竹銀水庫建庫前底泥氮磷釋放模擬研究及應用Ⅰ

劉紅濤，吳艷龍，招景添，袁士琪，吳孟李

（1．珠海市水資源中心，廣東珠海519000；2．珠海市水質(zhì)監(jiān)測中心，廣東珠海519020）

竹銀水庫建庫前底泥氮磷釋放模擬研究及應用Ⅰ

劉紅濤1，吳艷龍2，招景添1，袁士琪1，吳孟李2

（1．珠海市水資源中心，廣東珠海519000；2．珠海市水質(zhì)監(jiān)測中心，廣東珠海519020）

以珠海竹銀水庫為研究對象，開展水庫建設(shè)前庫底底泥氮磷調(diào)查，通過模擬底泥氮磷釋放實驗分析蓄水前后入庫水源氮磷含量的影響。結(jié)果表明，底泥中較高的氮磷負荷和釋放存在水體富營養(yǎng)化和藍藻水華的風險，應對庫底采取清淤措施，以降低水庫建成后運行時底泥中氮磷污染物的二次污染，保障水庫飲用水源安全。

水庫；底泥；氮；磷

竹銀水庫位于廣東省珠海市斗門區(qū)六鄉(xiāng)鎮(zhèn)，西江流域內(nèi)珠江三角洲磨刀門水道右岸，2009年4月開工建設(shè)，2011年4月19日竣工，總庫容達4 018萬m3，是珠海境內(nèi)最大的中型水庫。水庫控制集水面積2.99 km2，因天然集水面積小，主要解決枯水期咸潮期間供水不足的矛盾，水庫蓄水主要是從位于西江磨刀門水道抽水經(jīng)輸水管道入庫。竹銀水庫庫底狀況較為復雜，建庫前既有農(nóng)田、水塘、果園苗圃和蜂場等農(nóng)業(yè)區(qū)域，還有奶牛養(yǎng)殖場、養(yǎng)雞場等有機污染較嚴重的區(qū)域。水庫建成后水質(zhì)污染的主要來源是水質(zhì)污染及底泥釋放。竹銀水庫新建初期，如果清庫不徹底，在水庫蓄水后，底泥中較高含量的氮磷營養(yǎng)進入水體后，就會增加水庫蓄水后水質(zhì)退化和藍藻水華的風險。底泥是水庫中重要的營養(yǎng)鹽二次污染源［1］，在厭氧的環(huán)境下，底泥通常會產(chǎn)生氮磷釋放現(xiàn)象，對中小型水庫的富營養(yǎng)化關(guān)系密切［2］。本文對竹銀水庫建庫前底泥氮磷進行模擬研究，以最大限度減少建庫后背景底泥釋放對水質(zhì)的影響。

1　材料與方法

1.1采樣點位與采樣時間

根據(jù)現(xiàn)場實地查勘，底泥采樣點主要布設(shè)在存在污染隱患較重的農(nóng)田、養(yǎng)殖場、果場以及主庫區(qū)主壩、副壩等區(qū)域土壤等區(qū)域，分別為：主壩（S1）、1號隧洞口前1（S2）、1號隧洞口前（S3）、1號副壩前2（S4）、蒙牛養(yǎng)殖場1（S5）、蒙牛養(yǎng)殖場2（S6）、蒙牛養(yǎng)殖場3（S7）、二圣宮區(qū)前（S8）、二號副壩前1（S9）、二號副壩前2 （S10）共10個代表點位，如圖1所示。

圖1　竹銀水庫底泥采樣點位（S1～S10）

2009年11月在水庫庫底采集了10個采樣點的土壤樣品，2010年4月再次采集10個采樣點的土壤樣品。

1.2實驗設(shè)計

應用Uwtec柱狀采泥器（奧地利產(chǎn)）采集底泥，每個地點采集3個平行樣。

1.2.1底泥氮磷釋放實驗裝置

釋放裝置為內(nèi)徑10 cm、高度50 cm封閉的空心圓柱體，材料為PVC雙向開口，共10個。根據(jù)蓄水系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，主要分為基質(zhì)和水體兩大部分。釋放裝置以采得的底泥作為蓄水系統(tǒng)的基質(zhì)，以潔凈的蒸餾水作為水體部分，近似地模擬水庫蓄水系統(tǒng)的情況，通過實驗模擬研究底泥氮磷釋放達到平衡時的總氮、總磷濃度，由此推斷竹銀水庫蓄水后底泥營養(yǎng)鹽釋放強度及其對水質(zhì)可能產(chǎn)生的影響。把采泥器中的泥樣從釋放裝置底部壓入至10 cm泥樣高度，添加蒸餾水至充滿，通過通入氮氣模擬厭氧環(huán)境，每隔2 d取釋放裝置內(nèi)液面下2/3處水樣50 ml，取水后補充水至充滿狀態(tài)，以免攪動底泥，測定水樣總氮、總磷濃度。

1.2.2氮磷釋放量估算方法

氮磷釋放量估算表達式為

其中，q為單位體積底泥中營養(yǎng)鹽釋放量，單位為μg·L-1；Cn、C0分別為抽取的水樣的總氮或總磷濃度和注入的蒸餾水的總氮或總磷濃度，單位為為mg·L-1；V水為柱內(nèi)液體體積；V底泥為采集的底泥體積。

2　實驗結(jié)果

2.1庫底土壤中總氮和總磷含量

底泥營養(yǎng)鹽含量如圖2所示。底泥氮、磷分析結(jié)果表明，竹銀水庫庫底土壤總氮（TN）含量在0.412～2.338 mg/g之間，均值為1.062 mg/g，其中S9點位附近土壤總氮含量最低，S8點位的土壤總氮含量最高。S10點位的總氮含量普遍較低，含量在0.5 mg/g左右，S8、S10兩處基本為本底土壤。S4點位底泥總氮含量為2.254 mg/g，S1點位總氮含量為1.585 mg/g?？偭祝═P）含量在0.195～0.939m g/g之間，均值為0.413 mg/g，含量最低為S7點位，最高點為S4點位。

圖2　底泥營養(yǎng)鹽含量特征

2.2底泥氮磷釋放研究

竹銀水庫底泥氮磷釋放研究實驗結(jié)果顯示，總磷、總氮在48 h以后達到基本平衡［3］。10個采樣點位氮磷釋放達到平衡時，總磷的濃度在0.002 7～0.004 1 mg/L，均值為0.003 3 mg/L，如圖3所示。整體而言，10個采樣點位達到平衡時的總磷濃度差別不大。10個點位的總氮濃度較高，均值達到6.705 mg/ L，如圖4所示，S4和S8點位分別達到最小值和最大值，其濃度分別為6.606 mg/L和7.759 mg/L，釋放的總氮負荷將對水庫水質(zhì)帶來較大影響。

圖3　平衡時總磷濃度變化　

圖4　平衡時總氮濃度變化

3　討論

3.1水庫入庫水總氮、總磷負荷對水庫的影響

磨刀門水道飲用漁業(yè)用水區(qū)，起于六鄉(xiāng)竹洲頭，終于石欄洲，總長度42 km，珠海區(qū)域內(nèi)沒有工業(yè)大型集中排污口的分布，但磨刀門水道受上游面源污染和點源污染［4］的影響，氮磷含量普遍較高［5］。朱毅等在2010年12月至2011年12月對竹銀水庫取水泵站開展水質(zhì)調(diào)查，總氮、總磷濃度均處于Ⅳ～Ⅴ類水之間。竹銀水庫于2011年5月開始試蓄水，2011年8月正式蓄水，10月完成蓄水。竹銀水庫集雨區(qū)沒有污染源，水庫取水泵站氮磷濃度過高對竹銀水庫的水質(zhì)造成不利影響。

3.2底泥土壤中氮磷背景值

水庫的底質(zhì)狀況是影響水庫蓄水后水質(zhì)好壞的一個重要指標，而氮磷營養(yǎng)對水庫水質(zhì)的影響很大。氮磷是植物和異養(yǎng)微生物需求量最大的營養(yǎng)元素，氮磷供應很大程度決定著水生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力和有機物質(zhì)的微生物循環(huán)［6-8］，與水質(zhì)情況密切相關(guān)，內(nèi)源釋放是氮磷營養(yǎng)鹽的重要來源［9-10］。竹銀水庫庫底主要受農(nóng)業(yè)點源污染的影響，蓄水后底泥中的氮磷如果釋放進入水體會對水庫的水質(zhì)造成較大影響。實驗結(jié)果表明，部分庫底土壤點位的氮磷營養(yǎng)鹽含量較高，作為養(yǎng)殖功能的水塘底泥中含大量投放的餌料、動物排泄物，造成塘底氮磷的積累［11］；S1、S4、S8點位的化學肥料或農(nóng)家肥的大量使用造成土壤氮磷的積累［12-15］，導致這些區(qū)域的土壤營養(yǎng)鹽含量較高。對比廣東省10個不同水庫底泥氮磷污染較為嚴重的范圍值［16］，竹銀水庫10個庫底土壤采樣點總氮、總磷含量均處于污染嚴重的范圍值內(nèi)，如果水庫蓄水前期不對庫底污染土壤采取措施，水庫蓄水運行后，庫底底泥含量較高的氮磷將對竹銀水庫水質(zhì)存在潛在影響。

3.3底泥氮磷釋放的影響

底泥與水體之間存在著氮磷吸附與釋放的動態(tài)平衡，底泥中氮磷會在上覆水氮磷濃度減小時逐漸釋放出來，造成水體二次污染［17-18］。竹銀水庫底泥氮磷釋放實驗表明，在達到氮磷釋放平衡后，水體中平均總磷、總氮濃度分別為0.003 3 mg/L，6.705 mg/L。在熱帶地區(qū)，水體溫度常年較高，深水水體沉積物在厭氧的環(huán)境條件下極易向水體釋放營養(yǎng)鹽［19-20］。太湖沉積物與水界面氮磷以及有機物釋放的研究表明，厭氧環(huán)境有利于氮磷的釋放［21-22］。如果蓄水前不做清庫處理，庫內(nèi)污染源中氮磷的釋放將導致水庫水質(zhì)的惡化。珠海北部某水庫在新建初期因為清庫措施不完全，加上外江調(diào)水入庫氮磷含量高，蓄水后庫底的營養(yǎng)物質(zhì)釋放對水庫水質(zhì)影響較大，曾產(chǎn)生藍藻水華從而影響供水安全。

4　小結(jié)

鑒于竹銀水庫發(fā)揮著對珠海澳門咸期供水的重要性，在建設(shè)前，為保證水庫蓄水后供水安全，在入庫抽水水質(zhì)總氮、總磷基本處于Ⅳ～Ⅴ類水之間不利的水質(zhì)條件下，應消除或降低竹銀水庫潛在的污染源，尤其是底泥的污染。竹銀水庫建設(shè)前期開展庫底土壤的調(diào)查分析和未來蓄水的影響研究的項目填補了國內(nèi)水庫建設(shè)初期進行水質(zhì)安全管理措施的空白，同時為其他新建水庫防范水質(zhì)富營養(yǎng)化的監(jiān)督管理提供參考和借鑒。竹銀水庫富營養(yǎng)化的成因分析關(guān)注后續(xù)報道。

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【責任編輯：任小平renxp90@163.com】

Study and apply on experiment of simulative sediment nitrogen and phosphorus release before construction by Zhuyin reservoirⅠ

LIUHong-tao1，WUYan-long2，ZHAOJing-tian1，YUANShi-qi1，WUMeng-li2

（1.Zhuhai Water Resources Center，Zhuhai 519000，China；2.Zhuhai Water QualityMonitoringCenter，Zhuhai 519020，China）

Zhuin reservoir in Zhuhai is taken as the research object for investigation of sediment nitrogen and phosphorus before construction of the reservoir.Through the experiment of simulative sediment nitrogen and phosphorus release，an analysis of effect of nitrogen and phosphorus content on the water source before and after water retaining inthe reservoir has been made.The reaserch shows that there exists a risk of water eutrophication and cyanobacteria bloom in case of high-concentration nitrogen and phosphorus.Individuality dredging measures should have been taken to reduce the secondary pollution of nitrogen and phosphorus pollutants in sediment when the reservoir is put into normal operation，and ensure the safety of drinking water of the reservoir.

reservoir；sediment；nitrogen；phosphorus

TV697.2

A

1008-0171（2016）04-0065-04

2016-01-15

珠海市科技局資助項目（2009071）

劉紅濤（1965-），女，廣東增城人，珠海市水資源中心高級工程師。