西北某水庫沉積物污染特征與評價

黃道軍，薛?？?，李 凱，許 明，李永超，孫聞博，黃廷林

(1.陜西西咸新區(qū)水務集團有限公司，陜西 西安 712000；2.西安建筑科技大學 陜西省環(huán)境工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

沉積物是湖庫生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是湖庫污染的“源”和“匯”[1-2].外源污染匯入水庫后因水動力條件的改變，水中懸浮態(tài)污染物如泥沙、動植物殘體易沉降至庫底并在表層沉積物蓄存；而溶解態(tài)污染物進入水體后一方面直接影響供水水質，另一方面會為水生生物提供生長繁殖所需必要營養(yǎng)物質，待水中動植物死亡后又將成為新的沉積物.同時，受沉積物氧化還原環(huán)境的影響，沉積物中的有機質無法被徹底礦化分解，而是分解形成小分子有機物和氮、磷等營養(yǎng)物質，這些污染物在沉積物-水界面大量積蓄，在特定條件下(如風生浪引起底泥再懸浮時)釋放進入水體形成二次污染.這也是在外源污染得到有效控制后湖庫等半封閉水體中氮、磷及有機物含量依然增加的重要原因[3].因此，探明湖泊水庫沉積物中氮磷及有機質含量、形態(tài)與分布情況，對控制水體富營養(yǎng)化、保障水質安全和營造良好的水生態(tài)環(huán)境具有重要意義.

西北某小型水庫是一座以灌溉為主的小(Ⅰ)型水庫，水庫運行30多年來，沉積物淤積厚度已達10 m左右.近年來，為滿足區(qū)域經濟發(fā)展需求，對水庫功能進行了調整，在滿足工業(yè)用水的同時作為飲用水應急水源.本研究對該水庫表層沉積物污染狀況進行了分析與評價，以期為該水庫后期運行管理提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與樣品采集

研究對象水庫控制流域面積6.6 km2，最大水深10.5 m，最淺處水深4 m，主溝道長3.2 km，平均比降6.25‰.區(qū)域為第四紀黃土層所覆蓋，厚度60～100 m，為傳統(tǒng)重要農作區(qū)，水庫右岸為黃土塬溝壑區(qū)，黃土沖溝發(fā)育，沖刷劇烈，水土流失嚴重.依據均勻布點和重點關注區(qū)域設點原則，沿水庫壩前至庫尾依次布設4個采樣點，采樣點位置如圖1所示，其中S1、S3、S4采樣點分別為壩前、引水塔和庫尾.沉積物樣品采集使用抓斗式采樣器取采樣點表層10 cm沉積物樣品，樣品采集后封裝至聚乙烯自封袋，運輸過程4℃冷藏保存，盡快帶回實驗室預處理.

圖1 研究區(qū)域采樣點布設圖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

1.3.1 有機污染和有機氮污染指數(shù)評價

沉積物中有機物含量豐富，其不僅是氮、磷遷移轉化的媒介，還能與重金屬發(fā)生復雜的物理化學反應.本研究采用有機氮污染指數(shù)(ON)和有機污染指數(shù)(OI)能評價沉積物有機污染程度，其計算公式如下[4-5]：

ON=TN×0.95

(1)

OI=ON×TOC

(2)

式中，TN和TOC按1.0 g/kg=0.1%換算為百分比.根據有機氮污染指數(shù)和有機污染指數(shù)可將沉積物有機污染分為4個等級，等級劃分標準見表1[4-5].

表1 有機污染指數(shù)及有機氮污染指數(shù)等級劃分標準Tab.1 Classification standard of sediment organic pollution index and organic nitrogen pollution index

1.3.2 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評價

單因子污染指數(shù)法在環(huán)境領域被廣泛用于評價大氣、水體、土壤及沉積物污染程度[6-7].通過分析TOC、TN、TP濃度與評價標準值的關系，能夠評價沉積物污染程度.鑒于單因子污染指數(shù)法只針對單一污染物評價，因此，在單因子污染指數(shù)法基礎上發(fā)展出利用TN和TP兩個指標綜合評價污染程度的綜合污染指數(shù)法[8].單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)計算公式如(3)～(5).

(3)

(4)

(5)

表2 內梅羅綜合污染指數(shù)(P綜)及潛在生態(tài)危害指數(shù)(Ei)、風險指數(shù)(RI)等級劃分標準Tab.2 Classification of single factor index and comprehensive pollution index

續(xù)表2等級STNSTPFF污染程度31.5～2.01.0～1.51.5～2.0中度污染4>2.0>1.5>2.0重度污染

2 結果與討論

2.1 表層沉積物污染物含量、形態(tài)及分布差異

表3 西北某小型水庫表層沉積物中污染物含量Tab.3 Distribution of pollutants in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

圖2 西北某小型水庫沉積物中總有機碳(TOC)、 總氮(TN)、總磷(TP)空間分布Fig.2 Spatial distribution of total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the sediments of a small reservoir in Northwest China

從圖2可以看出，研究區(qū)域內表層沉積物中TOC含量接近，但氮、磷含量空間分布差異明顯，且變化趨勢相近.從壩前至引水塔TN與TP不斷下降，又于庫尾處急劇升高，反映出該小型水庫沉積物受制于庫區(qū)地形和運行管理方式，在庫區(qū)內遷移較慢.此外，氮磷營養(yǎng)鹽的分布規(guī)律相似能夠從側面說明此水庫沉積物污染來源較為單一.

2.2 沉積物中營養(yǎng)物質比值

沉積物C/N與N/P是反映其污染來源的重要指標，研究表明，若C/N<10則有機質多為內源污染，C/N≈10時有機質內源與外源平衡，而C/N>10則有機質來自外源[15].這是因為高等植物、維管束陸生植物和陸生禾本科或莎草科植物的C/N比大于10，其中高等植物為14～23，維管束陸生植物通常大于20，陸生禾本科與莎草科則可高達45～50[10,16].由圖3可知，西北某小型水庫S1-S4采樣點表層沉積物C/N分別為23.93、25.71、40.93和19.02，空間分布差異較大，且呈現(xiàn)出強烈的外源輸入跡象.浮游植物在生長和衰亡過程會按一定比例吸收和釋放氮、磷，這一比值約為16∶1，若接近此值，表明沉積物主要為內源輸入的污染[17].在對4個采樣點做N/P分析可以發(fā)現(xiàn)該水庫N/P在2.33～3.36波動，遠小于16∶1.說明外源有大量磷輸入水庫，這可能是由于該水庫位于傳統(tǒng)農灌地區(qū)，生活農業(yè)等污水排入所致.

圖3 西北某小型水庫表層沉積物中TOC/TN、TN/TPFig.3 TOC/TN and TN/TP in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3 沉積物污染評價

2.3.1 有機污染評價

有機污染指數(shù)法能定量評價湖庫沉積物所受有機污染水平，因此，對4個采樣點進行了有機污染和有機氮污染指數(shù)評價，評價結果如表4所示.由表4可知，西北某小型水庫沉積物有機污染指數(shù)為0.035～0.080，均值為0.054，屬于輕度污染.其中S2和S3采樣點有機污染指數(shù)均小于0.05，評價結果為清潔.有機氮污染指數(shù)評價結果與有機污染指數(shù)評價結果略有不同，因為有機污染指數(shù)同時考慮有機碳和有機氮含量，而有機氮污染指數(shù)僅評價有機氮含量.從表中可以看出，有機氮污染指數(shù)范圍為0.030～0.062，平均值0.044，亦屬于輕度污染，但S2采樣點有機氮污染指數(shù)評價為輕度污染，這說明S2采樣點表層沉積物有機氮含量較高.

表4 西北某小型水庫表層沉積物有機污染指數(shù)和有機氮污染指數(shù)評價結果Tab.4 Evaluation of organic pollution index and organic nitrogen pollution index in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3.2 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評價

有機污染評價雖能判斷沉積物中有機污染程度，但并未考慮到沉積物中TP的影響.磷作為微生物生長繁殖的必要營養(yǎng)物質，在水體富營養(yǎng)化發(fā)展進程中起著至關重要的作用，因為部分浮游植物具有固氮功能，此時磷就成為藻類生長的限制因素.本研究采用單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)進一步對沉積物污染做出評價，結果如表5所示.

表5 西北某小型水庫表層沉積物單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)評價Tab.5 Evaluation of single factor pollution index and comprehensive pollution index of surface sediments of a small reservoir in Northwest China

單因子污染指數(shù)能較準確反應研究區(qū)域N、P營養(yǎng)物的污染情況.我國目前并未制定湖庫沉積物TN、TP的污染評價標準，故選用加拿大安大略省所定標準.由表5可知，研究對象表層沉積物氮、磷單因子污染指數(shù)低，僅S4點總氮為輕度污染，其余各采樣點均為清潔.結合氮、磷兩種元素做綜合污染指數(shù)評價后也僅S4點位輕度污染，其余采樣點表層沉積物為清潔.

根據沉積物污染物含量與評價結果，該水庫雖淤積嚴重，但有機質、氮、磷污染程度較輕，能夠作為飲用水應急水源.但在水庫運行管理中，應在有效控制外源輸入污染的同時，盡量避免沉積物的內源釋放.

3 結論

(1)西北某水庫4個采樣點表層沉積物中總有機碳、總氮、總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷含量分別為11.68 g/kg、0.46 g/kg、0.17 g/kg、32.20 mg/kg、66.90 mg/kg和13.08 mg/kg;

(2)沉積物中C/N為19.02～40.93，N/P為2.33～3.36，表明沉積物污染主要來自外源輸入，內源所致較少;

(3)有機污染評價、單因子污染評價及綜合污染評價表明沉積物氮、磷、有機質污染較輕，僅部分采樣點為輕度污染，潛在生態(tài)風險較低，因此該水庫能夠作為飲用水應急水源.