艾海男，夏洪薇，胡學斌，何 強 （重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045）

深水湖泊氮和磷沿水深的分布特性

艾海男*，夏洪薇，胡學斌，何 強 （重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045）

為探索水體中氮、磷濃度與水深的響應特性，選擇重慶某典型山地深水湖泊——龍景湖，開展氮、磷濃度分布與深度相關性實驗研究.結(jié)果表明，龍景湖總氮、總磷濃度均呈現(xiàn)沿水深增加的趨勢.龍景湖總氮濃度為0.65～3.77mg/L，總磷濃度為0.016～0.65mg/L.龍景湖全區(qū)總氮濃度與水深成顯著相關關系，回歸方程F值的相伴概率小于0.05；95%的區(qū)域總磷與深度呈顯著相關關系，總磷與水深擬合優(yōu)度平均值為0.8734，平均F值相伴概率為0.024.可考慮通過調(diào)節(jié)水深的方式調(diào)節(jié)湖泊上層水體中氮、磷濃度，從而控制湖泊富營養(yǎng)化程度.

氮；磷；水深；相關性

湖泊水體一般具有流動性差、水生態(tài)系統(tǒng)簡單、水環(huán)境容量小、自凈能力差的特點［1-3］，與淺水湖泊相比，山地深水湖泊還具有水位深、底部高差大、存在溫度分層、受風生流影響較小、湖體存在密度流等特點［4-5］，這些都直接或間接對物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)換途徑造成影響.作為湖泊水文要素之一的水深，在山地深水湖泊中更顯其重要性.水深的變化不僅僅意味著湖泊蓄水量和熱容量的改變，也會改變湖流的流場分布以及風浪特征，改變湖泊的水動力過程，從而使湖泊的水環(huán)境容量和自凈能力發(fā)生改變，污染物的分布特征也發(fā)生改變［6］.

導致湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)元素為氮、磷［7-8］.水體中氮、磷濃度的增加不僅會影響大型水生植物的生長，而且對浮游植物的生長也有重要影響［9-12］.目前國內(nèi)外對湖泊水體中氮磷的研究主要是氮磷的時空分布特征及預測模型［13-17］，對于深水湖泊中氮磷隨深度變化規(guī)律的研究較少，而對深水湖泊而言，深度上的變化會導致溫度的改變以及水體流動狀態(tài)的不同，這就導致了紊流擴散及對流擴散主導地位的交換以及物質(zhì)擴散系數(shù)的變化等.本文為探索深水湖泊中氮磷含量垂向分布與深度的響應特性，在選擇重慶深水湖泊龍景湖開展取樣及分析的基礎上，采用數(shù)學回歸分析手段，對湖泊水體內(nèi)氮磷濃度分布進行回歸分析，獲得了其響應關系，以期為深水湖泊富營養(yǎng)化的控制治理提供借鑒.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

重慶龍景湖位于重慶市渝北區(qū)園博園內(nèi)，設計常水位標高為306m，水體面積0.53km2，總庫容為663萬m3，調(diào)節(jié)庫容為425萬m3.龍景湖群山環(huán)抱，沿山體自然形成龍景溝、臥龍石、江南園林等多個庫灣（圖4）.主要補給水源為自然降水，上游匯入河流為山地河流-趙家溪（流域面積約為15km2），水深可達22m，屬典型的河道型深水湖泊.

1.2 研究區(qū)域分區(qū)

根據(jù)多普勒聲學測速儀測試結(jié)果表明，龍景湖地形條件變化復雜、水動力環(huán)境特征存在著顯著的空間差異，為準確描述龍景湖水環(huán)境，根據(jù)湖底地形、水動力特征等將龍景湖分為5個區(qū)，分別命名為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)及E區(qū)（圖1）.

圖1 龍景湖分區(qū)及采樣點示意Fig.1 Subareas and sampling points of Lake LongJing

A區(qū)是龍景湖的出水區(qū)，湖水深度相對較大，大部分湖底標高在-10m以下，最深處達到-22m.而湖水的流速則較為緩慢，基本均在0.001m/s，極少數(shù)達到了0.003m/s的速度.B區(qū)為上游匯入?yún)^(qū)，是目前龍景湖除雨水外最主要的外來水源補給，輸入水量約為317萬m3/a.此區(qū)域中水深較淺，平均水深為7～8m，但流速較快，平均水體流速大約為0.004m/s，明顯大于龍景湖其他湖區(qū).C區(qū)為龍景湖河道型湖區(qū)，平均水深在12m左右，流速較小，大部分區(qū)域為0.001m/s.且此區(qū)域一側(cè)緊靠游船主碼頭和建筑群，另一側(cè)為湖心涼亭，是龍景湖周邊人類活動頻繁，影響較大的區(qū)域.D區(qū)即龍景溝湖區(qū)，平均湖底標高約為-10m，流速大多低于0.001m/s，是龍景湖流速最緩的地區(qū).且此區(qū)域在龍景湖建成前為一片魚塘，修建龍景湖時未對此區(qū)域進行清淤工作.E區(qū)為湖灣區(qū)，平均水深為9～10m，流速大多在0.002m/s的水平.

1.3 采樣點設置

分別選擇5個區(qū)域中有代表性的點作為取樣點（圖1）.龍景湖夏季垂向水溫梯度最大［18］，故取樣時間分別選定為2014年8月15日，30日，9月4日，9日以及14日，每5d定時采樣.溫度影響水的黏度，對物質(zhì)在水中的擴散系數(shù)有重要影響.因此，本研究根據(jù)各分區(qū)溫度分層，分為上、中上、中、中下、下5層取水，進行水質(zhì)取樣監(jiān)測，每個取樣點依據(jù)該點處溫度分層設定取樣深度（表1）.

表1 取樣點垂向取樣深度（m）Table 1 Vertical depth of sampling points （m）

實驗使用有機玻璃采樣器，采集水樣置于250mL棕色玻璃瓶內(nèi)，并用硫酸酸化至pH小于等于1，24h內(nèi)進行測定.其中TN濃度采用堿性過硫酸鉀氧化——紫外分光光度計法進行測定；TP濃度采用過硫酸鉀氧化——紫外分光光度計法進行測定［19］.本研究采用SPSS 20.0對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 氮磷濃度與水深相關性

氮磷在湖泊水體中的擴散主要為紊流擴散和對流擴散.紊流擴散是由污染物濃度梯度所引起的分散污染物的現(xiàn)象，其主要受污染物種類和濃度、擴散環(huán)境溫度、擴散距離以及擴散時間等因素的影響，而對流擴散則主要受到水流速度、水流方向以及溫躍層等因素的影響.除此之外，氮磷在水中的濃度還受到污染源以及底泥吸釋等因素的影響.

湖泊中氮磷主要來自內(nèi)源的釋放和外源的輸入.底泥釋放由湖泊水體底部向上進行擴散，而污染源輸入多為表層輸入，即污染物由上層水體向下層水體進行擴散.氮磷在水體中的濃度分布就是這兩個擴散過程的疊加作用.排除不確定性因素，氮、磷在水中的擴散機理，可用擴散模型進行描述計算.水體中氮磷濃度處于非穩(wěn)態(tài)條件，根據(jù)其擴散原理，可采用費克第二定律對該擴散進行描述：

對方程（1）推導積分后可得：

由（2）式可知，費克第二定律的解為一個指數(shù)函數(shù)，其中C為物質(zhì)的濃度，a為積分得到的一個常數(shù)，C0為物質(zhì)初始濃度，D為擴散系數(shù)，t為時間，x為擴散方向上的距離.將龍景湖5個區(qū)，每個區(qū)7d 35組，共175組數(shù)據(jù)運用該指數(shù)函數(shù)進行回歸分析.

由圖2可以看出，龍景湖總氮、總磷與深度均呈現(xiàn)了一定的相關性.不同區(qū)域之間的相互影響關系存在一定的差異，同一區(qū)域不同時間狀態(tài)下的相關性也有不同，而總氮、總磷兩個水質(zhì)指標與水深的相互響應關系也不盡相同.龍景湖全部區(qū)域總氮F值的相伴概率均小于0.05，即擬合方程可靠性很高，總氮濃度與水深成顯著相關關系，同時高達95%的區(qū)域總磷與水深顯著相關，回歸方程具有其可應用性.

2.2 氮磷沿水深分布空間特性

由圖3可以看出，不同湖區(qū)，擬合優(yōu)度不同.B區(qū)總氮、總磷與深度的擬合優(yōu)度值最高，平均值達到0.937，最高值為0.997，平均F值相伴概率為0.0111，其次擬合較好的區(qū)域為為E區(qū).D區(qū)擬合度最差，平均擬合優(yōu)度值僅為0.516，表現(xiàn)出了較明顯的波動和不穩(wěn)定性.B區(qū)為趙家溪匯入?yún)^(qū)，此區(qū)域的主要影響因素為水流條件.區(qū)域中總氮、總磷均呈現(xiàn)一個隨水深增大，濃度逐漸上升的趨勢，該區(qū)域有來自趙家溪的穩(wěn)定入湖流量（約8700m3/d），整個湖區(qū)有較為穩(wěn)定的水流條件，周圍建筑相對較少，基本無點源污染輸入.且B區(qū)在同一深度下的溫度，較其他區(qū)域低，溫差也相對較大，可能導致擴散系數(shù)的增大，使擴散現(xiàn)象更明顯，方程擬合度更高.D區(qū)龍景溝湖區(qū)則無河網(wǎng)匯入，是龍景湖流速最緩的區(qū)域，基本在0.001m/s以下.B區(qū)的污染物擴散主要是對流擴散占主導，而D區(qū)水體相對運動不明顯，對流擴散現(xiàn)象較弱，紊流擴散也起到很大作用，同時D區(qū)由于流速極低因而受不穩(wěn)定的風生流影響較大，且此區(qū)域湖底為河塘淤泥基質(zhì)，底泥吸收釋放對水中氮、磷含量的影響較大［20-21］.

2.3 氮磷沿水深分布時間特性

同一區(qū)域中，不同時間，水深與氮、磷呈現(xiàn)的相關性強弱也不同.龍景湖8月15日以及9月4日的回歸分析均表現(xiàn)出較高的擬合優(yōu)度，而8月20日的回歸分析顯著性較低.這可能是由于降雨、溫度、風速等多方面因素的共同作用［22］.溫度的變化導致污染物擴散系數(shù)以及水體溶解系數(shù)的改變，從而影響氮磷濃度的分布；降雨量則對污染物濃度產(chǎn)生稀釋作用，同時雨水徑流的匯入短時間內(nèi)加強了該區(qū)內(nèi)水流的相對運動，加劇了對流擴散作用；風速的不同，導致產(chǎn)生的風生流大小不同，水面相對流速不同，擴散強度則不同，同時風生流大小不同對底泥產(chǎn)生的攪動作用也存在差異，從而影響底泥吸釋作用的強弱.

2.4 氮磷沿水深分布差異性

龍景湖中總氮平均濃度為1.575mg/L，總磷平均濃度為0.127mg/L，表層總氮、總磷平均濃度分別為1.225，0.035mg/L，底層平均濃度為1.729，0.215mg/L，基本呈現(xiàn)出隨水深增加，濃度上升的趨勢.龍景湖流速極低，污染物受重力作用有一個向下的趨勢，且湖底基質(zhì)中氮、磷的釋放也是相當重要的一部分.總磷平均可決系數(shù)為0.8734，總氮平均擬合優(yōu)度為0.6612，總磷表現(xiàn)出了比總氮更加優(yōu)秀的與水深間的相互響應關系.總磷與總氮的摩爾質(zhì)量分數(shù)不同，導致其擴散系數(shù)存在差異.根據(jù)相關實驗數(shù)據(jù)可知，龍景湖中的總氮，主要以溶解態(tài)為主，約占總氮含量的71%左右，總磷則以顆粒態(tài)為主，所占比例約為72.6%.溶解態(tài)的總氮主要以紊流擴散為主，而總磷則主要依靠對流擴散以及重力影響［23］.主要存在形式上的不同，應該是導致這一差異的主要原因.

圖2 水深與總氮、總磷濃度的回歸分析Fig.2 Regression between water depth and concentration of TN，TP

表2 各區(qū)域水深與總氮、總磷回歸分析曲線擬合結(jié)果Table 2 Results of regression analysis curve fitting between water depth and concentration of TN， TP

3 結(jié)論

3.1 龍景湖總氮、總磷濃度與水深存在明顯的指數(shù)函數(shù)關系，但水流條件、污染物主要形態(tài)以及底泥的吸收釋放等因素對響應特性產(chǎn)生了不穩(wěn)定影響.

3.2 不同區(qū)域響應關系呈現(xiàn)出不同的顯著性，主要是水動力條件以及基質(zhì)的吸釋、風生流等共同作用的結(jié)果.

3.3 總氮與總磷不同水質(zhì)指標間的差異是由其在水中的主要擴散機理決定的.總磷在水中主要呈顆粒態(tài)存在，主要受對流擴散運動和重力影響較大，較總氮表現(xiàn)出更好的相互響應關系.

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Distribution features of the nitrogen and phosphorus along the depth of deep lake.

AI Hai-nan*， XIA Hong-wei， HU Xue-bin， He Qiang （Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment， Ministry of Education，Chongqing University， Chongqing 400045， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：2085～3089

In order to explore the response characteristics between the concentration of nitrogen and phosphorus in water and the depth of water， this paper chose a typical mountain deep lake of Chongqing——Lake Longjing to carry out the experimental study. Concentration of total nitrogen in Lake Longjing was 0.65～3.77mg/L and the total phosphorus was 0.016～0.64mg/L. The total nitrogen concentration and water depth were significantly correlated in the whole lake and the regression equation's accompanied probability of F value are all less than 0.05； the total phosphorus and water deeps were significantly correlated in 95% areas and the average value of R2was 0.8734， the accompanied probability of average F value was 0.024. Therefore， the degree of eutrophication can be controlled by adjusting the water depth to regulate the concentration of the nitrogen and phosphorus in the upper water.

nitrogen；phosphorus；water depth；relativity

X524

A

1000-6923（2015）10-3085-05

艾海男（1982-），男，湖南邵陽人，副教授，博士，主要從事水污染控制與治理技術研究.發(fā)表論文30余篇.

2015-02-08

重慶市兩江新區(qū)城市水系統(tǒng)構(gòu)建技術研究與示范（2012ZX07307-001）

* 責任作者， 副教授， aihainan@126.com