黃柏河流域水庫底泥內(nèi)源磷釋放對(duì)水質(zhì)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(nèi)源磷釋放對(duì)水質(zhì)的影響，于2016年對(duì)流城內(nèi)3座梯級(jí)水庫的水體進(jìn)行了逐月采樣，在10月進(jìn)行一次沉積物柱狀樣品的采集。根據(jù)樣品分析數(shù)據(jù)，估算了沉積物-水界面磷釋放通量，以及內(nèi)源磷占磷總量的比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：流城內(nèi)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(nèi)內(nèi)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(nèi)源磷釋放已對(duì)水庫水質(zhì)產(chǎn)生了影響。研究結(jié)果為黃柏河流域飲用水水庫的水質(zhì)治理、保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磷釋放通量;采樣分析;內(nèi)源污染;黃柏河;宜昌市

中圖法分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.011

文章編號(hào)：1001-4179（2019）03-0060-06

磷是湖泊生態(tài)系統(tǒng)限制性營養(yǎng)元素，沉積物作為湖泊磷的源和匯，對(duì)湖泊的磷循環(huán)具有重要影響。湖庫來水?dāng)y帶大量的富磷物質(zhì)，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(wěn)定礦物。有研究表明，湖泊沉積物是磷等營養(yǎng)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(chǔ)存在沉積物中沉積物中磷受有機(jī)質(zhì)礦化降解驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過一系列物理、化學(xué)和生物作用，又釋放到水體中對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)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(nèi)磷礦藏豐富，流域內(nèi)各大水庫水華現(xiàn)象頻發(fā)。受特殊地域條件的影響，流域產(chǎn)水中富含大量磷礦顆粒。近年來，各礦場(chǎng)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(dǎo)致流域內(nèi)各個(gè)水庫富營養(yǎng)化的重要原因。目前有關(guān)黃柏河的研究較少，而它作為宜昌市的母親河，提供著城區(qū)200萬人生產(chǎn)生活用水，其水質(zhì)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(jié)合月平均流量數(shù)據(jù)，探討黃柏河流域內(nèi)源釋放與外源輸入兩者的關(guān)系，旨在分析內(nèi)源釋放對(duì)湖庫水質(zhì)的影響，為管理部門預(yù)防水華提供數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

黃柏河系長江一級(jí)支流，位于長江北岸，發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)黑良山，地處東經(jīng)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(qū)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(nèi)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(jīng)東風(fēng)渠總干渠引入東分區(qū)灌區(qū)，既是宜昌城區(qū)100萬人的飲用水源，亦承擔(dān)著當(dāng)陽、枝江、夷陵區(qū)、高新區(qū)等區(qū)域內(nèi)百萬畝農(nóng)田以及100萬人的生產(chǎn)生活用水的任務(wù)，其水質(zhì)受到廣泛關(guān)注。

黃柏河流域內(nèi)磷礦資源豐富，天福廟水庫以上有磷礦開采企業(yè)54家。黃柏河流域供水區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)總量占宜昌市的近80%。由于流域內(nèi)城鎮(zhèn)居民污水直排，工業(yè)企業(yè)廢水排放，化肥、農(nóng)藥的不合理使用，以及2003年來流域內(nèi)磷礦（磷礦藏30億t）的開采規(guī)模逐漸加大，導(dǎo)致黃柏河流域水資源污染狀況日益嚴(yán)重。宜昌市附近其余水源條件（清江網(wǎng)箱養(yǎng)殖泛濫，沮漳河水質(zhì)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(duì)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(shí)間為2016年全年各月，采樣點(diǎn)位于玄廟觀水庫、天福廟水庫以及西北口水庫庫尾，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定理化指標(biāo)包括水溫、溶解氧和pH，采集表層水水樣兩份，用于測(cè)定葉綠素a和營養(yǎng)鹽。2016年10月，采用柱狀采泥器（φ=6.5cm）采取水庫各點(diǎn)的沉積物柱狀樣品[8]，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)沉積物和上覆水進(jìn)行2cm一層分層，保存于離心管和聚乙烯瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步分析，同時(shí)測(cè)得上覆水理化指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)沉積物樣品進(jìn)行分析，采用L535R-1型冷凍離心機(jī)離心得到孔隙水，泥樣干燥至恒重，計(jì)算沉積物含水量和孔隙率。

孔隙水經(jīng)過0.45μm玻璃纖維濾膜過濾后進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)分析，采用納氏試劑光度法測(cè)量氨氮，過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)總氮，過硫酸鉀法測(cè)總磷，采用丙酮提取法測(cè)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(jī)離心15min，取上清液測(cè)定水體中葉綠素a的含量。

2.2 內(nèi)、外源量計(jì)算

水庫內(nèi)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(nèi)源釋放總量的計(jì)算公式為

公式

式中，W為水庫內(nèi)源釋放磷總量;S為流域水面面積;t為計(jì)算時(shí)長;F為各水庫各采樣點(diǎn)的平均總磷釋放通量。釋放通量F可由Fick第一定律來計(jì)算：

公式

式中，F(xiàn)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(zhì)的濃度梯度;D，是沉積物中溶質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s.由于D，考慮了沉積物的彎曲效應(yīng)，但實(shí)際中彎曲度測(cè)量較為困難，通常通過其與孔隙度之間的關(guān)系來進(jìn)行推導(dǎo)：

公式

式中，D。是無限稀釋溶液的理想擴(kuò)散系數(shù)，通常取6.12x10-cm2/s（25C）。有學(xué)者對(duì)擴(kuò)散系數(shù)Do和溫度T（上覆水）之間的關(guān)系做出進(jìn)一步的校準(zhǔn)。

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(jì)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(jì)算時(shí)長;C;為各月入流斷面總磷濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子變化

3座水庫全年各月采樣時(shí)的環(huán)境因子如圖1所示。表層水體溶解氧含量呈現(xiàn)1，10，11月和12月較高，其余各個(gè)月變化范圍較小，與溫度的變化趨勢(shì)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(dá)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(huán)境有很大關(guān)系，其中玄廟觀水庫和天福廟水庫具有相同的變化趨勢(shì)。

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(shì)，1～4月相對(duì)較大。有研究表明：葉綠素a含量與流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致枯水期葉綠素a含量較大?？偭诐舛群涂偟獫舛认嚓P(guān)性較好，最高可達(dá)0.737（p<0.05），總磷和總氮浮動(dòng)較大，呈現(xiàn)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?？傮w上，上覆水TP濃度低于孔隙水，在玄廟觀水庫出現(xiàn)上覆水TP濃度高于孔隙水的情況。對(duì)于上覆水，總體上均值表現(xiàn)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(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)于孔隙水，玄廟觀水庫整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，TP濃度垂向波動(dòng)較大;天福廟水庫波動(dòng)較小，總體上亦存在先增加后降低的趨勢(shì);西北口水庫庫首和庫中TP濃度呈現(xiàn)隨深度增加的趨勢(shì)，庫尾TP濃度表現(xiàn)為先增加后減小。

根據(jù)Fick第一定律，結(jié)合圖3，選取界面以下孔隙水?dāng)_動(dòng)層3～5cm以及界面以上3～5cm的TP濃度對(duì)深度進(jìn)行指數(shù)擬合，結(jié)果見表1。由表1可以看出，擬合情況良好。根據(jù)擬合所得的公式對(duì)深度進(jìn)行求導(dǎo)，得到沉積物-水界面dc/dx，再由孔隙度，采用Fick定律可計(jì)算得到各個(gè)采樣點(diǎn)的總磷釋放通量（見表1）。

由表1可知，黃柏河流域內(nèi)3座梯級(jí)水庫總磷均表現(xiàn)為由孔隙水向.上覆水進(jìn)行擴(kuò)散，即均表現(xiàn)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(gè)采樣點(diǎn)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(zhì)、粒徑等密切相關(guān)，總體表現(xiàn)為玄廟觀水庫>天福廟水庫>西北口水庫。

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

通過水庫內(nèi)源釋放占磷總量的比例可以分析內(nèi)源釋放對(duì)水庫富營養(yǎng)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(xiàn)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(duì)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(jié)論

本文分析了黃柏河飲用水水庫內(nèi)源磷釋放對(duì)水質(zhì)的影響。通過對(duì)流域內(nèi)3座梯級(jí)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(jié)果表明：黃柏河流域內(nèi)3座梯級(jí)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(yīng)的內(nèi)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(xiàn)為TP的“源”。在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到玄廟觀水庫內(nèi)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(duì)各水庫水質(zhì)產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)玄廟觀水庫影響明顯。

沉積物內(nèi)源磷釋放是一個(gè)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，受諸多環(huán)境因子的影響，尤其是在黃柏河流域的水庫中，水動(dòng)力的季節(jié)性變化將直接影響沉積物磷釋放，人類活動(dòng)同樣對(duì)其造成影響。因此，還需在黃柏河流域在時(shí)間與空間尺度上開展更多的監(jiān)測(cè)，并提高測(cè)驗(yàn)精度，積累不同條件下水庫沉積物磷釋放的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫沉積物內(nèi)源磷負(fù)荷的準(zhǔn)確評(píng)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(nèi)源磷釋放對(duì)水質(zhì)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