山美水庫總有機碳時空分布特征與影響因素分析

董冬吟

(福建省泉州環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 泉州 362000)

總有機碳(TOC)是用來表示水體中有機質(zhì)總量的綜合指標(biāo)。由于其測定采用的是燃燒法，能將有機物全部氧化，比五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)更能直接表示有機物的總量，因此常被用來評價水體中有機物污染的程度。

近年來，對水體、沉積物中TOC的分布特征及其影響因素的研究引起了越來越多的關(guān)注[1-4]。俞佳等[5]以幾種典型地面水體為研究對象，發(fā)現(xiàn)市政綠化沖洗水、田間溝渠漫溢水、降雨對TOC有明顯的稀釋作用；張志強等[6]分析了中國最大城中湖-東湖的TOC的來源及與總磷(TP)、總氮(TN)等因子的相關(guān)性；胡利芳等[7]對深圳灣海水中COD與TOC平面、季節(jié)分布特征進行研究，調(diào)查表明深圳灣COD與TOC之間有著良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.9；高進長等[8]研究了長壽湖水庫沉積物有機碳的垂直變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉積物中TOC含量與人類活動有關(guān)，特別是水面上肥水網(wǎng)箱養(yǎng)魚使得TOC濃度不斷上升。目前，對水體中TOC指標(biāo)的研究主要集中在湖泊、海灣、海洋等，對于深水水庫則鮮有報道。本文以泉州市山美水庫為研究對象，采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定水體中TOC含量，同時測定其他環(huán)境因子，通過分析山美水庫的總有機碳時空分布及濃度水平，初步探討了TOC的分布規(guī)律及影響因素，為山美水庫治理和水質(zhì)安全保護提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 水庫概況

山美水庫位于福建省泉州南安市，地處晉江東溪中游，于1972 年建成投入運行。水庫的主要來水有三處，即上游的桃溪和湖洋溪以及德化縣大樟溪龍門灘水庫跨流域調(diào)水，屬于典型的亞熱帶山區(qū)深水水庫。水庫庫容為4.72億m3，集雨面積1 023 km2，正常蓄水位96.5 m，年均出庫水量約為8.97億m3，水深15.3～46.6 m，年均氣溫17.0℃～20.0℃，主要植被類型為次生常綠闊葉林，主要土壤是紅壤和赤紅壤。山美水庫是晉江流域目前唯一的一座大型水庫，擔(dān)負著晉江下游8個縣、市、區(qū)600萬人口的生活和生產(chǎn)用水，同時也是向臺灣金門供水的水源地。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，上游工業(yè)、生活廢水的不合理排放以及農(nóng)田面源污染的加劇，山美水庫的水質(zhì)有一定程度的下降[9]。2013年，山美水庫被生態(tài)環(huán)境部列入國家良好湖泊生態(tài)環(huán)境保護計劃，開始實施包括工業(yè)污染源整治、生活污水處理及管網(wǎng)建設(shè)、生活垃圾收集及轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、農(nóng)村面源污染綜合整治和流域生態(tài)保育等生態(tài)保護項目。

1.2 樣品的采集與分析

根據(jù)山美水庫庫區(qū)的形態(tài)特征，2014—2016年每年11月(枯水期)進行監(jiān)測，在水庫的入庫區(qū)(E 118.403°，N 25.2082°)、庫心(E 118.4147°，N 25.1817°)和出庫區(qū)(E 118.4115°，N 25.1652°)3個區(qū)域分別布設(shè)表層、中層、下層具有代表性的9個監(jiān)測點位(見圖1)。

圖1 監(jiān)測點位示意圖

測定TC、TOC 時先用0.45 μm 濾膜對水樣進行過濾，去除其中較大的顆粒物后，使用總有機碳分析儀( Shimadzu TOC-VCPH) 進行分析，分析方法采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法。其他環(huán)境因子包括水溫、溶解氧(DO)、葉綠素a、CODMn、BOD5、TP和TN。其中水溫、DO由便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定。TP的測定采用鉬酸銨分光光度法，葉綠素a的測定采用丙酮分光光度法，TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，BOD5的測定采用稀釋接種法，CODMn的測定采用酸性高錳酸鉀法。

2 結(jié)果與分析

TOC作為水體中有機物含量的參數(shù)之一，歐洲經(jīng)委會國家和中國臺灣地區(qū)對TOC也有相應(yīng)的規(guī)定[5]。雖然《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2022)增加了許多有機污染物的項目，但僅將TOC作為反映生活飲用水水質(zhì)的參考指標(biāo)，其參考限值為5 mg/L。山美水庫作為湖庫型飲用水源地，TOC含量在1.23～2.56 mg/L之間，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2022)參考指標(biāo)的限值要求。

2.1 2014—2016年山美水庫TC和TOC的分布

(1)研究期間，山美水庫的TC含量為9.60～5.14 mg/L，TOC含量為1.23～2.56 mg/L。2014年TC年均濃度為9.04 mg/L，TOC年均濃度為2.05 mg/L；到2015年、2016年，TC和TOC年均濃度分別較前一年下降了12.2%、28.1%和6.3%、23.6%。TC和TOC濃度呈逐年下降的趨勢，可能與山美水庫實施推進流域污染防治和生態(tài)保育等生態(tài)環(huán)境保護項目，從而減少水庫外源性有機物輸入有關(guān)(見圖2-圖4)。

圖2 2014年11月山美水庫TC和TOC含量

圖3 2015年11月山美水庫TC和TOC含量

圖4 2016年11月山美水庫TC和TOC含量

(2)在縱向分布上，TOC的濃度：入庫區(qū)>庫心>出庫區(qū)，這和TC的情況類似，特別是在2014年、2015年規(guī)律較為明顯，說明上游來水和沿途排放的有機物進入水庫后，在稀釋擴散的作用影響下, 濃度不斷降低。但2016年，TOC縱向分布特征并不顯著(見圖5-圖6)。入庫區(qū)、庫心和出庫區(qū)TOC平均濃度分別為1.44 mg/L、1.48 mg/L和1.49 mg/L，這可能與當(dāng)年10月份“莎莉嘉”和“海馬”雙臺風(fēng)有關(guān)，臺風(fēng)登陸帶來充沛的雨量，使得入庫區(qū)水流劇增，水動力交換增強所致[10]。

圖5 山美水庫TOC濃度趨勢圖

圖6 山美水庫TC濃度趨勢圖

(3)TOC濃度在垂向分布上，入庫區(qū)：下層>上層>中層；庫心：上層>中層>下層；出庫區(qū)：上層>下層>中層(見圖7)。TOC在不同庫區(qū)垂向分布特征不明顯：入庫區(qū)下層濃度最高，庫心和出庫區(qū)上層濃度最高，這與萬峰湖的研究結(jié)論稍有不同[11]。入庫區(qū)下層TOC濃度最高，可能是水庫入庫區(qū)沉積物對TOC影響所致[12-13]。

圖7 山美水庫TOC垂向濃度分布圖

2.2 影響總有機碳分布的主要因素

利用SPSS軟件，對TOC和其他環(huán)境因子進行Perason相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。山美水庫TOC濃度與BOD5、CODMn呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；與TN、水溫呈現(xiàn)出基本一致的正相關(guān)關(guān)系，但未達顯著水平；與DO、TP和葉綠素a呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著。

表1 山美水庫TOC與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

TN、溫度、DO等環(huán)境因子可以通過影響水生動植物從而對TOC的濃度分布產(chǎn)生影響[6,14]。TOC與BOD5、CODMn極顯著正相關(guān)，這與多數(shù)研究的結(jié)論一致[7,15]。山美水庫TN的濃度在1.72～2.14 mg/L之間，TOC與TN正相關(guān)，說明該濃度水平的TN可能是影響這一時期浮游動植物生長的重要因素。較高的溫度使生物體內(nèi)酶的活性增強，在適合的C/N比條件下，藻類和微生物大量繁殖[6]。11月份，水庫水溫在23～25℃左右，主要浮游動植物的活性下降，生產(chǎn)能力降低，TOC濃度隨之變小，隨著溫度上升，TOC濃度也會隨之升高，因此TOC與溫度呈負相關(guān)關(guān)系。DO是水體中存在的分子態(tài)氧，其濃度較高時生物新陳代謝旺盛，有機物消耗增多，TOC含量降低[6]；反之，有機物在缺氧條件下分解，出現(xiàn)腐敗發(fā)酵現(xiàn)象，TOC濃度上升,與DO呈負相關(guān)關(guān)系。山美水庫沉積物中磷的主要賦存形態(tài)為較易釋放且可被生物利用的磷[16]，但可能磷對促進藻類生長的作用有限，因此對TOC的影響比較微弱[6]。葉綠素a是表征水域初級生產(chǎn)力的一個重要指標(biāo)，在一定程度上反映了水域初級生產(chǎn)者通過光合作用生產(chǎn)有機碳的能力[13]，但可能水中的TOC受葉綠素a的影響需要一定時間[17]，因此并未出現(xiàn)像大亞灣那樣顯著正相關(guān)關(guān)系[18]。

3 結(jié)論

(1)2014—2016年，山美水庫中TC的濃度由9.04 mg /L降至5.70 mg /L，TOC的濃度由2.05 mg /L降至1.47 mg /L，呈逐年下降趨勢，說明通過實施山美水庫生態(tài)環(huán)境保護項目，水庫水質(zhì)得到一定程度的改善。

(2)山美水庫TOC濃度受到外源性有機物、降雨、水庫沉積物和浮游動植物的影響。其縱向分布特征為：入庫區(qū)>庫心>出庫區(qū)；但在垂向分布上沒有明顯的規(guī)律性，而是入庫區(qū)下層濃度最高，庫心和出庫區(qū)上層濃度最高。

(3)山美水庫TOC與其他環(huán)境因子具有一定的相關(guān)性。其中，與BOD5、COD極顯著正相關(guān)；與TN、水溫正相關(guān)，但未達顯著水平；與DO、TP和葉綠素a負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。