温州饮用水源地珊溪水库水质的时空分析

李 平，陈 强，王 婷，龚 健，商 栩

（温州医科大学 环境与卫生学院，浙江 温州 325035）

温州饮用水源地珊溪水库水质的时空分析

李 平，陈 强，王 婷，龚 健，商 栩*

（温州医科大学 环境与卫生学院，浙江 温州 325035）

在一年时间内对珊溪水库水质在重点支流的水平和垂直方向上的分布状况进行监测，分析库区水体水质的时空变化特征。结果表明，珊溪水库主库水体氮的季节分布特征明显，春秋季含量高于夏冬季，磷元素含量在不同季节变化不大。水库水质随气象水文条件的垂直分布研究表明，主库40～50m水体长期存在热分层现象，且常年处于缺氧状况。库底水体及沉积物中的缺氧、厌氧环境有利于有机物的厌氧分解，并在底层水体中累积形成高于表层水体的氮、磷浓度。水库主库30m以上水体在秋冬季又会发生垂直水层间的传质交换，可以改变氮、磷转化途径，也可能将底层水体中的营养物质带至表层，诱发藻华。

珊溪水库；时空变化；热分层；垂直交换

近年来，多数城市主要供水水源湖库的水质问题已显现［1］，其中水体富营养化是最突出的问题之一。水体富营养化会造成水生生物大量死亡、水质恶化、发腥发臭等［1］，并且对人类和生态健康都存在潜在的威胁［2］。饮用型水库的营养源来源分析一直都是学术界和管理部门的关注重点，然而长期以来水库水源地的污染研究多集中于工农业和生活畜禽养殖等方面［3-6］，而对于内源释放来源污染的研究相对较少。内源释放方面的研究大多关注水—沉积物界面上的氮、磷吸附解吸行为［7-14］，对底层厌氧水体中释放的营养物质能否及如何影响上层水质了解不多。

珊溪水库是温州市最大的供水水源，它控制着温州地区将近80%的水资源，被温州人民誉为“大水缸”。近几年来水库水质呈下降趋势，曾出现蓝藻水华等富营养化现象，常发生季节性的水质恶化事件。作为一个河道型水库，珊溪水库受到水库地形地貌和子汇水区情况差异等的影响，其水体中各种水溶性和不溶性物质的时空分布必然很不均匀，现有的少数固定点表层水质数据难以充分反映水中污染物的分布状况。特别是作为一个最大水深超过百米的深水水库，不仅其水质的水平分布呈现区域差异，在垂直方向上的水质分布差异必然客观存在。河道型深水水库这种立体的水质分布特征不仅是各种水环境要素以及不同来源污染物入库的结果，更是各种物质经过生物地球化学循环过程作用的结果。本文在对珊溪水库水质常规监测的基础上，新增对水质的垂直空间分布状况以及各种水文条件的测定，从而更加全面地了解不同污染来源对珊溪水库水质的影响的贡献大小，为水库水质的模拟和预测乃至整个水环境监测管理信息系统的构建提供依据，为今后珊溪水库全流域的科学管理、治理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

珊溪水库位于温州市文成县境内的飞云江干流中游河段，全流域面积3252km2，距温州市区117km，距文成县城28km。如图1所示，珊溪水库采样点包括黄坦坑上 （A1）、中 （A2）、下 （A 3）游，双板桥上游 （A4）和双板桥下游 （A5）共5个固定点。

1.2 样品采集

库区垂向水质样品分别于表层 （0～0.2m），以及用Niskin分层采水器在水体中层 （5～10m，此为叶绿素及溶解氧最大层）、底层 （支流上游30m，中游50～60m，下游及主库70m）采集，水样采集后滴加1～2滴饱和HgCl2固定，4h内带回实验室进行后续检测分析。

图1 研究区及采样点位置

1.3 分析方法

水样的在线监测通过美国YSI公司6920V2型多参数水质分析仪现场完成。该水质分析仪最大使用深度可达200m，但受限于数据实时传输线缆长度 （约61m），实现在线监测的最大深度约为60m。YSI-6920V2所能监测的水环境指标包括水温、溶解氧、铵态氮等。所有探头传感器均每月在实验室内参比校准，以保障在线监测数据的准确性和可比性。理化指标均按国标方法测定。硝态氮采用紫外分光光度法，铵态氮采用纳氏试剂比色法，总磷 （TP）采用钼锑抗分光光度法。

2 结果与分析

2.1 珊溪水库典型水体水质的季节分布特征

2.1.1 铵态氮

珊溪水库的水质呈现出显著的季节变化，且这种变化很大程度上受降水量的调控。各站位水体中铵态氮含量总体呈现两个高峰，分别出现在春、秋两季 （图2）。各监测站位表、中层铵态氮均在5月出现最高值，但底层铵态氮最大值出现的月份则有所不同，黄坦坑中游的底层铵态氮最大值出现在11月。夏季的水体铵态氮含量低谷主要反映了进一步降雨的稀释作用及浮游植物吸收利用的消耗，冬季的铵态氮低谷则主要是由于降雨减少造成的外源输入减少所致。

图2 铵态氮的季节分布特征

2.1.2 总氮

相比铵态氮显著的年度波动，水体中总氮的浓度变化趋势相对较缓，在春末夏初的5，6月达到最大，之后逐步下降，至冬季达到最低值（图3）。这种差异一方面是由于春夏之交水库从降雨及其形成的地表径流输入的氮含量增高，从而使得总氮含量最高峰出现在5—6月。另一方面，由于夏、秋季库区高的水温和日照辐射，导致水体浮游植物数量一直维持在较高的水平，在其产出的大量溶解氧参与下，大部分氮素以硝化状态呈现，从而表现为夏、秋季水体中铵态氮很低、总氮相对下降不明显的特征。此外，总氮的组成中除了有铵态氮、硝态氮等无机氮的存在，还有相当部分是以溶解态有机氮的形式存在。而溶解态有机氮主要为浮游植物释放和分解产物，因此在春夏季浮游植物生长旺盛的时期，其产出溶解态有机氮量也较多，也使得水体总氮含量相对铵态氮而言较为稳定。

图3 总氮的季节分布特征

2.1.3 总磷

磷的季节分布特征与铵态氮和总氮都有很大不同，水体中磷的浓度与温度、降雨等气候现象的关联不大 （图4）。表层、中层和底层水体中总磷含量的季节变化趋势均有所差异，反映了表、中、底层水体中磷的来源及代谢行为可能存在差异。

图4 总磷的季节分布特征

总体而言，氮、磷元素在珊溪水库不同调查站位的季节分布特征不一致，其中氮元素所呈现出的双峰型的年度分布模式与降雨及夏季藻类生长旺盛期间参与的生物地球化学循环有关。春夏之交的降雨形成的地表径流能够将大量氮带入库区水体中，形成了水体中氮素的第一个高峰。随后在夏秋季的高温多雨季节中，虽然降雨仍将地面、大气中的氮素带入水体，但浮游植物在此期间旺盛生长，大量消耗水体所接受的氮元素，可能是造成此时期氮素特别是铵态氮浓度显著下降的主要原因。水体中磷元素的年际波动更为复杂，可能是磷的来源更为多样且水体中磷的含量较低，易受水体浮游植物利用等因素影响所致。

2.2 珊溪水库典型水体水质的空间分布特征

珊溪水库的地形地貌特点，导致了水库的水质分布呈现出典型的水平和垂直方向上的差异，且这2种差异间存在高度关联，并在不同季节随气象、水文条件的不同，不同站位的水质垂直分布也发生相应的变化，因此根据调查期间不同季节的典型月份及条件对各水质指标的空间分布特征加以解析。

2.2.1 夏季库区水质的空间分布

夏季的水温随深度增大平稳下降，从表层的30℃逐渐下降到底层的12.4～20℃，其中主库深度较深，水温较低；支流上游深度较浅，水温较高（图5）。其中2条支流上游与中、下游水体的水温整体垂直分布特征不同，但若从相同深度的比较来看，各站位在30m以内由表向底的水温下降曲线比较相似，表现为表层10m内水温下降较快，10～20m水温下降速度放缓，20～30m水温下降又加快。在较深的站位，当水深大于30m以后，出现一个明显的温跃层，在2～5m的水温从20℃左右快速下降到12℃左右。温跃层以下水温变化幅度很小，表明此时该层以下水体较为稳定，与上层水体的热交换被阻隔。在水深30～40m的地方，有明显的热分层现象。

图5 夏季珊溪水库各站位水体温度的垂直分布

夏季表层水体的溶解氧含量很高，其饱和度可达150%。但在水面3～5m深度，溶解氧浓度也开始迅速下降。其中支流上、中游站位水体溶解氧饱和度持续下降至低于20%甚至低于5%，所对应的溶解氧浓度低至0.4mg·L-1，底层水体已呈缺氧状态。即便在水面相对开阔，水深较大的支流下游断面，水体溶解氧含量随深度增大的下降幅度虽然较小，但部分站位底层水体溶解氧浓度仍低于2mg·L-1（图6）。

图6 夏季珊溪水库各站位水体溶解氧饱和度的垂直分布

从夏季库区水体铵态氮的垂直分布情况来看，表层较高，随深度增加而逐步下降 （图7）。值得关注的是，虽然各站位表层水体铵态氮浓度差异不大，但支流上、中游底层的铵态氮浓度均高于下游入库断面底层，显示了在较浅水体中沉积物内源释放的贡献。

图7 夏季珊溪水库各站位水体铵态氮浓度的垂直分布

珊溪水库在夏季水深超过30～40m，有明显的热分层现象，而且支流的上游、中游底层溶解氧含量接近零，下游底层溶解氧含量稍高，但也不超过2mg·L-1。铵态氮浓度却是上、中游高于下游入库断面底层，这足以说明在热分层时期，水深的增加限制了氧传质效能以及上下层铵态氮的交换，再加上水体、底泥的耗氧，使得底层溶解氧含量降低，溶解氧含量越低，接近于厌氧环境更有利于沉积物的释放，使得上、中游的铵态氮浓度高于下游。

2.2.2 秋季库区水质的空间分布

如图8所示，支流上游未出现温跃层，但在支流中下游和主库水深较大的水域，在40～50m深度处出现明显的温跃层。

图8 秋季珊溪水库各站位水温的垂直分布

秋季水库支流上游水体表底层溶解氧含量变化较小，与夏季的一个很大差别是此时支流上游底层水体溶解氧含量较高，打破了夏季水底的缺氧状态。但在支流中、下游断面，伴随温跃层出现了极为显著的 “氧”跃层，在5m的深度跨度上溶解氧饱和浓度从75%快速下降到不足5%。

从图9可以看出，跃层之下的水体处于严重缺氧状态。

图9 秋季珊溪水库各站位水体溶解氧饱和度的垂直分布

秋季黄坦坑上游0～5m的铵态氮浓度略有变化，可能由人类活动引起，其余区域的铵态氮浓度不随深度的增加而变化。在黄坦坑中游发现了温跃层以下水体铵态氮含量增高的现象，可能是缺氧条件下有机质厌氧分解产生铵态氮的体现（图10）。

图10 秋季珊溪水库各站位水体铵态氮浓度的垂直分布

秋季珊溪水库中、下游呈现出了明显的温跃层，伴随了所谓的 “氧”跃层和铵态氮浓度增大的现象。在上游水温、溶解氧变化都不大，而且底层溶解氧含量很高，铵态氮浓度也基本上不随深度的增加而变化，这足以说明在上游发生了水体的交换，而由于深度的影响，在中、下游难以发生上下的交换，表明秋季珊溪水库只能在较浅的地方发生垂向水层间的传质交换，较难发生整体的 “翻库”现象。

2.2.3 冬季库区水质的空间分布

冬季水库上游中的水温基本保持不变，中、下游水库中的温跃层继续发生变化，同时在支流下游温跃层的深度跨度也加大了，达到20～30m（图11）。

图11 冬季珊溪水库各站位水温的垂直分布

上游溶解氧浓度上下层之间基本不变，底层水体的氧饱和度超过80%。但在中、下游断面，底层水体缺氧严重。（图12）。

和秋季类似，在黄坦坑中游断面观测到底层铵态氮含量的增加，进一步表明此断面底层铵态氮的产出和释放 （图13）。

图12 冬季珊溪水库各站位水体溶解氧饱和度的垂直分布

图13 冬季珊溪水库各站位水体铵态氮浓度的垂直分布

冬季与秋季的变化相似，上游发生水体的交换。

中、下游由于冬季季节气温较低，与水库底层温度差不多，因此上下层的温差不大，有不明显的温跃层，有明显的 “氧跃层”，并且中游底层铵态氮含量增加，说明中下游没有发生上下层的交换。

3 小结与讨论

珊溪水库氮、磷元素在不同调查站位的季节分布特征不一致，其中春秋季氮元素含量高于夏冬季。这主要与降雨及夏季藻类生长旺盛期间参与的生物地球化学循环有关。磷元素含量变化相对稳定，在较小的范围内波动。

珊溪水库主库水体夏季长期存在热分层现象。秋冬季30 m以上水体有垂直水层间的传质交换，40～50 m水体保持分层现象，且常年处于缺氧状况。库底水体及沉积物中的缺氧、厌氧环境有利于有机物的厌氧分解［15-17］，并在底层水体中累积形成高于表层水体的氮、磷浓度。水库秋冬季降雨少，且伴随水库季节性的蓄、放水，水库的水位总体比雨季低很多。季节更迭所产生气温骤变能够促使表、底层水体产生交换，在各支流上游打破热分层，这种垂直方向上的水体交换一方面能够改善沉积物表面及底层水体中的缺氧状况，改变氮、磷转化途径；但另一方面也可能将底层水体中的营养物质带至表层，诱发藻华。

上述调查结果表明，作为一个河道型深水水库，珊溪库区的水质既有相对稳定的一面，同时也受到各种内、外源环境因子的影响，且各种环境因子之前还存在相互关联。因此，要更加准确地掌握影响库区水质，特别是潜在的诱发藻华的风险，需要进一步完善珊溪库区的水质监测设施及方案，更好地实现对水库水体水质进行长期连续跟踪监测。

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（责任编辑：张 韵）

X171

A

0528-9017（2016）05-0778-07

2016-02-14

温州市科技科技项目 （S20140040）；温州市科技科技项目 （S20140037）

李平 （1989—），女，在读硕士研究生，山西晋中人，从事环境污染化学及生态学方面研究工作，E-mail：liping1553@ sina.com。

商栩，副教授，博士后，E-mail：copepod@sina.com。

文献著录格式：李平，陈强，王婷，等.温州饮用水源地珊溪水库水质的时空分析 ［J］.浙江农业科学，2016，57（5）：778-784.

10.16178/j.issn.0528-9017.20160551