山美水库总有机碳时空分布特征与影响因素分析

2022-07-12董冬吟

环保科技 2022年3期

董冬吟

(福建省泉州环境监测中心站，福建泉州 362000)

总有机碳(TOC)是用来表示水体中有机质总量的综合指标。由于其测定采用的是燃烧法，能将有机物全部氧化，比五日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)更能直接表示有机物的总量，因此常被用来评价水体中有机物污染的程度。

近年来，对水体、沉积物中TOC的分布特征及其影响因素的研究引起了越来越多的关注[1-4]。俞佳等[5]以几种典型地面水体为研究对象，发现市政绿化冲洗水、田间沟渠漫溢水、降雨对TOC有明显的稀释作用；张志强等[6]分析了中国最大城中湖-东湖的TOC的来源及与总磷(TP)、总氮(TN)等因子的相关性；胡利芳等[7]对深圳湾海水中COD与TOC平面、季节分布特征进行研究，调查表明深圳湾COD与TOC之间有着良好的相关性，相关系数大于0.9；高进长等[8]研究了长寿湖水库沉积物有机碳的垂直变化特征，结果发现沉积物中TOC含量与人类活动有关，特别是水面上肥水网箱养鱼使得TOC浓度不断上升。目前，对水体中TOC指标的研究主要集中在湖泊、海湾、海洋等，对于深水水库则鲜有报道。本文以泉州市山美水库为研究对象，采用燃烧氧化-非分散红外吸收法测定水体中TOC含量，同时测定其他环境因子，通过分析山美水库的总有机碳时空分布及浓度水平，初步探讨了TOC的分布规律及影响因素，为山美水库治理和水质安全保护提供依据。

1 研究方法

1.1 水库概况

山美水库位于福建省泉州南安市，地处晋江东溪中游，于1972 年建成投入运行。水库的主要来水有三处，即上游的桃溪和湖洋溪以及德化县大樟溪龙门滩水库跨流域调水，属于典型的亚热带山区深水水库。水库库容为4.72亿m3，集雨面积1 023 km2，正常蓄水位96.5 m，年均出库水量约为8.97亿m3，水深15.3～46.6 m，年均气温17.0℃～20.0℃，主要植被类型为次生常绿阔叶林，主要土壤是红壤和赤红壤。山美水库是晋江流域目前唯一的一座大型水库，担负着晋江下游8个县、市、区600万人口的生活和生产用水，同时也是向台湾金门供水的水源地。

随着经济的发展，上游工业、生活废水的不合理排放以及农田面源污染的加剧，山美水库的水质有一定程度的下降[9]。2013年，山美水库被生态环境部列入国家良好湖泊生态环境保护计划，开始实施包括工业污染源整治、生活污水处理及管网建设、生活垃圾收集及转运系统、农村面源污染综合整治和流域生态保育等生态保护项目。

1.2 样品的采集与分析

根据山美水库库区的形态特征，2014—2016年每年11月(枯水期)进行监测，在水库的入库区(E 118.403°，N 25.2082°)、库心(E 118.4147°，N 25.1817°)和出库区(E 118.4115°，N 25.1652°)3个区域分别布设表层、中层、下层具有代表性的9个监测点位(见图1)。

图1 监测点位示意图

测定TC、TOC 时先用0.45 μm 滤膜对水样进行过滤，去除其中较大的颗粒物后，使用总有机碳分析仪( Shimadzu TOC-VCPH) 进行分析，分析方法采用燃烧氧化-非分散红外吸收法。其他环境因子包括水温、溶解氧(DO)、叶绿素a、CODMn、BOD5、TP和TN。其中水温、DO由便携式水质分析仪现场测定。TP的测定采用钼酸铵分光光度法，叶绿素a的测定采用丙酮分光光度法，TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，BOD5的测定采用稀释接种法，CODMn的测定采用酸性高锰酸钾法。

2 结果与分析

TOC作为水体中有机物含量的参数之一，欧洲经委会国家和中国台湾地区对TOC也有相应的规定[5]。虽然《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2022)增加了许多有机污染物的项目，但仅将TOC作为反映生活饮用水水质的参考指标，其参考限值为5 mg/L。山美水库作为湖库型饮用水源地，TOC含量在1.23～2.56 mg/L之间，符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2022)参考指标的限值要求。

2.1 2014—2016年山美水库TC和TOC的分布

(1)研究期间，山美水库的TC含量为9.60～5.14 mg/L，TOC含量为1.23～2.56 mg/L。2014年TC年均浓度为9.04 mg/L，TOC年均浓度为2.05 mg/L；到2015年、2016年，TC和TOC年均浓度分别较前一年下降了12.2%、28.1%和6.3%、23.6%。TC和TOC浓度呈逐年下降的趋势，可能与山美水库实施推进流域污染防治和生态保育等生态环境保护项目，从而减少水库外源性有机物输入有关(见图2-图4)。

图2 2014年11月山美水库TC和TOC含量

图3 2015年11月山美水库TC和TOC含量

图4 2016年11月山美水库TC和TOC含量

(2)在纵向分布上，TOC的浓度：入库区>库心>出库区，这和TC的情况类似，特别是在2014年、2015年规律较为明显，说明上游来水和沿途排放的有机物进入水库后，在稀释扩散的作用影响下, 浓度不断降低。但2016年，TOC纵向分布特征并不显著(见图5-图6)。入库区、库心和出库区TOC平均浓度分别为1.44 mg/L、1.48 mg/L和1.49 mg/L，这可能与当年10月份“莎莉嘉”和“海马”双台风有关，台风登陆带来充沛的雨量，使得入库区水流剧增，水动力交换增强所致[10]。

图5 山美水库TOC浓度趋势图

图6 山美水库TC浓度趋势图

(3)TOC浓度在垂向分布上，入库区：下层>上层>中层；库心：上层>中层>下层；出库区：上层>下层>中层(见图7)。TOC在不同库区垂向分布特征不明显：入库区下层浓度最高，库心和出库区上层浓度最高，这与万峰湖的研究结论稍有不同[11]。入库区下层TOC浓度最高，可能是水库入库区沉积物对TOC影响所致[12-13]。

图7 山美水库TOC垂向浓度分布图

2.2 影响总有机碳分布的主要因素

利用SPSS软件，对TOC和其他环境因子进行Perason相关性分析，结果见表1。山美水库TOC浓度与BOD5、CODMn呈现极显著正相关关系；与TN、水温呈现出基本一致的正相关关系，但未达显著水平；与DO、TP和叶绿素a呈现出负相关关系，但相关性不显著。

表1 山美水库TOC与环境因子的相关系数

TN、温度、DO等环境因子可以通过影响水生动植物从而对TOC的浓度分布产生影响[6,14]。TOC与BOD5、CODMn极显著正相关，这与多数研究的结论一致[7,15]。山美水库TN的浓度在1.72～2.14 mg/L之间，TOC与TN正相关，说明该浓度水平的TN可能是影响这一时期浮游动植物生长的重要因素。较高的温度使生物体内酶的活性增强，在适合的C/N比条件下，藻类和微生物大量繁殖[6]。11月份，水库水温在23～25℃左右，主要浮游动植物的活性下降，生产能力降低，TOC浓度随之变小，随着温度上升，TOC浓度也会随之升高，因此TOC与温度呈负相关关系。DO是水体中存在的分子态氧，其浓度较高时生物新陈代谢旺盛，有机物消耗增多，TOC含量降低[6]；反之，有机物在缺氧条件下分解，出现腐败发酵现象，TOC浓度上升,与DO呈负相关关系。山美水库沉积物中磷的主要赋存形态为较易释放且可被生物利用的磷[16]，但可能磷对促进藻类生长的作用有限，因此对TOC的影响比较微弱[6]。叶绿素a是表征水域初级生产力的一个重要指标，在一定程度上反映了水域初级生产者通过光合作用生产有机碳的能力[13]，但可能水中的TOC受叶绿素a的影响需要一定时间[17]，因此并未出现像大亚湾那样显著正相关关系[18]。