大伙房水库内源性磷污染特征分析与评价研究

姜跃世

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110055)

1 研究背景

大伙房水库是辽宁省抚顺市浑河上游干流上的一座大型水利枢纽工程，坝址距离沈阳市68km[1]。水库于1954年开工建设，1958年竣工投入使用[1]。水库主体工程由大坝、溢洪道、输水道和水电站组成，最大坝高49.2m，坝轴线长1367m，总库容21.87亿m3。辽宁省于2003年开始建设大伙房输水工程，该工程从浑江流域跨流域引水，经过人工开凿的输水隧洞引入大伙房水库，为辽宁省中部6市供水[2]。大伙房水库作为输水工程的重要节点，其水质情况直接影响到供水水质的安全性。磷元素是生命体细胞和组织的重要组成元素，在地球生态系统中具有十分重要的作用，国内外的大量研究显示，水环境中的磷元素和氮元素相比更难以治理和消除，属目前地表水水体富营养化治理的重中之重[3]。同时，根据大伙房水库的水质监测数据，水库的内源性磷元素污染问题相对比较突出。因此，此次研究针对大伙房水库的库区沉积物和流域内不同土地利用类型土壤的理化进行对比分析，研究沉积物对磷的静态释放和吸附特征进行研究，为评估库区沉积物的磷释放潜力和内源性磷污染治理提供理论和实践基础。

2 材料与方法

2.1 试验样品的采集和处理

试验中考虑到采样的便捷性和库区管理的实际情况，水库沉积物的采样点设置在水质采样点的附近，一共设置了C1、C2、C3、C4、C5等5个采样点。在采样过程中，利用手持GPS导航终端对采样点进行准确定位，然后将采样船引导至采样点利用采样器进行采样[4]。其中，采样器为不锈钢材质的彼得逊采泥器，采样区为长30cm、宽15cm的长方形区域。同时采集流域内主要的土地利用类型的土壤样本，包括农田(NT)、城镇(CZ)、草地(CD)、经济林(JJ)、桦木林(HM)、红松林(HS)。样品的采集点选在不同类型土地径流场的周边，利用土钻作为样品采集器[5]。采样时的取样深度为地表以下15cm，每个点位采集3个样品。所有的样品利用塑料密封袋封装后带回实验室，将部分样品置于阴凉通风处自然风干，在去除样品中的杂物之后，经过研磨过100目筛待用；部分沉积物样品则在冰箱中保存用于磷元素静态释放试验。

2.2 试验方法

试验样品中的有效磷采用氯化铵-盐酸浸提，钼蓝比色法测定[6]；全磷则采用Murphy在1962年提出的钼锑抗分光光度法测定；有机磷在烧灼后利用硫酸浸提；无机磷则采用Jackson和张守敬提出的连续浸提法测定[7]。

为了探究大伙房水库沉积物中的磷的静态释放特征，将水库中沉积物的样本作为试验中的释放底泥，在25℃的恒温实验室内模拟水库沉积物的释放环境，同时选取大伙房水库上游来水水样作为上覆水，在不同时期取样3次，测的其总磷含量分别为0.44、0.21和0.11mg/L，并以上覆水为蒸馏水作为对照。在磷释放达到平衡之后停止试验，测定样品中磷污染物的含量并进行分析。

针对大伙房水库沉积物对磷的吸附，研究中结合大伙房水库的实际情况，对低质量浓度梯度磷酸二氢钾溶液的条件下进行[8]。在试验过程中，首先在50mL离心管中加入0.5g试验样品，然后注入25mL磷酸二氢钾溶液和3滴氯仿作为试验中的抑菌剂。将离心管放入温度为25℃的恒温摇床振荡，直至吸附平衡，然后利用钼锑抗比色法对溶液中的磷含量进行测定。

3 试验结果与分析

3.1 库区不同土地利用方式磷污染特征

利用试验中获得的数据，获得不同土地利用方式磷污染物含量，见表1。由表中的数据可以看出，大伙房水库库区不同土地利用类型的磷污染物含量存在十分显著的差异，与土壤自然特征以及耕作使用特征之间具有较为密切的关系。其中，各种土地应用类型的TP(全磷)均值为451mg/kg，变异系数为36.9%；Olsen-P(有效磷)的均值为30.01mg/kg，变异系数为133.2%，存在十分明显的差异性。其中，农田和经济林的全磷和有效磷含量明显偏高，主要是上述两种土地使用类型属于农业生产类型，具有较大的施肥强度，造成大量的磷元素残留在土壤中，同时提改了土壤中残留磷向水库水体转移的风险。因此，控制耕地和经济林的施肥量，是控制内源性磷污染的有效措施。另一方面。不同土地利用类型不同磷形态的含量和比例也存在较大的差异，且均以无机磷为主，约占全磷含量的六成左右。其中，含量较高的为Al-P与Fe-P，其余类型含量较小；鉴于Al-P与Fe-P属于植物的有效磷源，而Oc-P、Ca-P相对稳定；不会对库区水体的磷浓度造成显著影响，而WS-P可直接进入水体，是大伙房水库水体中磷浓度的主要影响因素。从不同土地利用类型来看，耕地和经济林的WS-P较高，属于磷流失的重点控制区域。

3.2 库区沉积物磷污染特征

利用试验中获得的数据，获得不同采样点磷污染物含量，见表2。由表中的数据可以看出，水库库区沉积物各采样点的磷污染物含量存在较为明显的差异，且主要受到采样点位置的影响。例如，C1和C4点位的总磷含量较高，主要原因是C1点位位于水库的入库口，周边分布有大量的农田和经济林，土壤中的磷元素流失是造成该点位总磷含量较大的主因。C4点位则位于社河入库口附近，附近有较多的民居和农家乐，生活污水排放量相对较大而污水处理效果不理想，导致该点位的沉积物中磷含量偏高。由此可见，完善库区上游的污水处理系统极为必要。

表1 不同土地利用方式磷污染物含量试验结果

表2 不同采样点磷污染物含量试验结果

3.3 沉积物磷静态释放特征

根据试验数据，绘制出库区沉积物总磷静态释放特征，如图1所示。由图可以看出，上覆水为蒸馏水时，在静态释放初期，水体中的总磷呈现出微弱上升趋势，之后逐渐趋于平衡，水库库区的采样水体中总磷的含量则呈现出迅速降低然后小幅波动逐渐趋于稳定的变化特点。由此可见，当水体中磷元素含量较高时，会逐渐沉降蓄积在库区的底泥之中，如果上覆水的浓度较低，沉积物中的磷元素会向水体中释放，最终达到平衡状态。

图1 沉积物磷静态释放曲线

3.4 沉积物的磷吸附特征

为了进一步探明库区沉积物是否存在内源性磷污染，研究中在低浓度条件下进行沉积物磷吸附实验。以试验结果为基础，利用Linear模型对大伙房水库沉积物低浓度磷等温吸附进行拟合，结果见表3。从表中的结果可以看出，拟合结果的相关系数均在0.9以上，表明相关系数达到了显著水平。同时，沉积物的系数效率存在较为明显的差异，其中吸附效率最低的为C2点位，吸附效率最高的为C4点位。究其原因，可能与沉积物中磷元素的含量不同有关。表中的EPC0表示沉积物对磷的吸附和解吸平衡点，可以用来评价沉积物是磷源还是磷汇，是库区沉积物内源性磷污染释放风险的重要指标。一般来说，当上覆水的磷元素浓度大于这一指标时，水体中的磷会被沉积物吸收，否则，沉积物中的磷会向水体中释放。从大伙房水库的实际情况来

表3 Linear吸附模型拟合参数

看，库区水体中的总磷含量远高于沉积物的EPC0数值，因此沉积物对磷由吸附作用，暂时不会发生“二次污染”的风险。

4 结语

此次研究以采样试验的方式，对辽宁省大伙房水库库区土壤和沉积物的磷污染物分布特征进行分析，并对库区沉积物的磷吸附和释放潜力进行评估，结果显示库区土壤和水体中磷污染物与化肥使用和污水排放具有密切关系，是水体污染防治的重要方向。此外，水库沉积物中的磷元素处于吸附状态，近期内源性磷污染的风险相对较小。但是，水库沉积物的磷吸附和存储量是有限的，在持续输入的情况下迟早会饱和。因此，在库区管理中必须要加强水源地环保宣传和执法力度，引导全民参与水源地保护，保证大伙房水库的水质稳定以及输水工程的水质安全。