新疆北部典型水庫(kù)沉積物污染狀況分析

劉曉茹，朱國(guó)建，張盼偉，趙曉輝，馬立平，趙正清，倪 潔

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

沉積物作為水庫(kù)水環(huán)境的重要組成部分，其組成成分及性質(zhì)對(duì)水庫(kù)水質(zhì)起關(guān)鍵作用，是水環(huán)境中污染物的源或匯。沉積物淤積到一定程度時(shí)，不僅會(huì)影響水庫(kù)功能的正常運(yùn)作，對(duì)水庫(kù)水環(huán)境也將產(chǎn)生巨大影響。對(duì)水庫(kù)沉積物的綜合分析，是了解水庫(kù)水質(zhì)狀況，解決未來水庫(kù)清淤沉積物處理的基礎(chǔ)工作。

多年來重金屬污染物及碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物不斷積累于水庫(kù)水環(huán)境的沉積物中，在適當(dāng)條件下沉積物中積累的營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物會(huì)重新釋放，成為影響和制約水體水質(zhì)的主要二次污染源，成為水質(zhì)的內(nèi)源污染因素，影響水體的環(huán)境質(zhì)量[1]。

本文研究新疆北部寒旱區(qū)某典型水庫(kù)的沉積物污染狀況，監(jiān)測(cè)了沉積物碳、氮、磷營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)指標(biāo)及金屬元素，為全面了解水庫(kù)水環(huán)境污染狀況提供科學(xué)依據(jù)。

1 水庫(kù)概況

該水庫(kù)位于新疆北部地區(qū)，南鄰高山區(qū)，北鄰戈壁帶，具有典型的大陸寒旱氣候特征[2]。地勢(shì)走向?yàn)槟细弑钡汀|高西低，是四面筑壩而成的平原水庫(kù)，庫(kù)壩區(qū)內(nèi)的地表平坦，表層0～3.0m深度內(nèi)，以輕粉質(zhì)壤土為主，局部夾粉細(xì)砂透鏡體，庫(kù)盤主要為連續(xù)分布的中粉質(zhì)壤土夾重粉質(zhì)壤土，厚度穩(wěn)定，構(gòu)成了庫(kù)區(qū)良好的天然防滲鋪蓋。

水庫(kù)自2005年10月開始蓄水，總庫(kù)容2.81億m3，水面面積為24km2，工程規(guī)模屬大(2)型Ⅱ等工程。水庫(kù)至今已運(yùn)行16年時(shí)間，是流域尾部調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)沉積物是上游相關(guān)流域物質(zhì)的匯，積累了包括碳、氮、磷和金屬等相關(guān)污染物[3]。水庫(kù)面臨水環(huán)境潛在問題如下：

(1)水庫(kù)周邊建有工業(yè)園區(qū)及大小企業(yè)近百家，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量存在潛在影響。

(2)水庫(kù)停水期，魚的密度較大，造成魚類死亡，魚殘?bào)w及排泄物等腐敗物導(dǎo)致水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)加重。

(3)水庫(kù)來水期淹沒了南岸大量的蘆葦、紅柳，發(fā)酵腐敗后造成庫(kù)區(qū)南面沉積物碳氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加。

水庫(kù)是飲用水地表水源一級(jí)保護(hù)區(qū)，除了為周邊工農(nóng)業(yè)供水外，還承擔(dān)著重要城市供水。為進(jìn)一步了解水庫(kù)水環(huán)境狀況，探明污染物的主要來源，開展了水庫(kù)沉積物污染狀況研究，為保障水庫(kù)的供水安全奠定基礎(chǔ)。

2 水庫(kù)沉積物特征污染物空間分布

2.1 采樣監(jiān)測(cè)

2021年4月，在水庫(kù)出口、入口、中心區(qū)、東西近壩區(qū)共布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)位，采樣點(diǎn)名稱為：庫(kù)區(qū)北面1、庫(kù)區(qū)西面2、庫(kù)區(qū)中心3、庫(kù)區(qū)東面4、庫(kù)區(qū)南面5，如圖1所示。使用彼得遜抓斗式采泥器采集表層沉積物，每個(gè)采樣點(diǎn)采集2份樣品，每份約500g，沉積物樣品轉(zhuǎn)入聚乙烯樣品袋密封。

圖1 水庫(kù)沉積物采樣點(diǎn)位示意圖

監(jiān)測(cè)參數(shù)包括含水率、總磷、總氮、總有機(jī)碳、砷、鎘、鉻、銅、鎳、鉛、鋅和錳共12項(xiàng)指標(biāo)。

2.2 總磷

水庫(kù)各個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中總磷含量數(shù)據(jù)見表1。

表1 水庫(kù)沉積物磷含量 單位：mg/kg

庫(kù)區(qū)表層沉積物中總磷含量為513～635mg/kg，均值為570mg/kg，偏差為48mg/kg，最大值位于水庫(kù)進(jìn)水口的庫(kù)區(qū)南面5采樣點(diǎn)，為635mg/kg，最小值位于庫(kù)區(qū)出水口的庫(kù)區(qū)北面1，為513mg/kg，總體來說，庫(kù)區(qū)沉積物總磷含量波動(dòng)不大。與國(guó)內(nèi)部分湖泊或流域沉積物總磷含量對(duì)比[4- 17]，見表2，本水庫(kù)沉積物中總磷總體處于中等偏下污染水平。

2.3 總氮

水庫(kù)各采樣點(diǎn)總氮含量見表3，其中最大值位于進(jìn)水口庫(kù)區(qū)南面5采樣點(diǎn)，為1359mg/kg，最小值位于庫(kù)區(qū)中心2采樣點(diǎn)，為462mg/kg，5個(gè)點(diǎn)均值為811mg/kg，偏差為406，各采樣點(diǎn)總氮含量差別較大。與國(guó)內(nèi)部分湖泊或流域沉積物總氮含量對(duì)比[4- 13，18]，見表4，本水庫(kù)沉積物中總氮含量總體處于中等偏下污染水平。

表2 我國(guó)一些重要湖泊或流域沉積物總磷含量對(duì)比 單位：mg/kg

表3 水庫(kù)沉積物總氮含量

2.4 總有機(jī)碳

本水庫(kù)沉積物的總有機(jī)碳TOC含量見表5，其中最大值位于進(jìn)水口庫(kù)區(qū)南面5，為5310mg/kg，最小值位于庫(kù)區(qū)中心3，為2950mg/kg，5個(gè)點(diǎn)均值為4278mg/kg，偏差為1067，各采樣點(diǎn)總有機(jī)碳含量差異較大。

綜上所述，沉積物總氮、總磷和總有機(jī)碳在庫(kù)區(qū)的分布趨勢(shì)一致，在水庫(kù)西面及南面較高，庫(kù)中心及北面較低，如圖2所示。主要有3方面原因：

表4 我國(guó)一些重要湖泊或流域沉積物總氮含量對(duì)比 單位：mg/kg

表5 水庫(kù)沉積物總有機(jī)碳含量 單位：mg/kg

(1)根據(jù)水庫(kù)上下游水體流速看，水體流速較慢，上游水中懸浮顆粒物及動(dòng)植物殘?bào)w不斷沉積，在水庫(kù)南面的進(jìn)水口沉積物吸附營(yíng)養(yǎng)物含量普遍較高，至中下游時(shí)，懸浮顆粒物及動(dòng)植物殘?bào)w減少，沉積物吸附的含量有所降低，輸入到庫(kù)中心和北面庫(kù)出口沉積物中的營(yíng)養(yǎng)物減少；

(2)由于上一年停水期水位低時(shí)庫(kù)區(qū)南岸生長(zhǎng)了大量的蘆葦、紅柳，待次年上游來水水庫(kù)水位變化較大，水位上升后大量蘆葦、紅柳死亡，經(jīng)發(fā)酵腐敗，造成庫(kù)區(qū)南面沉積物總氮、總磷和總有機(jī)碳等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加；

(3)水庫(kù)西面地勢(shì)較低，推斷腐敗的動(dòng)植物殘?bào)w匯集沉積至此，對(duì)沉積物含量有一定影響，有待進(jìn)一步調(diào)查研究。

2.5 重金屬

水庫(kù)沉積物金屬元素?cái)?shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 水庫(kù)沉積物重金屬數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)表 單位：mg/kg

本水庫(kù)與我國(guó)其他湖泊濕地沉積物中金屬元素的濃度對(duì)比見表7[19- 26]，與地殼中金屬含量比較，只有鎘含量是地殼的2.43倍，其他元素含量是地殼的1.03～1.49倍，略高于地殼中金屬含量。

金屬元素在幾大湖泊濕地中的含量大小順序分別為鉻：太湖>鄱陽(yáng)湖>滇池>紅楓湖>洞庭湖>白洋淀>本水庫(kù)；鎳：太湖>巢湖>本水庫(kù)>白洋淀；銅：滇池>鄱陽(yáng)湖>紅楓湖>洞庭湖>太湖>本水庫(kù)>白洋淀>巢湖>；鋅：滇池>巢湖>鄱陽(yáng)湖>太湖>本水庫(kù)>白洋淀；鎘：滇池>洞庭湖>太湖>鄱陽(yáng)湖>紅楓湖>巢湖>白洋淀>本水庫(kù)；鉛：滇池>洞庭湖>鄱陽(yáng)湖>巢湖>太湖>紅楓湖>白洋淀>本水庫(kù)。本水庫(kù)處于中等偏下水平。

圖2 沉積物富營(yíng)養(yǎng)化因子區(qū)域分布圖

表7 我國(guó)其他湖泊濕地沉積物與本水庫(kù)沉積物含量對(duì)比表 單位：mg/kg

金屬元素在水庫(kù)的空間分布如圖3所示，沉積物中金屬元素總體在庫(kù)區(qū)西面含量均較高。推斷水庫(kù)西面地勢(shì)較低，帶有金屬元素的泥沙等物質(zhì)匯集沉積至此，難以隨水流動(dòng)擴(kuò)散，造成沉積物金屬含量較高，有待進(jìn)一步調(diào)查研究[27]。

3 水庫(kù)沉積物污染狀況分析評(píng)價(jià)

對(duì)沉積物中有機(jī)質(zhì)來源的分析采用碳氮比值法。對(duì)沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽狀況的評(píng)價(jià)，目前我國(guó)還缺少統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法[28]，常用的方法有富集系數(shù)法、有機(jī)指數(shù)法、污染指數(shù)法等。其中采用最多的是有機(jī)指數(shù)法，但是有機(jī)指數(shù)法缺乏對(duì)磷的評(píng)價(jià)，因此本文采用有機(jī)指數(shù)法評(píng)價(jià)水庫(kù)氮的污染狀況，采用污染指數(shù)法評(píng)價(jià)水庫(kù)磷的污染狀況。

3.1 沉積物碳氮比分析評(píng)價(jià)

沉積物碳氮比為TOC/TN的比值，記為C/N比。根據(jù)Meyers等研究表明，細(xì)菌的C/N比為2.6～4.3；水生動(dòng)物植物(尸體、糞便等)的C/N比為7.7～10.1，而陸生動(dòng)植物的C/N比大于20[29]。

水庫(kù)各采樣點(diǎn)C/N比值分布圖如圖4所示。水庫(kù)各采樣點(diǎn)的C/N比值介于3.9～7.6之間，表明碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均來自庫(kù)區(qū)細(xì)菌及水生動(dòng)植物的尸體或糞便，其受陸源動(dòng)植有機(jī)物的輸入影響較小，水庫(kù)內(nèi)源污染包括淹沒區(qū)的植被沉入水底、魚類殘?bào)w及排泄物的腐敗分解，即腐敗分解的細(xì)菌及水生動(dòng)植物的尸體糞便為主，水庫(kù)沉積物C/N比內(nèi)源污染分析結(jié)論一致。

圖3 沉積物金屬元素區(qū)域分布圖

圖4 水庫(kù)各采樣點(diǎn)沉積物C/N比

一般來說，C/N越低，表示有機(jī)質(zhì)主要來自內(nèi)源，包括水體中營(yíng)養(yǎng)鹽沉積、浮游生物排泄物和尸體的沉積等；C/N越高，則表示有機(jī)物主要來自外源性輸入。本水庫(kù)南面和西面沉積物C/N比值較低，說明有機(jī)質(zhì)主要來自內(nèi)源，該結(jié)論與碳、氮、磷的空間分布及內(nèi)源分析一致。

3.2 水庫(kù)沉積物污染狀況評(píng)價(jià)

有機(jī)指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表8，而有機(jī)氮?jiǎng)t是判斷沉積物所受氮污染程度的重要指標(biāo)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表9，計(jì)算方法如下：

有機(jī)指數(shù)=有機(jī)碳(%)×有機(jī)氮(%)

(1)

有機(jī)氮(%)=總氮(%)×95%

(2)

表8 沉積物有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

庫(kù)區(qū)各采樣點(diǎn)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽狀況評(píng)價(jià)表見表10—11。

表9 沉積物有機(jī)氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表10 水庫(kù)沉積物有機(jī)污染指數(shù)

表11 水庫(kù)沉積物有機(jī)氮評(píng)價(jià)結(jié)果表

采用污染指數(shù)法評(píng)價(jià)水庫(kù)沉積物磷的污染狀況。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表12，計(jì)算方法為：

PIi=Ci/Cis

(3)

式中，PIi—污染指數(shù)；Ci—沉積物中i污染因子的實(shí)測(cè)值；Cis—污染因子i在沉積物中的標(biāo)準(zhǔn)值。本研究參照國(guó)內(nèi)湖泊沉積物評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總磷的Cis取440mg/kg。

表12 沉積物污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表13 水庫(kù)沉積物總磷污染指數(shù)

表10、表11中顯示，水庫(kù)各采樣點(diǎn)沉積物有機(jī)指數(shù)與有機(jī)氮變化較大，分別為0.0130～0.0686、0.044～0.129之間，有機(jī)指數(shù)污染均處于清潔與較清潔狀態(tài)，說明庫(kù)區(qū)沉積物氮污染較輕，各采樣點(diǎn)有機(jī)氮整體處于尚清潔或較清潔的狀態(tài)。表13中顯示，水庫(kù)各采樣點(diǎn)沉積物總磷污染指數(shù)變化范圍為1.250～1.444之間，整體處于中度污染狀態(tài)，庫(kù)區(qū)沉積物總磷污染狀況需要引起重視。

由于水庫(kù)是典型的西北寒旱區(qū)水庫(kù)，冬冷夏熱，夏季整體溫度較高，促進(jìn)沉積物中微生物的礦化作用，從而使得部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷，并且由于溫度較高，水生生物更新較快，水生生物殘?bào)w等有機(jī)物也會(huì)大量分解礦化，進(jìn)一步增加水庫(kù)沉積物中總磷的積累。

3.3 沉積物特征指標(biāo)背景值比較

本水庫(kù)與我國(guó)土壤背景值比較[30]，見表14。水庫(kù)沉積物砷、鎘、銅和錳的平均值偏高，分別是背景值的1.09、1.73、1.19、1.05倍，鉻、鎳、鉛和鋅平均值偏低。與烏魯木齊市土壤背景值比較[31]，見表15，水庫(kù)沉積物鉻略高于烏魯木齊市土壤背景值，是其1.08倍，其他指標(biāo)均低于烏魯木齊市土壤背景值。

表14 我國(guó)土壤背景值與本水庫(kù)沉積物含量對(duì)比表 單位：mg/kg

表15 烏魯木齊市土壤背景值與水庫(kù)沉積物含量對(duì)照表 單位：mg/kg

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)水庫(kù)沉積物碳、氮、磷及金屬元素分析，表明總氮污染較輕，總磷處于中度污染狀態(tài)。其主要來源為內(nèi)源污染，包括細(xì)菌及水生動(dòng)植物的尸體或糞便，水庫(kù)魚殘?bào)w及植物的腐敗分解使得內(nèi)源污染加重。水庫(kù)屬于半封閉的水環(huán)境系統(tǒng)，水循環(huán)較慢，內(nèi)源污染加劇會(huì)引起水質(zhì)惡化等水安全隱患。

針對(duì)上述問題，水庫(kù)對(duì)內(nèi)源污染因素應(yīng)引起重視并加強(qiáng)管理。對(duì)枯水期岸邊植物及時(shí)調(diào)整處理，優(yōu)化水庫(kù)魚類的結(jié)構(gòu)比例，減少魚和植物殘?bào)w腐敗分解對(duì)水庫(kù)水環(huán)境帶來的污染，促進(jìn)沉水植物健康生長(zhǎng)，保持良好的生態(tài)平衡，增強(qiáng)水庫(kù)自凈能力，促使水生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展。