引汉济渭工程水源地三河口水库沉积物与消落带污染特征及评价

冯运超，黄廷林，王 博，文 刚，王思汗，薛睿康

(1.中国电力工程顾问集团有限公司，北京 100032；2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安 710055；3.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西省环境工程重点实验室，陕西西安 710055；4.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710024)

作为水源地的湖库富营养化是我国水环境治理的关键问题[1]。在外源污染输入和内源污染释放的作用下，水中N、P等营养物质浓度升高，藻类暴发，给保障供水带来了巨大的挑战[2]。经过多年的环境治理以及民众环保意识的提高，外源污染得到了有效控制，但水体富营养化依然频频出现，主要原因在于内源污染[3]。

沉积物作为湖库污染的“源”和“汇”，对水体C、N、P浓度具有显著影响[4-5]。外源污染物随径流进入水库后，受水动力条件改变的影响，水中泥沙、动植物残体等悬浮污染物发生沉降，成为沉积物的一部分[6]。当水体富氧时，沉积物中污染物处于相对稳定状态，但当水体出现分层，底部水体厌氧时沉积物中有机质(OM)被分解为小分子的有机物、N、P等营养物质，并不断向上覆水扩散提高水体富营养化水平。同时，由于水库周期性调度，将形成大面积的消落带，其在受纳土地污染物的同时将在水位上升后成为水体污染物的“源”和“汇”。因此，探明湖库沉积物与消落带C、N、P的含量及分布能够为保障水质安全、改善水生态环境提供基础数据与理论支撑，具有重要意义。

三河口水库作为引汉济渭调水工程重要水源地及中枢调蓄的“水龙头”，其水质将直接影响关中受水区用水安全。目前尚无对三河口水库沉积物及消落带C、N、P污染含量及分布的研究。因此，本研究对其表层沉积物以及消落带污染状况进行了分析与评价，以期为三河口水库运行维护及水环境综合治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与样品采集

三河口水库(地理坐标为108.06°E～108.08°E, 33.35°N～33.36°N)位于汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界处，受纳椒溪河、蒲河与汶水河3条河流来水，总库容为7.1亿m3，调节库容为5.5亿m3，最大坝高为138.3 m。水库流域内四季分明、雨热同期，属于具有分层特征的大水深峡谷型水库。

2021年11月，在三河口水库布设8个沉积物采样点及8个消落带采样点，采样点位置如图1所示。其中，Z、J、P、W分别代表主库区、椒溪河、蒲河、汶水河采样点，C代表沉积物采样点，X代表消落带采样点。样品采集后放入聚乙烯自封袋中，于4 ℃下转运至实验室进行预处理。

图1 研究区域采样点布设图Fig.1 Sampling Points Distribution of Research Area

1.2 样品处理与分析测定

1.3 评价方法

沉积物污染评价方法众多，本文选择常用的单因子污染指数法、综合污染指数法、有机氮(ON)及有机(OI)污染指数法对沉积物与消落带污染情况加以评价。

1.3.1 单因子污染指数法与综合污染指数法

单因子污染指数法被广泛应用于环境评价领域[7]，但该方法只针对单一污染物，在一定程度上不能反映沉积物及消落带的整体污染水平。因此，在单因子污染评价的基础上，结合TN与TP两个指标进行综合污染指数评价。单因子污染指数与综合污染指数计算如式(1)～式(2)。

Si=Ci/Cs

(1)

(2)

其中：Si——第i项污染物单项指数；

Ci——第i项污染物的实测质量分数, mg/kg；

Cs——对应污染元素评价标准质量分数，mg/kg；

FF——综合污染指数；

Fmax——单项污染指数最大值。

TN评价标准值Cs为1 000 mg/kg，TP为420 mg/kg[8]。单因子污染指数及综合污染指数分级如表1所示[9]。

表1 沉积物及消落带综合污染评价标准[9]Tab.1 Evaluation Criteria for Comprehensive Pollution of Sediments and Fluctuation Belts[9]

1.3.2 OI污染指数和ON污染指数

综合污染指数法虽然考虑了整体污染水平，但忽略了OI指标的影响[10]，然而沉积物中OI含量巨大，氮素营养盐也以ON为主[11]，故本研究采用ON污染指数和OI污染指数来评价三河口水库沉积物及消落带有机污染程度。计算如式(3)～式(5)，其中TN及OM换算为1.0 g/kg=0.1%，评价标准如表2所示[11]。

ON=TN×95%

(3)

OC=OM/1.724

(4)

OI=ON×OC

(5)

表2 沉积物及消落带OI污染指数与ON污染指数评价标准[11]Tab.2 Evaluation Criteria for OI Pollution Index and ON Pollution Index of Sediments and Fluctuation Belts[11]

2 结果与讨论

2.1 污染物形态、含量及分布差异

图2 三河口水库沉积物及消落带中污染物含量Fig.2 Content of Pollutants in Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

消落带P含量及形态受水库调度的影响，在低水位期消落带露出水面，承接来自大气干湿沉降、径流冲刷携带的污染物，在高水位期消落带没于水中，根据消落带-水界面的浓度差及氧化还原环境吸附或释放污染物。AP作为消落带土壤中较易流失的磷形态，是造成水体富营养化的重要原因[12]。2021年11月三河口水库已度过汛期，水位开始下降，此时消落带露出水面不久，AP大量释放进入水体，导致消落带土壤中AP含量仅为沉积物中的1/4。

从图3可以清楚地看到，三河口水库沉积物及消落带中污染物分布存在差异。除汶水河与主库区TN外，越靠近下游大坝，沉积物样品中OM、TN和TP的含量越高，说明三河口水库污染物沉降及沉积物中污染物迁移规律在3条补给支流及主库区是相似的，越靠近下游水体紊动强度越低，富含OM、N、P的污染物越易沉降累积。消落带土壤样品污染物含量虽有差异，但规律并不显著。

图3 三河口水库沉积物及消落带OM、TN、TP空间分布Fig.3 Spatial Distribution of OM, TN and TP in Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

2.2 沉积物C/N、N/P特征

为进一步了解三河口水库沉积物中OM污染来源，计算了各沉积物样品的C/N与N/P。已有研究[13]结果表明，一般情况下水生生物、浮游动物的C/N<10，浮游植物与浮游藻类C/N为5～14，而高等植物、维管束陆生植物的C/N>10。因此，研究人员[14]将C/N作为判断OM污染来源的重要指标，该指标以10为界限，C/N<10表示内源污染占主导，C/N>10表示外源污染占主导，而C/N≈10表示内源与外源基本平衡。三河口水库JC1、PC1、WC1和ZC1点沉积物C/N均超过20，最大为28.244，呈现出强烈的外源污染输入特征，而其余采样点C/N则在2.722～6.640，表明这些采样点沉积物OM以内源输入为主[图4(a)]。这一结果可能是因为三河口水库蓄水时间短，蓄水后改变了原本河流水动力条件，使得下游库底新沉降的污染物越多，而上游则是蓄水前长期外源输入累积的污染物。

N/P在一定程度上可以反映出沉积物中P污染来源，因为浮游生物引起的内源污染N/P应该接近Redfield比(C∶N∶P=106∶16∶1)。三河口水库沉积物N/P为4.555～13.787，其中，JC2、WC1、WC2和ZC2的N/P超过10.00，说明这几个采样点有较强的内源P污染[图4(b)]。

图4 三河口水库沉积物C/N、N/PFig.4 C/N and N/P in Sediments in Sanhekou Reservoir

2.3 沉积物与消落带污染评价

三河口水库沉积物TN、TP单因子污染指数分别为1.002～2.827、0.310～0.738，消落带土壤TN、TP单因子污染指数为0.533～3.179、0.262～0.834(表3)。半数沉积物检测点的TN处于重度污染状态，3个检测点的沉积物TN处于轻度污染状态，沉积物TP整体处于清洁与轻度污染状态。从结果来看沉积物TN污染较为严重尤其是汶水河，WC1与WC2均为重度污染，而消落带土壤污染情况较轻。TN污染状态在超过一半的采样点为清洁，2个采样点为中度污染，TP同样以清洁和轻度污染为主，其中5个采样点TP单项污染评价为轻度污染。

表3 三河口水库沉积物及消落带单因子污染指数及综合污染指数评价Tab.3 Evaluation of Single Factor Pollution Index and Comprehensive Pollution Index of Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

三河口水库沉积物综合污染指数为0.851～2.350，均值约为1.623，呈现中度污染，其中超过1/3采样点为重度污染，同样以汶水河最为严重。消落带土壤综合污染指数在0.525～2.640，均值约为1.146，表现为轻度污染。

综合污染指数法虽然将TN、TP两个指标整合在一起对污染状态进行了评价，但并未将OM考虑在内，而沉积物与消落带土壤中OM不仅含量高，还影响了N、P的迁移转化，为使评价结果更客观真实，采用了ON污染指数及OI污染指数法进行评价，结果如表4所示。三河口水库沉积物与消落带土壤ON污染指数分别在0.095%～0.269%和0.051%～0.302%，均值分别约为0.184%和0.121%，属于重度污染和中度污染范畴。其中,5个沉积物采样点、3个消落带土壤采样点ON污染程度为重度，占总样品数的50%，分别是JC2、PC1、PX1、WC1、WC2、WX1、ZC2和ZX2，汶水河沉积物ON污染较为严重。OI污染指数在沉积物与消落带土壤中为0.025～1.170和0.037～1.372，均值分别约为0.328和0.404，为中度污染。OI污染指数评价在考虑了OM含量后与ON污染评价结果存在差异。JC2、WC2和ZC2在ON污染评价结果为重度污染的情况下，OI污染程度分别为轻度、中度和轻度污染。从这一结果来看，相比消落带，三河口水库沉积物中OM含量相对更低，与图2(a)一致。

表4 三河口水库沉积物与消落带ON污染指数及OI污染指数评价Tab.4 Evaluation of ON Pollution and OI Pollution Index in Sediments and Fluctuation Belts in Sanhekou Reservoir

3 结论

(2)沉积物样品的C/N与N/P分别是2.722～28.244和4.555～13.787，其中JC1、PC1、WC1和ZC1点沉积物C/N均超过20，表明沉积物污染以外源污染输入为主；而JC2、WC1、WC2和ZC2的N/P超过10，表明内源污染对沉积物P元素含量贡献较大。

(3)综合污染指数评价结果显示,三河口水库沉积物处于中度污染状态，消落带土壤为轻度污染；沉积物与消落带土壤平均ON污染程度分别为重度污染和中度污染，平均OI污染程度为中度。

(4)为保证水质及水生态环境维持在较高水平，应进一步探明三河口水库沉积物中各污染物释放条件和释放规律，后续可通过设置沉积物污染释放静态试验研究不同溶解氧、pH、氧化还原电位，以及利用灭菌和非灭菌体系研究不同条件下沉积物释放速率。