柘林水庫污染物來源及水體分層對水質(zhì)的影響

周子振，黃廷林，章武首，馬衛(wèi)星

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，710055 西安; 2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，710075 西安)

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柘林水庫污染物來源及水體分層對水質(zhì)的影響

周子振1，黃廷林1，章武首2，馬衛(wèi)星1

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，710055 西安; 2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，710075 西安)

摘要:為探究水源水庫污染物來源及水質(zhì)變化規(guī)律，以九江市水源地柘林水庫為研究對象，于2013年4月—2014年4月逐月對柘林水庫進行水質(zhì)監(jiān)測.現(xiàn)場測定水溫、溶解氧等指標，分層取樣測定水體CODMn、TOC、TN、TP、Fe、Mn等水質(zhì)指標.結(jié)果表明，柘林水庫主要污染物來源為上游來水，其對CODMn、TN、TP貢獻率分別達88.3%、76.2%和67.6%.在水體穩(wěn)定分層期，底部水體CODMn、TOC、TN、TP、Fe、Mn質(zhì)量濃度分別升高至3.8、 2.4、 1.12、 0.14、 0.42和0.34 mg/L；藻類計數(shù)及藻種鑒定結(jié)果表明，此時期主庫區(qū)最大藻密度達2.25×106L-1，以綠藻為主.水體混合后出現(xiàn)Mn質(zhì)量濃度超標問題，達0.16 mg/L.

關(guān)鍵詞:柘林水庫；污染物來源；水體分層；水質(zhì)變化；藻類

近年來，湖泊、水庫逐步成為大多數(shù)城市的飲用水水源地，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，湖泊水庫的水質(zhì)問題也越來越突出，如水體富營養(yǎng)化，水質(zhì)季節(jié)性惡化等[1-4].一種觀點認為過量的氮、磷輸入是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因[5-8]；也有人認為湖泊、水庫的內(nèi)源釋放是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因[9-10].研究湖泊、水庫的污染物來源，有助于摸清水質(zhì)變化規(guī)律.湖泊、水庫的季節(jié)性分層會導(dǎo)致底部水體缺氧，而長期的厭氧環(huán)境會使沉積物向上覆水釋放有機質(zhì)、氮、磷、鐵、錳等污染物，造成上覆水體水質(zhì)惡化[11].因此，準確分析湖泊、水庫的污染物來源以及水體分層對水質(zhì)的影響有助于解決水體富營養(yǎng)化、水質(zhì)季節(jié)性惡化等問題.本文研究了柘林水庫污染物來源以及水體分層對水質(zhì)的影響，以期為柘林水庫水資源的合理利用提供理論支撐.

1實驗

1.1研究區(qū)域

柘林水庫(又稱“柘林湖”)位于江西省九江市境內(nèi)，其地理坐標為東經(jīng)115°04′～115°40′，北緯29°03′ ～ 29°18′(如圖1所示)，是江西省最大的蓄水工程，控制柘林大壩及以上流域面積9 340 km2，占修河流域面積的63.5%，多年平均入庫流量255 m3/s.柘林大壩壩頂設(shè)計高程75 m(吳淞)，設(shè)計洪水位和死水位分別為71.3和50 m.柘林水庫正常蓄水位65 m，相應(yīng)庫容50.2 億m3，水域面積308.2 km2；校核洪水位73.01 m，相應(yīng)庫容79.2 億m3，水域面積415.7 km2.平均水深45 m.

圖1　柘林水庫位置及采樣點布置

1.2監(jiān)測斷面及檢測方法

于2013年4月—2014年4月逐月對柘林水庫進行了水質(zhì)監(jiān)測.選取9個監(jiān)測點(如圖1所示)，涵蓋入庫口、庫區(qū)以及壩前出水口等區(qū)域.表層水樣在水面以下0.2～0.5 m處采集，垂向采用深層采樣器每隔5 m取樣.水溫、溶解氧等指標使用HACH Hydrolab DS-5型多功能水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定；CODMn、TN、TP等采用《水與廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》中規(guī)定的國家標準方法測定；TOC采用島津總有機碳分析儀TOC-L測定；Fe、Mn使用優(yōu)級純硝酸酸化后經(jīng)0.22 μm的膜過濾，用ICP-MS測定.將15 mL魯哥試劑預(yù)先加入1 L的玻璃瓶中，采集水樣后在實驗室使用抽濾機經(jīng)0.22 μm的膜抽濾.使用磁力攪拌器在低轉(zhuǎn)速條件下將濾膜上藻類轉(zhuǎn)移至25 mL比色管.使用0.1 mL計數(shù)框，在顯微鏡下進行計數(shù)及藻種鑒定.

2污染物來源計算

2.1上游來水

柘林水庫為河道型水庫，最主要來水水源為修河.修河多年平均來水量為80.6×108m3，豐水期、平水期、枯水期約占全年來水量的74%、16.8%、9.2%，根據(jù)2013—2014年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算各時期修河來水CODMn、TN、TP質(zhì)量濃度，結(jié)果如表1所示.

表1　柘林水庫各期CODMn、TN、TP質(zhì)量濃度　mg·L-1

不同時期來流污染物質(zhì)量濃度ρi與此時期入庫徑流量Qi的乘積即此時期入庫污染物總量Wi，則根據(jù)[12]W=(ρ1×0.74+ρ2×0.168+ρ3×0.092)×Q可計算上游來水CODMn、N、P負荷以及各時期入庫污染物所占比例，式中：W為入庫污染物總量,ρi為不同時期入庫污染物質(zhì)量濃度,Q為年入庫流量.結(jié)果如表2所示.

表2　柘林水庫入庫CODMn、TN、TP總量及各時期所占比例　103 t·a-1

2.2地表徑流

地表徑流所攜帶的污染物與土地利用方式、農(nóng)藥化肥使用量、土壤坡度及類型、降雨強度等因素密切相關(guān)[13-15].柘林水庫周邊產(chǎn)生地表徑流并直接匯入庫區(qū)的區(qū)域有13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共有土地106.47 km2.根據(jù)當?shù)亟y(tǒng)計資料，化肥使用強度為47 097.6 kg/(km2·a)，且氮肥約占60%，磷肥約占40%；農(nóng)藥使用強度為4 859.8 kg/(km2·a)，以有機磷類為主；標準農(nóng)田CODMn產(chǎn)生系數(shù)為14 999.3 kg/(km2·a)[16].氮肥流失率取6%，磷肥流失率取0.45%，農(nóng)藥磷流失率取8.48%[17-18].

綜合修正系數(shù)K的計算[16]如下：1)坡度修正.土地坡度在25°以下，流失系數(shù)為1.0～1.2；25°以上，流失系數(shù)為1.2～1.5.柘林水庫周邊地勢起伏較大，以山地為主，各流失系數(shù)按上限選取.周邊25°以上坡耕地面積約占總耕地面積的75%，綜合坡度修正系數(shù)為1.5×0.75+1.2×(1-0.75)=1.425.2)農(nóng)作物類型修正.由于目前研究區(qū)域內(nèi)沒有此方面的研究和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，農(nóng)作物類型取1.0.3)土壤類型修正.柘林水庫周邊的土壤類型以紅壤和黃壤為主，研究區(qū)域土壤修正系數(shù)取1.0.4)化肥施用量修正.化肥畝施用量在25 kg以下，修正系數(shù)取0.8～1.0；在25～35 kg，修正系數(shù)取1.0～1.2；在35 kg以上，修正系數(shù)取1.2～1.5.區(qū)域內(nèi)的施肥水平較高，為47 097.6 kg/(km2·a)，故化肥施用量修正系數(shù)取1.0.5)降水量修正.柘林水庫常年平均降雨量為1 506 mm，雨水充沛，且主要作物的施肥季節(jié)與降雨季節(jié)重合，故化肥、農(nóng)藥的流失率較高，本研究降水系數(shù)取1.4.

綜合修正系數(shù)

K=1.425×1.0×1.0×1.0×1.4=1.995,

W=S×P×c×K.

式中：W為污染物排放總量,S為總土地面積,P為農(nóng)藥化肥使用強度或標準農(nóng)田CODMn產(chǎn)生系數(shù),c為流失率,K為綜合修正系數(shù).

計算得

WCODMn=159 705×10×1×1.995=3.190×103t/a,

WTN=159 705×31.4×60%×0.06×1.995=

WTP=159 705×(31.4×40%×0.004 5+3.24×

0.084 8)×1.995=0.106×103t/a.

2.3內(nèi)源釋放

研究表明[19-20]，國內(nèi)部分湖、庫內(nèi)源污染嚴重，內(nèi)源污染物釋放比重逐步升高.從4月份水體分層逐步開始，到8月份已經(jīng)有個別監(jiān)測點底部水體DO質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L.柘林水庫水面面積308 km2，武寧縣水域水深較淺約15 m，永修縣水域水深較大，壩前水深達45 m；柘林水庫存在較大區(qū)域的水體穩(wěn)定分層，深水水域自9月份開始底部水體進入?yún)捬鯛顟B(tài)，DO質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L，直到次年1月份水體開始混合之后才結(jié)束厭氧狀態(tài)，沉積物厭氧釋放結(jié)束.

采用實驗室模擬方法計算柘林水庫沉積物最大釋放量.沉積物取自柘林水庫壩前區(qū)域，上覆水即柘林水庫原水；泥水按1∶3的比例放入10 L棕色玻璃反應(yīng)器(沉積物厚度約15 cm，上覆水厚度約45 cm，直徑16 cm)；反應(yīng)器密封，下部留有取水口，置于8 ℃恒溫培養(yǎng)箱中.在此狀態(tài)下隔天測定上覆水中DO、ORP、TN、TP、NH4-N等指標，CODMn每周測定一次.結(jié)果表明：反應(yīng)進行至20 d左右DO開始小于1 mg/L，進行至60 d左右各污染物質(zhì)量濃度釋放量達到最大.使用網(wǎng)格法計算柘林水庫深水區(qū)域面積約138.6 km2，釋放時間按60 d計算.

則模擬實驗平均釋放通量

水庫污染物釋放估算量

W=J×s×d.

式中：ρ0為污染物初始質(zhì)量濃度，ρ1為最大釋放質(zhì)量濃度，s0為反應(yīng)器截面積，d0為實驗進行時間，s為柘林水庫釋放區(qū)域面積，d為釋放時間.計算結(jié)果如表3所示.

表3　柘林水庫沉積物實驗室模擬計算結(jié)果

2.4大氣沉降

氣溶膠及酸性物質(zhì)在重力作用下直接沉降到地面的干沉降和大氣中的各種粒子在降雨過程中降到地面的濕沉降共同構(gòu)成大氣沉降[21].江西地區(qū)大氣氮沉降總量取6.26 g/(m2·a)[22]，大氣磷沉降總量取0.198 g/(m2·a)[23]，則

WTN=6.26 ×308=1.928×103t/a,

WTP=0.198×308=0.061×103t/a.

2.5生物固氮作用

根據(jù)孫寓嬌等[24]的研究，結(jié)合柘林水庫富營養(yǎng)化水平，生物固氮速率取0.172 nmol/(m3·d)，生物固氮產(chǎn)生的總氮量

WTN=0.172×50×108m3×365=8.8kg/a.

生物固氮作用增加的氮僅為8.8 kg /a，遠低于其他來源，本文忽略不計.

對柘林水庫污染物年入庫量進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示.柘林水庫CODMn、TN、TP輸入負荷分別為27.520×103、9.659×103和0.519×103t/a；CODMn輸入負荷順序為：上游來水>地表徑流>內(nèi)源釋放；TN 輸入負荷順序為：上游來水>大氣沉降>地表徑流>內(nèi)源釋放；TP輸入負荷順序為：上游來水>地表徑流>大氣沉降>內(nèi)源釋放.3種污染物的主要來源為上游來水，其貢獻率均在65%以上，上游來水對CODMn的貢獻率甚至達88.3%.

表4　柘林水庫污染物負荷及其所占比例

3水體分層對水質(zhì)的影響

判斷水庫水溫分層類型一般采用α指標法，即

α=入庫總流量/總庫容.

當α<10時，為穩(wěn)定分層型；當α>20時，為完全混合型[25].

柘林水庫多年平均流量255 m3/s，正常蓄水庫容為50.2億m3，所以，柘林水庫的α=1.6<10，屬于穩(wěn)定分層型水庫.

3.1水溫、溶解氧變化特征

柘林水庫壩前水深42 m，水深較大.圖2(a)、(b)表明：在水體分層時期(4—12月份)，水體表層與底層溫差較大(最大達22 ℃)，且隨著水深的增加水體DO質(zhì)量濃度逐步降低.而表層水體在大氣復(fù)氧和藻類光合作用下，DO質(zhì)量濃度一直維持在9 mg/L左右.水體分層形成期(4—7月份)，底部水體DO質(zhì)量濃度不斷被沉積物、水中有機質(zhì)降解等消耗而又缺乏相應(yīng)的復(fù)氧機制，DO質(zhì)量濃度逐步降低；水體分層穩(wěn)定期(8—11月份)，溫差進一步擴大，底部水體進入?yún)捬鯛顟B(tài)，9月份底部水體DO降至0 mg/L，沉積物開始釋放，上覆水開始惡化[26].水體分層消亡期(12月份)，水體底部仍處于厭氧狀態(tài)，但溫差已小于8 ℃.

水體混合期(1—3月份)，水體各水質(zhì)指標垂向趨于一致；1月份垂向DO質(zhì)量濃度達到當?shù)貧鉁貤l件下的飽和水平8.6 mg/L，隨著氣溫的進一步降低以及光照強度的減弱，水溫進一步降低，2月份氧在水中的溶解度進一步變大，水體垂向DO質(zhì)量濃度進一步升高至10.6 mg/L.

圖2　柘林水庫水溫與溶解氧動態(tài)變化

3.2有機物變化特征

有機物反映的是水體的綜合污染特征，柘林水庫CODMn和TOC監(jiān)測結(jié)果如圖3所示， CODMn和TOC均表現(xiàn)出在分層期質(zhì)量濃度較大而混合期質(zhì)量濃度較小的特征.分層穩(wěn)定期CODMn和TOC的最大質(zhì)量濃度分別達3.8和2.4 mg/L；混合時期， CODMn和TOC的最小質(zhì)量濃度分別為1.9和1.5 mg/L.

分層形成期伴隨著底部水體CODMn和TOC逐步升高.在分層穩(wěn)定期，進入9月份柘林水庫底部DO已衰減至0 mg/L，沉積物向水體釋放有機物導(dǎo)致底部水體CODMn和TOC升高，CODMn最高值達3.8 mg/L.在夏、秋季節(jié)藻類繁殖旺盛，表層水體有機物含量也處于較高水平，尤其是9月份柘林水庫表層水體TOC質(zhì)量濃度要高于中部和底部水體0.6 mg/L左右.

圖3　柘林水庫不同水層CODMn和TOC月際動態(tài)變化

3.3氮、磷營養(yǎng)鹽變化特征

如圖4(a)、(b)所示，全年TN、TP質(zhì)量濃度最大值分別為1.30和0.14 mg/L；TN最大質(zhì)量濃度出現(xiàn)在柘林水庫汛期6月份，大量徑流攜帶污染物進入水體，導(dǎo)致水體污染負荷升高；在汛期TP質(zhì)量濃度也升高至0.053 mg/L.

但在分層穩(wěn)定期，隨著水庫底部厭氧區(qū)域的出現(xiàn)以及厭氧時間的延長，沉積物中不同形態(tài)氮、磷污染物向上覆水體釋放，直至水體混合之前，TN、TP才達到最大質(zhì)量濃度1.12和0.14 mg/L.TN釋放強度較小，這是由于壩前深水區(qū)域氮素污染程度較輕的緣故，實驗室模擬實驗TN釋放極值也僅達1.50 mg/L.次年1月份水體發(fā)生混合之后，TN、TP質(zhì)量濃度降至最低，分別在0.40和0.01 mg/L左右.可見，在雨水較少、寒冷的冬季水庫水質(zhì)較好[27].

3.4金屬變化特征

Fe、Mn屬于較活潑的金屬元素，水體底部氧化還原環(huán)境的改變極易造成沉積物、水界面的Fe、Mn遷移轉(zhuǎn)化[28].如圖4(c)、(d)所示，全年Fe、Mn最大質(zhì)量濃度分別達0.42和0.34 mg/L，均發(fā)生在分層穩(wěn)定期底部水體；水體混合之后Fe、Mn質(zhì)量濃度降至0.1和0.16 mg/L左右.

8月份之前，水體Fe、Mn一直處于較低水平(Fe、Mn質(zhì)量濃度均小于0.1 mg/L)，水體處于富氧狀態(tài)，此時Fe、Mn不斷沉淀、富集在沉積物表面；進入水體分層穩(wěn)定期之后，底部水體進入?yún)捬鯛顟B(tài)，F(xiàn)e、Mn質(zhì)量濃度開始升高，且分別出現(xiàn)超標現(xiàn)象.此時局部對流開始削弱溫躍層的傳質(zhì)阻礙，中部水體Fe、Mn也有所升高；1月份水體混合之后，F(xiàn)e處于較低水平，Mn則處于超標狀態(tài)(《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)》規(guī)定，集中式生活飲用水地表水源鐵、錳標準限值分別為0.3和 0.1 mg/L).

圖4　柘林水庫氮、磷、鐵、錳動態(tài)變化

3.5藻類變化特征

藻類的生長與光照強度、水溫以及營養(yǎng)鹽關(guān)系密切[29-30]，藻類的大量繁殖對水質(zhì)惡化影響顯著[31-33].柘林水庫主庫區(qū)表層水體藻類鑒定結(jié)果如圖5所示.水體分層形成期，藻類繁殖速率較慢，其密度維持在0.5×106L-1左右；硅藻所占比例逐步降低，由6月份的42%降至11月份的14.8%.水體分層穩(wěn)定期藻密度較高，最大達2.25×106L-1，這一時期優(yōu)勢藻種為綠藻，比例達78%.進入12月份，表層水溫降低，藻密度明顯減少.在混合期，藻密度已不足0.3×106L-1，硅藻所占比例開始逐步升高，達42.3%.

穩(wěn)定分層期是藻類數(shù)目全年最高時期.文獻[34]表明，當水體TN達0.2 mg/L、TP達0.02 mg/L時，水體可能發(fā)生藻類過量繁殖；而穩(wěn)定分層期也是水體TN、TP質(zhì)量濃度最高的時期.柘林湖TN、TP均值分別為0.79和0.048 mg/L，屬于中營養(yǎng)型，TN與TP比適中，氮磷比是藻類生長高峰的主導(dǎo)因素[35].

圖5　柘林水庫藻密度及藻種動態(tài)變化

4結(jié)論與建議

1)柘林水庫的主要污染來源為上游來水，其中CODMn、TN、TP對污染物總量的貢獻率分別達88.3%、76.2%和67.6%.

2)柘林水庫為大水深分層型水庫，深水區(qū)域底部水體在8月份即進入?yún)捬鯛顟B(tài).穩(wěn)定分層期，CODMn、TOC、TN和TP最大釋放強度分別達3.80、2.35、1.12和0.14 mg/L；Fe、Mn最大釋放強度分別為0.44和0.34 mg/L；最大藻密度達2.25×106L-1，以綠藻為主.

3)柘林水庫在1月份開始混合，CODMn、TOC、TN、TP、Fe質(zhì)量濃度有所降低，水質(zhì)較好，但Mn出現(xiàn)了超標現(xiàn)象，質(zhì)量濃度為0.16 mg/L.

4)針對柘林水庫內(nèi)源污染狀況，建議采用新型水源水質(zhì)原位改善技術(shù)——揚水曝氣技術(shù)[35]，對柘林水庫底部水體進行充氧并破壞水體分層，抑制水庫內(nèi)源污染釋放.

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(編輯劉彤)

Pollution sources and the stratification effects on water quality of Zhelin Reservoir

ZHOU Zizhen1, HUANG Tinglin1, ZHANG Wushou2, MA Weixing1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, 710055 Xi’an, China;2.Chinese Northwest Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., 710075 Xi’an, China)

Abstract:To explore the pollutants sources and the water quality variation rules of the water source reservoirs, monthly monitoring of water quality from April 2013 to April 2014 was carried out in Zhelin Reservoir, which is the main water source of Jiujiang City. The dynamic variations of water temperature and DO concentrations were measured in situ, while CODMn, TOC, TN, TP, Fe and Mn were determined in the laboratory. The results showed that the main pollution source of Zhelin Reservoir was the upstream runoff, and its percentage contribution to the bulk pollutants was 88.3% for CODMn, 76.2% for TN and 67.6% for TP, respectively. During the stable stratification period, the maximum concentrations of CODMn, TOC, TN, TP, Fe and Mn in the bottom water reached 3.8, 2.4, 1.12, 0.14, 0.42 and 0.34 mg/L, respectively. The algae population and algal species identification results demonstrated that the maximum density of algae was 2.25×106cells/L, in which green algae was predominated. However, during the mixing period, Mn concentration exceeded the drinking water standard.

Keywords:Zhelin Reservoir; pollutants source; stratification; water quality variations; algae

中圖分類號:X52

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)02-0093-07

通信作者:黃廷林，huangtinglin @xauat.edu.cn.

作者簡介:周子振(1989—)，男，博士研究生;黃廷林(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51478378);

收稿日期:2014-10-12.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.016

國家科技支撐計劃項目(2012BAC04B02).