中國西南某城市水庫沉積物空間分布特征研究

摘 要：選取中國西南地區某城市水庫為研究對象，按照網格法補點采集庫區沉積物，通過試驗測定沉積物樣品中總磷、總氮、鐵、錳、總硫的質量分數，結合水庫沉積物的平均深度和水域面積，求得水庫總磷蓄積量約為689 t，總氮蓄積量約為2 301 t，鐵蓄積量約為46 930 t，錳蓄積量約為2 054 t，總硫蓄積量約為1 729 t。根據數據分析全面掌握該水庫沉積物的空間分布特征，為確定該水庫污染范圍、污染程度及制訂最佳底泥治理方案提供科學依據。

關鍵詞：水庫；沉積物；空間分布；污染

中圖分類號：X524 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909-（2023）13-134-3

0 引言

沉積物是水生生態系統的重要組成部分，也是衡量水環境質量的重要指標［1-3］。近年來，水環境污染問題日益突出，尤其重金屬污染導致的水質下降，已引起人們的高度重視［4-6］。重金屬具有高毒性、難降解、易富集等特征，會通過食物鏈進入人體，對人體健康造成嚴重威脅。重金屬污染問題已受到國內外學者的廣泛關注，國內外關于沉積物中重金屬的研究主要集中在重金屬分布特征方面［7］。當水體中的污染物超過水體自凈能力時，污染物會沉積在底泥中，湖底沉積物中的液態營養物質會釋放到上覆水體中，營養物質在動力作用下懸浮造成內源污染［8-10］。作為主要的供水水源之一，水庫的污染問題受到了政府的高度重視和環保人士的廣泛關注。湖泊沉積物-水體界面是湖泊沉積污染物向上層水體擴散的主要通道［11-12］，因此沉積物中污染物的質量分數和空間分布特征對湖泊內源污染物的釋放有著至關重要的影響。筆者研究的水庫位于我國西南重要城市，是一座典型的人工河道型深水水庫，同時是該城市主要飲用水源地，承擔著維持城市生產生活用水的重要作用。近年來，隨著水庫水域周邊工業生產活動和城鎮居民數量的日益增長，大量的工業、生活污水不斷進入庫區，導致該水庫水質不斷惡化，對區域供水和生態環境造成了嚴重影響。

1 樣本采集和分析方法

1.1 樣本采集

2022年春季，通過全球定位系統（Global Positioning System，GPS）在該庫底淤泥較厚區域按網格法布設監測點264個（密度為100～150個/km2），該水域沉積物厚度分布如圖1所示。根據沉積物的實際淤積厚度，采集的沉積柱巖芯長度分別為0～5 cm和5～30 cm。將獲得的樣品等分并帶回實驗室，測定其總磷、總氮、鐵、錳、總硫質量分數，揭示水庫沉積物中總磷、總氮、鐵、錳、總硫的水平和垂直分布特征。

1.2 樣品分析方法

水庫沉積物主要是淤泥。對于采集到的沉積物樣品，過濾出孔隙水后經真空冷凍干燥機（Techconp FD-3-85-MP）冷凍干燥，而后再用瑪瑙研缽研磨至物料粒度在0.125 mm以下，裝入密封袋中備用。

1.2.1 沉積物中總磷質量分數的測定

稱取500 mg樣品，在500 ℃下灰化2 h，然后用25 mL的1 mol/L鹽酸溶液浸提16 h，浸提液經0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后，用鉬銻反分光光度法測定總磷質量分數。

1.2.2 沉積物中總氮和總硫質量分數的測定

稱取約5 mg樣品，用有機元素分析儀（Vario Macro Cube）測定沉積物中的總氮和總硫的質量分數。該儀器的燃燒溫度為975 ℃，總氮和總硫的分析范圍為0.001～6.000 mg，分析誤差小于5%。

1.2.3 沉積物中鐵和錳質量分數的測定

稱取約50 mg樣品，置于特氟龍試管中，加入0.8 mL氫氟酸和1 mL硝酸并密封，在烘箱中加熱（180～190 ℃）24～30 h，冷卻后放在熱板上蒸發（140 ℃），然后加入少量硝酸（lt;1 mL），蒸發干透后再加入2 mL硝酸和3 mL去離子水，在密封烘箱中加熱（140 ℃）4～5 h，冷卻后定容至100 mL，對定容后的樣品用等離子發射光譜儀進行分析。

2 沉積物的累積和分布情況

2.1 沉積物中總磷的空間分布特征

水庫底泥中總磷的平均質量分數為1.04%，但在不同深度（0～30 cm、30 cm以下）底泥中，其質量分數差異明顯。在水庫采集的全部底泥樣品中，總磷質量分數最低值為4.4%，最高值達13.32%。

水庫0～30 cm底泥中總磷平均質量分數為1.07%；其中，總磷質量分數超過2.00%的區域位于沙河上游，沙河中游底泥總磷質量分數在1.50%～2.00%。在白巖河河口、蔡沖河及湖區中部0～30 cm底泥總磷質量分數為1.00%～1.50%；在其他湖區，0～30 cm底泥總磷質量分數基本低于1.00%。

水庫30 cm以下底泥中總磷質量分數較高，約為4.76%。游魚河上游及白巖河上游的局部湖區30 cm以下底泥總磷質量分數超過6.00%，沙河河口、白巖河河口及爛泥溝河河口30 cm以下底泥總磷質量分數在3.00%～4.00%，其他絕大部分湖區30 cm以下底泥總磷質量分數均低于3%或底泥淤積不足30 cm。

2.2 沉積物中總氮的空間分布特征

水庫底泥中總氮的平均質量分數為0.35%，在不同湖區及不同層位底泥中存在明顯差異。在水庫采集的全部底泥樣品中，總氮質量分數最低值為0.19%，最高值為0.69%。

水庫0～30 cm底泥總氮質量分數為0.35%，其高值區分布相對分散。0～30 cm底泥總氮質量分數超過0.40%的區域主要位于爛泥溝河上游、爛泥溝河河口、沙河上游及沙河中游等地。在管理處附近湖區、白巖河、沙河上游、爛泥溝河下游及管理處南側湖灣湖區，0～30 cm底泥總氮質量分數在0.30%～0.40%；在其他湖區，0～30 cm底泥總氮質量分數基本低于0.30%。

水庫30 cm以下底泥總氮平均質量分數為0.35%。30 cm以下底泥總氮質量分數超過0.40%的區域主要位于沙河中上游、白巖河局部及管理處南側湖灣等地。在管理處附近湖區、白巖河下游、爛泥溝河河口湖區，30 cm以下底泥總氮質量分數在0.30%～0.40%；其他湖區30 cm以下底泥總氮質量分數均低于0.30%，或底泥淤積不足30 cm。

2.3 沉積物中鐵的空間分布特征

水庫底泥中鐵的平均質量分數為7.14%，不同湖區底泥鐵質量分數差異明顯，而且在不同層位上亦表現出明顯差異。在水庫采集的全部底泥樣品中，鐵質量分數最低值為2.15%，最高值為19.75%。

水庫0～30 cm底泥鐵平均質量分數為7.14%，其高值區分布較為集中。0～30 cm底泥鐵質量分數超過7.50%的區域位于白巖河、游魚河、蔡沖河河區及湖體中部，其中游魚河上游鐵質量分數超過10.00%。沙河、爛泥溝河河口湖區中部0～30 cm底泥鐵質量分數在5.00%～7.50%，沙河、爛泥溝河湖區0～30 cm底泥鐵質量分數基本低于5.00%。

水庫30 cm以下層位底泥鐵平均質量分數為7.25%。全湖底泥鐵質量分數分布具有較為明顯的規律，即中部低、四周高。游魚河上游30 cm以下底泥鐵質量分數超過10.00%，白巖河上游30 cm以下底泥鐵質量分數在7.50%～10.00%，湖區中部管理處附近30 cm以下底泥鐵質量分數在5.00%～7.50%，其他湖區30 cm以下底泥鐵質量分數均低于5.00%或底泥淤積不足30 cm。

2.4 沉積物中錳的空間分布特征

水庫底泥中錳的平均質量分數為0.31%，在不同湖區及不同層位底泥中存在明顯差異。在水庫采集的全部底泥樣品中，錳的質量分數最低值為0.07%，最高值為3.24%。

水庫0～30 cm底泥中錳的平均質量分數為0.43%，其分布呈現中部高、四周低的規律。0～30 cm底泥中錳質量分數超過0.75%的區域位于湖區主體部分，其中白巖河河口及湖區中部錳質量分數超過1.00%。白巖河、游魚河、爛泥溝河及沙河湖區0～30 cm底泥錳質量分數均低于0.50%。

水庫30 cm以下層位底泥中錳平均質量分數明顯降低，為0.20%。除白巖河河口湖區30 cm以下底泥錳質量分數為0.25%～0.50%，其他湖區30 cm以下底泥錳質量分數均低于0.25%或底泥淤積不足30 cm。

2.5 沉積物中總硫的空間分布特征

水庫底泥總硫平均質量分數為0.26%，在不同湖區及不同層位底泥中存在明顯差異。在水庫采集的全部底泥樣品中，總硫質量分數最低值為0.03%，最高值為1.50%。

水庫0～30 cm底泥中總硫的平均質量分數為0.26%，其高值區分布較為集中。0～30 cm底泥總硫質量分數超過0.25%的區域主要位于游魚河上游、爛泥溝河河口、白巖河河口及湖體中部湖區，其中游魚河上游及白巖河河口局部湖區總硫質量分數超過0.50%。其他大部分湖區0～30 cm底泥總硫質量分數基本上低于0.25%。

水庫30 cm以下層位底泥中總硫平均質量分數為0.24%，其高值區位于游魚河上游，其局部總硫質量分數超過0.75%。其他絕大部分湖區30 cm以下底泥總硫質量分數均低于0.25%或底泥淤積不足30 cm。

沉積物-水體界面處強烈的生物地球化學循環，可能導致微量（重）金屬和硫酸根的釋放和擴散，污染物的再遷移可能誘發二次污染，導致飲用水源的水質惡化。

水庫沉積物樣品中的總磷、總氮、鐵、錳和總硫平均質量分數見表1。

3 分析與結論

該水庫泥沙淤積厚度為8～76 cm，平均淤積厚度為39 cm，根據湖泊面積計算可得淤泥體積為1.3×106 m3。根據不同沉積物質量分數與各泥沙樣品干質量的加權和，求得水庫單位體積淤泥的總磷、總氮、鐵、錳、總硫質量濃度分別為0.53、1.77、36.10、1.58、1.33 mg/cm3。結合湖泊面積和水庫最底層淤泥的平均厚度，求得水庫總磷蓄積量約為689 t，總氮蓄積量約為2 301 t，鐵蓄積量約為46 930 t，錳蓄積量約為2 054 t，總硫蓄積量約為1 729 t。

由上述研究可知，水庫沉積物的污染物負荷較為嚴重。整個沉積柱巖芯中總磷、總氮、總硫、鐵和錳的質量分數分別為0.07%～0.11%、0.28%～0.54%、0.86%～1.72%、3.05%～11.02%和0.24%～1.59%，其中總磷、總氮、總硫呈“表高底低”的分布趨勢，鐵、錳呈“表低底高”的分布特征。

該水庫沉積物中的總氮、鐵和錳的平均質量濃度分別高達47.10 、1.12 mg/L和2.83 mg/L，尤其是表層沉積物中的總氮、鐵和錳的平均質量濃度更高。鐵、錳質量濃度高，加之水庫水深較大，庫底滯洪區水體長期處于缺氧、厭氧狀態，易使氮、磷污染物通過沉積物-水體界面擴散（內源釋放），表現為高釋放風。因此，針對該水庫的沉積物治理迫在眉睫。

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