大伙房水庫內源性磷污染特征分析與評價研究

姜躍世

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110055)

1 研究背景

大伙房水庫是遼寧省撫順市渾河上游干流上的一座大型水利樞紐工程，壩址距離沈陽市68km[1]。水庫于1954年開工建設，1958年竣工投入使用[1]。水庫主體工程由大壩、溢洪道、輸水道和水電站組成，最大壩高49.2m，壩軸線長1367m，總庫容21.87億m3。遼寧省于2003年開始建設大伙房輸水工程，該工程從渾江流域跨流域引水，經過人工開鑿的輸水隧洞引入大伙房水庫，為遼寧省中部6市供水[2]。大伙房水庫作為輸水工程的重要節(jié)點，其水質情況直接影響到供水水質的安全性。磷元素是生命體細胞和組織的重要組成元素，在地球生態(tài)系統(tǒng)中具有十分重要的作用，國內外的大量研究顯示，水環(huán)境中的磷元素和氮元素相比更難以治理和消除，屬目前地表水水體富營養(yǎng)化治理的重中之重[3]。同時，根據大伙房水庫的水質監(jiān)測數(shù)據，水庫的內源性磷元素污染問題相對比較突出。因此，此次研究針對大伙房水庫的庫區(qū)沉積物和流域內不同土地利用類型土壤的理化進行對比分析，研究沉積物對磷的靜態(tài)釋放和吸附特征進行研究，為評估庫區(qū)沉積物的磷釋放潛力和內源性磷污染治理提供理論和實踐基礎。

2 材料與方法

2.1 試驗樣品的采集和處理

試驗中考慮到采樣的便捷性和庫區(qū)管理的實際情況，水庫沉積物的采樣點設置在水質采樣點的附近，一共設置了C1、C2、C3、C4、C5等5個采樣點。在采樣過程中，利用手持GPS導航終端對采樣點進行準確定位，然后將采樣船引導至采樣點利用采樣器進行采樣[4]。其中，采樣器為不銹鋼材質的彼得遜采泥器，采樣區(qū)為長30cm、寬15cm的長方形區(qū)域。同時采集流域內主要的土地利用類型的土壤樣本，包括農田(NT)、城鎮(zhèn)(CZ)、草地(CD)、經濟林(JJ)、樺木林(HM)、紅松林(HS)。樣品的采集點選在不同類型土地徑流場的周邊，利用土鉆作為樣品采集器[5]。采樣時的取樣深度為地表以下15cm，每個點位采集3個樣品。所有的樣品利用塑料密封袋封裝后帶回實驗室，將部分樣品置于陰涼通風處自然風干，在去除樣品中的雜物之后，經過研磨過100目篩待用；部分沉積物樣品則在冰箱中保存用于磷元素靜態(tài)釋放試驗。

2.2 試驗方法

試驗樣品中的有效磷采用氯化銨-鹽酸浸提，鉬藍比色法測定[6]；全磷則采用Murphy在1962年提出的鉬銻抗分光光度法測定；有機磷在燒灼后利用硫酸浸提；無機磷則采用Jackson和張守敬提出的連續(xù)浸提法測定[7]。

為了探究大伙房水庫沉積物中的磷的靜態(tài)釋放特征，將水庫中沉積物的樣本作為試驗中的釋放底泥，在25℃的恒溫實驗室內模擬水庫沉積物的釋放環(huán)境，同時選取大伙房水庫上游來水水樣作為上覆水，在不同時期取樣3次，測的其總磷含量分別為0.44、0.21和0.11mg/L，并以上覆水為蒸餾水作為對照。在磷釋放達到平衡之后停止試驗，測定樣品中磷污染物的含量并進行分析。

針對大伙房水庫沉積物對磷的吸附，研究中結合大伙房水庫的實際情況，對低質量濃度梯度磷酸二氫鉀溶液的條件下進行[8]。在試驗過程中，首先在50mL離心管中加入0.5g試驗樣品，然后注入25mL磷酸二氫鉀溶液和3滴氯仿作為試驗中的抑菌劑。將離心管放入溫度為25℃的恒溫搖床振蕩，直至吸附平衡，然后利用鉬銻抗比色法對溶液中的磷含量進行測定。

3 試驗結果與分析

3.1 庫區(qū)不同土地利用方式磷污染特征

利用試驗中獲得的數(shù)據，獲得不同土地利用方式磷污染物含量，見表1。由表中的數(shù)據可以看出，大伙房水庫庫區(qū)不同土地利用類型的磷污染物含量存在十分顯著的差異，與土壤自然特征以及耕作使用特征之間具有較為密切的關系。其中，各種土地應用類型的TP(全磷)均值為451mg/kg，變異系數(shù)為36.9%；Olsen-P(有效磷)的均值為30.01mg/kg，變異系數(shù)為133.2%，存在十分明顯的差異性。其中，農田和經濟林的全磷和有效磷含量明顯偏高，主要是上述兩種土地使用類型屬于農業(yè)生產類型，具有較大的施肥強度，造成大量的磷元素殘留在土壤中，同時提改了土壤中殘留磷向水庫水體轉移的風險。因此，控制耕地和經濟林的施肥量，是控制內源性磷污染的有效措施。另一方面。不同土地利用類型不同磷形態(tài)的含量和比例也存在較大的差異，且均以無機磷為主，約占全磷含量的六成左右。其中，含量較高的為Al-P與Fe-P，其余類型含量較小；鑒于Al-P與Fe-P屬于植物的有效磷源，而Oc-P、Ca-P相對穩(wěn)定；不會對庫區(qū)水體的磷濃度造成顯著影響，而WS-P可直接進入水體，是大伙房水庫水體中磷濃度的主要影響因素。從不同土地利用類型來看，耕地和經濟林的WS-P較高，屬于磷流失的重點控制區(qū)域。

3.2 庫區(qū)沉積物磷污染特征

利用試驗中獲得的數(shù)據，獲得不同采樣點磷污染物含量，見表2。由表中的數(shù)據可以看出，水庫庫區(qū)沉積物各采樣點的磷污染物含量存在較為明顯的差異，且主要受到采樣點位置的影響。例如，C1和C4點位的總磷含量較高，主要原因是C1點位位于水庫的入庫口，周邊分布有大量的農田和經濟林，土壤中的磷元素流失是造成該點位總磷含量較大的主因。C4點位則位于社河入庫口附近，附近有較多的民居和農家樂，生活污水排放量相對較大而污水處理效果不理想，導致該點位的沉積物中磷含量偏高。由此可見，完善庫區(qū)上游的污水處理系統(tǒng)極為必要。

表1 不同土地利用方式磷污染物含量試驗結果

表2 不同采樣點磷污染物含量試驗結果

3.3 沉積物磷靜態(tài)釋放特征

根據試驗數(shù)據，繪制出庫區(qū)沉積物總磷靜態(tài)釋放特征，如圖1所示。由圖可以看出，上覆水為蒸餾水時，在靜態(tài)釋放初期，水體中的總磷呈現(xiàn)出微弱上升趨勢，之后逐漸趨于平衡，水庫庫區(qū)的采樣水體中總磷的含量則呈現(xiàn)出迅速降低然后小幅波動逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點。由此可見，當水體中磷元素含量較高時，會逐漸沉降蓄積在庫區(qū)的底泥之中，如果上覆水的濃度較低，沉積物中的磷元素會向水體中釋放，最終達到平衡狀態(tài)。

圖1 沉積物磷靜態(tài)釋放曲線

3.4 沉積物的磷吸附特征

為了進一步探明庫區(qū)沉積物是否存在內源性磷污染，研究中在低濃度條件下進行沉積物磷吸附實驗。以試驗結果為基礎，利用Linear模型對大伙房水庫沉積物低濃度磷等溫吸附進行擬合，結果見表3。從表中的結果可以看出，擬合結果的相關系數(shù)均在0.9以上，表明相關系數(shù)達到了顯著水平。同時，沉積物的系數(shù)效率存在較為明顯的差異，其中吸附效率最低的為C2點位，吸附效率最高的為C4點位。究其原因，可能與沉積物中磷元素的含量不同有關。表中的EPC0表示沉積物對磷的吸附和解吸平衡點，可以用來評價沉積物是磷源還是磷匯，是庫區(qū)沉積物內源性磷污染釋放風險的重要指標。一般來說，當上覆水的磷元素濃度大于這一指標時，水體中的磷會被沉積物吸收，否則，沉積物中的磷會向水體中釋放。從大伙房水庫的實際情況來

表3 Linear吸附模型擬合參數(shù)

看，庫區(qū)水體中的總磷含量遠高于沉積物的EPC0數(shù)值，因此沉積物對磷由吸附作用，暫時不會發(fā)生“二次污染”的風險。

4 結語

此次研究以采樣試驗的方式，對遼寧省大伙房水庫庫區(qū)土壤和沉積物的磷污染物分布特征進行分析，并對庫區(qū)沉積物的磷吸附和釋放潛力進行評估，結果顯示庫區(qū)土壤和水體中磷污染物與化肥使用和污水排放具有密切關系，是水體污染防治的重要方向。此外，水庫沉積物中的磷元素處于吸附狀態(tài)，近期內源性磷污染的風險相對較小。但是，水庫沉積物的磷吸附和存儲量是有限的，在持續(xù)輸入的情況下遲早會飽和。因此，在庫區(qū)管理中必須要加強水源地環(huán)保宣傳和執(zhí)法力度，引導全民參與水源地保護，保證大伙房水庫的水質穩(wěn)定以及輸水工程的水質安全。