西北某水库沉积物污染特征与评价

2021-03-30黄道军薛睿康李永超孙闻博黄廷林

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年1期

黄道军，薛睿康，李凯，许明，李永超，孙闻博，黄廷林

(1.陕西西咸新区水务集团有限公司，陕西西安 712000；2.西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室，陕西西安 710055)

沉积物是湖库生态环境的重要组成部分，也是湖库污染的“源”和“汇”[1-2].外源污染汇入水库后因水动力条件的改变，水中悬浮态污染物如泥沙、动植物残体易沉降至库底并在表层沉积物蓄存；而溶解态污染物进入水体后一方面直接影响供水水质，另一方面会为水生生物提供生长繁殖所需必要营养物质，待水中动植物死亡后又将成为新的沉积物.同时，受沉积物氧化还原环境的影响，沉积物中的有机质无法被彻底矿化分解，而是分解形成小分子有机物和氮、磷等营养物质，这些污染物在沉积物-水界面大量积蓄，在特定条件下(如风生浪引起底泥再悬浮时)释放进入水体形成二次污染.这也是在外源污染得到有效控制后湖库等半封闭水体中氮、磷及有机物含量依然增加的重要原因[3].因此，探明湖泊水库沉积物中氮磷及有机质含量、形态与分布情况，对控制水体富营养化、保障水质安全和营造良好的水生态环境具有重要意义.

西北某小型水库是一座以灌溉为主的小(Ⅰ)型水库，水库运行30多年来，沉积物淤积厚度已达10 m左右.近年来，为满足区域经济发展需求，对水库功能进行了调整，在满足工业用水的同时作为饮用水应急水源.本研究对该水库表层沉积物污染状况进行了分析与评价，以期为该水库后期运行管理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与样品采集

研究对象水库控制流域面积6.6 km2，最大水深10.5 m，最浅处水深4 m，主沟道长3.2 km，平均比降6.25‰.区域为第四纪黄土层所覆盖，厚度60～100 m，为传统重要农作区，水库右岸为黄土塬沟壑区，黄土冲沟发育，冲刷剧烈，水土流失严重.依据均匀布点和重点关注区域设点原则，沿水库坝前至库尾依次布设4个采样点，采样点位置如图1所示，其中S1、S3、S4采样点分别为坝前、引水塔和库尾.沉积物样品采集使用抓斗式采样器取采样点表层10 cm沉积物样品，样品采集后封装至聚乙烯自封袋，运输过程4℃冷藏保存，尽快带回实验室预处理.

图1 研究区域采样点布设图Fig.1 Sampling points distribution of research area

1.2 样品处理与分析测定

1.3 评价方法

1.3.1 有机污染和有机氮污染指数评价

沉积物中有机物含量丰富，其不仅是氮、磷迁移转化的媒介，还能与重金属发生复杂的物理化学反应.本研究采用有机氮污染指数(ON)和有机污染指数(OI)能评价沉积物有机污染程度，其计算公式如下[4-5]：

ON=TN×0.95

(1)

OI=ON×TOC

(2)

式中，TN和TOC按1.0 g/kg=0.1%换算为百分比.根据有机氮污染指数和有机污染指数可将沉积物有机污染分为4个等级，等级划分标准见表1[4-5].

表1 有机污染指数及有机氮污染指数等级划分标准Tab.1 Classification standard of sediment organic pollution index and organic nitrogen pollution index

1.3.2 单因子污染指数和综合污染指数评价

单因子污染指数法在环境领域被广泛用于评价大气、水体、土壤及沉积物污染程度[6-7].通过分析TOC、TN、TP浓度与评价标准值的关系，能够评价沉积物污染程度.鉴于单因子污染指数法只针对单一污染物评价，因此，在单因子污染指数法基础上发展出利用TN和TP两个指标综合评价污染程度的综合污染指数法[8].单因子污染指数与综合污染指数计算公式如(3)～(5).

(3)

(4)

(5)

表2 内梅罗综合污染指数(P综)及潜在生态危害指数(Ei)、风险指数(RI)等级划分标准Tab.2 Classification of single factor index and comprehensive pollution index

续表2等级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 结果与讨论

2.1 表层沉积物污染物含量、形态及分布差异

表3 西北某小型水库表层沉积物中污染物含量Tab.3 Distribution of pollutants in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

图2 西北某小型水库沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)空间分布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

从图2可以看出，研究区域内表层沉积物中TOC含量接近，但氮、磷含量空间分布差异明显，且变化趋势相近.从坝前至引水塔TN与TP不断下降，又于库尾处急剧升高，反映出该小型水库沉积物受制于库区地形和运行管理方式，在库区内迁移较慢.此外，氮磷营养盐的分布规律相似能够从侧面说明此水库沉积物污染来源较为单一.

2.2 沉积物中营养物质比值

沉积物C/N与N/P是反映其污染来源的重要指标，研究表明，若C/N<10则有机质多为内源污染，C/N≈10时有机质内源与外源平衡，而C/N>10则有机质来自外源[15].这是因为高等植物、维管束陆生植物和陆生禾本科或莎草科植物的C/N比大于10，其中高等植物为14～23，维管束陆生植物通常大于20，陆生禾本科与莎草科则可高达45～50[10,16].由图3可知，西北某小型水库S1-S4采样点表层沉积物C/N分别为23.93、25.71、40.93和19.02，空间分布差异较大，且呈现出强烈的外源输入迹象.浮游植物在生长和衰亡过程会按一定比例吸收和释放氮、磷，这一比值约为16∶1，若接近此值，表明沉积物主要为内源输入的污染[17].在对4个采样点做N/P分析可以发现该水库N/P在2.33～3.36波动，远小于16∶1.说明外源有大量磷输入水库，这可能是由于该水库位于传统农灌地区，生活农业等污水排入所致.

图3 西北某小型水库表层沉积物中TOC/TN、TN/TPFig.3 TOC/TN and TN/TP in surface sediments of a small reservoir in Northwest China

2.3 沉积物污染评价

2.3.1 有机污染评价

有机污染指数法能定量评价湖库沉积物所受有机污染水平，因此，对4个采样点进行了有机污染和有机氮污染指数评价，评价结果如表4所示.由表4可知，西北某小型水库沉积物有机污染指数为0.035～0.080，均值为0.054，属于轻度污染.其中S2和S3采样点有机污染指数均小于0.05，评价结果为清洁.有机氮污染指数评价结果与有机污染指数评价结果略有不同，因为有机污染指数同时考虑有机碳和有机氮含量，而有机氮污染指数仅评价有机氮含量.从表中可以看出，有机氮污染指数范围为0.030～0.062，平均值0.044，亦属于轻度污染，但S2采样点有机氮污染指数评价为轻度污染，这说明S2采样点表层沉积物有机氮含量较高.

表4 西北某小型水库表层沉积物有机污染指数和有机氮污染指数评价结果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 单因子污染指数和综合污染指数评价

有机污染评价虽能判断沉积物中有机污染程度，但并未考虑到沉积物中TP的影响.磷作为微生物生长繁殖的必要营养物质，在水体富营养化发展进程中起着至关重要的作用，因为部分浮游植物具有固氮功能，此时磷就成为藻类生长的限制因素.本研究采用单因子污染指数与综合污染指数进一步对沉积物污染做出评价，结果如表5所示.

表5 西北某小型水库表层沉积物单因子污染指数及综合污染指数评价Tab.5 Evaluation of single factor pollution index and comprehensive pollution index of surface sediments of a small reservoir in Northwest China

单因子污染指数能较准确反应研究区域N、P营养物的污染情况.我国目前并未制定湖库沉积物TN、TP的污染评价标准，故选用加拿大安大略省所定标准.由表5可知，研究对象表层沉积物氮、磷单因子污染指数低，仅S4点总氮为轻度污染，其余各采样点均为清洁.结合氮、磷两种元素做综合污染指数评价后也仅S4点位轻度污染，其余采样点表层沉积物为清洁.

根据沉积物污染物含量与评价结果，该水库虽淤积严重，但有机质、氮、磷污染程度较轻，能够作为饮用水应急水源.但在水库运行管理中，应在有效控制外源输入污染的同时，尽量避免沉积物的内源释放.