新疆北部典型水库沉积物污染状况分析

刘晓茹，朱国建，张盼伟，赵晓辉，马立平，赵正清，倪 洁

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

沉积物作为水库水环境的重要组成部分，其组成成分及性质对水库水质起关键作用，是水环境中污染物的源或汇。沉积物淤积到一定程度时，不仅会影响水库功能的正常运作，对水库水环境也将产生巨大影响。对水库沉积物的综合分析，是了解水库水质状况，解决未来水库清淤沉积物处理的基础工作。

多年来重金属污染物及碳、氮、磷等营养物不断积累于水库水环境的沉积物中，在适当条件下沉积物中积累的营养盐和污染物会重新释放，成为影响和制约水体水质的主要二次污染源，成为水质的内源污染因素，影响水体的环境质量[1]。

本文研究新疆北部寒旱区某典型水库的沉积物污染状况，监测了沉积物碳、氮、磷营养化相关指标及金属元素，为全面了解水库水环境污染状况提供科学依据。

1 水库概况

该水库位于新疆北部地区，南邻高山区，北邻戈壁带，具有典型的大陆寒旱气候特征[2]。地势走向为南高北低、东高西低，是四面筑坝而成的平原水库，库坝区内的地表平坦，表层0～3.0m深度内，以轻粉质壤土为主，局部夹粉细砂透镜体，库盘主要为连续分布的中粉质壤土夹重粉质壤土，厚度稳定，构成了库区良好的天然防渗铺盖。

水库自2005年10月开始蓄水，总库容2.81亿m3，水面面积为24km2，工程规模属大(2)型Ⅱ等工程。水库至今已运行16年时间，是流域尾部调节水库，水库沉积物是上游相关流域物质的汇，积累了包括碳、氮、磷和金属等相关污染物[3]。水库面临水环境潜在问题如下：

(1)水库周边建有工业园区及大小企业近百家，工业生产对水库水环境质量存在潜在影响。

(2)水库停水期，鱼的密度较大，造成鱼类死亡，鱼残体及排泄物等腐败物导致水库营养状态加重。

(3)水库来水期淹没了南岸大量的芦苇、红柳，发酵腐败后造成库区南面沉积物碳氮磷等营养物质增加。

水库是饮用水地表水源一级保护区，除了为周边工农业供水外，还承担着重要城市供水。为进一步了解水库水环境状况，探明污染物的主要来源，开展了水库沉积物污染状况研究，为保障水库的供水安全奠定基础。

2 水库沉积物特征污染物空间分布

2.1 采样监测

2021年4月，在水库出口、入口、中心区、东西近坝区共布设5个采样点位，采样点名称为：库区北面1、库区西面2、库区中心3、库区东面4、库区南面5，如图1所示。使用彼得逊抓斗式采泥器采集表层沉积物，每个采样点采集2份样品，每份约500g，沉积物样品转入聚乙烯样品袋密封。

图1 水库沉积物采样点位示意图

监测参数包括含水率、总磷、总氮、总有机碳、砷、镉、铬、铜、镍、铅、锌和锰共12项指标。

2.2 总磷

水库各个采样点表层沉积物中总磷含量数据见表1。

表1 水库沉积物磷含量 单位：mg/kg

库区表层沉积物中总磷含量为513～635mg/kg，均值为570mg/kg，偏差为48mg/kg，最大值位于水库进水口的库区南面5采样点，为635mg/kg，最小值位于库区出水口的库区北面1，为513mg/kg，总体来说，库区沉积物总磷含量波动不大。与国内部分湖泊或流域沉积物总磷含量对比[4- 17]，见表2，本水库沉积物中总磷总体处于中等偏下污染水平。

2.3 总氮

水库各采样点总氮含量见表3，其中最大值位于进水口库区南面5采样点，为1359mg/kg，最小值位于库区中心2采样点，为462mg/kg，5个点均值为811mg/kg，偏差为406，各采样点总氮含量差别较大。与国内部分湖泊或流域沉积物总氮含量对比[4- 13，18]，见表4，本水库沉积物中总氮含量总体处于中等偏下污染水平。

表2 我国一些重要湖泊或流域沉积物总磷含量对比 单位：mg/kg

表3 水库沉积物总氮含量

2.4 总有机碳

本水库沉积物的总有机碳TOC含量见表5，其中最大值位于进水口库区南面5，为5310mg/kg，最小值位于库区中心3，为2950mg/kg，5个点均值为4278mg/kg，偏差为1067，各采样点总有机碳含量差异较大。

综上所述，沉积物总氮、总磷和总有机碳在库区的分布趋势一致，在水库西面及南面较高，库中心及北面较低，如图2所示。主要有3方面原因：

表4 我国一些重要湖泊或流域沉积物总氮含量对比 单位：mg/kg

表5 水库沉积物总有机碳含量 单位：mg/kg

(1)根据水库上下游水体流速看，水体流速较慢，上游水中悬浮颗粒物及动植物残体不断沉积，在水库南面的进水口沉积物吸附营养物含量普遍较高，至中下游时，悬浮颗粒物及动植物残体减少，沉积物吸附的含量有所降低，输入到库中心和北面库出口沉积物中的营养物减少；

(2)由于上一年停水期水位低时库区南岸生长了大量的芦苇、红柳，待次年上游来水水库水位变化较大，水位上升后大量芦苇、红柳死亡，经发酵腐败，造成库区南面沉积物总氮、总磷和总有机碳等营养物质增加；

(3)水库西面地势较低，推断腐败的动植物残体汇集沉积至此，对沉积物含量有一定影响，有待进一步调查研究。

2.5 重金属

水库沉积物金属元素数据汇总统计见表6。

表6 水库沉积物重金属数据汇总统计表 单位：mg/kg

本水库与我国其他湖泊湿地沉积物中金属元素的浓度对比见表7[19- 26]，与地壳中金属含量比较，只有镉含量是地壳的2.43倍，其他元素含量是地壳的1.03～1.49倍，略高于地壳中金属含量。

金属元素在几大湖泊湿地中的含量大小顺序分别为铬：太湖>鄱阳湖>滇池>红枫湖>洞庭湖>白洋淀>本水库；镍：太湖>巢湖>本水库>白洋淀；铜：滇池>鄱阳湖>红枫湖>洞庭湖>太湖>本水库>白洋淀>巢湖>；锌：滇池>巢湖>鄱阳湖>太湖>本水库>白洋淀；镉：滇池>洞庭湖>太湖>鄱阳湖>红枫湖>巢湖>白洋淀>本水库；铅：滇池>洞庭湖>鄱阳湖>巢湖>太湖>红枫湖>白洋淀>本水库。本水库处于中等偏下水平。

图2 沉积物富营养化因子区域分布图

表7 我国其他湖泊湿地沉积物与本水库沉积物含量对比表 单位：mg/kg

金属元素在水库的空间分布如图3所示，沉积物中金属元素总体在库区西面含量均较高。推断水库西面地势较低，带有金属元素的泥沙等物质汇集沉积至此，难以随水流动扩散，造成沉积物金属含量较高，有待进一步调查研究[27]。

3 水库沉积物污染状况分析评价

对沉积物中有机质来源的分析采用碳氮比值法。对沉积物中营养盐状况的评价，目前我国还缺少统一的评价方法[28]，常用的方法有富集系数法、有机指数法、污染指数法等。其中采用最多的是有机指数法，但是有机指数法缺乏对磷的评价，因此本文采用有机指数法评价水库氮的污染状况，采用污染指数法评价水库磷的污染状况。

3.1 沉积物碳氮比分析评价

沉积物碳氮比为TOC/TN的比值，记为C/N比。根据Meyers等研究表明，细菌的C/N比为2.6～4.3；水生动物植物(尸体、粪便等)的C/N比为7.7～10.1，而陆生动植物的C/N比大于20[29]。

水库各采样点C/N比值分布图如图4所示。水库各采样点的C/N比值介于3.9～7.6之间，表明碳、氮、磷等营养物质均来自库区细菌及水生动植物的尸体或粪便，其受陆源动植有机物的输入影响较小，水库内源污染包括淹没区的植被沉入水底、鱼类残体及排泄物的腐败分解，即腐败分解的细菌及水生动植物的尸体粪便为主，水库沉积物C/N比内源污染分析结论一致。

图3 沉积物金属元素区域分布图

图4 水库各采样点沉积物C/N比

一般来说，C/N越低，表示有机质主要来自内源，包括水体中营养盐沉积、浮游生物排泄物和尸体的沉积等；C/N越高，则表示有机物主要来自外源性输入。本水库南面和西面沉积物C/N比值较低，说明有机质主要来自内源，该结论与碳、氮、磷的空间分布及内源分析一致。

3.2 水库沉积物污染状况评价

有机指数法评价标准见表8，而有机氮则是判断沉积物所受氮污染程度的重要指标，评价标准见表9，计算方法如下：

有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)

(1)

有机氮(%)=总氮(%)×95%

(2)

表8 沉积物有机指数评价标准

库区各采样点沉积物营养盐状况评价表见表10—11。

表9 沉积物有机氮评价标准

表10 水库沉积物有机污染指数

表11 水库沉积物有机氮评价结果表

采用污染指数法评价水库沉积物磷的污染状况。评价标准见表12，计算方法为：

PIi=Ci/Cis

(3)

式中，PIi—污染指数；Ci—沉积物中i污染因子的实测值；Cis—污染因子i在沉积物中的标准值。本研究参照国内湖泊沉积物评价的相关标准，总磷的Cis取440mg/kg。

表12 沉积物污染指数评价标准

表13 水库沉积物总磷污染指数

表10、表11中显示，水库各采样点沉积物有机指数与有机氮变化较大，分别为0.0130～0.0686、0.044～0.129之间，有机指数污染均处于清洁与较清洁状态，说明库区沉积物氮污染较轻，各采样点有机氮整体处于尚清洁或较清洁的状态。表13中显示，水库各采样点沉积物总磷污染指数变化范围为1.250～1.444之间，整体处于中度污染状态，库区沉积物总磷污染状况需要引起重视。

由于水库是典型的西北寒旱区水库，冬冷夏热，夏季整体温度较高，促进沉积物中微生物的矿化作用，从而使得部分有机质转化为无机磷，并且由于温度较高，水生生物更新较快，水生生物残体等有机物也会大量分解矿化，进一步增加水库沉积物中总磷的积累。

3.3 沉积物特征指标背景值比较

本水库与我国土壤背景值比较[30]，见表14。水库沉积物砷、镉、铜和锰的平均值偏高，分别是背景值的1.09、1.73、1.19、1.05倍，铬、镍、铅和锌平均值偏低。与乌鲁木齐市土壤背景值比较[31]，见表15，水库沉积物铬略高于乌鲁木齐市土壤背景值，是其1.08倍，其他指标均低于乌鲁木齐市土壤背景值。

表14 我国土壤背景值与本水库沉积物含量对比表 单位：mg/kg

表15 乌鲁木齐市土壤背景值与水库沉积物含量对照表 单位：mg/kg

4 结语

通过对水库沉积物碳、氮、磷及金属元素分析，表明总氮污染较轻，总磷处于中度污染状态。其主要来源为内源污染，包括细菌及水生动植物的尸体或粪便，水库鱼残体及植物的腐败分解使得内源污染加重。水库属于半封闭的水环境系统，水循环较慢，内源污染加剧会引起水质恶化等水安全隐患。

针对上述问题，水库对内源污染因素应引起重视并加强管理。对枯水期岸边植物及时调整处理，优化水库鱼类的结构比例，减少鱼和植物残体腐败分解对水库水环境带来的污染，促进沉水植物健康生长，保持良好的生态平衡，增强水库自净能力，促使水生态环境健康可持续发展。