引漢濟渭工程水源地三河口水庫沉積物與消落帶污染特征及評價

馮運超，黃廷林，王 博，文 剛，王思汗，薛睿康

(1.中國電力工程顧問集團有限公司，北京 100032；2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，陜西西安 710055；3.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西省環(huán)境工程重點實驗室，陜西西安 710055；4.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西西安 710024)

作為水源地的湖庫富營養(yǎng)化是我國水環(huán)境治理的關(guān)鍵問題[1]。在外源污染輸入和內(nèi)源污染釋放的作用下，水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，藻類暴發(fā)，給保障供水帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2]。經(jīng)過多年的環(huán)境治理以及民眾環(huán)保意識的提高，外源污染得到了有效控制，但水體富營養(yǎng)化依然頻頻出現(xiàn)，主要原因在于內(nèi)源污染[3]。

沉積物作為湖庫污染的“源”和“匯”，對水體C、N、P濃度具有顯著影響[4-5]。外源污染物隨徑流進入水庫后，受水動力條件改變的影響，水中泥沙、動植物殘體等懸浮污染物發(fā)生沉降，成為沉積物的一部分[6]。當水體富氧時，沉積物中污染物處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但當水體出現(xiàn)分層，底部水體厭氧時沉積物中有機質(zhì)(OM)被分解為小分子的有機物、N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，并不斷向上覆水擴散提高水體富營養(yǎng)化水平。同時，由于水庫周期性調(diào)度，將形成大面積的消落帶，其在受納土地污染物的同時將在水位上升后成為水體污染物的“源”和“匯”。因此，探明湖庫沉積物與消落帶C、N、P的含量及分布能夠為保障水質(zhì)安全、改善水生態(tài)環(huán)境提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論支撐，具有重要意義。

三河口水庫作為引漢濟渭調(diào)水工程重要水源地及中樞調(diào)蓄的“水龍頭”，其水質(zhì)將直接影響關(guān)中受水區(qū)用水安全。目前尚無對三河口水庫沉積物及消落帶C、N、P污染含量及分布的研究。因此，本研究對其表層沉積物以及消落帶污染狀況進行了分析與評價，以期為三河口水庫運行維護及水環(huán)境綜合治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與樣品采集

三河口水庫(地理坐標為108.06°E～108.08°E, 33.35°N～33.36°N)位于漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界處，受納椒溪河、蒲河與汶水河3條河流來水，總庫容為7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容為5.5億m3，最大壩高為138.3 m。水庫流域內(nèi)四季分明、雨熱同期，屬于具有分層特征的大水深峽谷型水庫。

2021年11月，在三河口水庫布設(shè)8個沉積物采樣點及8個消落帶采樣點，采樣點位置如圖1所示。其中，Z、J、P、W分別代表主庫區(qū)、椒溪河、蒲河、汶水河采樣點，C代表沉積物采樣點，X代表消落帶采樣點。樣品采集后放入聚乙烯自封袋中，于4 ℃下轉(zhuǎn)運至實驗室進行預(yù)處理。

圖1 研究區(qū)域采樣點布設(shè)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

沉積物污染評價方法眾多，本文選擇常用的單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、有機氮(ON)及有機(OI)污染指數(shù)法對沉積物與消落帶污染情況加以評價。

1.3.1 單因子污染指數(shù)法與綜合污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法被廣泛應(yīng)用于環(huán)境評價領(lǐng)域[7]，但該方法只針對單一污染物，在一定程度上不能反映沉積物及消落帶的整體污染水平。因此，在單因子污染評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合TN與TP兩個指標進行綜合污染指數(shù)評價。單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)計算如式(1)～式(2)。

Si=Ci/Cs

(1)

(2)

其中：Si——第i項污染物單項指數(shù)；

Ci——第i項污染物的實測質(zhì)量分數(shù), mg/kg；

Cs——對應(yīng)污染元素評價標準質(zhì)量分數(shù)，mg/kg；

FF——綜合污染指數(shù)；

Fmax——單項污染指數(shù)最大值。

TN評價標準值Cs為1 000 mg/kg，TP為420 mg/kg[8]。單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)分級如表1所示[9]。

表1 沉積物及消落帶綜合污染評價標準[9]Tab.1 Evaluation Criteria for Comprehensive Pollution of Sediments and Fluctuation Belts[9]

1.3.2 OI污染指數(shù)和ON污染指數(shù)

綜合污染指數(shù)法雖然考慮了整體污染水平，但忽略了OI指標的影響[10]，然而沉積物中OI含量巨大，氮素營養(yǎng)鹽也以O(shè)N為主[11]，故本研究采用ON污染指數(shù)和OI污染指數(shù)來評價三河口水庫沉積物及消落帶有機污染程度。計算如式(3)～式(5)，其中TN及OM換算為1.0 g/kg=0.1%，評價標準如表2所示[11]。

ON=TN×95%

(3)

OC=OM/1.724

(4)

OI=ON×OC

(5)

表2 沉積物及消落帶OI污染指數(shù)與ON污染指數(shù)評價標準[11]Tab.2 Evaluation Criteria for OI Pollution Index and ON Pollution Index of Sediments and Fluctuation Belts[11]

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物形態(tài)、含量及分布差異

圖2 三河口水庫沉積物及消落帶中污染物含量Fig.2 Content of Pollutants in Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

消落帶P含量及形態(tài)受水庫調(diào)度的影響，在低水位期消落帶露出水面，承接來自大氣干濕沉降、徑流沖刷攜帶的污染物，在高水位期消落帶沒于水中，根據(jù)消落帶-水界面的濃度差及氧化還原環(huán)境吸附或釋放污染物。AP作為消落帶土壤中較易流失的磷形態(tài)，是造成水體富營養(yǎng)化的重要原因[12]。2021年11月三河口水庫已度過汛期，水位開始下降，此時消落帶露出水面不久，AP大量釋放進入水體，導(dǎo)致消落帶土壤中AP含量僅為沉積物中的1/4。

從圖3可以清楚地看到，三河口水庫沉積物及消落帶中污染物分布存在差異。除汶水河與主庫區(qū)TN外，越靠近下游大壩，沉積物樣品中OM、TN和TP的含量越高，說明三河口水庫污染物沉降及沉積物中污染物遷移規(guī)律在3條補給支流及主庫區(qū)是相似的，越靠近下游水體紊動強度越低，富含OM、N、P的污染物越易沉降累積。消落帶土壤樣品污染物含量雖有差異，但規(guī)律并不顯著。

圖3 三河口水庫沉積物及消落帶OM、TN、TP空間分布Fig.3 Spatial Distribution of OM, TN and TP in Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

2.2 沉積物C/N、N/P特征

為進一步了解三河口水庫沉積物中OM污染來源，計算了各沉積物樣品的C/N與N/P。已有研究[13]結(jié)果表明，一般情況下水生生物、浮游動物的C/N<10，浮游植物與浮游藻類C/N為5～14，而高等植物、維管束陸生植物的C/N>10。因此，研究人員[14]將C/N作為判斷OM污染來源的重要指標，該指標以10為界限，C/N<10表示內(nèi)源污染占主導(dǎo)，C/N>10表示外源污染占主導(dǎo)，而C/N≈10表示內(nèi)源與外源基本平衡。三河口水庫JC1、PC1、WC1和ZC1點沉積物C/N均超過20，最大為28.244，呈現(xiàn)出強烈的外源污染輸入特征，而其余采樣點C/N則在2.722～6.640，表明這些采樣點沉積物OM以內(nèi)源輸入為主[圖4(a)]。這一結(jié)果可能是因為三河口水庫蓄水時間短，蓄水后改變了原本河流水動力條件，使得下游庫底新沉降的污染物越多，而上游則是蓄水前長期外源輸入累積的污染物。

N/P在一定程度上可以反映出沉積物中P污染來源，因為浮游生物引起的內(nèi)源污染N/P應(yīng)該接近Redfield比(C∶N∶P=106∶16∶1)。三河口水庫沉積物N/P為4.555～13.787，其中，JC2、WC1、WC2和ZC2的N/P超過10.00，說明這幾個采樣點有較強的內(nèi)源P污染[圖4(b)]。

圖4 三河口水庫沉積物C/N、N/PFig.4 C/N and N/P in Sediments in Sanhekou Reservoir

2.3 沉積物與消落帶污染評價

三河口水庫沉積物TN、TP單因子污染指數(shù)分別為1.002～2.827、0.310～0.738，消落帶土壤TN、TP單因子污染指數(shù)為0.533～3.179、0.262～0.834(表3)。半數(shù)沉積物檢測點的TN處于重度污染狀態(tài)，3個檢測點的沉積物TN處于輕度污染狀態(tài)，沉積物TP整體處于清潔與輕度污染狀態(tài)。從結(jié)果來看沉積物TN污染較為嚴重尤其是汶水河，WC1與WC2均為重度污染，而消落帶土壤污染情況較輕。TN污染狀態(tài)在超過一半的采樣點為清潔，2個采樣點為中度污染，TP同樣以清潔和輕度污染為主，其中5個采樣點TP單項污染評價為輕度污染。

表3 三河口水庫沉積物及消落帶單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)評價Tab.3 Evaluation of Single Factor Pollution Index and Comprehensive Pollution Index of Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

三河口水庫沉積物綜合污染指數(shù)為0.851～2.350，均值約為1.623，呈現(xiàn)中度污染，其中超過1/3采樣點為重度污染，同樣以汶水河最為嚴重。消落帶土壤綜合污染指數(shù)在0.525～2.640，均值約為1.146，表現(xiàn)為輕度污染。

綜合污染指數(shù)法雖然將TN、TP兩個指標整合在一起對污染狀態(tài)進行了評價，但并未將OM考慮在內(nèi)，而沉積物與消落帶土壤中OM不僅含量高，還影響了N、P的遷移轉(zhuǎn)化，為使評價結(jié)果更客觀真實，采用了ON污染指數(shù)及OI污染指數(shù)法進行評價，結(jié)果如表4所示。三河口水庫沉積物與消落帶土壤ON污染指數(shù)分別在0.095%～0.269%和0.051%～0.302%，均值分別約為0.184%和0.121%，屬于重度污染和中度污染范疇。其中,5個沉積物采樣點、3個消落帶土壤采樣點ON污染程度為重度，占總樣品數(shù)的50%，分別是JC2、PC1、PX1、WC1、WC2、WX1、ZC2和ZX2，汶水河沉積物ON污染較為嚴重。OI污染指數(shù)在沉積物與消落帶土壤中為0.025～1.170和0.037～1.372，均值分別約為0.328和0.404，為中度污染。OI污染指數(shù)評價在考慮了OM含量后與ON污染評價結(jié)果存在差異。JC2、WC2和ZC2在ON污染評價結(jié)果為重度污染的情況下，OI污染程度分別為輕度、中度和輕度污染。從這一結(jié)果來看，相比消落帶，三河口水庫沉積物中OM含量相對更低，與圖2(a)一致。

表4 三河口水庫沉積物與消落帶ON污染指數(shù)及OI污染指數(shù)評價Tab.4 Evaluation of ON Pollution and OI Pollution Index in Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

3 結(jié)論

(2)沉積物樣品的C/N與N/P分別是2.722～28.244和4.555～13.787，其中JC1、PC1、WC1和ZC1點沉積物C/N均超過20，表明沉積物污染以外源污染輸入為主；而JC2、WC1、WC2和ZC2的N/P超過10，表明內(nèi)源污染對沉積物P元素含量貢獻較大。

(3)綜合污染指數(shù)評價結(jié)果顯示,三河口水庫沉積物處于中度污染狀態(tài)，消落帶土壤為輕度污染；沉積物與消落帶土壤平均ON污染程度分別為重度污染和中度污染，平均OI污染程度為中度。

(4)為保證水質(zhì)及水生態(tài)環(huán)境維持在較高水平，應(yīng)進一步探明三河口水庫沉積物中各污染物釋放條件和釋放規(guī)律，后續(xù)可通過設(shè)置沉積物污染釋放靜態(tài)試驗研究不同溶解氧、pH、氧化還原電位，以及利用滅菌和非滅菌體系研究不同條件下沉積物釋放速率。