西北某水庫沉積物污染特征與評價

黃道軍，薛?？?，李 凱，許 明，李永超，孫聞博，黃廷林

(1.陜西西咸新區水務集團有限公司，陜西 西安 712000；2.西安建筑科技大學 陜西省環境工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

沉積物是湖庫生態環境的重要組成部分，也是湖庫污染的“源”和“匯”[1-2].外源污染匯入水庫后因水動力條件的改變，水中懸浮態污染物如泥沙、動植物殘體易沉降至庫底并在表層沉積物蓄存；而溶解態污染物進入水體后一方面直接影響供水水質，另一方面會為水生生物提供生長繁殖所需必要營養物質，待水中動植物死亡后又將成為新的沉積物.同時，受沉積物氧化還原環境的影響，沉積物中的有機質無法被徹底礦化分解，而是分解形成小分子有機物和氮、磷等營養物質，這些污染物在沉積物-水界面大量積蓄，在特定條件下(如風生浪引起底泥再懸浮時)釋放進入水體形成二次污染.這也是在外源污染得到有效控制后湖庫等半封閉水體中氮、磷及有機物含量依然增加的重要原因[3].因此，探明湖泊水庫沉積物中氮磷及有機質含量、形態與分布情況，對控制水體富營養化、保障水質安全和營造良好的水生態環境具有重要意義.

西北某小型水庫是一座以灌溉為主的小(Ⅰ)型水庫，水庫運行30多年來，沉積物淤積厚度已達10 m左右.近年來，為滿足區域經濟發展需求，對水庫功能進行了調整，在滿足工業用水的同時作為飲用水應急水源.本研究對該水庫表層沉積物污染狀況進行了分析與評價，以期為該水庫后期運行管理提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與樣品采集

研究對象水庫控制流域面積6.6 km2，最大水深10.5 m，最淺處水深4 m，主溝道長3.2 km，平均比降6.25‰.區域為第四紀黃土層所覆蓋，厚度60～100 m，為傳統重要農作區，水庫右岸為黃土塬溝壑區，黃土沖溝發育，沖刷劇烈，水土流失嚴重.依據均勻布點和重點關注區域設點原則，沿水庫壩前至庫尾依次布設4個采樣點，采樣點位置如圖1所示，其中S1、S3、S4采樣點分別為壩前、引水塔和庫尾.沉積物樣品采集使用抓斗式采樣器取采樣點表層10 cm沉積物樣品，樣品采集后封裝至聚乙烯自封袋，運輸過程4℃冷藏保存，盡快帶回實驗室預處理.

圖1 研究區域采樣點布設圖Fig.1 Sampling points distribution of research area

1.2 樣品處理與分析測定

1.3 評價方法

1.3.1 有機污染和有機氮污染指數評價

沉積物中有機物含量豐富，其不僅是氮、磷遷移轉化的媒介，還能與重金屬發生復雜的物理化學反應.本研究采用有機氮污染指數(ON)和有機污染指數(OI)能評價沉積物有機污染程度，其計算公式如下[4-5]：

ON=TN×0.95

(1)

OI=ON×TOC

(2)

式中，TN和TOC按1.0 g/kg=0.1%換算為百分比.根據有機氮污染指數和有機污染指數可將沉積物有機污染分為4個等級，等級劃分標準見表1[4-5].

表1 有機污染指數及有機氮污染指數等級劃分標準Tab.1 Classification standard of sediment organic pollution index and organic nitrogen pollution index

1.3.2 單因子污染指數和綜合污染指數評價

單因子污染指數法在環境領域被廣泛用于評價大氣、水體、土壤及沉積物污染程度[6-7].通過分析TOC、TN、TP濃度與評價標準值的關系，能夠評價沉積物污染程度.鑒于單因子污染指數法只針對單一污染物評價，因此，在單因子污染指數法基礎上發展出利用TN和TP兩個指標綜合評價污染程度的綜合污染指數法[8].單因子污染指數與綜合污染指數計算公式如(3)～(5).

(3)

(4)

(5)

表2 內梅羅綜合污染指數(P綜)及潛在生態危害指數(Ei)、風險指數(RI)等級劃分標準Tab.2 Classification of single factor index and comprehensive pollution index

續表2等級STNSTPFF污染程度31.5～2.01.0～1.51.5～2.0中度污染4>2.0>1.5>2.0重度污染

2 結果與討論

2.1 表層沉積物污染物含量、形態及分布差異

表3 西北某小型水庫表層沉積物中污染物含量Tab.3 Distribution of pollutants in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

圖2 西北某小型水庫沉積物中總有機碳(TOC)、 總氮(TN)、總磷(TP)空間分布Fig.2 Spatial distribution of total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the sediments of a small reservoir in Northwest China

從圖2可以看出，研究區域內表層沉積物中TOC含量接近，但氮、磷含量空間分布差異明顯，且變化趨勢相近.從壩前至引水塔TN與TP不斷下降，又于庫尾處急劇升高，反映出該小型水庫沉積物受制于庫區地形和運行管理方式，在庫區內遷移較慢.此外，氮磷營養鹽的分布規律相似能夠從側面說明此水庫沉積物污染來源較為單一.

2.2 沉積物中營養物質比值

沉積物C/N與N/P是反映其污染來源的重要指標，研究表明，若C/N<10則有機質多為內源污染，C/N≈10時有機質內源與外源平衡，而C/N>10則有機質來自外源[15].這是因為高等植物、維管束陸生植物和陸生禾本科或莎草科植物的C/N比大于10，其中高等植物為14～23，維管束陸生植物通常大于20，陸生禾本科與莎草科則可高達45～50[10,16].由圖3可知，西北某小型水庫S1-S4采樣點表層沉積物C/N分別為23.93、25.71、40.93和19.02，空間分布差異較大，且呈現出強烈的外源輸入跡象.浮游植物在生長和衰亡過程會按一定比例吸收和釋放氮、磷，這一比值約為16∶1，若接近此值，表明沉積物主要為內源輸入的污染[17].在對4個采樣點做N/P分析可以發現該水庫N/P在2.33～3.36波動，遠小于16∶1.說明外源有大量磷輸入水庫，這可能是由于該水庫位于傳統農灌地區，生活農業等污水排入所致.

圖3 西北某小型水庫表層沉積物中TOC/TN、TN/TPFig.3 TOC/TN and TN/TP in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3 沉積物污染評價

2.3.1 有機污染評價

有機污染指數法能定量評價湖庫沉積物所受有機污染水平，因此，對4個采樣點進行了有機污染和有機氮污染指數評價，評價結果如表4所示.由表4可知，西北某小型水庫沉積物有機污染指數為0.035～0.080，均值為0.054，屬于輕度污染.其中S2和S3采樣點有機污染指數均小于0.05，評價結果為清潔.有機氮污染指數評價結果與有機污染指數評價結果略有不同，因為有機污染指數同時考慮有機碳和有機氮含量，而有機氮污染指數僅評價有機氮含量.從表中可以看出，有機氮污染指數范圍為0.030～0.062，平均值0.044，亦屬于輕度污染，但S2采樣點有機氮污染指數評價為輕度污染，這說明S2采樣點表層沉積物有機氮含量較高.

表4 西北某小型水庫表層沉積物有機污染指數和有機氮污染指數評價結果Tab.4 Evaluation of organic pollution index and organic nitrogen pollution index in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3.2 單因子污染指數和綜合污染指數評價

有機污染評價雖能判斷沉積物中有機污染程度，但并未考慮到沉積物中TP的影響.磷作為微生物生長繁殖的必要營養物質，在水體富營養化發展進程中起著至關重要的作用，因為部分浮游植物具有固氮功能，此時磷就成為藻類生長的限制因素.本研究采用單因子污染指數與綜合污染指數進一步對沉積物污染做出評價，結果如表5所示.

表5 西北某小型水庫表層沉積物單因子污染指數及綜合污染指數評價Tab.5 Evaluation of single factor pollution index and comprehensive pollution index of surface sediments of a small reservoir in Northwest China

單因子污染指數能較準確反應研究區域N、P營養物的污染情況.我國目前并未制定湖庫沉積物TN、TP的污染評價標準，故選用加拿大安大略省所定標準.由表5可知，研究對象表層沉積物氮、磷單因子污染指數低，僅S4點總氮為輕度污染，其余各采樣點均為清潔.結合氮、磷兩種元素做綜合污染指數評價后也僅S4點位輕度污染，其余采樣點表層沉積物為清潔.

根據沉積物污染物含量與評價結果，該水庫雖淤積嚴重，但有機質、氮、磷污染程度較輕，能夠作為飲用水應急水源.但在水庫運行管理中，應在有效控制外源輸入污染的同時，盡量避免沉積物的內源釋放.

3 結論

(1)西北某水庫4個采樣點表層沉積物中總有機碳、總氮、總磷、硝態氮、銨態氮、有效磷含量分別為11.68 g/kg、0.46 g/kg、0.17 g/kg、32.20 mg/kg、66.90 mg/kg和13.08 mg/kg;

(2)沉積物中C/N為19.02～40.93，N/P為2.33～3.36，表明沉積物污染主要來自外源輸入，內源所致較少;

(3)有機污染評價、單因子污染評價及綜合污染評價表明沉積物氮、磷、有機質污染較輕，僅部分采樣點為輕度污染，潛在生態風險較低，因此該水庫能夠作為飲用水應急水源.