深水湖泊氮和磷沿水深的分布特性

艾海男，夏洪薇，胡学斌，何 强 （重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045）

深水湖泊氮和磷沿水深的分布特性

艾海男*，夏洪薇，胡学斌，何 强 （重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045）

为探索水体中氮、磷浓度与水深的响应特性，选择重庆某典型山地深水湖泊——龙景湖，开展氮、磷浓度分布与深度相关性实验研究.结果表明，龙景湖总氮、总磷浓度均呈现沿水深增加的趋势.龙景湖总氮浓度为0.65～3.77mg/L，总磷浓度为0.016～0.65mg/L.龙景湖全区总氮浓度与水深成显著相关关系，回归方程F值的相伴概率小于0.05；95%的区域总磷与深度呈显著相关关系，总磷与水深拟合优度平均值为0.8734，平均F值相伴概率为0.024.可考虑通过调节水深的方式调节湖泊上层水体中氮、磷浓度，从而控制湖泊富营养化程度.

氮；磷；水深；相关性

湖泊水体一般具有流动性差、水生态系统简单、水环境容量小、自净能力差的特点［1-3］，与浅水湖泊相比，山地深水湖泊还具有水位深、底部高差大、存在温度分层、受风生流影响较小、湖体存在密度流等特点［4-5］，这些都直接或间接对物质在水体中的迁移转换途径造成影响.作为湖泊水文要素之一的水深，在山地深水湖泊中更显其重要性.水深的变化不仅仅意味着湖泊蓄水量和热容量的改变，也会改变湖流的流场分布以及风浪特征，改变湖泊的水动力过程，从而使湖泊的水环境容量和自净能力发生改变，污染物的分布特征也发生改变［6］.

导致湖泊发生富营养化的重要营养元素为氮、磷［7-8］.水体中氮、磷浓度的增加不仅会影响大型水生植物的生长，而且对浮游植物的生长也有重要影响［9-12］.目前国内外对湖泊水体中氮磷的研究主要是氮磷的时空分布特征及预测模型［13-17］，对于深水湖泊中氮磷随深度变化规律的研究较少，而对深水湖泊而言，深度上的变化会导致温度的改变以及水体流动状态的不同，这就导致了紊流扩散及对流扩散主导地位的交换以及物质扩散系数的变化等.本文为探索深水湖泊中氮磷含量垂向分布与深度的响应特性，在选择重庆深水湖泊龙景湖开展取样及分析的基础上，采用数学回归分析手段，对湖泊水体内氮磷浓度分布进行回归分析，获得了其响应关系，以期为深水湖泊富营养化的控制治理提供借鉴.

1 研究方法

1.1 研究区域概况

重庆龙景湖位于重庆市渝北区园博园内，设计常水位标高为306m，水体面积0.53km2，总库容为663万m3，调节库容为425万m3.龙景湖群山环抱，沿山体自然形成龙景沟、卧龙石、江南园林等多个库湾（图4）.主要补给水源为自然降水，上游汇入河流为山地河流-赵家溪（流域面积约为15km2），水深可达22m，属典型的河道型深水湖泊.

1.2 研究区域分区

根据多普勒声学测速仪测试结果表明，龙景湖地形条件变化复杂、水动力环境特征存在着显著的空间差异，为准确描述龙景湖水环境，根据湖底地形、水动力特征等将龙景湖分为5个区，分别命名为A区、B区、C区、D区及E区（图1）.

图1 龙景湖分区及采样点示意Fig.1 Subareas and sampling points of Lake LongJing

A区是龙景湖的出水区，湖水深度相对较大，大部分湖底标高在-10m以下，最深处达到-22m.而湖水的流速则较为缓慢，基本均在0.001m/s，极少数达到了0.003m/s的速度.B区为上游汇入区，是目前龙景湖除雨水外最主要的外来水源补给，输入水量约为317万m3/a.此区域中水深较浅，平均水深为7～8m，但流速较快，平均水体流速大约为0.004m/s，明显大于龙景湖其他湖区.C区为龙景湖河道型湖区，平均水深在12m左右，流速较小，大部分区域为0.001m/s.且此区域一侧紧靠游船主码头和建筑群，另一侧为湖心凉亭，是龙景湖周边人类活动频繁，影响较大的区域.D区即龙景沟湖区，平均湖底标高约为-10m，流速大多低于0.001m/s，是龙景湖流速最缓的地区.且此区域在龙景湖建成前为一片鱼塘，修建龙景湖时未对此区域进行清淤工作.E区为湖湾区，平均水深为9～10m，流速大多在0.002m/s的水平.

1.3 采样点设置

分别选择5个区域中有代表性的点作为取样点（图1）.龙景湖夏季垂向水温梯度最大［18］，故取样时间分别选定为2014年8月15日，30日，9月4日，9日以及14日，每5d定时采样.温度影响水的黏度，对物质在水中的扩散系数有重要影响.因此，本研究根据各分区温度分层，分为上、中上、中、中下、下5层取水，进行水质取样监测，每个取样点依据该点处温度分层设定取样深度（表1）.

表1 取样点垂向取样深度（m）Table 1 Vertical depth of sampling points （m）

实验使用有机玻璃采样器，采集水样置于250mL棕色玻璃瓶内，并用硫酸酸化至pH小于等于1，24h内进行测定.其中TN浓度采用碱性过硫酸钾氧化——紫外分光光度计法进行测定；TP浓度采用过硫酸钾氧化——紫外分光光度计法进行测定［19］.本研究采用SPSS 20.0对实验数据进行统计分析.

2 结果与讨论

2.1 氮磷浓度与水深相关性

氮磷在湖泊水体中的扩散主要为紊流扩散和对流扩散.紊流扩散是由污染物浓度梯度所引起的分散污染物的现象，其主要受污染物种类和浓度、扩散环境温度、扩散距离以及扩散时间等因素的影响，而对流扩散则主要受到水流速度、水流方向以及温跃层等因素的影响.除此之外，氮磷在水中的浓度还受到污染源以及底泥吸释等因素的影响.

湖泊中氮磷主要来自内源的释放和外源的输入.底泥释放由湖泊水体底部向上进行扩散，而污染源输入多为表层输入，即污染物由上层水体向下层水体进行扩散.氮磷在水体中的浓度分布就是这两个扩散过程的叠加作用.排除不确定性因素，氮、磷在水中的扩散机理，可用扩散模型进行描述计算.水体中氮磷浓度处于非稳态条件，根据其扩散原理，可采用费克第二定律对该扩散进行描述：

对方程（1）推导积分后可得：

由（2）式可知，费克第二定律的解为一个指数函数，其中C为物质的浓度，a为积分得到的一个常数，C0为物质初始浓度，D为扩散系数，t为时间，x为扩散方向上的距离.将龙景湖5个区，每个区7d 35组，共175组数据运用该指数函数进行回归分析.

由图2可以看出，龙景湖总氮、总磷与深度均呈现了一定的相关性.不同区域之间的相互影响关系存在一定的差异，同一区域不同时间状态下的相关性也有不同，而总氮、总磷两个水质指标与水深的相互响应关系也不尽相同.龙景湖全部区域总氮F值的相伴概率均小于0.05，即拟合方程可靠性很高，总氮浓度与水深成显著相关关系，同时高达95%的区域总磷与水深显著相关，回归方程具有其可应用性.

2.2 氮磷沿水深分布空间特性

由图3可以看出，不同湖区，拟合优度不同.B区总氮、总磷与深度的拟合优度值最高，平均值达到0.937，最高值为0.997，平均F值相伴概率为0.0111，其次拟合较好的区域为为E区.D区拟合度最差，平均拟合优度值仅为0.516，表现出了较明显的波动和不稳定性.B区为赵家溪汇入区，此区域的主要影响因素为水流条件.区域中总氮、总磷均呈现一个随水深增大，浓度逐渐上升的趋势，该区域有来自赵家溪的稳定入湖流量（约8700m³/d），整个湖区有较为稳定的水流条件，周围建筑相对较少，基本无点源污染输入.且B区在同一深度下的温度，较其他区域低，温差也相对较大，可能导致扩散系数的增大，使扩散现象更明显，方程拟合度更高.D区龙景沟湖区则无河网汇入，是龙景湖流速最缓的区域，基本在0.001m/s以下.B区的污染物扩散主要是对流扩散占主导，而D区水体相对运动不明显，对流扩散现象较弱，紊流扩散也起到很大作用，同时D区由于流速极低因而受不稳定的风生流影响较大，且此区域湖底为河塘淤泥基质，底泥吸收释放对水中氮、磷含量的影响较大［20-21］.

2.3 氮磷沿水深分布时间特性

同一区域中，不同时间，水深与氮、磷呈现的相关性强弱也不同.龙景湖8月15日以及9月4日的回归分析均表现出较高的拟合优度，而8月20日的回归分析显著性较低.这可能是由于降雨、温度、风速等多方面因素的共同作用［22］.温度的变化导致污染物扩散系数以及水体溶解系数的改变，从而影响氮磷浓度的分布；降雨量则对污染物浓度产生稀释作用，同时雨水径流的汇入短时间内加强了该区内水流的相对运动，加剧了对流扩散作用；风速的不同，导致产生的风生流大小不同，水面相对流速不同，扩散强度则不同，同时风生流大小不同对底泥产生的搅动作用也存在差异，从而影响底泥吸释作用的强弱.

2.4 氮磷沿水深分布差异性

龙景湖中总氮平均浓度为1.575mg/L，总磷平均浓度为0.127mg/L，表层总氮、总磷平均浓度分别为1.225，0.035mg/L，底层平均浓度为1.729，0.215mg/L，基本呈现出随水深增加，浓度上升的趋势.龙景湖流速极低，污染物受重力作用有一个向下的趋势，且湖底基质中氮、磷的释放也是相当重要的一部分.总磷平均可决系数为0.8734，总氮平均拟合优度为0.6612，总磷表现出了比总氮更加优秀的与水深间的相互响应关系.总磷与总氮的摩尔质量分数不同，导致其扩散系数存在差异.根据相关实验数据可知，龙景湖中的总氮，主要以溶解态为主，约占总氮含量的71%左右，总磷则以颗粒态为主，所占比例约为72.6%.溶解态的总氮主要以紊流扩散为主，而总磷则主要依靠对流扩散以及重力影响［23］.主要存在形式上的不同，应该是导致这一差异的主要原因.

图2 水深与总氮、总磷浓度的回归分析Fig.2 Regression between water depth and concentration of TN，TP

表2 各区域水深与总氮、总磷回归分析曲线拟合结果Table 2 Results of regression analysis curve fitting between water depth and concentration of TN， TP

3 结论

3.1 龙景湖总氮、总磷浓度与水深存在明显的指数函数关系，但水流条件、污染物主要形态以及底泥的吸收释放等因素对响应特性产生了不稳定影响.

3.2 不同区域响应关系呈现出不同的显著性，主要是水动力条件以及基质的吸释、风生流等共同作用的结果.

3.3 总氮与总磷不同水质指标间的差异是由其在水中的主要扩散机理决定的.总磷在水中主要呈颗粒态存在，主要受对流扩散运动和重力影响较大，较总氮表现出更好的相互响应关系.

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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，湖南邵阳人，副教授，博士，主要从事水污染控制与治理技术研究.发表论文30余篇.

2015-02-08

重庆市两江新区城市水系统构建技术研究与示范（2012ZX07307-001）

* 责任作者， 副教授， aihainan@126.com