清林徑水庫(kù)表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征及污染評(píng)價(jià)

蘭建洪，劉 豐，郭曉瑋，葉小會(huì)，陳文學(xué)

（1.深圳市東部水源管理中心，廣東 深圳 518116；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518055）

1 研究背景

沉積物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是營(yíng)養(yǎng)鹽及其他污染物在水體中的重要?dú)w宿和主要儲(chǔ)存場(chǎng)所，也是潛在的污染源［1］。當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生改變或受到擾動(dòng)時(shí)，沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽重新進(jìn)入水體，造成內(nèi)源污染［2］。根據(jù)目前研究，當(dāng)水體外源污染得到有效控制后，沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽仍可能使水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)持續(xù)數(shù)十年［3］，使得沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽備受關(guān)注。尤其是湖泊、水庫(kù)等飲用水水源地，沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽水平與用水安全密切相關(guān)［4］。調(diào)查水源地沉積物中碳、氮、磷的含量及其分布特征對(duì)控制水體富營(yíng)養(yǎng)化和保障用水安全有重要指導(dǎo)意義。

清林徑引水調(diào)蓄工程是目前在建的深圳市三大儲(chǔ)備調(diào)蓄水源系統(tǒng)之一，建成后清林徑水庫(kù)將是深圳市最大的“水缸”，也是東深供水工程和東部供水水源工程的調(diào)蓄水庫(kù)，與深圳市及沿線(xiàn)受水區(qū)的用水安全密切相關(guān)。根據(jù)1999年的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，清林徑水庫(kù)整體為中營(yíng)養(yǎng)水平，部分采樣點(diǎn)有向富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)渡的趨勢(shì)，局部庫(kù)灣出現(xiàn)水華［5］。隨著庫(kù)區(qū)綜合治理工作的逐步推進(jìn)，水質(zhì)有所改善。根據(jù)2019年深圳集中式飲用水水源水質(zhì)狀況報(bào)告，清林徑水庫(kù)取水口及庫(kù)區(qū)中心符合Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。但出現(xiàn)過(guò)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的水體，其沉積物可能已經(jīng)受到營(yíng)養(yǎng)鹽污染［6］；雖然控制外源污染后水質(zhì)有一定好轉(zhuǎn)，但沉積物在水體擾動(dòng)等條件下可能向上層水體釋放營(yíng)養(yǎng)鹽，導(dǎo)致即使符合Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)的水庫(kù)也可能暴發(fā)水華［7］。隨著清林徑水庫(kù)擴(kuò)建及引水調(diào)蓄工程的建設(shè)，其重要性不言而喻。雖然相關(guān)部門(mén)對(duì)清林徑水庫(kù)開(kāi)展定期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，但未見(jiàn)關(guān)于沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽污染特征的研究報(bào)道。

本研究基于對(duì)清林徑水庫(kù)表層沉積物中總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、總磷（TN）的調(diào)查，闡明清林徑水庫(kù)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的含量及空間分布特征；利用TOC/TN比值進(jìn)行來(lái)源解析；并通過(guò)與國(guó)內(nèi)其他水源地的比較及污染指數(shù)的計(jì)算，對(duì)其污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為下一步工程建成后清林徑水庫(kù)水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 水庫(kù)污染調(diào)查和評(píng)價(jià)方法

2.1 研究區(qū)概況 清林徑水庫(kù)位于深圳市龍崗區(qū)龍城街道境內(nèi)，在龍崗河左岸支流龍溪河的中上游河段。目前清林徑水庫(kù)包括清林徑和黃龍湖兩個(gè)庫(kù)區(qū)（圖1），通過(guò)清林徑庫(kù)區(qū)主壩右岸的溢洪道相連通。水庫(kù)擴(kuò)建后，清林徑庫(kù)區(qū)和黃龍湖庫(kù)區(qū)將會(huì)合并，總庫(kù)容達(dá)到1.86億m3，是調(diào)蓄和儲(chǔ)備功能兼?zhèn)涞拇螅á颍┬退畮?kù)。目前的清林徑庫(kù)區(qū)建成于1963年，集雨面積23.0 km2，主流長(zhǎng)度12.3 km，平均河床比降3.65‰，總庫(kù)容2751萬(wàn)m3，目前為貓仔嶺水廠(chǎng)的主要水源。黃龍湖庫(kù)區(qū)建成于1998年，集雨面積5.2 km2，主流長(zhǎng)度5.8 km，平均河床比降1.96‰，總庫(kù)容995萬(wàn)m3。

2.2 樣品采集及分析 2019年7月，用彼得森采泥器采集了清林徑水庫(kù)24個(gè)表層沉積物樣品，采樣點(diǎn)具體位置如圖1所示。清林徑庫(kù)區(qū)共20個(gè)采樣點(diǎn)，其中采樣點(diǎn)S1位于庫(kù)區(qū)輸水隧洞附近；采樣點(diǎn)S3、S5、S9、S13位于庫(kù)區(qū)中心線(xiàn)附近；其他采樣點(diǎn)為庫(kù)灣及近岸采樣點(diǎn)。黃龍湖庫(kù)區(qū)相對(duì)較小，自上而下在庫(kù)區(qū)中心線(xiàn)附近設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)。采集的表層（0～5 cm）沉積物樣品現(xiàn)場(chǎng)混勻后裝入聚乙烯自封袋，用保溫箱低溫保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。樣品自然風(fēng)干后粉碎研磨，過(guò)100目尼龍篩備用。沉積物TOC、TN、TP分別采用重鉻酸鉀容量法、半微量凱氏法和SMT法測(cè)定［8］。

圖1 清林徑水庫(kù)沉積物采樣點(diǎn)分布圖

2.3 污染評(píng)價(jià)方法 針對(duì)沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽污染狀況，我國(guó)尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的評(píng)價(jià)方法主要包括有機(jī)指數(shù)法（包括有機(jī)氮）、污染指數(shù)法、富集系數(shù)法等。其中采用最多的是有機(jī)指數(shù)法［9］。本文結(jié)合加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指南以及有機(jī)指數(shù)（IO）和有機(jī)氮（WON）來(lái)評(píng)價(jià)清林徑水庫(kù)沉積物有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度。具體計(jì)算方法為［9］：

式中WTOC和WTN分別為T(mén)OC和TN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用百分比表示。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，其中等級(jí)Ⅰ表示清潔，等級(jí)Ⅱ表示較清潔，等級(jí)Ⅲ表示尚清潔，等級(jí)Ⅳ表示受到有機(jī)污染或有機(jī)氮污染。

表1 沉積物有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 TOC含量及其空間分布 研究區(qū)內(nèi)黃龍湖庫(kù)區(qū)表層沉積物TOC含量的變化范圍為5920～14 000 mg/kg，平均值為11 430 mg/kg；清林徑庫(kù)區(qū)表層沉積物TOC含量的變化范圍為4330～23 500 mg/kg，平均值為11 190 mg/kg（圖2）。從空間分布來(lái)看，黃龍湖庫(kù)區(qū)僅最上游采樣點(diǎn)S24有機(jī)碳含量相對(duì)較低（5920 mg/kg），其他3個(gè)采樣點(diǎn)TOC含量均較高（12 500～14 000 mg/kg）。清林徑庫(kù)區(qū)TOC含量最高的區(qū)域位于上游東部料場(chǎng)附近（采樣點(diǎn)S13～S15，TOC含量為16 100～23 500 mg/kg），有機(jī)碳含量較低的區(qū)域位于庫(kù)區(qū)最上游（S17和S19，TOC含量分別為4740 mg/kg和4330 mg/kg）和最下游（S1，TOC含量為5920 mg/kg）。此外，位于庫(kù)區(qū)左右岸的采樣點(diǎn)，其TOC含量（平均值為9840 mg/kg）明顯低于庫(kù)區(qū)中心線(xiàn)附近的采樣點(diǎn)（平均值為14337 mg/kg）?？傮w來(lái)看，黃龍湖庫(kù)區(qū)上游表層沉積物TOC含量相對(duì)較低，清林徑庫(kù)區(qū)則表現(xiàn)為近岸采樣點(diǎn)TOC含量相對(duì)較低。清林徑水庫(kù)位于深圳市龍崗河流域，土壤類(lèi)型主要為赤紅壤，表層有機(jī)質(zhì)含量約為2.38 mg/kg［10］，遠(yuǎn)低于水庫(kù)表層沉積物TOC含量；且近岸區(qū)域TOC濃度明顯低于庫(kù)區(qū)中心區(qū)域，推測(cè)水庫(kù)周邊水土流失并非沉積物中有機(jī)碳的主要來(lái)源。

圖2 沉積物TOC、TN、TP含量及分布

3.2 TN含量及其空間分布 黃龍湖庫(kù)區(qū)表層沉積物TN含量的變化范圍為1180～2480 mg/kg，平均值為1818 mg/kg；清林徑庫(kù)區(qū)表層沉積物TN含量的變化范圍為783～3080 mg/kg，平均值為1611 mg/kg。從空間分布上看，黃龍湖庫(kù)區(qū)上、下游采樣點(diǎn)TN含量（1470 mg/kg）低于中游采樣點(diǎn)（2165 mg/kg）。清林徑庫(kù)區(qū)表層沉積物TN含量相對(duì)較高的采樣點(diǎn)（S11、S13—S14、S18，含量為2560～3080 mg/kg）多位于庫(kù)區(qū)中上游右岸一側(cè)的區(qū)域，TN含量較低的采樣點(diǎn)（S3、S8、S19—S20，含量為783～965 mg/kg）多位于庫(kù)區(qū)左岸一側(cè)。通過(guò)相關(guān)性分析，清林徑水庫(kù)沉積物中TN含量與TOC極顯著正相關(guān)（r=0.63，P＜0.01），說(shuō)明沉積物中TN大部分是以有機(jī)氮的形式存在的［11］，這與山美水庫(kù)［9］等地的調(diào)查結(jié)果相一致。

3.3 TP含量及其空間分布 黃龍湖庫(kù)區(qū)表層沉積物TP含量的變化范圍為144～407 mg/kg，平均值為301 mg/kg；清林徑庫(kù)區(qū)表層沉積物TP含量的變化范圍為29～532 mg/kg，平均值為218 mg/kg。從空間分布來(lái)看，黃龍湖庫(kù)區(qū)上游TP含量最低（144 mg/kg），其他3個(gè)采樣點(diǎn)TP含量相對(duì)較高（315～407 mg/kg），其空間分布特征與TOC相一致。清林徑庫(kù)區(qū)表層沉積物TP含量較高的采樣點(diǎn)多位于庫(kù)區(qū)上游（S13—S14、S18，TP含量為363～532 mg/kg），此外下游采樣點(diǎn)S4總磷含量也相對(duì)較高（368 mg/kg）；TP含量相對(duì)較低的采樣點(diǎn)分散在庫(kù)區(qū)中下游左右岸區(qū)域（S1、S6—S7、S10，TP含量為29～100 mg/kg）。通過(guò)相關(guān)性分析，TP含量與TOC之間無(wú)顯著性相關(guān)關(guān)系；與TN顯著正相關(guān)（r=0.46，P＜0.05）。說(shuō)明沉積物中磷和氮有一定的同源性，但磷可能主要以無(wú)機(jī)磷的形態(tài)存在［12］。

3.4 與國(guó)內(nèi)水源地水庫(kù)的比較 表2列了我國(guó)部分湖泊水庫(kù)表層沉積物TOC、TN和TP的含量。與地理位置較為接近的水庫(kù)相比，清林徑水庫(kù)表層沉積物TOC含量略高于長(zhǎng)湖水庫(kù)，但明顯低于山美水庫(kù)；TN含量分別比長(zhǎng)湖水庫(kù)高37.08%，比山美水庫(kù)高39.41%；TP含量則明顯低于這兩個(gè)水庫(kù)。與其他重要的飲用水水源地相比，清林徑庫(kù)區(qū)表層沉積物TOC含量?jī)H高于三峽庫(kù)區(qū)，明顯低于密云水庫(kù)、太湖、長(zhǎng)壽湖和金盆水庫(kù)；TN和TP含量也低于這些飲用水水源地，僅TN含量比金盆水庫(kù)高45.32%。由此可見(jiàn)，與國(guó)內(nèi)部分飲用水水源地相比，清林徑水庫(kù)表層沉積物TOC和TP均處于較低水平，但TN含量與部分水庫(kù)相比偏高。

表2 清林徑水庫(kù)表層沉積物TOC、TN、TP含量與其他湖庫(kù)的比較

3.5 來(lái)源解析 沉積物TOC/TN比值是指示有機(jī)污染來(lái)源的重要指標(biāo)。水生生物由于含有較高的蛋白質(zhì)和脂類(lèi)，通常TOC/TN比值較低，例如細(xì)菌等微生物的TOC/TN比值為2～4［12］，浮游動(dòng)植物為5～14［18］。而挺水植物和陸生維管束植物富含纖維素和木質(zhì)素，其TOC/TN比值通常大于20［19］?？傮w來(lái)看，TOC/TN比值較低表示有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于水體中的水生生物，TOC/TN比值較高則表示主要來(lái)源于陸地植被。

研究區(qū)表層沉積物TOC/TN比值的變化范圍為2.69～15.20，平均值為7.19。約88%的采樣點(diǎn)TOC/TN比值小于10（圖3），表明水體中水生生物是沉積物中有機(jī)污染的主要來(lái)源。僅采樣點(diǎn)S3和S21的TOC/TN比值大于14，表示這兩個(gè)采樣點(diǎn)可能有陸源有機(jī)質(zhì)輸入，但仍以水生生物有機(jī)質(zhì)為主。這兩個(gè)采樣點(diǎn)均位于清林徑水庫(kù)擴(kuò)建工程中的兩個(gè)料場(chǎng)附近，在料場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中可能有部分被破壞的陸生植被進(jìn)入庫(kù)區(qū)，導(dǎo)致附近區(qū)域沉積物TOC/TN比值偏高。

圖3 沉積物TOC/TN比值的分布

3.6 污染狀況評(píng)價(jià) 由于清林徑水庫(kù)表層沉積物TP含量（232m g/kg）遠(yuǎn)低于加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指南中產(chǎn)生生態(tài)毒性效應(yīng)的閾值（600 mg/kg［20］），以及1960年太湖沉積物中TP的平均值（440 mg/kg［21］），可以認(rèn)為清林徑水庫(kù)表層沉積物中TP污染程度較低，不會(huì)引起生態(tài)毒性效應(yīng)。因此本文僅針對(duì)沉積物有機(jī)質(zhì)及氮污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

研究區(qū)表層沉積物有機(jī)指數(shù)IO的變化范圍為0.03～0.44，平均值為0.19，總體處于較清潔水平。其中采樣點(diǎn)S19和S20為清潔；S1—S4、S8、S10、S12、S16、S17、S21、S24等11個(gè)采樣點(diǎn)為較清潔，占采樣點(diǎn)總數(shù)的46%；S5—S7、S9、S11、S13—S15、S18、S22、S23等11個(gè)采樣點(diǎn)為尚清潔，占采樣點(diǎn)總數(shù)的46%；其空間分布如圖4所示。清林徑水庫(kù)表層沉積物有機(jī)氮指數(shù)WON的變化范圍為0.07～0.29，平均值為0.16，達(dá)到Ⅳ級(jí)，整體處于有機(jī)氮污染狀態(tài)。其中S1、S3、S4、S8、S10、S17、S19—S21等9個(gè)采樣點(diǎn)為Ⅲ級(jí)，處于尚清潔狀態(tài)，占采樣點(diǎn)總數(shù)的38%；其它15個(gè)采樣點(diǎn)為Ⅳ級(jí)，處于有機(jī)氮污染狀態(tài)，占采樣點(diǎn)總數(shù)的62%。

圖4 沉積物有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指南，沉積物TOC或TN含量超過(guò)10 g/kg或550 mg/kg時(shí)，表示沉積物已經(jīng)受到污染，但大多數(shù)底棲生物仍能承受。根據(jù)本次調(diào)查，所有采樣點(diǎn)表層沉積物均受到氮污染；24個(gè)采樣點(diǎn)中有12個(gè)采樣點(diǎn)受到有機(jī)質(zhì)污染，占采樣點(diǎn)總數(shù)的50%；與有機(jī)指數(shù)及有機(jī)氮評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

清林徑水庫(kù)沉積物TOC變化范圍為4330～23 500 mg/kg，平均值為11 230 mg/kg；TN的變化范圍為783～3080 mg/kg，平均值為1645 mg/kg；TP的變化范圍為29～532 mg/kg，平均值為232 mg/kg。在空間分布上，清林徑水庫(kù)最上游（S19—S20，TOC含量為4330～5340 mg/kg，TN為830～953 mg/kg，TP為106～218 mg/kg）和下游（S1—S4，TOC含量為5770～11 900 mg/kg，TN為783～1580 mg/kg，TP為29～368 mg/kg）沉積物中污染物含量相對(duì)較低，上游區(qū)域（S13—S16，TOC含量為13 800～23 500 mg/kg，TN為1550～2620 mg/kg，TP為231～532 mg/kg）污染物含量相對(duì)較高。

清林徑水庫(kù)沉積物中TN含量與TOC極顯著正相關(guān)，說(shuō)明沉積物中氮元素多以有機(jī)形式存在；且TN與TP含量顯著正相關(guān)，說(shuō)明沉積物中有機(jī)質(zhì)及氮、磷在來(lái)源上有一定的同源性。沉積物TOC/TN比值的變化范圍為2.69～15.20，平均值為7.19，說(shuō)明水庫(kù)沉積物中有機(jī)質(zhì)主要源于水庫(kù)中的水生生物。

與國(guó)內(nèi)國(guó)部分水源地湖庫(kù)相比，清林徑水庫(kù)表層沉積物TOC和TP含量均處于較低水平，但TN含量相對(duì)較高。根據(jù)污染狀況評(píng)價(jià)結(jié)果，沉積物中有機(jī)質(zhì)整體處于較清潔狀態(tài)（IO平均值為0.19，Ⅱ級(jí)），但清林徑庫(kù)區(qū)中上游以及黃龍湖庫(kù)區(qū)中游為尚清潔狀態(tài)（IO變化范圍為0.22～0.44，Ⅲ級(jí)）；沉積物中TN含量較高，整體處于有機(jī)氮污染狀態(tài)（WON平均值為0.16，Ⅳ級(jí)）。擴(kuò)建后的清林徑水庫(kù)作為深圳市重要的水源地，沉積物有機(jī)質(zhì)及氮污染問(wèn)題在后續(xù)水質(zhì)保障工作中須引起高度重視。