黃道軍，薛?？担?凱，許 明，李永超，孫聞博，黃廷林

(1.陜西西咸新區(qū)水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 712000；2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

沉積物是湖庫(kù)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是湖庫(kù)污染的“源”和“匯”[1-2].外源污染匯入水庫(kù)后因水動(dòng)力條件的改變，水中懸浮態(tài)污染物如泥沙、動(dòng)植物殘?bào)w易沉降至庫(kù)底并在表層沉積物蓄存；而溶解態(tài)污染物進(jìn)入水體后一方面直接影響供水水質(zhì)，另一方面會(huì)為水生生物提供生長(zhǎng)繁殖所需必要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，待水中動(dòng)植物死亡后又將成為新的沉積物.同時(shí)，受沉積物氧化還原環(huán)境的影響，沉積物中的有機(jī)質(zhì)無(wú)法被徹底礦化分解，而是分解形成小分子有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些污染物在沉積物-水界面大量積蓄，在特定條件下(如風(fēng)生浪引起底泥再懸浮時(shí))釋放進(jìn)入水體形成二次污染.這也是在外源污染得到有效控制后湖庫(kù)等半封閉水體中氮、磷及有機(jī)物含量依然增加的重要原因[3].因此，探明湖泊水庫(kù)沉積物中氮磷及有機(jī)質(zhì)含量、形態(tài)與分布情況，對(duì)控制水體富營(yíng)養(yǎng)化、保障水質(zhì)安全和營(yíng)造良好的水生態(tài)環(huán)境具有重要意義.

西北某小型水庫(kù)是一座以灌溉為主的小(Ⅰ)型水庫(kù)，水庫(kù)運(yùn)行30多年來(lái)，沉積物淤積厚度已達(dá)10 m左右.近年來(lái)，為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，對(duì)水庫(kù)功能進(jìn)行了調(diào)整，在滿足工業(yè)用水的同時(shí)作為飲用水應(yīng)急水源.本研究對(duì)該水庫(kù)表層沉積物污染狀況進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，以期為該水庫(kù)后期運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與樣品采集

研究對(duì)象水庫(kù)控制流域面積6.6 km2，最大水深10.5 m，最淺處水深4 m，主溝道長(zhǎng)3.2 km，平均比降6.25‰.區(qū)域?yàn)榈谒募o(jì)黃土層所覆蓋，厚度60～100 m，為傳統(tǒng)重要農(nóng)作區(qū)，水庫(kù)右岸為黃土塬溝壑區(qū)，黃土沖溝發(fā)育，沖刷劇烈，水土流失嚴(yán)重.依據(jù)均勻布點(diǎn)和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域設(shè)點(diǎn)原則，沿水庫(kù)壩前至庫(kù)尾依次布設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位置如圖1所示，其中S1、S3、S4采樣點(diǎn)分別為壩前、引水塔和庫(kù)尾.沉積物樣品采集使用抓斗式采樣器取采樣點(diǎn)表層10 cm沉積物樣品，樣品采集后封裝至聚乙烯自封袋，運(yùn)輸過(guò)程4℃冷藏保存，盡快帶回實(shí)驗(yàn)室預(yù)處理.

圖1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)布設(shè)圖Fig.1 Sampling points distribution of research area

1.2 樣品處理與分析測(cè)定

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 有機(jī)污染和有機(jī)氮污染指數(shù)評(píng)價(jià)

沉積物中有機(jī)物含量豐富，其不僅是氮、磷遷移轉(zhuǎn)化的媒介，還能與重金屬發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng).本研究采用有機(jī)氮污染指數(shù)(ON)和有機(jī)污染指數(shù)(OI)能評(píng)價(jià)沉積物有機(jī)污染程度，其計(jì)算公式如下[4-5]：

ON=TN×0.95

(1)

OI=ON×TOC

(2)

式中，TN和TOC按1.0 g/kg=0.1%換算為百分比.根據(jù)有機(jī)氮污染指數(shù)和有機(jī)污染指數(shù)可將沉積物有機(jī)污染分為4個(gè)等級(jí)，等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[4-5].

表1 有機(jī)污染指數(shù)及有機(jī)氮污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of sediment organic pollution index and organic nitrogen pollution index

1.3.2 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

單因子污染指數(shù)法在環(huán)境領(lǐng)域被廣泛用于評(píng)價(jià)大氣、水體、土壤及沉積物污染程度[6-7].通過(guò)分析TOC、TN、TP濃度與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系，能夠評(píng)價(jià)沉積物污染程度.鑒于單因子污染指數(shù)法只針對(duì)單一污染物評(píng)價(jià)，因此，在單因子污染指數(shù)法基礎(chǔ)上發(fā)展出利用TN和TP兩個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)污染程度的綜合污染指數(shù)法[8].單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)計(jì)算公式如(3)～(5).

(3)

(4)

(5)

表2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P綜)及潛在生態(tài)危害指數(shù)(Ei)、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification of single factor index and comprehensive pollution index

續(xù)表2等級(jí)STNSTPFF污染程度31.5～2.01.0～1.51.5～2.0中度污染4>2.0>1.5>2.0重度污染

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物污染物含量、形態(tài)及分布差異

表3 西北某小型水庫(kù)表層沉積物中污染物含量Tab.3 Distribution of pollutants in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

圖2 西北某小型水庫(kù)沉積物中總有機(jī)碳(TOC)、 總氮(TN)、總磷(TP)空間分布Fig.2 Spatial distribution of total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the sediments of a small reservoir in Northwest China

從圖2可以看出，研究區(qū)域內(nèi)表層沉積物中TOC含量接近，但氮、磷含量空間分布差異明顯，且變化趨勢(shì)相近.從壩前至引水塔TN與TP不斷下降，又于庫(kù)尾處急劇升高，反映出該小型水庫(kù)沉積物受制于庫(kù)區(qū)地形和運(yùn)行管理方式，在庫(kù)區(qū)內(nèi)遷移較慢.此外，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的分布規(guī)律相似能夠從側(cè)面說(shuō)明此水庫(kù)沉積物污染來(lái)源較為單一.

2.2 沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比值

沉積物C/N與N/P是反映其污染來(lái)源的重要指標(biāo)，研究表明，若C/N<10則有機(jī)質(zhì)多為內(nèi)源污染，C/N≈10時(shí)有機(jī)質(zhì)內(nèi)源與外源平衡，而C/N>10則有機(jī)質(zhì)來(lái)自外源[15].這是因?yàn)楦叩戎参?、維管束陸生植物和陸生禾本科或莎草科植物的C/N比大于10，其中高等植物為14～23，維管束陸生植物通常大于20，陸生禾本科與莎草科則可高達(dá)45～50[10,16].由圖3可知，西北某小型水庫(kù)S1-S4采樣點(diǎn)表層沉積物C/N分別為23.93、25.71、40.93和19.02，空間分布差異較大，且呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的外源輸入跡象.浮游植物在生長(zhǎng)和衰亡過(guò)程會(huì)按一定比例吸收和釋放氮、磷，這一比值約為16∶1，若接近此值，表明沉積物主要為內(nèi)源輸入的污染[17].在對(duì)4個(gè)采樣點(diǎn)做N/P分析可以發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)N/P在2.33～3.36波動(dòng)，遠(yuǎn)小于16∶1.說(shuō)明外源有大量磷輸入水庫(kù)，這可能是由于該水庫(kù)位于傳統(tǒng)農(nóng)灌地區(qū)，生活農(nóng)業(yè)等污水排入所致.

圖3 西北某小型水庫(kù)表層沉積物中TOC/TN、TN/TPFig.3 TOC/TN and TN/TP in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3 沉積物污染評(píng)價(jià)

2.3.1 有機(jī)污染評(píng)價(jià)

有機(jī)污染指數(shù)法能定量評(píng)價(jià)湖庫(kù)沉積物所受有機(jī)污染水平，因此，對(duì)4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)污染和有機(jī)氮污染指數(shù)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示.由表4可知，西北某小型水庫(kù)沉積物有機(jī)污染指數(shù)為0.035～0.080，均值為0.054，屬于輕度污染.其中S2和S3采樣點(diǎn)有機(jī)污染指數(shù)均小于0.05，評(píng)價(jià)結(jié)果為清潔.有機(jī)氮污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果略有不同，因?yàn)橛袡C(jī)污染指數(shù)同時(shí)考慮有機(jī)碳和有機(jī)氮含量，而有機(jī)氮污染指數(shù)僅評(píng)價(jià)有機(jī)氮含量.從表中可以看出，有機(jī)氮污染指數(shù)范圍為0.030～0.062，平均值0.044，亦屬于輕度污染，但S2采樣點(diǎn)有機(jī)氮污染指數(shù)評(píng)價(jià)為輕度污染，這說(shuō)明S2采樣點(diǎn)表層沉積物有機(jī)氮含量較高.

表4 西北某小型水庫(kù)表層沉積物有機(jī)污染指數(shù)和有機(jī)氮污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation of organic pollution index and organic nitrogen pollution index in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3.2 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

有機(jī)污染評(píng)價(jià)雖能判斷沉積物中有機(jī)污染程度，但并未考慮到沉積物中TP的影響.磷作為微生物生長(zhǎng)繁殖的必要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)椴糠指∮沃参锞哂泄痰δ?，此時(shí)磷就成為藻類生長(zhǎng)的限制因素.本研究采用單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)進(jìn)一步對(duì)沉積物污染做出評(píng)價(jià)，結(jié)果如表5所示.

表5 西北某小型水庫(kù)表層沉積物單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)Tab.5 Evaluation of single factor pollution index and comprehensive pollution index of surface sediments of a small reservoir in Northwest China

單因子污染指數(shù)能較準(zhǔn)確反應(yīng)研究區(qū)域N、P營(yíng)養(yǎng)物的污染情況.我國(guó)目前并未制定湖庫(kù)沉積物TN、TP的污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，故選用加拿大安大略省所定標(biāo)準(zhǔn).由表5可知，研究對(duì)象表層沉積物氮、磷單因子污染指數(shù)低，僅S4點(diǎn)總氮為輕度污染，其余各采樣點(diǎn)均為清潔.結(jié)合氮、磷兩種元素做綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)后也僅S4點(diǎn)位輕度污染，其余采樣點(diǎn)表層沉積物為清潔.

根據(jù)沉積物污染物含量與評(píng)價(jià)結(jié)果，該水庫(kù)雖淤積嚴(yán)重，但有機(jī)質(zhì)、氮、磷污染程度較輕，能夠作為飲用水應(yīng)急水源.但在水庫(kù)運(yùn)行管理中，應(yīng)在有效控制外源輸入污染的同時(shí)，盡量避免沉積物的內(nèi)源釋放.

3 結(jié)論

(1)西北某水庫(kù)4個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中總有機(jī)碳、總氮、總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷含量分別為11.68 g/kg、0.46 g/kg、0.17 g/kg、32.20 mg/kg、66.90 mg/kg和13.08 mg/kg;

(2)沉積物中C/N為19.02～40.93，N/P為2.33～3.36，表明沉積物污染主要來(lái)自外源輸入，內(nèi)源所致較少;

(3)有機(jī)污染評(píng)價(jià)、單因子污染評(píng)價(jià)及綜合污染評(píng)價(jià)表明沉積物氮、磷、有機(jī)質(zhì)污染較輕，僅部分采樣點(diǎn)為輕度污染，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，因此該水庫(kù)能夠作為飲用水應(yīng)急水源.