宜昌市柏临河表层沉积物营养盐分布规律及污染评价

,, ，年洲

(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

沉积物是湖泊、河流等生态系统的重要组成部分，既是大多数水生生物生存的主要场所[1]，也是营养盐等无机物的“源”和“汇”[2]。氮磷是水生生物的主要生源要素[3]，对调节水质具有关键影响作用。当水体的环境条件发生变化时，沉积物中的营养盐会释放到水体中，对水质造成影响[4]。目前，众多学者已对国内外的湖泊、水库、海洋和河口地区沉积物营养盐的含量及其生物地球化学过程做过详细的研究，但对于小流域污染现状的研究还相对较少[5-7]。柏临河是宜昌市主要河流之一，近年来已对河道进行过多次治理，但效果并不明显。研究柏临河沉积物总磷总氮的分布规律和污染状况可以为该流域治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

柏临河属长江左岸一级支流，发源于宜昌市夷陵区柏家坪，止于宜昌市伍家岗区临江溪。柏临河上游流经夷陵区柏家坪村、罗家畈村等11个村，下游流经伍家岗区南湾村、灵宝村等8个村，全长 59.3 km，流域面积478 km2，坡降10.5‰，流域形状呈扇形，地貌为半高山山地和丘陵地带。柏临河共有4条主要支流: ①简垱河，发源于鸦鹊岭镇海云村，全长27 km，流域面积 99.9 km2，夷陵区境内约20 km；②牌坊河(又称土门河)，发源于白庙村，全长17.3 km，流域面积 36.3 km2；③杨树河，全长25 km，流域面积约41 km2；④ 院子河，河长17 km，流域面积38 km2。柏临河多年平均降雨量为1 100 mm，蒸发量为1 280 mm。流域雨季为6～9月，在降雨分布上，具有地域与时段相对集中、强度不均的特点，常形成局部暴雨中心。河流水文特点是枯水期长，汛期短，枯水期流量小，洪水涨落迅速，且河口水位受长江水位顶托影响。近年来随着城市经济的发展，环境问题也越来越突出，作为城市动脉的河流则承受着来自四面八方的污染，随着水流的作用，污染物发生迁移、扩散、沉降等一系列物理化学变化。为了探究柏临河污染的现状，需对柏临河沉积物进行采样分析。

采样点分布情况如图1所示，共设置采样点19个(监测点1～19)，其中3，6，9，12，17，18，19号监测点在支流上。柏临河沿岸从上到下已开发的集镇有宋家咀、龙泉、土门、花艳及伍家岗区工业园等。

图1 柏临河流域采样点分布示意

1.2 样品采集与分析

2018年6月对柏临河干流及主要支流进行样品采集。利用彼得森采泥器采集样品，进行现场分装。柏临河河道宽度和沉积物厚度测量表明，柏临河主要干支流沉积物平均厚度约20 cm。用100 mL烧杯取3份表层沉积物样品，现场称重并记录重量，再将样品分别装入聚乙烯自封袋中做好标记；将剩余沉积物混合均匀，用100mL离心瓶收集约80 mL沉积物样品；再取适量剩余样品保存于聚乙烯自封袋带中，排除空气，密封保存，将所有处理好的样品放入便携式冷藏箱中，尽快送回实验室做进一步分析处理。

在实验室里挑出杂物后，将样品经自然风干后研磨过80目筛用于总氮和总磷的测定。用鼓风干燥箱110℃烘干沉积物样品用于测定孔隙率和含水率；用高速冷冻离心机(CT18RT)离心沉积物样品得到间隙水水样，用实验室pH(雷磁pHSJ-4A)测其pH值。沉积物总氮(TN)采用半微量法测定；总磷(TP)用钼锑抗比色法测定。为保证结果的准确性，每个样品测试3次，取平均值作为最终结果。

1.3 营养盐污染评价方法

采用单因素污染指数法和综合污染指数法对沉积物营养盐的污染状况进行评价[8]，计算公式为

(1)

式中，PIi为第i种营养盐的污染指数；ci为第i种营养盐实测值；c0i为第i种营养盐评价标准；PI为综合污染指数。Wi为污染因子i的权重，本研究认为所有污染因子的权重均相同。PI<0.5为清洁；0.5≤PI<1.0为表示有影响；1.0≤P<1.5表示受轻度污染；1.5≤PI<2.0表示受重污染；PI≥2.0表示受到严重污染[9]。

2 结果与分析

2.1 理化因子分析

由图2可知，柏临河表层沉积物孔隙率范围为41.6%～91.6%，8号测点孔隙率最大；含水率范围为22.7%～85.4%，3号测点含水率最大；孔隙率干流变化范围较小，支流差异较大。3号测点为完全硬化的渠道，主要接受来自城市的生活污水，底质呈悬浊状态，有机质含量、含水率均较高。由图3可知，柏临河主要干支流间隙水pH值范围为 7.33～8.16，呈弱碱性，5号监测点pH值最大。pH值与孔隙率以及含水率呈负相关，孔隙率越小，间隙水与上覆水体之间的交换就越缓慢，溶解氧、氢离子等物质的交换也可能越缓慢。

图2 含水率及孔隙率分布

图3 pH值分布

2.2 沉积物总磷含量及分布

柏临河主要干支流沉积物总磷(TP)含量变化范围234～2 136 mg/kg，平均含量为538 mg/kg，6号测点最高。按照金晓丹等[10]的研究，划分TP对沉积物污染程度，柏临河主要干支流上的监测点有14个处于轻污染，4个处于中污染，1个处于重污染状态，总体处于中污染状态。长江河口水库沉积物总磷含量为535.1～910.9 mg/kg;滇池平均含量2 266.2 mg/kg[11]；黄柏河流域西北口水库、天福寺水库和玄庙观水库沉积物TP含量分别为2 656.6 mg/kg，2 681.2 mg/kg,8 070.0 mg/kg[12]。柏临河流域沉积物TP含量低于同地区黄柏河流域三大水库，受外源污染的水平相对较低，但部分区域仍值得注意。

由图4可知，柏临河流域主要干支流各监测点从上游至下游沉积物TP含量除个别点外均有小幅波动的特点，这可能是受到河流上拦水坝的影响。各支流沉积物TP平均含量为694 mg/kg，干流沉积物TP平均含量为448 mg/kg，支流明显高于干流。位于柏临河中下游的8号监测点是干流TP最大的点，此处河道较宽，水流较缓，沉积物大量淤积，可能有较多外源性磷的输入。3号和6号监测点位于城镇附近支流，河道多半已硬化，河道自净能力较弱，沉积物TP含量较高，且高于干流各监测点。

图4 沉积物总磷含量分布

图5 沉积物总氮含量

2.3 沉积物总氮含量及分布

如图5所示，沉积物TN含量变化范围为703～5 837 mg/kg，平均值为2 155 mg/kg。3号和6号测点沉积物TN含量较高，其他各测点TN之间的含量差异不大，各测点氮磷比在1.8～9.4之间，沉积物TN含量远高于TP含量。从图5可以看出，TN从上游至下游变化较为明显,同样在3号、6号、8号具有较大值。支流TN平均值为2 594 mg/kg，干流TN平均值1 900 mg/kg，支流含量高于干流。8号监测点是干流TN含量最高的点，3号监测点是支流上TN含量最高的点。

2.4 理化因子与营养盐的关系

由表1可知，柏临河表层沉积物营养盐含量中TP、TN与pH值为负相关关系，pH对沉积物内源磷的释放有着显著影响[13～15]，与含水率和孔隙率呈正相关关系，TN与含水率和孔隙率的相关系数要高于TP，可能是因为TN含量受外源的影响更大，且含量更高。

表1 理化因子与营养盐的相关性

2.5 营养盐污染评价

依据加拿大安大略省环境和能源部1992年制定的《沉积物质量评价指南》为标准，其中TN和TP能够引起最低级别生态毒性效应的含量分别为550 mg/kg和600 mg/kg[16]。依据此标准，柏临河各监测点TN含量均能引起最低级别生态毒性效应；有4个监测点TP能引起低级别生态毒性效应；其余点处于安全水平，不会产生毒性效应。由图6可知，营养盐综合污染指数范围0.9～6.2，58%以上监测点处于严重污染状态，主要受氮污染的影响较大。

图6 营养盐综合指数分布

3 讨 论

不同生态系统类型的沉积物中，营养盐含量存在较大的差异。柏临河表层沉积物营养盐的含量相对较高，其中TN和TP高于太湖、 巢湖和洞庭湖等湖泊[6, 17-18]，低于滇池等高原湖泊[19-20]。污染指数法和综合污染指数法评价结果表明，柏临河沉积物中TP的污染水平为清洁水平，TN的污染水平处于严重污染水平，营养盐综合污染指数处于严重污染，这主要是由于TN的影响较大。在进行流域综合污染治理时，去除TN是重点考虑的因素之一。多年来，由于柏临河周边地区工业经济的发展、 人口数量的增加，入河染染物排放面临日益增多的压力，这可能导致河中沉积物营养盐含量同样面临增加的风险。

柏临河主要干支流TP、TN“源”与“汇”的关系以及TN和TP之间的变化关系还需进一步的研究。支流的污染程度高于干流，主要是因为还未发生较大规模的降水径流过程，沉积物暂时在支流留存。清淤可以在短期内达到去除表层沉积物中的营养物质、降低其潜在生态风险的目的[21-22]。但随着时间的变化，河道又会重新淤积形成新的内源污染。 在实施清淤工程以前，要对河道沉积物进行综合评价，应找出污染物和沉积物理化因子的关系，评价可能产生的环境风险，最终提出科学合理的解决方案。

4 结 论

(1)柏临河表层沉积物营养盐分布规律明显，上游至下游TP变化幅度较小，支流沉积物TP含量较高，干流沉积物TP含量相对较低。TN变化较大，支流沉积物平均含量高于干流。

(2)柏临河TN含量较高，足以引起最低级别生态毒性，总体上已呈严重污染状态，且支流污染程度高于干流。