清林径水库表层沉积物营养盐分布特征及污染评价

兰建洪，刘 丰，郭晓玮，叶小会，陈文学

（1.深圳市东部水源管理中心，广东 深圳 518116；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518055）

1 研究背景

沉积物是水生态系统的重要组成部分，是营养盐及其他污染物在水体中的重要归宿和主要储存场所，也是潜在的污染源［1］。当水体环境发生改变或受到扰动时，沉积物中的营养盐重新进入水体，造成内源污染［2］。根据目前研究，当水体外源污染得到有效控制后，沉积物中的营养盐仍可能使水体的富营养化状态持续数十年［3］，使得沉积物营养盐备受关注。尤其是湖泊、水库等饮用水水源地，沉积物营养盐水平与用水安全密切相关［4］。调查水源地沉积物中碳、氮、磷的含量及其分布特征对控制水体富营养化和保障用水安全有重要指导意义。

清林径引水调蓄工程是目前在建的深圳市三大储备调蓄水源系统之一，建成后清林径水库将是深圳市最大的“水缸”，也是东深供水工程和东部供水水源工程的调蓄水库，与深圳市及沿线受水区的用水安全密切相关。根据1999年的现场调查结果，清林径水库整体为中营养水平，部分采样点有向富营养化过渡的趋势，局部库湾出现水华［5］。随着库区综合治理工作的逐步推进，水质有所改善。根据2019年深圳集中式饮用水水源水质状况报告，清林径水库取水口及库区中心符合Ⅱ类水标准。但出现过富营养化问题的水体，其沉积物可能已经受到营养盐污染［6］；虽然控制外源污染后水质有一定好转，但沉积物在水体扰动等条件下可能向上层水体释放营养盐，导致即使符合Ⅱ类水标准的水库也可能暴发水华［7］。随着清林径水库扩建及引水调蓄工程的建设，其重要性不言而喻。虽然相关部门对清林径水库开展定期水质监测，但未见关于沉积物营养盐污染特征的研究报道。

本研究基于对清林径水库表层沉积物中总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TN）的调查，阐明清林径水库沉积物营养盐的含量及空间分布特征；利用TOC/TN比值进行来源解析；并通过与国内其他水源地的比较及污染指数的计算，对其污染程度进行评价，以期为下一步工程建成后清林径水库水环境保护提供科学依据。

2 水库污染调查和评价方法

2.1 研究区概况 清林径水库位于深圳市龙岗区龙城街道境内，在龙岗河左岸支流龙溪河的中上游河段。目前清林径水库包括清林径和黄龙湖两个库区（图1），通过清林径库区主坝右岸的溢洪道相连通。水库扩建后，清林径库区和黄龙湖库区将会合并，总库容达到1.86亿m3，是调蓄和储备功能兼备的大（Ⅱ）型水库。目前的清林径库区建成于1963年，集雨面积23.0 km2，主流长度12.3 km，平均河床比降3.65‰，总库容2751万m3，目前为猫仔岭水厂的主要水源。黄龙湖库区建成于1998年，集雨面积5.2 km2，主流长度5.8 km，平均河床比降1.96‰，总库容995万m3。

2.2 样品采集及分析 2019年7月，用彼得森采泥器采集了清林径水库24个表层沉积物样品，采样点具体位置如图1所示。清林径库区共20个采样点，其中采样点S1位于库区输水隧洞附近；采样点S3、S5、S9、S13位于库区中心线附近；其他采样点为库湾及近岸采样点。黄龙湖库区相对较小，自上而下在库区中心线附近设置4个采样点。采集的表层（0～5 cm）沉积物样品现场混匀后装入聚乙烯自封袋，用保温箱低温保存，运回实验室。样品自然风干后粉碎研磨，过100目尼龙筛备用。沉积物TOC、TN、TP分别采用重铬酸钾容量法、半微量凯氏法和SMT法测定［8］。

图1 清林径水库沉积物采样点分布图

2.3 污染评价方法 针对沉积物中营养盐污染状况，我国尚无统一的评价标准。目前常用的评价方法主要包括有机指数法（包括有机氮）、污染指数法、富集系数法等。其中采用最多的是有机指数法［9］。本文结合加拿大安大略省环境和能源部制定的沉积物环境质量评价指南以及有机指数（IO）和有机氮（WON）来评价清林径水库沉积物有机质和营养盐污染程度。具体计算方法为［9］：

式中WTOC和WTN分别为TOC和TN的质量分数，用百分比表示。具体评价标准如表1所示，其中等级Ⅰ表示清洁，等级Ⅱ表示较清洁，等级Ⅲ表示尚清洁，等级Ⅳ表示受到有机污染或有机氮污染。

表1 沉积物有机指数和有机氮评价标准

3 结果与分析

3.1 TOC含量及其空间分布 研究区内黄龙湖库区表层沉积物TOC含量的变化范围为5920～14 000 mg/kg，平均值为11 430 mg/kg；清林径库区表层沉积物TOC含量的变化范围为4330～23 500 mg/kg，平均值为11 190 mg/kg（图2）。从空间分布来看，黄龙湖库区仅最上游采样点S24有机碳含量相对较低（5920 mg/kg），其他3个采样点TOC含量均较高（12 500～14 000 mg/kg）。清林径库区TOC含量最高的区域位于上游东部料场附近（采样点S13～S15，TOC含量为16 100～23 500 mg/kg），有机碳含量较低的区域位于库区最上游（S17和S19，TOC含量分别为4740 mg/kg和4330 mg/kg）和最下游（S1，TOC含量为5920 mg/kg）。此外，位于库区左右岸的采样点，其TOC含量（平均值为9840 mg/kg）明显低于库区中心线附近的采样点（平均值为14337 mg/kg）。总体来看，黄龙湖库区上游表层沉积物TOC含量相对较低，清林径库区则表现为近岸采样点TOC含量相对较低。清林径水库位于深圳市龙岗河流域，土壤类型主要为赤红壤，表层有机质含量约为2.38 mg/kg［10］，远低于水库表层沉积物TOC含量；且近岸区域TOC浓度明显低于库区中心区域，推测水库周边水土流失并非沉积物中有机碳的主要来源。

图2 沉积物TOC、TN、TP含量及分布

3.2 TN含量及其空间分布 黄龙湖库区表层沉积物TN含量的变化范围为1180～2480 mg/kg，平均值为1818 mg/kg；清林径库区表层沉积物TN含量的变化范围为783～3080 mg/kg，平均值为1611 mg/kg。从空间分布上看，黄龙湖库区上、下游采样点TN含量（1470 mg/kg）低于中游采样点（2165 mg/kg）。清林径库区表层沉积物TN含量相对较高的采样点（S11、S13—S14、S18，含量为2560～3080 mg/kg）多位于库区中上游右岸一侧的区域，TN含量较低的采样点（S3、S8、S19—S20，含量为783～965 mg/kg）多位于库区左岸一侧。通过相关性分析，清林径水库沉积物中TN含量与TOC极显著正相关（r=0.63，P＜0.01），说明沉积物中TN大部分是以有机氮的形式存在的［11］，这与山美水库［9］等地的调查结果相一致。

3.3 TP含量及其空间分布 黄龙湖库区表层沉积物TP含量的变化范围为144～407 mg/kg，平均值为301 mg/kg；清林径库区表层沉积物TP含量的变化范围为29～532 mg/kg，平均值为218 mg/kg。从空间分布来看，黄龙湖库区上游TP含量最低（144 mg/kg），其他3个采样点TP含量相对较高（315～407 mg/kg），其空间分布特征与TOC相一致。清林径库区表层沉积物TP含量较高的采样点多位于库区上游（S13—S14、S18，TP含量为363～532 mg/kg），此外下游采样点S4总磷含量也相对较高（368 mg/kg）；TP含量相对较低的采样点分散在库区中下游左右岸区域（S1、S6—S7、S10，TP含量为29～100 mg/kg）。通过相关性分析，TP含量与TOC之间无显著性相关关系；与TN显著正相关（r=0.46，P＜0.05）。说明沉积物中磷和氮有一定的同源性，但磷可能主要以无机磷的形态存在［12］。

3.4 与国内水源地水库的比较 表2列了我国部分湖泊水库表层沉积物TOC、TN和TP的含量。与地理位置较为接近的水库相比，清林径水库表层沉积物TOC含量略高于长湖水库，但明显低于山美水库；TN含量分别比长湖水库高37.08%，比山美水库高39.41%；TP含量则明显低于这两个水库。与其他重要的饮用水水源地相比，清林径库区表层沉积物TOC含量仅高于三峡库区，明显低于密云水库、太湖、长寿湖和金盆水库；TN和TP含量也低于这些饮用水水源地，仅TN含量比金盆水库高45.32%。由此可见，与国内部分饮用水水源地相比，清林径水库表层沉积物TOC和TP均处于较低水平，但TN含量与部分水库相比偏高。

表2 清林径水库表层沉积物TOC、TN、TP含量与其他湖库的比较

3.5 来源解析 沉积物TOC/TN比值是指示有机污染来源的重要指标。水生生物由于含有较高的蛋白质和脂类，通常TOC/TN比值较低，例如细菌等微生物的TOC/TN比值为2～4［12］，浮游动植物为5～14［18］。而挺水植物和陆生维管束植物富含纤维素和木质素，其TOC/TN比值通常大于20［19］。总体来看，TOC/TN比值较低表示有机质主要来源于水体中的水生生物，TOC/TN比值较高则表示主要来源于陆地植被。

研究区表层沉积物TOC/TN比值的变化范围为2.69～15.20，平均值为7.19。约88%的采样点TOC/TN比值小于10（图3），表明水体中水生生物是沉积物中有机污染的主要来源。仅采样点S3和S21的TOC/TN比值大于14，表示这两个采样点可能有陆源有机质输入，但仍以水生生物有机质为主。这两个采样点均位于清林径水库扩建工程中的两个料场附近，在料场开采过程中可能有部分被破坏的陆生植被进入库区，导致附近区域沉积物TOC/TN比值偏高。

图3 沉积物TOC/TN比值的分布

3.6 污染状况评价 由于清林径水库表层沉积物TP含量（232m g/kg）远低于加拿大安大略省环境和能源部制定的沉积物环境质量评价指南中产生生态毒性效应的阈值（600 mg/kg［20］），以及1960年太湖沉积物中TP的平均值（440 mg/kg［21］），可以认为清林径水库表层沉积物中TP污染程度较低，不会引起生态毒性效应。因此本文仅针对沉积物有机质及氮污染水平进行评价。

研究区表层沉积物有机指数IO的变化范围为0.03～0.44，平均值为0.19，总体处于较清洁水平。其中采样点S19和S20为清洁；S1—S4、S8、S10、S12、S16、S17、S21、S24等11个采样点为较清洁，占采样点总数的46%；S5—S7、S9、S11、S13—S15、S18、S22、S23等11个采样点为尚清洁，占采样点总数的46%；其空间分布如图4所示。清林径水库表层沉积物有机氮指数WON的变化范围为0.07～0.29，平均值为0.16，达到Ⅳ级，整体处于有机氮污染状态。其中S1、S3、S4、S8、S10、S17、S19—S21等9个采样点为Ⅲ级，处于尚清洁状态，占采样点总数的38%；其它15个采样点为Ⅳ级，处于有机氮污染状态，占采样点总数的62%。

图4 沉积物有机指数和有机氮评价结果

根据加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量评价指南，沉积物TOC或TN含量超过10 g/kg或550 mg/kg时，表示沉积物已经受到污染，但大多数底栖生物仍能承受。根据本次调查，所有采样点表层沉积物均受到氮污染；24个采样点中有12个采样点受到有机质污染，占采样点总数的50%；与有机指数及有机氮评价结果相吻合。

4 结论

清林径水库沉积物TOC变化范围为4330～23 500 mg/kg，平均值为11 230 mg/kg；TN的变化范围为783～3080 mg/kg，平均值为1645 mg/kg；TP的变化范围为29～532 mg/kg，平均值为232 mg/kg。在空间分布上，清林径水库最上游（S19—S20，TOC含量为4330～5340 mg/kg，TN为830～953 mg/kg，TP为106～218 mg/kg）和下游（S1—S4，TOC含量为5770～11 900 mg/kg，TN为783～1580 mg/kg，TP为29～368 mg/kg）沉积物中污染物含量相对较低，上游区域（S13—S16，TOC含量为13 800～23 500 mg/kg，TN为1550～2620 mg/kg，TP为231～532 mg/kg）污染物含量相对较高。

清林径水库沉积物中TN含量与TOC极显著正相关，说明沉积物中氮元素多以有机形式存在；且TN与TP含量显著正相关，说明沉积物中有机质及氮、磷在来源上有一定的同源性。沉积物TOC/TN比值的变化范围为2.69～15.20，平均值为7.19，说明水库沉积物中有机质主要源于水库中的水生生物。

与国内国部分水源地湖库相比，清林径水库表层沉积物TOC和TP含量均处于较低水平，但TN含量相对较高。根据污染状况评价结果，沉积物中有机质整体处于较清洁状态（IO平均值为0.19，Ⅱ级），但清林径库区中上游以及黄龙湖库区中游为尚清洁状态（IO变化范围为0.22～0.44，Ⅲ级）；沉积物中TN含量较高，整体处于有机氮污染状态（WON平均值为0.16，Ⅳ级）。扩建后的清林径水库作为深圳市重要的水源地，沉积物有机质及氮污染问题在后续水质保障工作中须引起高度重视。