫州市區117km，距文成縣城28km。如圖1所示，珊溪水庫采樣點包括黃坦坑上 （A1）、中 （A2）、下 （A 3）游，雙板橋上游 （A4）和雙板橋下游 （A5）共5個固定點。

1.2 樣品采集

庫區垂向水質樣品分別于表層 （0～0.2m），以及用Niskin分層采水器在水體中層 （5～10m，此為葉綠素及溶解氧最大層）、底層 （支流上游30m，中游50～60m，下游及主庫70m）采集，水樣采集后滴加1～2滴飽和HgCl2固定，4h內帶回實驗室進行后續檢測分析。

圖1 研究區及采樣點位置

1.3 分析方法

水樣的在線監測通過美國YSI公司6920V2型多參數水質分析儀現場完成。該水質分析儀最大使用深度可達200m，但受限于數據實時傳輸線纜長度 （約61m），實現在線監測的最大深度約為60m。YSI-6920V2所能監測的水環境指標包括水溫、溶解氧、銨態氮等。所有探頭傳感器均每月在實驗室內參比校準，以保障在線監測數據的準確性和可比性。理化指標均按國標方法測定。硝態氮采用紫外分光光度法，銨態氮采用納氏試劑比色法，總磷 （TP）采用鉬銻抗分光光度法。

2 結果與分析

2.1 珊溪水庫典型水體水質的季節分布特征

2.1.1 銨態氮

珊溪水庫的水質呈現出顯著的季節變化，且這種變化很大程度上受降水量的調控。各站位水體中銨態氮含量總體呈現兩個高峰，分別出現在春、秋兩季 （圖2）。各監測站位表、中層銨態氮均在5月出現最高值，但底層銨態氮最大值出現的月份則有所不同，黃坦坑中游的底層銨態氮最大值出現在11月。夏季的水體銨態氮含量低谷主要反映了進一步降雨的稀釋作用及浮游植物吸收利用的消耗，冬季的銨態氮低谷則主要是由于降雨減少造成的外源輸入減少所致。

圖2 銨態氮的季節分布特征

2.1.2 總氮

相比銨態氮顯著的年度波動，水體中總氮的濃度變化趨勢相對較緩，在春末夏初的5，6月達到最大，之后逐步下降，至冬季達到最低值（圖3）。這種差異一方面是由于春夏之交水庫從降雨及其形成的地表徑流輸入的氮含量增高，從而使得總氮含量最高峰出現在5—6月。另一方面，由于夏、秋季庫區高的水溫和日照輻射，導致水體浮游植物數量一直維持在較高的水平，在其產出的大量溶解氧參與下，大部分氮素以硝化狀態呈現，從而表現為夏、秋季水體中銨態氮很低、總氮相對下降不明顯的特征。此外，總氮的組成中除了有銨態氮、硝態氮等無機氮的存在，還有相當部分是以溶解態有機氮的形式存在。而溶解態有機氮主要為浮游植物釋放和分解產物，因此在春夏季浮游植物生長旺盛的時期，其產出溶解態有機氮量也較多，也使得水體總氮含量相對銨態氮而言較為穩定。

圖3 總氮的季節分布特征

2.1.3 總磷

磷的季節分布特征與銨態氮和總氮都有很大不同，水體中磷的濃度與溫度、降雨等氣候現象的關聯不大 （圖4）。表層、中層和底層水體中總磷含量的季節變化趨勢均有所差異，反映了表、中、底層水體中磷的來源及代謝行為可能存在差異。

圖4 總磷的季節分布特征

總體而言，氮、磷元素在珊溪水庫不同調查站位的季節分布特征不一致，其中氮元素所呈現出的雙峰型的年度分布模式與降雨及夏季藻類生長旺盛期間參與的生物地球化學循環有關。春夏之交的降雨形成的地表徑流能夠將大量氮帶入庫區水體中，形成了水體中氮素的第一個高峰。隨后在夏秋季的高溫多雨季節中，雖然降雨仍將地面、大氣中的氮素帶入水體，但浮游植物在此期間旺盛生長，大量消耗水體所接受的氮元素，可能是造成此時期氮素特別是銨態氮濃度顯著下降的主要原因。水體中磷元素的年際波動更為復雜，可能是磷的來源更為多樣且水體中磷的含量較低，易受水體浮游植物利用等因素影響所致。

2.2 珊溪水庫典型水體水質的空間分布特征

珊溪水庫的地形地貌特點，導致了水庫的水質分布呈現出典型的水平和垂直方向上的差異，且這2種差異間存在高度關聯，并在不同季節隨氣象、水文條件的不同，不同站位的水質垂直分布也發生相應的變化，因此根據調查期間不同季節的典型月份及條件對各水質指標的空間分布特征加以解析。

2.2.1 夏季庫區水質的空間分布

夏季的水溫隨深度增大平穩下降，從表層的30℃逐漸下降到底層的12.4～20℃，其中主庫深度較深，水溫較低；支流上游深度較淺，水溫較高（圖5）。其中2條支流上游與中、下游水體的水溫整體垂直分布特征不同，但若從相同深度的比較來看，各站位在30m以內由表向底的水溫下降曲線比較相似，表現為表層10m內水溫下降較快，10～20m水溫下降速度放緩，20～30m水溫下降又加快。在較深的站位，當水深大于30m以后，出現一個明顯的溫躍層，在2～5m的水溫從20℃左右快速下降到12℃左右。溫躍層以下水溫變化幅度很小，表明此時該層以下水體較為穩定，與上層水體的熱交換被阻隔。在水深30～40m的地方，有明顯的熱分層現象。

圖5 夏季珊溪水庫各站位水體溫度的垂直分布

夏季表層水體的溶解氧含量很高，其飽和度可達150%。但在水面3～5m深度，溶解氧濃度也開始迅速下降。其中支流上、中游站位水體溶解氧飽和度持續下降至低于20%甚至低于5%，所對應的溶解氧濃度低至0.4mg·L-1，底層水體已呈缺氧狀態。即便在水面相對開闊，水深較大的支流下游斷面，水體溶解氧含量隨深度增大的下降幅度雖然較小，但部分站位底層水體溶解氧濃度仍低于2mg·L-1（圖6）。

圖6 夏季珊溪水庫各站位水體溶解氧飽和度的垂直分布

從夏季庫區水體銨態氮的垂直分布情況來看，表層較高，隨深度增加而逐步下降 （圖7）。值得關注的是，雖然各站位表層水體銨態氮濃度差異不大，但支流上、中游底層的銨態氮濃度均高于下游入庫斷面底層，顯示了在較淺水體中沉積物內源釋放的貢獻。

圖7 夏季珊溪水庫各站位水體銨態氮濃度的垂直分布

珊溪水庫在夏季水深超過30～40m，有明顯的熱分層現象，而且支流的上游、中游底層溶解氧含量接近零，下游底層溶解氧含量稍高，但也不超過2mg·L-1。銨態氮濃度卻是上、中游高于下游入庫斷面底層，這足以說明在熱分層時期，水深的增加限制了氧傳質效能以及上下層銨態氮的交換，再加上水體、底泥的耗氧，使得底層溶解氧含量降低，溶解氧含量越低，接近于厭氧環境更有利于沉積物的釋放，使得上、中游的銨態氮濃度高于下游。

2.2.2 秋季庫區水質的空間分布

如圖8所示，支流上游未出現溫躍層，但在支流中下游和主庫水深較大的水域，在40～50m深度處出現明顯的溫躍層。

圖8 秋季珊溪水庫各站位水溫的垂直分布

秋季水庫支流上游水體表底層溶解氧含量變化較小，與夏季的一個很大差別是此時支流上游底層水體溶解氧含量較高，打破了夏季水底的缺氧狀態。但在支流中、下游斷面，伴隨溫躍層出現了極為顯著的 “氧”躍層，在5m的深度跨度上溶解氧飽和濃度從75%快速下降到不足5%。

從圖9可以看出，躍層之下的水體處于嚴重缺氧狀態。

圖9 秋季珊溪水庫各站位水體溶解氧飽和度的垂直分布

秋季黃坦坑上游0～5m的銨態氮濃度略有變化，可能由人類活動引起，其余區域的銨態氮濃度不隨深度的增加而變化。在黃坦坑中游發現了溫躍層以下水體銨態氮含量增高的現象，可能是缺氧條件下有機質厭氧分解產生銨態氮的體現（圖10）。

圖10 秋季珊溪水庫各站位水體銨態氮濃度的垂直分布

秋季珊溪水庫中、下游呈現出了明顯的溫躍層，伴隨了所謂的 “氧”躍層和銨態氮濃度增大的現象。在上游水溫、溶解氧變化都不大，而且底層溶解氧含量很高，銨態氮濃度也基本上不隨深度的增加而變化，這足以說明在上游發生了水體的交換，而由于深度的影響，在中、下游難以發生上下的交換，表明秋季珊溪水庫只能在較淺的地方發生垂向水層間的傳質交換，較難發生整體的 “翻庫”現象。

2.2.3 冬季庫區水質的空間分布

冬季水庫上游中的水溫基本保持不變，中、下游水庫中的溫躍層繼續發生變化，同時在支流下游溫躍層的深度跨度也加大了，達到20～30m（圖11）。

圖11 冬季珊溪水庫各站位水溫的垂直分布

上游溶解氧濃度上下層之間基本不變，底層水體的氧飽和度超過80%。但在中、下游斷面，底層水體缺氧嚴重。（圖12）。

和秋季類似，在黃坦坑中游斷面觀測到底層銨態氮含量的增加，進一步表明此斷面底層銨態氮的產出和釋放 （圖13）。

圖12 冬季珊溪水庫各站位水體溶解氧飽和度的垂直分布

圖13 冬季珊溪水庫各站位水體銨態氮濃度的垂直分布

冬季與秋季的變化相似，上游發生水體的交換。

中、下游由于冬季季節氣溫較低，與水庫底層溫度差不多，因此上下層的溫差不大，有不明顯的溫躍層，有明顯的 “氧躍層”，并且中游底層銨態氮含量增加，說明中下游沒有發生上下層的交換。

3 小結與討論

珊溪水庫氮、磷元素在不同調查站位的季節分布特征不一致，其中春秋季氮元素含量高于夏冬季。這主要與降雨及夏季藻類生長旺盛期間參與的生物地球化學循環有關。磷元素含量變化相對穩定，在較小的范圍內波動。

珊溪水庫主庫水體夏季長期存在熱分層現象。秋冬季30 m以上水體有垂直水層間的傳質交換，40～50 m水體保持分層現象，且常年處于缺氧狀況。庫底水體及沉積物中的缺氧、厭氧環境有利于有機物的厭氧分解［15-17］，并在底層水體中累積形成高于表層水體的氮、磷濃度。水庫秋冬季降雨少，且伴隨水庫季節性的蓄、放水，水庫的水位總體比雨季低很多。季節更迭所產生氣溫驟變能夠促使表、底層水體產生交換，在各支流上游打破熱分層，這種垂直方向上的水體交換一方面能夠改善沉積物表面及底層水體中的缺氧狀況，改變氮、磷轉化途徑；但另一方面也可能將底層水體中的營養物質帶至表層，誘發藻華。

上述調查結果表明，作為一個河道型深水水庫，珊溪庫區的水質既有相對穩定的一面，同時也受到各種內、外源環境因子的影響，且各種環境因子之前還存在相互關聯。因此，要更加準確地掌握影響庫區水質，特別是潛在的誘發藻華的風險，需要進一步完善珊溪庫區的水質監測設施及方案，更好地實現對水庫水體水質進行長期連續跟蹤監測。

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（責任編輯：張 韻）

X171

A

0528-9017（2016）05-0778-07

2016-02-14

溫州市科技科技項目 （S20140040）；溫州市科技科技項目 （S20140037）

李平 （1989—），女，在讀碩士研究生，山西晉中人，從事環境污染化學及生態學方面研究工作，E-mail：liping1553@ sina.com。

商栩，副教授，博士后，E-mail：copepod@sina.com。

文獻著錄格式：李平，陳強，王婷，等.溫州飲用水源地珊溪水庫水質的時空分析 ［J］.浙江農業科學，2016，57（5）：778-784.

10.16178/j.issn.0528-9017.20160551