黃柏河流域水庫底泥內源磷釋放對水質影響分析

李瓊　劉佳　李永凱

摘要：為分析宜昌市黃柏河流域飲用水水庫內源磷釋放對水質的影響，于2016年對流城內3座梯級水庫的水體進行了逐月采樣，在10月進行一次沉積物柱狀樣品的采集。根據樣品分析數據，估算了沉積物-水界面磷釋放通量，以及內源磷占磷總量的比例。結果發現：流城內玄廟觀水庫磷釋放通量為0.492mg/（m2·d）;天福廟水庫為0.37mg/（m2·d），西北口水庫為0.175mg/（m2·d）;玄廟觀水庫年內內源磷釋放最大月份占比為28.4%，天福廟水庫為18.5%，西北口水庫為19.5%;水庫底泥內源磷釋放已對水庫水質產生了影響。研究結果為黃柏河流域飲用水水庫的水質治理、保護提供了科學依據。

關鍵詞：磷釋放通量;采樣分析;內源污染;黃柏河;宜昌市

中圖法分類號：X52

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.011

文章編號：1001-4179（2019）03-0060-06

磷是湖泊生態系統限制性營養元素，沉積物作為湖泊磷的源和匯，對湖泊的磷循環具有重要影響。湖庫來水攜帶大量的富磷物質，一部分直接被水生生物直接利用，另一部分不斷沉積，在沉積物中形成穩定礦物。有研究表明，湖泊沉積物是磷等營養鹽類污染物的重要蓄積庫，僅有不足1%的污染物溶解于水中，超過9%的污染物儲存在沉積物中沉積物中磷受有機質礦化降解驅動，經過一系列物理、化學和生物作用，又釋放到水體中對水質產生重要影響。當外源磷輸入得到有效控制后，沉積物中的沉積磷成為湖庫重要的磷源。

黃柏河流域內磷礦藏豐富，流域內各大水庫水華現象頻發。受特殊地域條件的影響，流域產水中富含大量磷礦顆粒。近年來，各礦場排水已得到有效控制，但前期積累的沉積物中的磷可能是導致流域內各個水庫富營養化的重要原因。目前有關黃柏河的研究較少，而它作為宜昌市的母親河，提供著城區200萬人生產生活用水，其水質的重要性不言而喻。本研究通過在黃柏河流域水庫中采集的沉積物-水界面柱狀樣品，結合月平均流量數據，探討黃柏河流域內源釋放與外源輸入兩者的關系，旨在分析內源釋放對湖庫水質的影響，為管理部門預防水華提供數據。

1 研究區域概況

黃柏河系長江一級支流，位于長江北岸，發源于宜昌市夷陵區黑良山，地處東經111°04'～111°00'，北緯30943'～31°29'。黃柏河河長162km，流域面積1902km2，流域分為東西兩支，在夷陵區兩河口匯合，于葛洲壩大壩上游注入長江。其東支為黃柏河主脈，河長130km。東支內自上而下有4座大中型水庫：玄廟觀水庫，總庫容4054萬m3，天福廟水庫，總庫容6180萬m3，西北口水庫，總庫容2.1億m3以及尚家河水庫，總庫容1646萬m3。水庫出水經東風渠總干渠引入東分區灌區，既是宜昌城區100萬人的飲用水源，亦承擔著當陽、枝江、夷陵區、高新區等區域內百萬畝農田以及100萬人的生產生活用水的任務，其水質受到廣泛關注。

黃柏河流域內磷礦資源豐富，天福廟水庫以上有磷礦開采企業54家。黃柏河流域供水區內經濟總量占宜昌市的近80%。由于流域內城鎮居民污水直排，工業企業廢水排放，化肥、農藥的不合理使用，以及2003年來流域內磷礦（磷礦藏30億t）的開采規模逐漸加大，導致黃柏河流域水資源污染狀況日益嚴重。宜昌市附近其余水源條件（清江網箱養殖泛濫，沮漳河水質常年劣V類）也不容樂觀，黃柏河作為宜昌市的飲用水水源有不可替代的作用，因而就黃柏河對宜昌市的重要作用而言，開展本研究具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

水樣采樣時間為2016年全年各月，采樣點位于玄廟觀水庫、天福廟水庫以及西北口水庫庫尾，現場測定理化指標包括水溫、溶解氧和pH，采集表層水水樣兩份，用于測定葉綠素a和營養鹽。2016年10月，采用柱狀采泥器（φ=6.5cm）采取水庫各點的沉積物柱狀樣品[8]，現場對沉積物和上覆水進行2cm一層分層，保存于離心管和聚乙烯瓶中，帶回實驗室進一步分析，同時測得上覆水理化指標。在實驗室中對沉積物樣品進行分析，采用L535R-1型冷凍離心機離心得到孔隙水，泥樣干燥至恒重，計算沉積物含水量和孔隙率。

孔隙水經過0.45μm玻璃纖維濾膜過濾后進行水質指標分析，采用納氏試劑光度法測量氨氮，過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測總氮，過硫酸鉀法測總磷，采用丙酮提取法測葉綠素a。水樣通過0.45μm乙酸纖維濾膜在真空泵下抽濾，所得濾膜置于10mL離心管中，加入90%的丙酮至于暗處靜置24h后，用離心機離心15min，取上清液測定水體中葉綠素a的含量。

2.2 內、外源量計算

水庫內源釋放量不僅受沉積物-水界面磷釋放通量的影響，還受到水庫沉積物面積影響。水庫內源釋放總量的計算公式為

公式

式中，W為水庫內源釋放磷總量;S為流域水面面積;t為計算時長;F為各水庫各采樣點的平均總磷釋放通量。釋放通量F可由Fick第一定律來計算：

公式

式中，F為沉積物一水界面的釋放通量，mg/（m2·d）;0為沉積物的孔隙度;（ac/ax）x=0為沉積物-水界面物質的濃度梯度;D，是沉積物中溶質的分子擴散系數，cm2/s.由于D，考慮了沉積物的彎曲效應，但實際中彎曲度測量較為困難，通常通過其與孔隙度之間的關系來進行推導：

公式

式中，D。是無限稀釋溶液的理想擴散系數，通常取6.12x10-cm2/s（25C）。有學者對擴散系數Do和溫度T（上覆水）之間的關系做出進一步的校準。

公式

水庫外源匯入磷總量主要受到水庫入庫流量及入流斷面總磷濃度的影響，計算公式為

公式

式中，V為水庫外源匯入磷總量;Q;為各月入庫流量;t為計算時長;C;為各月入流斷面總磷濃度。

3 結果與分析

3.1 環境因子變化

3座水庫全年各月采樣時的環境因子如圖1所示。表層水體溶解氧含量呈現1，10，11月和12月較高，其余各個月變化范圍較小，與溫度的變化趨勢相反。隨著溫度的升高，表層水體溶解氧含量下降，氣溫最高的7，8月和9月，溶解氧濃度達到最低。pH值變化范圍為7.8～8.8，表層水體為弱堿性，這與3座水庫沉積物沉積環境有很大關系，其中玄廟觀水庫和天福廟水庫具有相同的變化趨勢。

圖2為3座水庫全年各月總氮、總磷和葉綠素a含量情況。葉綠素a濃度變化與總氮和總磷濃度變化具有相似趨勢，1～4月相對較大。有研究表明：葉綠素a含量與流量呈現負相關關系，導致枯水期葉綠素a含量較大。總磷濃度和總氮濃度相關性較好，最高可達0.737（p<0.05），總磷和總氮浮動較大，呈現春季和冬季較高，夏季和秋季較低的情況。

3.2 孔隙水磷釋放通量的估算

3座水庫孔隙水和上覆水中TP濃度垂直分布見圖3所示。總體上，上覆水TP濃度低于孔隙水，在玄廟觀水庫出現上覆水TP濃度高于孔隙水的情況。對于上覆水，總體上均值表現為玄廟觀水庫（1.822mg/L）>天福廟水庫（1.002mg/L）>西北口水庫（0.445mg/L），呈現逐漸降低的趨勢。對于孔隙水，玄廟觀水庫整體呈現先增加后降低的趨勢，TP濃度垂向波動較大;天福廟水庫波動較小，總體上亦存在先增加后降低的趨勢;西北口水庫庫首和庫中TP濃度呈現隨深度增加的趨勢，庫尾TP濃度表現為先增加后減小。

根據Fick第一定律，結合圖3，選取界面以下孔隙水擾動層3～5cm以及界面以上3～5cm的TP濃度對深度進行指數擬合，結果見表1。由表1可以看出，擬合情況良好。根據擬合所得的公式對深度進行求導，得到沉積物-水界面dc/dx，再由孔隙度，采用Fick定律可計算得到各個采樣點的總磷釋放通量（見表1）。

由表1可知，黃柏河流域內3座梯級水庫總磷均表現為由孔隙水向.上覆水進行擴散，即均表現為總磷的源。其中玄廟觀水庫平均磷釋放通量為0.492mg/（m2·d），天福廟為0.37mg/（m2·d），西北口水庫為0.175mg/（m2·d）。各個采樣點的釋放潛力均不相同，這與沉積物-水界面的濃度梯度、沉積物的理化性質、粒徑等密切相關，總體表現為玄廟觀水庫>天福廟水庫>西北口水庫。

根據黃柏河流域管理局所提供的相應的水位、流量庫容以及水面面積數據，查得各月平均水位，并通過3座水庫的水位-水面面積關系曲線，插值得到各月平均水面面積，采用公式（1）計算各個水庫內源總磷釋放通量，采用公式（2）計算各個水庫年內匯入總磷總量見表3。

通過水庫內源釋放占磷總量的比例可以分析內源釋放對水庫富營養化的影響，具體見表4。玄廟觀水庫底泥釋放磷最高為28.4%，出現在1月份;天福廟水庫在12月底泥釋放磷最高，為18.5%;西北口水庫在12月底泥釋放磷最高，為19.5%。水庫的來水量對水庫底泥釋放量占總量的比例具有很重要的影響，在來流量較少的9月至翌年3月，3座水庫底泥釋放量占比均較高。

4 結論

本文分析了黃柏河飲用水水庫內源磷釋放對水質的影響。通過對流域內3座梯級水庫水體和沉積物柱狀樣品的采集分析，估算了沉積物-水界面磷釋放通量，以及底泥釋放量在磷總量中的占比。結果表明：黃柏河流域內3座梯級水庫玄廟觀水庫、天福廟水庫、西北口水庫的孔隙水TP含量均高于上覆水，其相應的內源磷釋放通量為：玄廟觀水庫0.492mg/（m2·d），天福廟水庫0.37mg/（m2·d），西北口的水庫0.175mg/（m2·d），表現為TP的“源”。在此基礎上計算得到玄廟觀水庫內源磷釋放磷最高可占磷總量的28.4%，天福廟水庫最高為18.5%，西北口水庫為19.5%。水庫底泥釋放量已對各水庫水質產生影響，尤其是對玄廟觀水庫影響明顯。

沉積物內源磷釋放是一個復雜的生物地球化學過程，受諸多環境因子的影響，尤其是在黃柏河流域的水庫中，水動力的季節性變化將直接影響沉積物磷釋放，人類活動同樣對其造成影響。因此，還需在黃柏河流域在時間與空間尺度上開展更多的監測，并提高測驗精度，積累不同條件下水庫沉積物磷釋放的數據，以實現對水庫沉積物內源磷負荷的準確評估。

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引用本文：李瓊，劉佳，李永凱.黃柏河流城水庫底泥內源磷釋放對水質影響分析[J].人民長江，2019，50（3）：60-65.

Effect of endogenous phosphorus release from reservoir bottom sediment on water quality in Huangbai River Basin

LI Qiong'，LIU Jia2，LI Yongkai'

（1. Yichang Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Yichang 443000，China;2. College of Hydraulic & Environmen-tal Engineering，China Three Gorges Universily，Yichang 443000，China）

Abstract：To investigate the influence of reservoir endogenous phosphorous release on the water quality of the Huangbai river drinking-water source in Yichang City，the water in 3 cascade reservoirs in the basin was sampled monthly in 2016 and the reservoir bottom sediment columns were sampled in October 2016. With the sample analysis data，the phosphorus release fluxes through interface of sediment-water and its ratios in total phosphorus were calculated. The results showed that the phosphorusrelease fluxes from sediment of 3 reservoirs were Xuanmiaoguan Reservoir0.217 mg m-2 d-'，Tianfumiao Reservoir 0.133 mgm-2 d-'，Xibeikou Reservoir 0.06 mg m～2 d-' . The results show that the endogenous phosphorous release from the reservoir bottom had impacted the water quality of the reservoirs. The conclusion can provide scientific basis for the drinking water management and protection of the reservoirs in the basin.

Key words：phosphate release fluxes;sampling and analyzing;endogenous pollution;Huangbai River;Yichang City