漳泽水库底泥氮磷污染与表层水营养化关系分析

任焕莲

(长治市水文水资源勘测分局，山西 长治 046011)

富营养化通常是指湖泊、水库等封闭水体以及某些河流水体内的氮、磷等植物营养物质含量过多，造成藻类等水生植物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，生物的种群、种类数量减少的水质污染现象。水体富营养化降低了水体的透明度，蓝、绿藻大量增殖，水质浑浊，并散发出腥臭味，污染居住环境。堆积在水体底层的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，降低了水生生物的稳定性和多样性，破坏了正常的水生态平衡。

底泥是湖库营养物质的重要蓄积库,污水的排入、地表径流汇集以及水生生物残骸,导致底泥中N、P元素逐步积累,易形成营养物质的内负荷。当外源排入湖库的N、P营养元素负荷量减少后,沉积物中的营养元素会逐步释放,成为湖泊富营养化的主导因子[1-2]。污染物被水体颗粒物吸附、络合、絮凝、沉降而沉积在底泥中, 在外源污染得到有效控制后, 底泥中的这些污染物仍可能对水体产生“二次污染”[3]。

一般认为,富营养化严重的湖泊其表层沉积物中营养盐含量也高,表层沉积物营养盐含量可以反映湖泊水体的富营养化程度[4]。本文选取漳泽水库底泥氮磷与表层水营养盐成分，试图找出表层水体的富营养化与底泥氮磷污染关系，以期为解决水库的富营养化治理提供指导。

1 工程概况

研究区位于山西省长治市浊漳河南源上漳泽水库，又称太行湖，是一座人工湖泊，1959年兴建，1960年蓄水，控制流域面积3176km2，库容4.13亿m3，是一座以工业、城市供水、灌溉、防洪为主，兼顾养殖和旅游等综合利用的大(2)型水库。

2 研究方法和特征分析

2.1 研究区选择及研究方法

为研究太行湖底泥氮磷污染情况及其对水体影响，从水库大坝前向库尾依次均匀布设16个监测点，即1号、2号、…16号，见图1，大致可以划分成3个区：库前区(坝上)(1号、2号)、库中区(3～10号)、库尾区(14～16号)，11号位于绛河支流口，16号位于主源(浊漳南源)入库口。

图1 监测点分布

每个监测点同时采集底泥、上覆水进行室内分析，在对应的 1号、2号、8号、11号、14号、15号、16号点上方表层水面下0.50m深度采集表层水样，检测分析营养盐，即高锰酸盐指数、叶绿素、透明度、总磷和总氮；采集柱状底泥并分成上层(上段样)和下层(下段样)，上段样即为底泥接触水体层。底泥除分析含水率、pH值外，其余总氮、总磷、氨氮、重金属等项目检测采用室内冷干、研磨、过筛按环境(HJ)或国标(GB)方法进一步检测，检测仪器主要有定氮仪(测总氮、氨氮)、马弗炉、坩埚、离心机、分光光度计(测总磷)、微波消解仪、原子荧光和原子吸收(检测汞砷硒和铜铅锌镉)；监测期为2017年10月至2018年9月。

漳泽水库水质从20世纪80年代开始监测，监测点位于坝上，每月监测1次，2012年增加了藻类监测。2000—2018年，水库基本处于轻度富营养化状态，时而出现中度富营养化。本次着重进行表层水体富营养化和其对应位置底泥营养盐特征及其相关性分析。

2.2 表层水体富营养特征分析

水库的富营养化评价依据《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007)中表5.5.1采用分级指数法[5]计算营养状态指数，见下式：

(1)

式中：EI为营养状态指数；En为评价项目赋分值；N为评价项目个数。

0≤EI≤20为贫营养，20

2.2.1 富营养随时间变化

1号、8号、11号点监测期的EI变化较频繁，变幅较大，规律性差；14号、15号、16号监测点在整个监测期情况为：12月到次年3月EI偏低，在50≤EI≤63之间，从次年的3—4月开始变大，6—8月明显变大，EI>60, EI最大达到75.83，属中度富营养化，9月开始回落；2号监测期EI比较平稳，EI在 50.33和 53.55之间，处于轻度富营养化，见图2。

图2 各监测点富营养化分值随时间变化趋势

2.2.2 富营养随空间变化

根据对1号、2号、8号、11号、14～16号监测点的2017年11月至2018年9月监测期的趋势分析，除2018年3月、4月各点EI值变化起伏不定外，其余各个监测期的EI值随空间变化整体是从库前向库尾逐渐增大，特别是7—9月的变化规律非常一致，即从库前区到库中心EI值缓慢变大,到库尾区EI值呈直线增长，由轻度富营养变为中度富营养状态，见图3。

2.3 底泥中氮磷含量时空变化特征

采集回的底泥经风干—研磨—过筛后,依据《土壤质量 全氮的测定 凯氏法》(HJ 717—2014)用定氮仪检测分析总氮，依据《土壤 总磷的测定 碱熔-钼锑抗分光光度法》(HJ 632—2011)检测分析总磷，监测期底泥各监测点上段(亲水层)总氮含量均值2413mg/kg，最大含量5129mg/kg，最小含量880mg/kg；总磷平均含量650mg/kg，最大含量1730mg/kg，最小含量321mg/kg，具体数值见表1。

表1 底泥氮磷2017年10月至2018年9月特征值

2.3.1 总磷时空变化

本文选择与表层水对应且资料比较连续的监测点亲水层上段底泥监测结果进行分析，选取库前2号、库中8号、库尾14～16号监测点分析发现：各监测点从2017年11月至次年7月变化平稳，8月突然增大，2号、8号监测点9月继续增大，但库尾区监测点9月突然回落，见图4。

图4 各监测点底泥总磷含量随时间变化

从库前到库尾各监测点7月以前含量差别不大，基本一致，但8—9月总磷含量从库前到库尾均比其他监测期高，且8月库尾15号监测点最高达1730mg/kg，是最小值的5.39倍，见图5。

图5 各监测期底泥总磷含量随空间变化

2.3.2 总氮时空变化

各监测点总氮含量随时间变化不大，比较平稳，但比较特殊的是库前东边2号监测点的总氮比其余各监测点的含量高出很多，其整个监测期的最小与最大值是其余各点最小值的2.4倍和5.8倍，见图6。各监测期总氮含量的空间变化是从库前向库尾呈下降趋势，见图7。

图6 各监测点底泥总氮含量随时间变化

图7 各监测期底泥总磷含量随空间变化

2.4 底泥与表层水的氮磷关系分析

无论是单个监测点的底泥中氮磷含量与表层水体中氮磷含量的相关分析，还是全部监测点中两者的关系分析，底泥与表层水中氮磷含量相关性均不好，见图8、图9。由此可以得出水库富营养状态与底泥中氮磷含量没有直接相关性。

图8 底泥与表层水总氮含量的相关性分析图

图9 底泥与表层水总磷含量的相关性分析图

3 结果分析

经过漳泽水库库前、库中、库尾的2017年10月至2018年9月的富营养评价分析和底泥含量分析，可得出如下结论：

a.库前(坝上)、库中、支流入库处营养状态从冬季到次年汛期基本为轻度富营养化，库尾、主源入库口处基本是11月到次年3月处于轻度富营养化的低谷期，4月开始上升，到6月后显著上升，8月处于最高峰，达到中度富营养化，9月开始回落。

b.营养状态在空间变化上，除3月、4月各监测点变化起伏不定外，其余月份库前至库中心没有明显变化，基本处于中营养或轻度富营养状态，库尾和主源入库口处富营养化程度明显加重，EI值变大，整个监测期均处于富营养化状态甚至是中度富营养化。

c.底泥总磷含量随时间变化情况：从11月到次年7月监测资料看，库前至库尾含量变化不大，8月各监测点含量明显增大，9月库前、库中仍有小幅上升，库尾均突降至起涨点附近。总磷含量随空间变化情况：8月总磷含量库前至库中呈下降趋势，库中至库尾呈上升趋势，9月从库前至库尾一直呈下降趋势，其余月份库前至库尾含量基本平稳，变化较小。

d.底泥总氮含量随时间变化情况：除库前2号监测点含量偏高外，随时间变化各监测点变幅不大，且从库前至库尾除2号监测点外，其余各监测点含量基本接近。总氮含量随空间变化情况：整个监测期(2018年3月至9月)从库前到库尾总氮含量一致呈下降趋势。

e.通过对底泥氮磷含量与表层水体的氮磷含量相关性分析(无论是从单点分析还是整体分析)，水库表层水体的富营养化与底泥的氮磷含量无直接相关性，甚至库前2号监测点与库尾16号监测点二者成负相关，这个结论与最初的实验预期相反。

导致水库富营养化的原因有外源污染因素、内源污染因素。随着城市发展，废水大量排入湖泊，导致城市湖泊富营养化日益严重，中小城市尤其明显。

4 结 语

漳泽水库底泥氮磷聚集与释放是在一定条件下进行的，并且由于水库水体的水动力条件，即便释放氮磷至水体也未必是垂直到达水面表层，其一可能会受到水体动力学作用，其二需要在排除外源的氮磷污染情况下，进一步研究水体富营养化形成机理，建立内源与水体上覆水和表层水营养盐含量关系。经各种途径进入水体的N、P等营养元素，相当一部分沉积到底泥中。水生生物的生长会吸收部分营养成分，其余大部分仍与水体保持动态平衡。当水体污染源(外源)得到一定控制后，N、P则可能主要来自底泥的释放，严重时可造成水体富营养化[6]。由此大致可以推断漳泽水库表层水体富营养化与外源污染关系密切，与底泥氮磷关系需要在切断外源污染后作进一步的监测分析。