漳澤水庫(kù)底泥氮磷污染與表層水營(yíng)養(yǎng)化關(guān)系分析

任煥蓮

(長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)分局，山西 長(zhǎng)治 046011)

富營(yíng)養(yǎng)化通常是指湖泊、水庫(kù)等封閉水體以及某些河流水體內(nèi)的氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量過(guò)多，造成藻類等水生植物迅速繁殖，水體溶解氧含量下降，生物的種群、種類數(shù)量減少的水質(zhì)污染現(xiàn)象。水體富營(yíng)養(yǎng)化降低了水體的透明度，藍(lán)、綠藻大量增殖，水質(zhì)渾濁，并散發(fā)出腥臭味，污染居住環(huán)境。堆積在水體底層的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體，降低了水生生物的穩(wěn)定性和多樣性，破壞了正常的水生態(tài)平衡。

底泥是湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要蓄積庫(kù),污水的排入、地表徑流匯集以及水生生物殘骸,導(dǎo)致底泥中N、P元素逐步積累,易形成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)負(fù)荷。當(dāng)外源排入湖庫(kù)的N、P營(yíng)養(yǎng)元素負(fù)荷量減少后,沉積物中的營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)逐步釋放,成為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[1-2]。污染物被水體顆粒物吸附、絡(luò)合、絮凝、沉降而沉積在底泥中, 在外源污染得到有效控制后, 底泥中的這些污染物仍可能對(duì)水體產(chǎn)生“二次污染”[3]。

一般認(rèn)為,富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的湖泊其表層沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽含量也高,表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量可以反映湖泊水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度[4]。本文選取漳澤水庫(kù)底泥氮磷與表層水營(yíng)養(yǎng)鹽成分，試圖找出表層水體的富營(yíng)養(yǎng)化與底泥氮磷污染關(guān)系，以期為解決水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化治理提供指導(dǎo)。

1 工程概況

研究區(qū)位于山西省長(zhǎng)治市濁漳河南源上漳澤水庫(kù)，又稱太行湖，是一座人工湖泊，1959年興建，1960年蓄水，控制流域面積3176km2，庫(kù)容4.13億m3，是一座以工業(yè)、城市供水、灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖和旅游等綜合利用的大(2)型水庫(kù)。

2 研究方法和特征分析

2.1 研究區(qū)選擇及研究方法

為研究太行湖底泥氮磷污染情況及其對(duì)水體影響，從水庫(kù)大壩前向庫(kù)尾依次均勻布設(shè)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即1號(hào)、2號(hào)、…16號(hào)，見(jiàn)圖1，大致可以劃分成3個(gè)區(qū)：庫(kù)前區(qū)(壩上)(1號(hào)、2號(hào))、庫(kù)中區(qū)(3～10號(hào))、庫(kù)尾區(qū)(14～16號(hào))，11號(hào)位于絳河支流口，16號(hào)位于主源(濁漳南源)入庫(kù)口。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集底泥、上覆水進(jìn)行室內(nèi)分析，在對(duì)應(yīng)的 1號(hào)、2號(hào)、8號(hào)、11號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)點(diǎn)上方表層水面下0.50m深度采集表層水樣，檢測(cè)分析營(yíng)養(yǎng)鹽，即高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素、透明度、總磷和總氮；采集柱狀底泥并分成上層(上段樣)和下層(下段樣)，上段樣即為底泥接觸水體層。底泥除分析含水率、pH值外，其余總氮、總磷、氨氮、重金屬等項(xiàng)目檢測(cè)采用室內(nèi)冷干、研磨、過(guò)篩按環(huán)境(HJ)或國(guó)標(biāo)(GB)方法進(jìn)一步檢測(cè)，檢測(cè)儀器主要有定氮儀(測(cè)總氮、氨氮)、馬弗爐、坩堝、離心機(jī)、分光光度計(jì)(測(cè)總磷)、微波消解儀、原子熒光和原子吸收(檢測(cè)汞砷硒和銅鉛鋅鎘)；監(jiān)測(cè)期為2017年10月至2018年9月。

漳澤水庫(kù)水質(zhì)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于壩上，每月監(jiān)測(cè)1次，2012年增加了藻類監(jiān)測(cè)。2000—2018年，水庫(kù)基本處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，時(shí)而出現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)化。本次著重進(jìn)行表層水體富營(yíng)養(yǎng)化和其對(duì)應(yīng)位置底泥營(yíng)養(yǎng)鹽特征及其相關(guān)性分析。

2.2 表層水體富營(yíng)養(yǎng)特征分析

水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)依據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)中表5.5.1采用分級(jí)指數(shù)法[5]計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，見(jiàn)下式：

(1)

式中：EI為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En為評(píng)價(jià)項(xiàng)目賦分值；N為評(píng)價(jià)項(xiàng)目個(gè)數(shù)。

0≤EI≤20為貧營(yíng)養(yǎng)，20

2.2.1 富營(yíng)養(yǎng)隨時(shí)間變化

1號(hào)、8號(hào)、11號(hào)點(diǎn)監(jiān)測(cè)期的EI變化較頻繁，變幅較大，規(guī)律性差；14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)期情況為：12月到次年3月EI偏低，在50≤EI≤63之間，從次年的3—4月開(kāi)始變大，6—8月明顯變大，EI>60, EI最大達(dá)到75.83，屬中度富營(yíng)養(yǎng)化，9月開(kāi)始回落；2號(hào)監(jiān)測(cè)期EI比較平穩(wěn)，EI在 50.33和 53.55之間，處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化，見(jiàn)圖2。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化分值隨時(shí)間變化趨勢(shì)

2.2.2 富營(yíng)養(yǎng)隨空間變化

根據(jù)對(duì)1號(hào)、2號(hào)、8號(hào)、11號(hào)、14～16號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的2017年11月至2018年9月監(jiān)測(cè)期的趨勢(shì)分析，除2018年3月、4月各點(diǎn)EI值變化起伏不定外，其余各個(gè)監(jiān)測(cè)期的EI值隨空間變化整體是從庫(kù)前向庫(kù)尾逐漸增大，特別是7—9月的變化規(guī)律非常一致，即從庫(kù)前區(qū)到庫(kù)中心EI值緩慢變大,到庫(kù)尾區(qū)EI值呈直線增長(zhǎng)，由輕度富營(yíng)養(yǎng)變?yōu)橹卸雀粻I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，見(jiàn)圖3。

2.3 底泥中氮磷含量時(shí)空變化特征

采集回的底泥經(jīng)風(fēng)干—研磨—過(guò)篩后,依據(jù)《土壤質(zhì)量 全氮的測(cè)定 凱氏法》(HJ 717—2014)用定氮儀檢測(cè)分析總氮，依據(jù)《土壤 總磷的測(cè)定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)檢測(cè)分析總磷，監(jiān)測(cè)期底泥各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上段(親水層)總氮含量均值2413mg/kg，最大含量5129mg/kg，最小含量880mg/kg；總磷平均含量650mg/kg，最大含量1730mg/kg，最小含量321mg/kg，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 底泥氮磷2017年10月至2018年9月特征值

2.3.1 總磷時(shí)空變化

本文選擇與表層水對(duì)應(yīng)且資料比較連續(xù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)親水層上段底泥監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，選取庫(kù)前2號(hào)、庫(kù)中8號(hào)、庫(kù)尾14～16號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)從2017年11月至次年7月變化平穩(wěn)，8月突然增大，2號(hào)、8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月繼續(xù)增大，但庫(kù)尾區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月突然回落，見(jiàn)圖4。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底泥總磷含量隨時(shí)間變化

從庫(kù)前到庫(kù)尾各監(jiān)測(cè)點(diǎn)7月以前含量差別不大，基本一致，但8—9月總磷含量從庫(kù)前到庫(kù)尾均比其他監(jiān)測(cè)期高，且8月庫(kù)尾15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高達(dá)1730mg/kg，是最小值的5.39倍，見(jiàn)圖5。

圖5 各監(jiān)測(cè)期底泥總磷含量隨空間變化

2.3.2 總氮時(shí)空變化

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮含量隨時(shí)間變化不大，比較平穩(wěn)，但比較特殊的是庫(kù)前東邊2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總氮比其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含量高出很多，其整個(gè)監(jiān)測(cè)期的最小與最大值是其余各點(diǎn)最小值的2.4倍和5.8倍，見(jiàn)圖6。各監(jiān)測(cè)期總氮含量的空間變化是從庫(kù)前向庫(kù)尾呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖7。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底泥總氮含量隨時(shí)間變化

圖7 各監(jiān)測(cè)期底泥總磷含量隨空間變化

2.4 底泥與表層水的氮磷關(guān)系分析

無(wú)論是單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的底泥中氮磷含量與表層水體中氮磷含量的相關(guān)分析，還是全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)中兩者的關(guān)系分析，底泥與表層水中氮磷含量相關(guān)性均不好，見(jiàn)圖8、圖9。由此可以得出水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)與底泥中氮磷含量沒(méi)有直接相關(guān)性。

圖8 底泥與表層水總氮含量的相關(guān)性分析圖

圖9 底泥與表層水總磷含量的相關(guān)性分析圖

3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)漳澤水庫(kù)庫(kù)前、庫(kù)中、庫(kù)尾的2017年10月至2018年9月的富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)分析和底泥含量分析，可得出如下結(jié)論：

a.庫(kù)前(壩上)、庫(kù)中、支流入庫(kù)處營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)從冬季到次年汛期基本為輕度富營(yíng)養(yǎng)化，庫(kù)尾、主源入庫(kù)口處基本是11月到次年3月處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化的低谷期，4月開(kāi)始上升，到6月后顯著上升，8月處于最高峰，達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化，9月開(kāi)始回落。

b.營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)在空間變化上，除3月、4月各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化起伏不定外，其余月份庫(kù)前至庫(kù)中心沒(méi)有明顯變化，基本處于中營(yíng)養(yǎng)或輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，庫(kù)尾和主源入庫(kù)口處富營(yíng)養(yǎng)化程度明顯加重，EI值變大，整個(gè)監(jiān)測(cè)期均處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)甚至是中度富營(yíng)養(yǎng)化。

c.底泥總磷含量隨時(shí)間變化情況：從11月到次年7月監(jiān)測(cè)資料看，庫(kù)前至庫(kù)尾含量變化不大，8月各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含量明顯增大，9月庫(kù)前、庫(kù)中仍有小幅上升，庫(kù)尾均突降至起漲點(diǎn)附近?？偭缀侩S空間變化情況：8月總磷含量庫(kù)前至庫(kù)中呈下降趨勢(shì)，庫(kù)中至庫(kù)尾呈上升趨勢(shì)，9月從庫(kù)前至庫(kù)尾一直呈下降趨勢(shì)，其余月份庫(kù)前至庫(kù)尾含量基本平穩(wěn)，變化較小。

d.底泥總氮含量隨時(shí)間變化情況：除庫(kù)前2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含量偏高外，隨時(shí)間變化各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變幅不大，且從庫(kù)前至庫(kù)尾除2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含量基本接近?？偟侩S空間變化情況：整個(gè)監(jiān)測(cè)期(2018年3月至9月)從庫(kù)前到庫(kù)尾總氮含量一致呈下降趨勢(shì)。

e.通過(guò)對(duì)底泥氮磷含量與表層水體的氮磷含量相關(guān)性分析(無(wú)論是從單點(diǎn)分析還是整體分析)，水庫(kù)表層水體的富營(yíng)養(yǎng)化與底泥的氮磷含量無(wú)直接相關(guān)性，甚至庫(kù)前2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與庫(kù)尾16號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)二者成負(fù)相關(guān)，這個(gè)結(jié)論與最初的實(shí)驗(yàn)預(yù)期相反。

導(dǎo)致水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的原因有外源污染因素、內(nèi)源污染因素。隨著城市發(fā)展，廢水大量排入湖泊，導(dǎo)致城市湖泊富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，中小城市尤其明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

漳澤水庫(kù)底泥氮磷聚集與釋放是在一定條件下進(jìn)行的，并且由于水庫(kù)水體的水動(dòng)力條件，即便釋放氮磷至水體也未必是垂直到達(dá)水面表層，其一可能會(huì)受到水體動(dòng)力學(xué)作用，其二需要在排除外源的氮磷污染情況下，進(jìn)一步研究水體富營(yíng)養(yǎng)化形成機(jī)理，建立內(nèi)源與水體上覆水和表層水營(yíng)養(yǎng)鹽含量關(guān)系。經(jīng)各種途徑進(jìn)入水體的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素，相當(dāng)一部分沉積到底泥中。水生生物的生長(zhǎng)會(huì)吸收部分營(yíng)養(yǎng)成分，其余大部分仍與水體保持動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)水體污染源(外源)得到一定控制后，N、P則可能主要來(lái)自底泥的釋放，嚴(yán)重時(shí)可造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[6]。由此大致可以推斷漳澤水庫(kù)表層水體富營(yíng)養(yǎng)化與外源污染關(guān)系密切，與底泥氮磷關(guān)系需要在切斷外源污染后作進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)分析。