中國(guó)西南某城市水庫(kù)沉積物空間分布特征研究

摘 要：選取中國(guó)西南地區(qū)某城市水庫(kù)為研究對(duì)象，按照網(wǎng)格法補(bǔ)點(diǎn)采集庫(kù)區(qū)沉積物，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定沉積物樣品中總磷、總氮、鐵、錳、總硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合水庫(kù)沉積物的平均深度和水域面積，求得水庫(kù)總磷蓄積量約為689 t，總氮蓄積量約為2 301 t，鐵蓄積量約為46 930 t，錳蓄積量約為2 054 t，總硫蓄積量約為1 729 t。根據(jù)數(shù)據(jù)分析全面掌握該水庫(kù)沉積物的空間分布特征，為確定該水庫(kù)污染范圍、污染程度及制訂最佳底泥治理方案提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；沉積物；空間分布；污染

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-7909-（2023）13-134-3

0 引言

沉積物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是衡量水環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)［1-3］。近年來(lái)，水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，尤其重金屬污染導(dǎo)致的水質(zhì)下降，已引起人們的高度重視［4-6］。重金屬具有高毒性、難降解、易富集等特征，會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅。重金屬污染問(wèn)題已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外關(guān)于沉積物中重金屬的研究主要集中在重金屬分布特征方面［7］。當(dāng)水體中的污染物超過(guò)水體自凈能力時(shí)，污染物會(huì)沉積在底泥中，湖底沉積物中的液態(tài)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)釋放到上覆水體中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在動(dòng)力作用下懸浮造成內(nèi)源污染［8-10］。作為主要的供水水源之一，水庫(kù)的污染問(wèn)題受到了政府的高度重視和環(huán)保人士的廣泛關(guān)注。湖泊沉積物-水體界面是湖泊沉積污染物向上層水體擴(kuò)散的主要通道［11-12］，因此沉積物中污染物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和空間分布特征對(duì)湖泊內(nèi)源污染物的釋放有著至關(guān)重要的影響。筆者研究的水庫(kù)位于我國(guó)西南重要城市，是一座典型的人工河道型深水水庫(kù)，同時(shí)是該城市主要飲用水源地，承擔(dān)著維持城市生產(chǎn)生活用水的重要作用。近年來(lái)，隨著水庫(kù)水域周邊工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和城鎮(zhèn)居民數(shù)量的日益增長(zhǎng)，大量的工業(yè)、生活污水不斷進(jìn)入庫(kù)區(qū)，導(dǎo)致該水庫(kù)水質(zhì)不斷惡化，對(duì)區(qū)域供水和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。

1 樣本采集和分析方法

1.1 樣本采集

2022年春季，通過(guò)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）在該庫(kù)底淤泥較厚區(qū)域按網(wǎng)格法布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)264個(gè)（密度為100～150個(gè)/km2），該水域沉積物厚度分布如圖1所示。根據(jù)沉積物的實(shí)際淤積厚度，采集的沉積柱巖芯長(zhǎng)度分別為0～5 cm和5～30 cm。將獲得的樣品等分并帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定其總磷、總氮、鐵、錳、總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，揭示水庫(kù)沉積物中總磷、總氮、鐵、錳、總硫的水平和垂直分布特征。

1.2 樣品分析方法

水庫(kù)沉積物主要是淤泥。對(duì)于采集到的沉積物樣品，過(guò)濾出孔隙水后經(jīng)真空冷凍干燥機(jī)（Techconp FD-3-85-MP）冷凍干燥，而后再用瑪瑙研缽研磨至物料粒度在0.125 mm以下，裝入密封袋中備用。

1.2.1 沉積物中總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

稱取500 mg樣品，在500 ℃下灰化2 h，然后用25 mL的1 mol/L鹽酸溶液浸提16 h，浸提液經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過(guò)濾后，用鉬銻反分光光度法測(cè)定總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.2 沉積物中總氮和總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

稱取約5 mg樣品，用有機(jī)元素分析儀（Vario Macro Cube）測(cè)定沉積物中的總氮和總硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。該儀器的燃燒溫度為975 ℃，總氮和總硫的分析范圍為0.001～6.000 mg，分析誤差小于5%。

1.2.3 沉積物中鐵和錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

稱取約50 mg樣品，置于特氟龍?jiān)嚬苤?，加?.8 mL氫氟酸和1 mL硝酸并密封，在烘箱中加熱（180～190 ℃）24～30 h，冷卻后放在熱板上蒸發(fā)（140 ℃），然后加入少量硝酸（lt;1 mL），蒸發(fā)干透后再加入2 mL硝酸和3 mL去離子水，在密封烘箱中加熱（140 ℃）4～5 h，冷卻后定容至100 mL，對(duì)定容后的樣品用等離子發(fā)射光譜儀進(jìn)行分析。

2 沉積物的累積和分布情況

2.1 沉積物中總磷的空間分布特征

水庫(kù)底泥中總磷的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.04%，但在不同深度（0～30 cm、30 cm以下）底泥中，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異明顯。在水庫(kù)采集的全部底泥樣品中，總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值為4.4%，最高值達(dá)13.32%。

水庫(kù)0～30 cm底泥中總磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.07%；其中，總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.00%的區(qū)域位于沙河上游，沙河中游底泥總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.50%～2.00%。在白巖河河口、蔡沖河及湖區(qū)中部0～30 cm底泥總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%～1.50%；在其他湖區(qū)，0～30 cm底泥總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本低于1.00%。

水庫(kù)30 cm以下底泥中總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，約為4.76%。游魚(yú)河上游及白巖河上游的局部湖區(qū)30 cm以下底泥總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)6.00%，沙河河口、白巖河河口及爛泥溝河河口30 cm以下底泥總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.00%～4.00%，其他絕大部分湖區(qū)30 cm以下底泥總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于3%或底泥淤積不足30 cm。

2.2 沉積物中總氮的空間分布特征

水庫(kù)底泥中總氮的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%，在不同湖區(qū)及不同層位底泥中存在明顯差異。在水庫(kù)采集的全部底泥樣品中，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值為0.19%，最高值為0.69%。

水庫(kù)0～30 cm底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%，其高值區(qū)分布相對(duì)分散。0～30 cm底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.40%的區(qū)域主要位于爛泥溝河上游、爛泥溝河河口、沙河上游及沙河中游等地。在管理處附近湖區(qū)、白巖河、沙河上游、爛泥溝河下游及管理處南側(cè)湖灣湖區(qū)，0～30 cm底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.30%～0.40%；在其他湖區(qū)，0～30 cm底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本低于0.30%。

水庫(kù)30 cm以下底泥總氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%。30 cm以下底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.40%的區(qū)域主要位于沙河中上游、白巖河局部及管理處南側(cè)湖灣等地。在管理處附近湖區(qū)、白巖河下游、爛泥溝河河口湖區(qū)，30 cm以下底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.30%～0.40%；其他湖區(qū)30 cm以下底泥總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.30%，或底泥淤積不足30 cm。

2.3 沉積物中鐵的空間分布特征

水庫(kù)底泥中鐵的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.14%，不同湖區(qū)底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異明顯，而且在不同層位上亦表現(xiàn)出明顯差異。在水庫(kù)采集的全部底泥樣品中，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值為2.15%，最高值為19.75%。

水庫(kù)0～30 cm底泥鐵平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.14%，其高值區(qū)分布較為集中。0～30 cm底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)7.50%的區(qū)域位于白巖河、游魚(yú)河、蔡沖河河區(qū)及湖體中部，其中游魚(yú)河上游鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10.00%。沙河、爛泥溝河河口湖區(qū)中部0～30 cm底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.00%～7.50%，沙河、爛泥溝河湖區(qū)0～30 cm底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本低于5.00%。

水庫(kù)30 cm以下層位底泥鐵平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.25%。全湖底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布具有較為明顯的規(guī)律，即中部低、四周高。游魚(yú)河上游30 cm以下底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10.00%，白巖河上游30 cm以下底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7.50%～10.00%，湖區(qū)中部管理處附近30 cm以下底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.00%～7.50%，其他湖區(qū)30 cm以下底泥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于5.00%或底泥淤積不足30 cm。

2.4 沉積物中錳的空間分布特征

水庫(kù)底泥中錳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.31%，在不同湖區(qū)及不同層位底泥中存在明顯差異。在水庫(kù)采集的全部底泥樣品中，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值為0.07%，最高值為3.24%。

水庫(kù)0～30 cm底泥中錳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.43%，其分布呈現(xiàn)中部高、四周低的規(guī)律。0～30 cm底泥中錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.75%的區(qū)域位于湖區(qū)主體部分，其中白巖河河口及湖區(qū)中部錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.00%。白巖河、游魚(yú)河、爛泥溝河及沙河湖區(qū)0～30 cm底泥錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.50%。

水庫(kù)30 cm以下層位底泥中錳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，為0.20%。除白巖河河口湖區(qū)30 cm以下底泥錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.50%，其他湖區(qū)30 cm以下底泥錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.25%或底泥淤積不足30 cm。

2.5 沉積物中總硫的空間分布特征

水庫(kù)底泥總硫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26%，在不同湖區(qū)及不同層位底泥中存在明顯差異。在水庫(kù)采集的全部底泥樣品中，總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值為0.03%，最高值為1.50%。

水庫(kù)0～30 cm底泥中總硫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26%，其高值區(qū)分布較為集中。0～30 cm底泥總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.25%的區(qū)域主要位于游魚(yú)河上游、爛泥溝河河口、白巖河河口及湖體中部湖區(qū)，其中游魚(yú)河上游及白巖河河口局部湖區(qū)總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.50%。其他大部分湖區(qū)0～30 cm底泥總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上低于0.25%。

水庫(kù)30 cm以下層位底泥中總硫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%，其高值區(qū)位于游魚(yú)河上游，其局部總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.75%。其他絕大部分湖區(qū)30 cm以下底泥總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.25%或底泥淤積不足30 cm。

沉積物-水體界面處強(qiáng)烈的生物地球化學(xué)循環(huán)，可能導(dǎo)致微量（重）金屬和硫酸根的釋放和擴(kuò)散，污染物的再遷移可能誘發(fā)二次污染，導(dǎo)致飲用水源的水質(zhì)惡化。

水庫(kù)沉積物樣品中的總磷、總氮、鐵、錳和總硫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

3 分析與結(jié)論

該水庫(kù)泥沙淤積厚度為8～76 cm，平均淤積厚度為39 cm，根據(jù)湖泊面積計(jì)算可得淤泥體積為1.3×106 m3。根據(jù)不同沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各泥沙樣品干質(zhì)量的加權(quán)和，求得水庫(kù)單位體積淤泥的總磷、總氮、鐵、錳、總硫質(zhì)量濃度分別為0.53、1.77、36.10、1.58、1.33 mg/cm3。結(jié)合湖泊面積和水庫(kù)最底層淤泥的平均厚度，求得水庫(kù)總磷蓄積量約為689 t，總氮蓄積量約為2 301 t，鐵蓄積量約為46 930 t，錳蓄積量約為2 054 t，總硫蓄積量約為1 729 t。

由上述研究可知，水庫(kù)沉積物的污染物負(fù)荷較為嚴(yán)重。整個(gè)沉積柱巖芯中總磷、總氮、總硫、鐵和錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.07%～0.11%、0.28%～0.54%、0.86%～1.72%、3.05%～11.02%和0.24%～1.59%，其中總磷、總氮、總硫呈“表高底低”的分布趨勢(shì)，鐵、錳呈“表低底高”的分布特征。

該水庫(kù)沉積物中的總氮、鐵和錳的平均質(zhì)量濃度分別高達(dá)47.10 、1.12 mg/L和2.83 mg/L，尤其是表層沉積物中的總氮、鐵和錳的平均質(zhì)量濃度更高。鐵、錳質(zhì)量濃度高，加之水庫(kù)水深較大，庫(kù)底滯洪區(qū)水體長(zhǎng)期處于缺氧、厭氧狀態(tài)，易使氮、磷污染物通過(guò)沉積物-水體界面擴(kuò)散（內(nèi)源釋放），表現(xiàn)為高釋放風(fēng)。因此，針對(duì)該水庫(kù)的沉積物治理迫在眉睫。

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