宜昌市柏臨河表層沉積物營養鹽分布規律及污染評價

,, ，年洲

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

沉積物是湖泊、河流等生態系統的重要組成部分，既是大多數水生生物生存的主要場所[1]，也是營養鹽等無機物的“源”和“匯”[2]。氮磷是水生生物的主要生源要素[3]，對調節水質具有關鍵影響作用。當水體的環境條件發生變化時，沉積物中的營養鹽會釋放到水體中，對水質造成影響[4]。目前，眾多學者已對國內外的湖泊、水庫、海洋和河口地區沉積物營養鹽的含量及其生物地球化學過程做過詳細的研究，但對于小流域污染現狀的研究還相對較少[5-7]。柏臨河是宜昌市主要河流之一，近年來已對河道進行過多次治理，但效果并不明顯。研究柏臨河沉積物總磷總氮的分布規律和污染狀況可以為該流域治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

柏臨河屬長江左岸一級支流，發源于宜昌市夷陵區柏家坪，止于宜昌市伍家崗區臨江溪。柏臨河上游流經夷陵區柏家坪村、羅家畈村等11個村，下游流經伍家崗區南灣村、靈寶村等8個村，全長 59.3 km，流域面積478 km2，坡降10.5‰，流域形狀呈扇形，地貌為半高山山地和丘陵地帶。柏臨河共有4條主要支流: ①簡垱河，發源于鴉鵲嶺鎮海云村，全長27 km，流域面積 99.9 km2，夷陵區境內約20 km；②牌坊河(又稱土門河)，發源于白廟村，全長17.3 km，流域面積 36.3 km2；③楊樹河，全長25 km，流域面積約41 km2；④ 院子河，河長17 km，流域面積38 km2。柏臨河多年平均降雨量為1 100 mm，蒸發量為1 280 mm。流域雨季為6～9月，在降雨分布上，具有地域與時段相對集中、強度不均的特點，常形成局部暴雨中心。河流水文特點是枯水期長，汛期短，枯水期流量小，洪水漲落迅速，且河口水位受長江水位頂托影響。近年來隨著城市經濟的發展，環境問題也越來越突出，作為城市動脈的河流則承受著來自四面八方的污染，隨著水流的作用，污染物發生遷移、擴散、沉降等一系列物理化學變化。為了探究柏臨河污染的現狀，需對柏臨河沉積物進行采樣分析。

采樣點分布情況如圖1所示，共設置采樣點19個(監測點1～19)，其中3，6，9，12，17，18，19號監測點在支流上。柏臨河沿岸從上到下已開發的集鎮有宋家咀、龍泉、土門、花艷及伍家崗區工業園等。

圖1 柏臨河流域采樣點分布示意

1.2 樣品采集與分析

2018年6月對柏臨河干流及主要支流進行樣品采集。利用彼得森采泥器采集樣品，進行現場分裝。柏臨河河道寬度和沉積物厚度測量表明，柏臨河主要干支流沉積物平均厚度約20 cm。用100 mL燒杯取3份表層沉積物樣品，現場稱重并記錄重量，再將樣品分別裝入聚乙烯自封袋中做好標記；將剩余沉積物混合均勻，用100mL離心瓶收集約80 mL沉積物樣品；再取適量剩余樣品保存于聚乙烯自封袋帶中，排除空氣，密封保存，將所有處理好的樣品放入便攜式冷藏箱中，盡快送回實驗室做進一步分析處理。

在實驗室里挑出雜物后，將樣品經自然風干后研磨過80目篩用于總氮和總磷的測定。用鼓風干燥箱110℃烘干沉積物樣品用于測定孔隙率和含水率；用高速冷凍離心機(CT18RT)離心沉積物樣品得到間隙水水樣，用實驗室pH(雷磁pHSJ-4A)測其pH值。沉積物總氮(TN)采用半微量法測定；總磷(TP)用鉬銻抗比色法測定。為保證結果的準確性，每個樣品測試3次，取平均值作為最終結果。

1.3 營養鹽污染評價方法

采用單因素污染指數法和綜合污染指數法對沉積物營養鹽的污染狀況進行評價[8]，計算公式為

(1)

式中，PIi為第i種營養鹽的污染指數；ci為第i種營養鹽實測值；c0i為第i種營養鹽評價標準；PI為綜合污染指數。Wi為污染因子i的權重，本研究認為所有污染因子的權重均相同。PI<0.5為清潔；0.5≤PI<1.0為表示有影響；1.0≤P<1.5表示受輕度污染；1.5≤PI<2.0表示受重污染；PI≥2.0表示受到嚴重污染[9]。

2 結果與分析

2.1 理化因子分析

由圖2可知，柏臨河表層沉積物孔隙率范圍為41.6%～91.6%，8號測點孔隙率最大；含水率范圍為22.7%～85.4%，3號測點含水率最大；孔隙率干流變化范圍較小，支流差異較大。3號測點為完全硬化的渠道，主要接受來自城市的生活污水，底質呈懸濁狀態，有機質含量、含水率均較高。由圖3可知，柏臨河主要干支流間隙水pH值范圍為 7.33～8.16，呈弱堿性，5號監測點pH值最大。pH值與孔隙率以及含水率呈負相關，孔隙率越小，間隙水與上覆水體之間的交換就越緩慢，溶解氧、氫離子等物質的交換也可能越緩慢。

圖2 含水率及孔隙率分布

圖3 pH值分布

2.2 沉積物總磷含量及分布

柏臨河主要干支流沉積物總磷(TP)含量變化范圍234～2 136 mg/kg，平均含量為538 mg/kg，6號測點最高。按照金曉丹等[10]的研究，劃分TP對沉積物污染程度，柏臨河主要干支流上的監測點有14個處于輕污染，4個處于中污染，1個處于重污染狀態，總體處于中污染狀態。長江河口水庫沉積物總磷含量為535.1～910.9 mg/kg;滇池平均含量2 266.2 mg/kg[11]；黃柏河流域西北口水庫、天福寺水庫和玄廟觀水庫沉積物TP含量分別為2 656.6 mg/kg，2 681.2 mg/kg,8 070.0 mg/kg[12]。柏臨河流域沉積物TP含量低于同地區黃柏河流域三大水庫，受外源污染的水平相對較低，但部分區域仍值得注意。

由圖4可知，柏臨河流域主要干支流各監測點從上游至下游沉積物TP含量除個別點外均有小幅波動的特點，這可能是受到河流上攔水壩的影響。各支流沉積物TP平均含量為694 mg/kg，干流沉積物TP平均含量為448 mg/kg，支流明顯高于干流。位于柏臨河中下游的8號監測點是干流TP最大的點，此處河道較寬，水流較緩，沉積物大量淤積，可能有較多外源性磷的輸入。3號和6號監測點位于城鎮附近支流，河道多半已硬化，河道自凈能力較弱，沉積物TP含量較高，且高于干流各監測點。

圖4 沉積物總磷含量分布

圖5 沉積物總氮含量

2.3 沉積物總氮含量及分布

如圖5所示，沉積物TN含量變化范圍為703～5 837 mg/kg，平均值為2 155 mg/kg。3號和6號測點沉積物TN含量較高，其他各測點TN之間的含量差異不大，各測點氮磷比在1.8～9.4之間，沉積物TN含量遠高于TP含量。從圖5可以看出，TN從上游至下游變化較為明顯,同樣在3號、6號、8號具有較大值。支流TN平均值為2 594 mg/kg，干流TN平均值1 900 mg/kg，支流含量高于干流。8號監測點是干流TN含量最高的點，3號監測點是支流上TN含量最高的點。

2.4 理化因子與營養鹽的關系

由表1可知，柏臨河表層沉積物營養鹽含量中TP、TN與pH值為負相關關系，pH對沉積物內源磷的釋放有著顯著影響[13～15]，與含水率和孔隙率呈正相關關系，TN與含水率和孔隙率的相關系數要高于TP，可能是因為TN含量受外源的影響更大，且含量更高。

表1 理化因子與營養鹽的相關性

2.5 營養鹽污染評價

依據加拿大安大略省環境和能源部1992年制定的《沉積物質量評價指南》為標準，其中TN和TP能夠引起最低級別生態毒性效應的含量分別為550 mg/kg和600 mg/kg[16]。依據此標準，柏臨河各監測點TN含量均能引起最低級別生態毒性效應；有4個監測點TP能引起低級別生態毒性效應；其余點處于安全水平，不會產生毒性效應。由圖6可知，營養鹽綜合污染指數范圍0.9～6.2，58%以上監測點處于嚴重污染狀態，主要受氮污染的影響較大。

圖6 營養鹽綜合指數分布

3 討 論

不同生態系統類型的沉積物中，營養鹽含量存在較大的差異。柏臨河表層沉積物營養鹽的含量相對較高，其中TN和TP高于太湖、 巢湖和洞庭湖等湖泊[6, 17-18]，低于滇池等高原湖泊[19-20]。污染指數法和綜合污染指數法評價結果表明，柏臨河沉積物中TP的污染水平為清潔水平，TN的污染水平處于嚴重污染水平，營養鹽綜合污染指數處于嚴重污染，這主要是由于TN的影響較大。在進行流域綜合污染治理時，去除TN是重點考慮的因素之一。多年來，由于柏臨河周邊地區工業經濟的發展、 人口數量的增加，入河染染物排放面臨日益增多的壓力，這可能導致河中沉積物營養鹽含量同樣面臨增加的風險。

柏臨河主要干支流TP、TN“源”與“匯”的關系以及TN和TP之間的變化關系還需進一步的研究。支流的污染程度高于干流，主要是因為還未發生較大規模的降水徑流過程，沉積物暫時在支流留存。清淤可以在短期內達到去除表層沉積物中的營養物質、降低其潛在生態風險的目的[21-22]。但隨著時間的變化，河道又會重新淤積形成新的內源污染。 在實施清淤工程以前，要對河道沉積物進行綜合評價，應找出污染物和沉積物理化因子的關系，評價可能產生的環境風險，最終提出科學合理的解決方案。

4 結 論

(1)柏臨河表層沉積物營養鹽分布規律明顯，上游至下游TP變化幅度較小，支流沉積物TP含量較高，干流沉積物TP含量相對較低。TN變化較大，支流沉積物平均含量高于干流。

(2)柏臨河TN含量較高，足以引起最低級別生態毒性，總體上已呈嚴重污染狀態，且支流污染程度高于干流。