山美水庫總有機碳時空分布特征與影響因素分析

董冬吟

(福建省泉州環境監測中心站，福建 泉州 362000)

總有機碳(TOC)是用來表示水體中有機質總量的綜合指標。由于其測定采用的是燃燒法，能將有機物全部氧化，比五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(CODMn)更能直接表示有機物的總量，因此常被用來評價水體中有機物污染的程度。

近年來，對水體、沉積物中TOC的分布特征及其影響因素的研究引起了越來越多的關注[1-4]。俞佳等[5]以幾種典型地面水體為研究對象，發現市政綠化沖洗水、田間溝渠漫溢水、降雨對TOC有明顯的稀釋作用；張志強等[6]分析了中國最大城中湖-東湖的TOC的來源及與總磷(TP)、總氮(TN)等因子的相關性；胡利芳等[7]對深圳灣海水中COD與TOC平面、季節分布特征進行研究，調查表明深圳灣COD與TOC之間有著良好的相關性，相關系數大于0.9；高進長等[8]研究了長壽湖水庫沉積物有機碳的垂直變化特征，結果發現沉積物中TOC含量與人類活動有關，特別是水面上肥水網箱養魚使得TOC濃度不斷上升。目前，對水體中TOC指標的研究主要集中在湖泊、海灣、海洋等，對于深水水庫則鮮有報道。本文以泉州市山美水庫為研究對象，采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定水體中TOC含量，同時測定其他環境因子，通過分析山美水庫的總有機碳時空分布及濃度水平，初步探討了TOC的分布規律及影響因素，為山美水庫治理和水質安全保護提供依據。

1 研究方法

1.1 水庫概況

山美水庫位于福建省泉州南安市，地處晉江東溪中游，于1972 年建成投入運行。水庫的主要來水有三處，即上游的桃溪和湖洋溪以及德化縣大樟溪龍門灘水庫跨流域調水，屬于典型的亞熱帶山區深水水庫。水庫庫容為4.72億m3，集雨面積1 023 km2，正常蓄水位96.5 m，年均出庫水量約為8.97億m3，水深15.3～46.6 m，年均氣溫17.0℃～20.0℃，主要植被類型為次生常綠闊葉林，主要土壤是紅壤和赤紅壤。山美水庫是晉江流域目前唯一的一座大型水庫，擔負著晉江下游8個縣、市、區600萬人口的生活和生產用水，同時也是向臺灣金門供水的水源地。

隨著經濟的發展，上游工業、生活廢水的不合理排放以及農田面源污染的加劇，山美水庫的水質有一定程度的下降[9]。2013年，山美水庫被生態環境部列入國家良好湖泊生態環境保護計劃，開始實施包括工業污染源整治、生活污水處理及管網建設、生活垃圾收集及轉運系統、農村面源污染綜合整治和流域生態保育等生態保護項目。

1.2 樣品的采集與分析

根據山美水庫庫區的形態特征，2014—2016年每年11月(枯水期)進行監測，在水庫的入庫區(E 118.403°，N 25.2082°)、庫心(E 118.4147°，N 25.1817°)和出庫區(E 118.4115°，N 25.1652°)3個區域分別布設表層、中層、下層具有代表性的9個監測點位(見圖1)。

圖1 監測點位示意圖

測定TC、TOC 時先用0.45 μm 濾膜對水樣進行過濾，去除其中較大的顆粒物后，使用總有機碳分析儀( Shimadzu TOC-VCPH) 進行分析，分析方法采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法。其他環境因子包括水溫、溶解氧(DO)、葉綠素a、CODMn、BOD5、TP和TN。其中水溫、DO由便攜式水質分析儀現場測定。TP的測定采用鉬酸銨分光光度法，葉綠素a的測定采用丙酮分光光度法，TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，BOD5的測定采用稀釋接種法，CODMn的測定采用酸性高錳酸鉀法。

2 結果與分析

TOC作為水體中有機物含量的參數之一，歐洲經委會國家和中國臺灣地區對TOC也有相應的規定[5]。雖然《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2022)增加了許多有機污染物的項目，但僅將TOC作為反映生活飲用水水質的參考指標，其參考限值為5 mg/L。山美水庫作為湖庫型飲用水源地，TOC含量在1.23～2.56 mg/L之間，符合《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2022)參考指標的限值要求。

2.1 2014—2016年山美水庫TC和TOC的分布

(1)研究期間，山美水庫的TC含量為9.60～5.14 mg/L，TOC含量為1.23～2.56 mg/L。2014年TC年均濃度為9.04 mg/L，TOC年均濃度為2.05 mg/L；到2015年、2016年，TC和TOC年均濃度分別較前一年下降了12.2%、28.1%和6.3%、23.6%。TC和TOC濃度呈逐年下降的趨勢，可能與山美水庫實施推進流域污染防治和生態保育等生態環境保護項目，從而減少水庫外源性有機物輸入有關(見圖2-圖4)。

圖2 2014年11月山美水庫TC和TOC含量

圖3 2015年11月山美水庫TC和TOC含量

圖4 2016年11月山美水庫TC和TOC含量

(2)在縱向分布上，TOC的濃度：入庫區>庫心>出庫區，這和TC的情況類似，特別是在2014年、2015年規律較為明顯，說明上游來水和沿途排放的有機物進入水庫后，在稀釋擴散的作用影響下, 濃度不斷降低。但2016年，TOC縱向分布特征并不顯著(見圖5-圖6)。入庫區、庫心和出庫區TOC平均濃度分別為1.44 mg/L、1.48 mg/L和1.49 mg/L，這可能與當年10月份“莎莉嘉”和“海馬”雙臺風有關，臺風登陸帶來充沛的雨量，使得入庫區水流劇增，水動力交換增強所致[10]。

圖5 山美水庫TOC濃度趨勢圖

圖6 山美水庫TC濃度趨勢圖

(3)TOC濃度在垂向分布上，入庫區：下層>上層>中層；庫心：上層>中層>下層；出庫區：上層>下層>中層(見圖7)。TOC在不同庫區垂向分布特征不明顯：入庫區下層濃度最高，庫心和出庫區上層濃度最高，這與萬峰湖的研究結論稍有不同[11]。入庫區下層TOC濃度最高，可能是水庫入庫區沉積物對TOC影響所致[12-13]。

圖7 山美水庫TOC垂向濃度分布圖

2.2 影響總有機碳分布的主要因素

利用SPSS軟件，對TOC和其他環境因子進行Perason相關性分析，結果見表1。山美水庫TOC濃度與BOD5、CODMn呈現極顯著正相關關系；與TN、水溫呈現出基本一致的正相關關系，但未達顯著水平；與DO、TP和葉綠素a呈現出負相關關系，但相關性不顯著。

表1 山美水庫TOC與環境因子的相關系數

TN、溫度、DO等環境因子可以通過影響水生動植物從而對TOC的濃度分布產生影響[6,14]。TOC與BOD5、CODMn極顯著正相關，這與多數研究的結論一致[7,15]。山美水庫TN的濃度在1.72～2.14 mg/L之間，TOC與TN正相關，說明該濃度水平的TN可能是影響這一時期浮游動植物生長的重要因素。較高的溫度使生物體內酶的活性增強，在適合的C/N比條件下，藻類和微生物大量繁殖[6]。11月份，水庫水溫在23～25℃左右，主要浮游動植物的活性下降，生產能力降低，TOC濃度隨之變小，隨著溫度上升，TOC濃度也會隨之升高，因此TOC與溫度呈負相關關系。DO是水體中存在的分子態氧，其濃度較高時生物新陳代謝旺盛，有機物消耗增多，TOC含量降低[6]；反之，有機物在缺氧條件下分解，出現腐敗發酵現象，TOC濃度上升,與DO呈負相關關系。山美水庫沉積物中磷的主要賦存形態為較易釋放且可被生物利用的磷[16]，但可能磷對促進藻類生長的作用有限，因此對TOC的影響比較微弱[6]。葉綠素a是表征水域初級生產力的一個重要指標，在一定程度上反映了水域初級生產者通過光合作用生產有機碳的能力[13]，但可能水中的TOC受葉綠素a的影響需要一定時間[17]，因此并未出現像大亞灣那樣顯著正相關關系[18]。

3 結論

(1)2014—2016年，山美水庫中TC的濃度由9.04 mg /L降至5.70 mg /L，TOC的濃度由2.05 mg /L降至1.47 mg /L，呈逐年下降趨勢，說明通過實施山美水庫生態環境保護項目，水庫水質得到一定程度的改善。

(2)山美水庫TOC濃度受到外源性有機物、降雨、水庫沉積物和浮游動植物的影響。其縱向分布特征為：入庫區>庫心>出庫區；但在垂向分布上沒有明顯的規律性，而是入庫區下層濃度最高，庫心和出庫區上層濃度最高。

(3)山美水庫TOC與其他環境因子具有一定的相關性。其中，與BOD5、COD極顯著正相關；與TN、水溫正相關，但未達顯著水平；與DO、TP和葉綠素a負相關，但相關性不顯著。