万峰湖总有机碳空间分布特征

滕明德，迟 峰，高庚申

贵州省环境科学研究设计院，贵州 贵阳 550008

总有机碳(TOC)为水中的有机物质用碳量来表示，包括溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)，它是反映水体中有机物污染程度的重要指标［1-2］。水体中的有机碳是生物圈最大的活性有机碳库，约占全球活性有机碳库的六分之一，在生物、地质和化学过程发挥着主要作用［3］。另外TOC是衡量水体有机污染程度的一项综合指标，对有机污染起指示作用。TOC在水体中的多寡可以直接影响水质消毒处理的效果，并能产生许多副产物而降低水的卫生质量，对人体健康构成一定威胁［4］。水体中有机物浓度监测技术中，TOC测定方法比COD和BOD的测定更方便快捷和准确，而且能全面反映水体含碳有机物污染状况，因此对水体中TOC的研究越来越引起人们的重视［5］。深水湖库与浅水湖库在地质与水文上存在显著差异，各环境因子在水体中的分布以及对水生态环境产生的影响也不尽相同，国内外对于水体中TOC的研究主要集中在海、河与浅水湖泊，对于深水湖泊及人造水库则鲜有报道。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

万峰湖位于黔、滇、桂3省(区)结合部，属于典型的高原深水湖库，水体最深处超过170 m，主航道长约128 km，湖面面积达176 km2，库容量为102亿立方米，相当于2个云南大理洱海，17个贵州清镇红枫湖，76个杭州西湖，仅次于鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖，位居全国5大淡水湖之列。流域内有大小河流近200条，主要水源河流有南盘江干流上游段(云南境内的八大河，云南罗平县境内的多依河)，云、贵界河-黄泥河、贵州马岭河、广西清水河。

万峰湖库区由于生态环境保护、污染防治工作滞后以及湖中网箱养鱼盲目发展，湖水水质逐年恶化，水体富营养化程度日趋严重。造成万峰湖水质污染和富营养化的主要原因为流域化工厂和城镇污水的直接排放、大量网箱养鱼、库区农业面源污染［6］。

1.2 样品的采集与分析

1．2．1 样品采集与点位布设

于2012年9月对万峰湖及入湖河流进行了水样采集，采集分为入湖河流水样采集与湖内水样采集。基于万峰湖水域面积较为宽广，航道较为狭长，为比较全面地了解TOC在万峰湖的分布状况，分析TOC的来源，全湖布设24个垂线点位(航道上17个，主要的湖湾7个)，每个点位位于湖面中间位置，分别进行上、中、下分层采样，共72个样品。入湖河流清水河(R1)与喜旧溪河(R2)采集背景水样，在多依河入湖处(R4)与黄泥河入湖处(R3)采集表层水，在八大河入湖处(R5)与清水江入湖处(R6)进行左、中、右采样，各点采集1份上、中、下3层混合水样，水样使用深水采样器采集，采样点分布图见图1。

图1 万峰湖采样点示意图

1．2．2 分析指标与方法

入湖河流水样只分析TOC，湖内24个垂线所采水样分析指标包括水温、叶绿素a、TOC，其中水温现场测定，水样采集后与冰袋装于保温箱内带回实验室进行TOC、叶绿素a分析。采用总有机碳分析仪(Shimadzu TOC-VCPH)分析样品总碳浓度和无机碳浓度，通过差减法求出水样的TOC值，叶绿素a用分光光度法测定，具体分析方法见《水与废水监测分析方法》(第4版增补版)［7］。

2 结果与讨论

TOC是表示水体中自然有机物含量的参数，欧洲经委会国家(EC)将TOC作为饮用水的指示参数［8］，中华人民共和国建设部于1999年9月28日发布了《饮用净水水质标准》(CJ 94—1999)，规定TOC的检测标准不得超出4 mg/L。此标准是饮用净水的水质标准，适用于以自来水或符合生活饮用水水源水质标准的水源水，经深度净化后可直接供给用户饮用的管道供水和灌装水［9］。中国虽对饮用水标准增加了很多有机污染物的项目，并规定TOC不得超出4 mg/L，但未对饮用水水源作出规定。中国台湾地区的《台湾饮用水水源水质标准》规定，地面水体和地下水作为自来水及简易自来水饮用水水源，其中TOC含量最大值为4 mg/L(试行)［10］。万峰湖 TOC含量介于0．40 ～3．94 mg/L，仅 TOC 指标而言，小于上述2个标准规定的4 mg/L限值标准，优于红枫湖(12．17 mg/L)、百花湖(12．22 mg/L)、阿哈水库(4．5 mg/L)［10］。

2.1 河流及河流入湖口的TOC特征

万峰湖入湖河流及入湖口处的TOC含量见图2。

图2 万峰湖入湖河流及入湖口TOC含量

从图2可以看出，入湖河流清水河(R1)与喜旧溪河(R2)断面处的TOC均未超过1 mg/L，远低于河流入湖口处的TOC含量。R1、R2为流动的河流，流动水体不利于藻类等浮游植物的生长，加上河流沿岸没有污染源排放，是R1、R2处出现较低TOC的主要原因。

R3为R2下游的入湖口，其TOC含量值为3．94 mg/L，也是此次监测的峰值。R3、R4分别为黄泥河与多依河的入湖口，因此次为夏末采样，多依河在流入万峰湖前已完全用于沿岸农业灌溉，为此R4处成了万峰湖一个没有来水的湖湾。R3处为鲁布革电站，因电站进入储水期蓄水，黄泥河的来水只有很少部分进入万峰湖。因此R3、R4均成为无来水的湖湾。静止的水体利于浮游植物的生长，在采样时R3、R4处有不少水生植物，同时水面漂浮有大量生活垃圾，R3、R4处较高浓度的TOC可能与上述情况有关。R5、R6分别为八大河与清水江入湖口，R5l、R5m、R5r与 R6l、R6m、R6r分别指 R5、R6 断面处的左、中、右，其TOC值为上、中、下3层的混合水样的测量结果。R5、R6处较高浓度的TOC可能主要源于沿岸的生活污染。八大河与清水河入湖交汇处有2个乡镇分别位于2河左侧，其生活污水均未经过任何处理而直接排入湖体，与河中间点位相比，两岸较高的TOC浓度值可能缘于两岸的生活污染进入河流后需要一定的距离才能够充分混匀，而此次采样点可能处在两岸污染物向中间扩散混合的中间位置。

2.2 TOC在万峰湖的分布特征

TOC在万峰湖空间分布上的差异主要体现在垂向分布上，纵向上19#～24#点位的TOC略高于1#～18#，但差异不显著。万峰湖24个垂线点位的TOC含量见图3。

图3 万峰湖TOC垂向分布图

由图3可见，TOC主要分布在万峰湖的上层，总体上呈上层＞中层＞下层的趋势。其中上层水样中的TOC 浓度为1．70～3．64 mg/L，算数平均浓度为2．26 mg/L，均大于相对应点位的中层、下层。中层、下层水样的TOC浓度差异不明显，部分点位下层的TOC浓度高于相对应中层水样TOC值。

TOC受很多因素影响，包括光化学氧化和颗粒态有机物的共沉淀以及细菌的降解作用［11］。以往研究发现，在藻类水华暴发期以及水华过后，水体中TOC容易累积，浮游植物是产生TOC的主要来源［12］。叶绿素a是浮游植物进行光合作用的主要色素，同时也是表征水域初级生产者浮游植物生物量的一个重要指标，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］。浮游植物在生长期间会排泄出有机物质，据研究，这部分可占到光合作用产物的30% ～40%，而且光合作用产物中的很大一部分转化为TOC释放到水体中的过程是非常快的，几乎与光合作用同时进行［14-16］。这意味着浮游植物初级生产力高，产生的TOC也高。TOC在万峰湖上、中、下层含量上的明显差异可能与各层生物量多少有关。万峰湖为典型的高原深水湖库，在深水水库中，由于不同深度水层所接受的光照强度以及水体热力学状态的差异，会出现热分层，这些将影响水库浮游植物的垂直分布［17-18］。适当的水体温度能促进浮游植物的新陈代谢和生长，温度对水体的影响，表现在间接地影响表层水体浮游植物的悬浮，以及浮游植物垂直分布和演替［19］。万峰湖水体温度与叶绿素a监测结果分别见图4、图5。

图4 万峰湖水温纵向变化

图5 万峰湖叶绿素a纵向分布图

由图4、图5可以看出，万峰湖湖体水温与叶绿素a呈明显的分层现象，虽然叶绿素a含量与温度、TOC之间没有显著的正相关性，但与TOC的分布相同，均呈现出上层＞中层＞下层的现象，同时万峰湖水体能见度常年不超过3 m，浮游植物主要分布于上层［20］。因此，在深水水库中，不同深度水层因光照和温度差异所导致的生物量的多寡是致使万峰湖上层TOC浓度明显高于中层和下层的主要因素。

3 结论

1)万峰湖的TOC含量为0．40～3．94 mg/L，其含量未超过《饮用净水水质标准》规定的限值标准 4．0 mg/L。

2)万峰湖为高原深水水库，不同深度水层因光照和温度差异所导致生物量的多寡是致使万峰湖上层TOC浓度明显高于中层和下层的主要因素。

［1］Ni H G，Lu F H，Luo X L，et al．Riverine inputs of total organic carbon and suspended particulate matter from the Pearal River Delta to the coastal ocean off South China［J］．Marine Pollution Bulletin，2008，56(6)：1 150-1 157．

［2］奚旦立，孙裕生，刘秀英．环境监测［M］．北京：高等教育出版社，2004：48-118．

［3］HedgesJ I， OadesJM． Comparative organic geochemistries of soils and marine sediments［J］．Organic Geochemistry，1997，27(7/8)：319-361．

［4］李少艾，刘德全，周密，等．深圳市饮用水源中CODMn与TOC的相关性研究［J］．深圳特区科技，2005(1)：303-307．

［5］赦薇，张泽．地表水中总有机碳的测定［J］．黑龙江环境通报，2003，27(4)：25-27．

［6］邹竹波，查林，张国义，等．万峰湖水质污染与生态环境状况的调查［J］．黔西南民族师范高等专科学校学报，2005，3：78-80．

［7］郭燕鸿．万峰湖水环境质量调查及分析［J］．贵州工业学学报 (自然科学版)，2004，35(5)：28-32．

［8］国家环境保护总局．水与废水监测分析方法［M］．4版增补版．北京：中国环境科学出版社，2008：423-425．

［9］谷雪蔷，付守文，李大为，等．中国部分城市自来水总有机碳测定［J］．中国环境监测，2006，22(6)：29-31．

［10］刘强，袁菊，陈凤凰，等．贵阳市集中饮用水源中总有机碳和无机碳的测定［J］．分析仪器，2010，1：84-87．

［11］Sondergaard M，Willimas P J，Cauwet G，et al．Net accumulation and flux of dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen in marine plankton communities［J］．Limnology and Oceanography，2000，45：1 097-1 111．

［12］Minor E C，Simjonw J E，Mulhooland M R．Seasonal variations in dissolved organic carbon concentrations and characteristics in a shallow coastal bay［J］．Marine Chemistry，2006，101：166-179．

［13］郑国侠，宋金明，戴纪翠，等．南黄海秋季叶绿素a的分布特征与浮游植物的固碳强度［J］．海洋学报，2006，28(3)：109-118．

［14］彭兴跃，洪华生，商少凌．台湾海峡真光层有机碳动力学研究——DOC大幅度的日变化［J］．海洋学报，1997，19(3)：57-65．

［15］陈敏．化学海洋学(第二卷)［M］．北京：海洋出版社，1982：333．

［16］Wood A M，Rai H，Garrnier J，et al．Practical approaches to algal excretion［J］．Marine Microbial Food Webs，1992，6：21-38．

［17］Ahn C Y，Chung A S，Korean H，et al．Rainfall，phycocyanin and N∶P ratios related to cyanobacterial blooms in a large reservoir［J］．Hydrobiologia，2002，474：117-124．

［18］Han B P，Armengol J，Garcia J C，et al．The thermal structure of Sau Reservoir(Spain NE)：A simulation approach［J］．Ecological Modelling，2000，125：109-112．

［19］李秋华，商立海，李广辉，等．万峰湖浮游植物群落的时空分布［J］．生态学杂志，2011，30(5)：1 031-1 038．

［20］Beyruth Z．Periodic disturbances，trophic gradient and phytoplankton characteristics related to cyanobacterial growth in Guarapiranga Reservoir，São Paulo State，Brazil［J］．Hydrobiologia，2000，424：51-65．