竹银水库建库前底泥氮磷释放模拟研究及应用Ⅰ

刘红涛，吴艳龙，招景添，袁士琪，吴孟李

（1．珠海市水资源中心，广东珠海519000；2．珠海市水质监测中心，广东珠海519020）

竹银水库建库前底泥氮磷释放模拟研究及应用Ⅰ

刘红涛1，吴艳龙2，招景添1，袁士琪1，吴孟李2

（1．珠海市水资源中心，广东珠海519000；2．珠海市水质监测中心，广东珠海519020）

以珠海竹银水库为研究对象，开展水库建设前库底底泥氮磷调查，通过模拟底泥氮磷释放实验分析蓄水前后入库水源氮磷含量的影响。结果表明，底泥中较高的氮磷负荷和释放存在水体富营养化和蓝藻水华的风险，应对库底采取清淤措施，以降低水库建成后运行时底泥中氮磷污染物的二次污染，保障水库饮用水源安全。

水库；底泥；氮；磷

竹银水库位于广东省珠海市斗门区六乡镇，西江流域内珠江三角洲磨刀门水道右岸，2009年4月开工建设，2011年4月19日竣工，总库容达4 018万m3，是珠海境内最大的中型水库。水库控制集水面积2.99 km2，因天然集水面积小，主要解决枯水期咸潮期间供水不足的矛盾，水库蓄水主要是从位于西江磨刀门水道抽水经输水管道入库。竹银水库库底状况较为复杂，建库前既有农田、水塘、果园苗圃和蜂场等农业区域，还有奶牛养殖场、养鸡场等有机污染较严重的区域。水库建成后水质污染的主要来源是水质污染及底泥释放。竹银水库新建初期，如果清库不彻底，在水库蓄水后，底泥中较高含量的氮磷营养进入水体后，就会增加水库蓄水后水质退化和蓝藻水华的风险。底泥是水库中重要的营养盐二次污染源［1］，在厌氧的环境下，底泥通常会产生氮磷释放现象，对中小型水库的富营养化关系密切［2］。本文对竹银水库建库前底泥氮磷进行模拟研究，以最大限度减少建库后背景底泥释放对水质的影响。

1　材料与方法

1.1采样点位与采样时间

根据现场实地查勘，底泥采样点主要布设在存在污染隐患较重的农田、养殖场、果场以及主库区主坝、副坝等区域土壤等区域，分别为：主坝（S1）、1号隧洞口前1（S2）、1号隧洞口前（S3）、1号副坝前2（S4）、蒙牛养殖场1（S5）、蒙牛养殖场2（S6）、蒙牛养殖场3（S7）、二圣宫区前（S8）、二号副坝前1（S9）、二号副坝前2 （S10）共10个代表点位，如图1所示。

图1　竹银水库底泥采样点位（S1～S10）

2009年11月在水库库底采集了10个采样点的土壤样品，2010年4月再次采集10个采样点的土壤样品。

1.2实验设计

应用Uwtec柱状采泥器（奥地利产）采集底泥，每个地点采集3个平行样。

1.2.1底泥氮磷释放实验装置

释放装置为内径10 cm、高度50 cm封闭的空心圆柱体，材料为PVC双向开口，共10个。根据蓄水系统的一般结构，主要分为基质和水体两大部分。释放装置以采得的底泥作为蓄水系统的基质，以洁净的蒸馏水作为水体部分，近似地模拟水库蓄水系统的情况，通过实验模拟研究底泥氮磷释放达到平衡时的总氮、总磷浓度，由此推断竹银水库蓄水后底泥营养盐释放强度及其对水质可能产生的影响。把采泥器中的泥样从释放装置底部压入至10 cm泥样高度，添加蒸馏水至充满，通过通入氮气模拟厌氧环境，每隔2 d取释放装置内液面下2/3处水样50 ml，取水后补充水至充满状态，以免搅动底泥，测定水样总氮、总磷浓度。

1.2.2氮磷释放量估算方法

氮磷释放量估算表达式为

其中，q为单位体积底泥中营养盐释放量，单位为μg·L-1；Cn、C0分别为抽取的水样的总氮或总磷浓度和注入的蒸馏水的总氮或总磷浓度，单位为为mg·L-1；V水为柱内液体体积；V底泥为采集的底泥体积。

2　实验结果

2.1库底土壤中总氮和总磷含量

底泥营养盐含量如图2所示。底泥氮、磷分析结果表明，竹银水库库底土壤总氮（TN）含量在0.412～2.338 mg/g之间，均值为1.062 mg/g，其中S9点位附近土壤总氮含量最低，S8点位的土壤总氮含量最高。S10点位的总氮含量普遍较低，含量在0.5 mg/g左右，S8、S10两处基本为本底土壤。S4点位底泥总氮含量为2.254 mg/g，S1点位总氮含量为1.585 mg/g。总磷（TP）含量在0.195～0.939m g/g之间，均值为0.413 mg/g，含量最低为S7点位，最高点为S4点位。

图2　底泥营养盐含量特征

2.2底泥氮磷释放研究

竹银水库底泥氮磷释放研究实验结果显示，总磷、总氮在48 h以后达到基本平衡［3］。10个采样点位氮磷释放达到平衡时，总磷的浓度在0.002 7～0.004 1 mg/L，均值为0.003 3 mg/L，如图3所示。整体而言，10个采样点位达到平衡时的总磷浓度差别不大。10个点位的总氮浓度较高，均值达到6.705 mg/ L，如图4所示，S4和S8点位分别达到最小值和最大值，其浓度分别为6.606 mg/L和7.759 mg/L，释放的总氮负荷将对水库水质带来较大影响。

图3　平衡时总磷浓度变化　

图4　平衡时总氮浓度变化

3　讨论

3.1水库入库水总氮、总磷负荷对水库的影响

磨刀门水道饮用渔业用水区，起于六乡竹洲头，终于石栏洲，总长度42 km，珠海区域内没有工业大型集中排污口的分布，但磨刀门水道受上游面源污染和点源污染［4］的影响，氮磷含量普遍较高［5］。朱毅等在2010年12月至2011年12月对竹银水库取水泵站开展水质调查，总氮、总磷浓度均处于Ⅳ～Ⅴ类水之间。竹银水库于2011年5月开始试蓄水，2011年8月正式蓄水，10月完成蓄水。竹银水库集雨区没有污染源，水库取水泵站氮磷浓度过高对竹银水库的水质造成不利影响。

3.2底泥土壤中氮磷背景值

水库的底质状况是影响水库蓄水后水质好坏的一个重要指标，而氮磷营养对水库水质的影响很大。氮磷是植物和异养微生物需求量最大的营养元素，氮磷供应很大程度决定着水生生态系统的初级生产力和有机物质的微生物循环［6-8］，与水质情况密切相关，内源释放是氮磷营养盐的重要来源［9-10］。竹银水库库底主要受农业点源污染的影响，蓄水后底泥中的氮磷如果释放进入水体会对水库的水质造成较大影响。实验结果表明，部分库底土壤点位的氮磷营养盐含量较高，作为养殖功能的水塘底泥中含大量投放的饵料、动物排泄物，造成塘底氮磷的积累［11］；S1、S4、S8点位的化学肥料或农家肥的大量使用造成土壤氮磷的积累［12-15］，导致这些区域的土壤营养盐含量较高。对比广东省10个不同水库底泥氮磷污染较为严重的范围值［16］，竹银水库10个库底土壤采样点总氮、总磷含量均处于污染严重的范围值内，如果水库蓄水前期不对库底污染土壤采取措施，水库蓄水运行后，库底底泥含量较高的氮磷将对竹银水库水质存在潜在影响。

3.3底泥氮磷释放的影响

底泥与水体之间存在着氮磷吸附与释放的动态平衡，底泥中氮磷会在上覆水氮磷浓度减小时逐渐释放出来，造成水体二次污染［17-18］。竹银水库底泥氮磷释放实验表明，在达到氮磷释放平衡后，水体中平均总磷、总氮浓度分别为0.003 3 mg/L，6.705 mg/L。在热带地区，水体温度常年较高，深水水体沉积物在厌氧的环境条件下极易向水体释放营养盐［19-20］。太湖沉积物与水界面氮磷以及有机物释放的研究表明，厌氧环境有利于氮磷的释放［21-22］。如果蓄水前不做清库处理，库内污染源中氮磷的释放将导致水库水质的恶化。珠海北部某水库在新建初期因为清库措施不完全，加上外江调水入库氮磷含量高，蓄水后库底的营养物质释放对水库水质影响较大，曾产生蓝藻水华从而影响供水安全。

4　小结

鉴于竹银水库发挥着对珠海澳门咸期供水的重要性，在建设前，为保证水库蓄水后供水安全，在入库抽水水质总氮、总磷基本处于Ⅳ～Ⅴ类水之间不利的水质条件下，应消除或降低竹银水库潜在的污染源，尤其是底泥的污染。竹银水库建设前期开展库底土壤的调查分析和未来蓄水的影响研究的项目填补了国内水库建设初期进行水质安全管理措施的空白，同时为其他新建水库防范水质富营养化的监督管理提供参考和借鉴。竹银水库富营养化的成因分析关注后续报道。

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【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Study and apply on experiment of simulative sediment nitrogen and phosphorus release before construction by Zhuyin reservoirⅠ

LIUHong-tao1，WUYan-long2，ZHAOJing-tian1，YUANShi-qi1，WUMeng-li2

（1.Zhuhai Water Resources Center，Zhuhai 519000，China；2.Zhuhai Water QualityMonitoringCenter，Zhuhai 519020，China）

Zhuin reservoir in Zhuhai is taken as the research object for investigation of sediment nitrogen and phosphorus before construction of the reservoir.Through the experiment of simulative sediment nitrogen and phosphorus release，an analysis of effect of nitrogen and phosphorus content on the water source before and after water retaining inthe reservoir has been made.The reaserch shows that there exists a risk of water eutrophication and cyanobacteria bloom in case of high-concentration nitrogen and phosphorus.Individuality dredging measures should have been taken to reduce the secondary pollution of nitrogen and phosphorus pollutants in sediment when the reservoir is put into normal operation，and ensure the safety of drinking water of the reservoir.

reservoir；sediment；nitrogen；phosphorus

TV697.2

A

1008-0171（2016）04-0065-04

2016-01-15

珠海市科技局资助项目（2009071）

刘红涛（1965-），女，广东增城人，珠海市水资源中心高级工程师。