中国西南某城市水库沉积物空间分布特征研究

摘 要：选取中国西南地区某城市水库为研究对象，按照网格法补点采集库区沉积物，通过试验测定沉积物样品中总磷、总氮、铁、锰、总硫的质量分数，结合水库沉积物的平均深度和水域面积，求得水库总磷蓄积量约为689 t，总氮蓄积量约为2 301 t，铁蓄积量约为46 930 t，锰蓄积量约为2 054 t，总硫蓄积量约为1 729 t。根据数据分析全面掌握该水库沉积物的空间分布特征，为确定该水库污染范围、污染程度及制订最佳底泥治理方案提供科学依据。

关键词：水库；沉积物；空间分布；污染

中图分类号：X524 文献标志码：B 文章编号：1674-7909-（2023）13-134-3

0 引言

沉积物是水生生态系统的重要组成部分，也是衡量水环境质量的重要指标［1-3］。近年来，水环境污染问题日益突出，尤其重金属污染导致的水质下降，已引起人们的高度重视［4-6］。重金属具有高毒性、难降解、易富集等特征，会通过食物链进入人体，对人体健康造成严重威胁。重金属污染问题已受到国内外学者的广泛关注，国内外关于沉积物中重金属的研究主要集中在重金属分布特征方面［7］。当水体中的污染物超过水体自净能力时，污染物会沉积在底泥中，湖底沉积物中的液态营养物质会释放到上覆水体中，营养物质在动力作用下悬浮造成内源污染［8-10］。作为主要的供水水源之一，水库的污染问题受到了政府的高度重视和环保人士的广泛关注。湖泊沉积物-水体界面是湖泊沉积污染物向上层水体扩散的主要通道［11-12］，因此沉积物中污染物的质量分数和空间分布特征对湖泊内源污染物的释放有着至关重要的影响。笔者研究的水库位于我国西南重要城市，是一座典型的人工河道型深水水库，同时是该城市主要饮用水源地，承担着维持城市生产生活用水的重要作用。近年来，随着水库水域周边工业生产活动和城镇居民数量的日益增长，大量的工业、生活污水不断进入库区，导致该水库水质不断恶化，对区域供水和生态环境造成了严重影响。

1 样本采集和分析方法

1.1 样本采集

2022年春季，通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在该库底淤泥较厚区域按网格法布设监测点264个（密度为100～150个/km2），该水域沉积物厚度分布如图1所示。根据沉积物的实际淤积厚度，采集的沉积柱岩芯长度分别为0～5 cm和5～30 cm。将获得的样品等分并带回实验室，测定其总磷、总氮、铁、锰、总硫质量分数，揭示水库沉积物中总磷、总氮、铁、锰、总硫的水平和垂直分布特征。

1.2 样品分析方法

水库沉积物主要是淤泥。对于采集到的沉积物样品，过滤出孔隙水后经真空冷冻干燥机（Techconp FD-3-85-MP）冷冻干燥，而后再用玛瑙研钵研磨至物料粒度在0.125 mm以下，装入密封袋中备用。

1.2.1 沉积物中总磷质量分数的测定

称取500 mg样品，在500 ℃下灰化2 h，然后用25 mL的1 mol/L盐酸溶液浸提16 h，浸提液经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后，用钼锑反分光光度法测定总磷质量分数。

1.2.2 沉积物中总氮和总硫质量分数的测定

称取约5 mg样品，用有机元素分析仪（Vario Macro Cube）测定沉积物中的总氮和总硫的质量分数。该仪器的燃烧温度为975 ℃，总氮和总硫的分析范围为0.001～6.000 mg，分析误差小于5%。

1.2.3 沉积物中铁和锰质量分数的测定

称取约50 mg样品，置于特氟龙试管中，加入0.8 mL氢氟酸和1 mL硝酸并密封，在烘箱中加热（180～190 ℃）24～30 h，冷却后放在热板上蒸发（140 ℃），然后加入少量硝酸（<1 mL），蒸发干透后再加入2 mL硝酸和3 mL去离子水，在密封烘箱中加热（140 ℃）4～5 h，冷却后定容至100 mL，对定容后的样品用等离子发射光谱仪进行分析。

2 沉积物的累积和分布情况

2.1 沉积物中总磷的空间分布特征

水库底泥中总磷的平均质量分数为1.04%，但在不同深度（0～30 cm、30 cm以下）底泥中，其质量分数差异明显。在水库采集的全部底泥样品中，总磷质量分数最低值为4.4%，最高值达13.32%。

水库0～30 cm底泥中总磷平均质量分数为1.07%；其中，总磷质量分数超过2.00%的区域位于沙河上游，沙河中游底泥总磷质量分数在1.50%～2.00%。在白岩河河口、蔡冲河及湖区中部0～30 cm底泥总磷质量分数为1.00%～1.50%；在其他湖区，0～30 cm底泥总磷质量分数基本低于1.00%。

水库30 cm以下底泥中总磷质量分数较高，约为4.76%。游鱼河上游及白岩河上游的局部湖区30 cm以下底泥总磷质量分数超过6.00%，沙河河口、白岩河河口及烂泥沟河河口30 cm以下底泥总磷质量分数在3.00%～4.00%，其他绝大部分湖区30 cm以下底泥总磷质量分数均低于3%或底泥淤积不足30 cm。

2.2 沉积物中总氮的空间分布特征

水库底泥中总氮的平均质量分数为0.35%，在不同湖区及不同层位底泥中存在明显差异。在水库采集的全部底泥样品中，总氮质量分数最低值为0.19%，最高值为0.69%。

水库0～30 cm底泥总氮质量分数为0.35%，其高值区分布相对分散。0～30 cm底泥总氮质量分数超过0.40%的区域主要位于烂泥沟河上游、烂泥沟河河口、沙河上游及沙河中游等地。在管理处附近湖区、白岩河、沙河上游、烂泥沟河下游及管理处南侧湖湾湖区，0～30 cm底泥总氮质量分数在0.30%～0.40%；在其他湖区，0～30 cm底泥总氮质量分数基本低于0.30%。

水库30 cm以下底泥总氮平均质量分数为0.35%。30 cm以下底泥总氮质量分数超过0.40%的区域主要位于沙河中上游、白岩河局部及管理处南侧湖湾等地。在管理处附近湖区、白岩河下游、烂泥沟河河口湖区，30 cm以下底泥总氮质量分数在0.30%～0.40%；其他湖区30 cm以下底泥总氮质量分数均低于0.30%，或底泥淤积不足30 cm。

2.3 沉积物中铁的空间分布特征

水库底泥中铁的平均质量分数为7.14%，不同湖区底泥铁质量分数差异明显，而且在不同层位上亦表现出明显差异。在水库采集的全部底泥样品中，铁质量分数最低值为2.15%，最高值为19.75%。

水库0～30 cm底泥铁平均质量分数为7.14%，其高值区分布较为集中。0～30 cm底泥铁质量分数超过7.50%的区域位于白岩河、游鱼河、蔡冲河河区及湖体中部，其中游鱼河上游铁质量分数超过10.00%。沙河、烂泥沟河河口湖区中部0～30 cm底泥铁质量分数在5.00%～7.50%，沙河、烂泥沟河湖区0～30 cm底泥铁质量分数基本低于5.00%。

水库30 cm以下层位底泥铁平均质量分数为7.25%。全湖底泥铁质量分数分布具有较为明显的规律，即中部低、四周高。游鱼河上游30 cm以下底泥铁质量分数超过10.00%，白岩河上游30 cm以下底泥铁质量分数在7.50%～10.00%，湖区中部管理处附近30 cm以下底泥铁质量分数在5.00%～7.50%，其他湖区30 cm以下底泥铁质量分数均低于5.00%或底泥淤积不足30 cm。

2.4 沉积物中锰的空间分布特征

水库底泥中锰的平均质量分数为0.31%，在不同湖区及不同层位底泥中存在明显差异。在水库采集的全部底泥样品中，锰的质量分数最低值为0.07%，最高值为3.24%。

水库0～30 cm底泥中锰的平均质量分数为0.43%，其分布呈现中部高、四周低的规律。0～30 cm底泥中锰质量分数超过0.75%的区域位于湖区主体部分，其中白岩河河口及湖区中部锰质量分数超过1.00%。白岩河、游鱼河、烂泥沟河及沙河湖区0～30 cm底泥锰质量分数均低于0.50%。

水库30 cm以下层位底泥中锰平均质量分数明显降低，为0.20%。除白岩河河口湖区30 cm以下底泥锰质量分数为0.25%～0.50%，其他湖区30 cm以下底泥锰质量分数均低于0.25%或底泥淤积不足30 cm。

2.5 沉积物中总硫的空间分布特征

水库底泥总硫平均质量分数为0.26%，在不同湖区及不同层位底泥中存在明显差异。在水库采集的全部底泥样品中，总硫质量分数最低值为0.03%，最高值为1.50%。

水库0～30 cm底泥中总硫的平均质量分数为0.26%，其高值区分布较为集中。0～30 cm底泥总硫质量分数超过0.25%的区域主要位于游鱼河上游、烂泥沟河河口、白岩河河口及湖体中部湖区，其中游鱼河上游及白岩河河口局部湖区总硫质量分数超过0.50%。其他大部分湖区0～30 cm底泥总硫质量分数基本上低于0.25%。

水库30 cm以下层位底泥中总硫平均质量分数为0.24%，其高值区位于游鱼河上游，其局部总硫质量分数超过0.75%。其他绝大部分湖区30 cm以下底泥总硫质量分数均低于0.25%或底泥淤积不足30 cm。

沉积物-水体界面处强烈的生物地球化学循环，可能导致微量（重）金属和硫酸根的释放和扩散，污染物的再迁移可能诱发二次污染，导致饮用水源的水质恶化。

水库沉积物样品中的总磷、总氮、铁、锰和总硫平均质量分数见表1。

3 分析与结论

该水库泥沙淤积厚度为8～76 cm，平均淤积厚度为39 cm，根据湖泊面积计算可得淤泥体积为1.3×106 m3。根据不同沉积物质量分数与各泥沙样品干质量的加权和，求得水库单位体积淤泥的总磷、总氮、铁、锰、总硫质量浓度分别为0.53、1.77、36.10、1.58、1.33 mg/cm3。结合湖泊面积和水库最底层淤泥的平均厚度，求得水库总磷蓄积量约为689 t，总氮蓄积量约为2 301 t，铁蓄积量约为46 930 t，锰蓄积量约为2 054 t，总硫蓄积量约为1 729 t。

由上述研究可知，水库沉积物的污染物负荷较为严重。整个沉积柱岩芯中总磷、总氮、总硫、铁和锰的质量分数分别为0.07%～0.11%、0.28%～0.54%、0.86%～1.72%、3.05%～11.02%和0.24%～1.59%，其中总磷、总氮、总硫呈“表高底低”的分布趋势，铁、锰呈“表低底高”的分布特征。

该水库沉积物中的总氮、铁和锰的平均质量浓度分别高达47.10 、1.12 mg/L和2.83 mg/L，尤其是表层沉积物中的总氮、铁和锰的平均质量浓度更高。铁、锰质量浓度高，加之水库水深较大，库底滞洪区水体长期处于缺氧、厌氧状态，易使氮、磷污染物通过沉积物-水体界面扩散（内源释放），表现为高释放风。因此，针对该水库的沉积物治理迫在眉睫。

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