黄柏河流域水库底泥内源磷释放对水质影响分析

李琼　刘佳　李永凯

摘要：为分析宜昌市黄柏河流域饮用水水库内源磷释放对水质的影响，于2016年对流城内3座梯级水库的水体进行了逐月采样，在10月进行一次沉积物柱状样品的采集。根据样品分析数据，估算了沉积物-水界面磷释放通量，以及内源磷占磷总量的比例。结果发现：流城内玄庙观水库磷释放通量为0.492mg/（m2·d）;天福庙水库为0.37mg/（m2·d），西北口水库为0.175mg/（m2·d）;玄庙观水库年内内源磷释放最大月份占比为28.4%，天福庙水库为18.5%，西北口水库为19.5%;水库底泥内源磷释放已对水库水质产生了影响。研究结果为黄柏河流域饮用水水库的水质治理、保护提供了科学依据。

关键词：磷释放通量;采样分析;内源污染;黄柏河;宜昌市

中图法分类号：X52

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.011

文章编号：1001-4179（2019）03-0060-06

磷是湖泊生态系统限制性营养元素，沉积物作为湖泊磷的源和汇，对湖泊的磷循环具有重要影响。湖库来水携带大量的富磷物质，一部分直接被水生生物直接利用，另一部分不断沉积，在沉积物中形成稳定矿物。有研究表明，湖泊沉积物是磷等營养盐类污染物的重要蓄积库，仅有不足1%的污染物溶解于水中，超过9%的污染物储存在沉积物中沉积物中磷受有机质矿化降解驱动，经过一系列物理、化学和生物作用，又释放到水体中对水质产生重要影响。当外源磷输入得到有效控制后，沉积物中的沉积磷成为湖库重要的磷源。

黄柏河流域内磷矿藏丰富，流域内各大水库水华现象频发。受特殊地域条件的影响，流域产水中富含大量磷矿颗粒。近年来，各矿场排水已得到有效控制，但前期积累的沉积物中的磷可能是导致流域内各个水库富营养化的重要原因。目前有关黄柏河的研究较少，而它作为宜昌市的母亲河，提供着城区200万人生产生活用水，其水质的重要性不言而喻。本研究通过在黄柏河流域水库中采集的沉积物-水界面柱状样品，结合月平均流量数据，探讨黄柏河流域内源释放与外源输入两者的关系，旨在分析内源释放对湖库水质的影响，为管理部门预防水华提供数据。

1 研究区域概况

黄柏河系长江一级支流，位于长江北岸，发源于宜昌市夷陵区黑良山，地处东经111°04'～111°00'，北纬30943'～31°29'。黄柏河河长162km，流域面积1902km2，流域分为东西两支，在夷陵区两河口汇合，于葛洲坝大坝上游注入长江。其东支为黄柏河主脉，河长130km。东支内自上而下有4座大中型水库：玄庙观水库，总库容4054万m3，天福庙水库，总库容6180万m3，西北口水库，总库容2.1亿m3以及尚家河水库，总库容1646万m3。水库出水经东风渠总干渠引入东分区灌区，既是宜昌城区100万人的饮用水源，亦承担着当阳、枝江、夷陵区、高新区等区域内百万亩农田以及100万人的生产生活用水的任务，其水质受到广泛关注。

黄柏河流域内磷矿资源丰富，天福庙水库以上有磷矿开采企业54家。黄柏河流域供水区内经济总量占宜昌市的近80%。由于流域内城镇居民污水直排，工业企业废水排放，化肥、农药的不合理使用，以及2003年来流域内磷矿（磷矿藏30亿t）的开采规模逐渐加大，导致黄柏河流域水资源污染状况日益严重。宜昌市附近其余水源条件（清江网箱养殖泛滥，沮漳河水质常年劣V类）也不容乐观，黄柏河作为宜昌市的饮用水水源有不可替代的作用，因而就黄柏河对宜昌市的重要作用而言，开展本研究具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 样品采集

水样采样时间为2016年全年各月，采样点位于玄庙观水库、天福庙水库以及西北口水库库尾，现场测定理化指标包括水温、溶解氧和pH，采集表层水水样两份，用于测定叶绿素a和营养盐。2016年10月，采用柱状采泥器（φ=6.5cm）采取水库各点的沉积物柱状样品[8]，现场对沉积物和上覆水进行2cm一层分层，保存于离心管和聚乙烯瓶中，带回实验室进一步分析，同时测得上覆水理化指标。在实验室中对沉积物样品进行分析，采用L535R-1型冷冻离心机离心得到孔隙水，泥样干燥至恒重，计算沉积物含水量和孔隙率。

孔隙水经过0.45μm玻璃纤维滤膜过滤后进行水质指标分析，采用纳氏试剂光度法测量氨氮，过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测总氮，过硫酸钾法测总磷，采用丙酮提取法测叶绿素a。水样通过0.45μm乙酸纤维滤膜在真空泵下抽滤，所得滤膜置于10mL离心管中，加入90%的丙酮至于暗处静置24h后，用离心机离心15min，取上清液测定水体中叶绿素a的含量。

2.2 内、外源量计算

水库内源释放量不仅受沉积物-水界面磷释放通量的影响，还受到水库沉积物面积影响。水库内源释放总量的计算公式为

公式

式中，W为水库内源释放磷总量;S为流域水面面积;t为计算时长;F为各水库各采样点的平均总磷释放通量。释放通量F可由Fick第一定律来计算：

公式

式中，F为沉积物一水界面的释放通量，mg/（m2·d）;0为沉积物的孔隙度;（ac/ax）x=0为沉积物-水界面物质的浓度梯度;D，是沉积物中溶质的分子扩散系数，cm2/s.由于D，考虑了沉积物的弯曲效应，但实际中弯曲度测量较为困难，通常通过其与孔隙度之间的关系来进行推导：

公式

式中，D。是无限稀释溶液的理想扩散系数，通常取6.12x10-cm2/s（25C）。有学者对扩散系数Do和温度T（上覆水）之间的关系做出进一步的校准。

公式

水库外源汇入磷总量主要受到水库入库流量及入流断面总磷浓度的影响，计算公式为

公式

式中，V为水库外源汇入磷总量;Q;为各月入库流量;t为计算时长;C;为各月入流断面总磷浓度。

3 结果与分析

3.1 环境因子变化

3座水库全年各月采样时的环境因子如图1所示。表层水体溶解氧含量呈现1，10，11月和12月较高，其余各个月变化范围较小，与温度的变化趋势相反。随着温度的升高，表层水体溶解氧含量下降，气温最高的7，8月和9月，溶解氧浓度达到最低。pH值变化范围为7.8～8.8，表层水体为弱碱性，这与3座水库沉积物沉积环境有很大关系，其中玄庙观水库和天福庙水库具有相同的变化趋势。

图2为3座水库全年各月总氮、总磷和叶绿素a含量情况。叶绿素a浓度变化与总氮和总磷浓度变化具有相似趋势，1～4月相对较大。有研究表明：叶绿素a含量与流量呈现负相关关系，导致枯水期叶绿素a含量较大。总磷浓度和总氮浓度相关性较好，最高可达0.737（p<0.05），总磷和总氮浮动较大，呈现春季和冬季较高，夏季和秋季较低的情况。

3.2 孔隙水磷释放通量的估算

3座水库孔隙水和上覆水中TP浓度垂直分布见图3所示。总体上，上覆水TP浓度低于孔隙水，在玄庙观水库出现上覆水TP浓度高于孔隙水的情况。对于上覆水，总体上均值表现为玄庙观水库（1.822mg/L）>天福庙水库（1.002mg/L）>西北口水库（0.445mg/L），呈现逐渐降低的趋势。对于孔隙水，玄庙观水库整体呈现先增加后降低的趋势，TP浓度垂向波动较大;天福庙水库波动较小，总体上亦存在先增加后降低的趋势;西北口水库库首和库中TP浓度呈现随深度增加的趋势，库尾TP浓度表现为先增加后减小。

根据Fick第一定律，结合图3，选取界面以下孔隙水扰动层3～5cm以及界面以上3～5cm的TP浓度对深度进行指数拟合，结果见表1。由表1可以看出，拟合情况良好。根据拟合所得的公式对深度进行求导，得到沉积物-水界面dc/dx，再由孔隙度，采用Fick定律可计算得到各个采样点的总磷释放通量（见表1）。

由表1可知，黄柏河流域内3座梯级水库总磷均表现为由孔隙水向.上覆水进行扩散，即均表现为总磷的源。其中玄庙观水库平均磷释放通量为0.492mg/（m2·d），天福庙为0.37mg/（m2·d），西北口水库为0.175mg/（m2·d）。各个采样点的释放潜力均不相同，这与沉积物-水界面的浓度梯度、沉积物的理化性質、粒径等密切相关，总体表现为玄庙观水库>天福庙水库>西北口水库。

根据黄柏河流域管理局所提供的相应的水位、流量库容以及水面面积数据，查得各月平均水位，并通过3座水库的水位-水面面积关系曲线，插值得到各月平均水面面积，采用公式（1）计算各个水库内源总磷释放通量，采用公式（2）计算各个水库年内汇入总磷总量见表3。

通过水库内源释放占磷总量的比例可以分析内源释放对水库富营养化的影响，具体见表4。玄庙观水库底泥释放磷最高为28.4%，出现在1月份;天福庙水库在12月底泥释放磷最高，为18.5%;西北口水库在12月底泥释放磷最高，为19.5%。水库的来水量对水库底泥释放量占总量的比例具有很重要的影响，在来流量较少的9月至翌年3月，3座水库底泥释放量占比均较高。

4 结论

本文分析了黄柏河饮用水水库内源磷释放对水质的影响。通过对流域内3座梯级水库水体和沉积物柱状样品的采集分析，估算了沉积物-水界面磷释放通量，以及底泥释放量在磷总量中的占比。结果表明：黄柏河流域内3座梯级水库玄庙观水库、天福庙水库、西北口水库的孔隙水TP含量均高于上覆水，其相应的内源磷释放通量为：玄庙观水库0.492mg/（m2·d），天福庙水库0.37mg/（m2·d），西北口的水库0.175mg/（m2·d），表现为TP的“源”。在此基础上计算得到玄庙观水库内源磷释放磷最高可占磷总量的28.4%，天福庙水库最高为18.5%，西北口水库为19.5%。水库底泥释放量已对各水库水质产生影响，尤其是对玄庙观水库影响明显。

沉积物内源磷释放是一个复杂的生物地球化学过程，受诸多环境因子的影响，尤其是在黄柏河流域的水库中，水动力的季节性变化将直接影响沉积物磷释放，人类活动同样对其造成影响。因此，还需在黄柏河流域在时间与空间尺度上开展更多的监测，并提高测验精度，积累不同条件下水库沉积物磷释放的数据，以实现对水库沉积物内源磷负荷的准确评估。

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引用本文：李瓊，刘佳，李永凯.黄柏河流城水库底泥内源磷释放对水质影响分析[J].人民长江，2019，50（3）：60-65.

Effect of endogenous phosphorus release from reservoir bottom sediment on water quality in Huangbai River Basin

LI Qiong'，LIU Jia2，LI Yongkai'

（1. Yichang Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Yichang 443000，China;2. College of Hydraulic & Environmen-tal Engineering，China Three Gorges Universily，Yichang 443000，China）

Abstract：To investigate the influence of reservoir endogenous phosphorous release on the water quality of the Huangbai river drinking-water source in Yichang City，the water in 3 cascade reservoirs in the basin was sampled monthly in 2016 and the reservoir bottom sediment columns were sampled in October 2016. With the sample analysis data，the phosphorus release fluxes through interface of sediment-water and its ratios in total phosphorus were calculated. The results showed that the phosphorusrelease fluxes from sediment of 3 reservoirs were Xuanmiaoguan Reservoir0.217 mg m-2 d-'，Tianfumiao Reservoir 0.133 mgm-2 d-'，Xibeikou Reservoir 0.06 mg m～2 d-' . The results show that the endogenous phosphorous release from the reservoir bottom had impacted the water quality of the reservoirs. The conclusion can provide scientific basis for the drinking water management and protection of the reservoirs in the basin.

Key words：phosphate release fluxes;sampling and analyzing;endogenous pollution;Huangbai River;Yichang City