宜昌市柏臨河表層沉積物營養(yǎng)鹽分布規(guī)律及污染評(píng)價(jià)

,, ，年洲

(長江水利委員會(huì)水文局 長江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

沉積物是湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既是大多數(shù)水生生物生存的主要場所[1]，也是營養(yǎng)鹽等無機(jī)物的“源”和“匯”[2]。氮磷是水生生物的主要生源要素[3]，對(duì)調(diào)節(jié)水質(zhì)具有關(guān)鍵影響作用。當(dāng)水體的環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，沉積物中的營養(yǎng)鹽會(huì)釋放到水體中，對(duì)水質(zhì)造成影響[4]。目前，眾多學(xué)者已對(duì)國內(nèi)外的湖泊、水庫、海洋和河口地區(qū)沉積物營養(yǎng)鹽的含量及其生物地球化學(xué)過程做過詳細(xì)的研究，但對(duì)于小流域污染現(xiàn)狀的研究還相對(duì)較少[5-7]。柏臨河是宜昌市主要河流之一，近年來已對(duì)河道進(jìn)行過多次治理，但效果并不明顯。研究柏臨河沉積物總磷總氮的分布規(guī)律和污染狀況可以為該流域治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

柏臨河屬長江左岸一級(jí)支流，發(fā)源于宜昌市夷陵區(qū)柏家坪，止于宜昌市伍家崗區(qū)臨江溪。柏臨河上游流經(jīng)夷陵區(qū)柏家坪村、羅家畈村等11個(gè)村，下游流經(jīng)伍家崗區(qū)南灣村、靈寶村等8個(gè)村，全長 59.3 km，流域面積478 km2，坡降10.5‰，流域形狀呈扇形，地貌為半高山山地和丘陵地帶。柏臨河共有4條主要支流: ①簡垱河，發(fā)源于鴉鵲嶺鎮(zhèn)海云村，全長27 km，流域面積 99.9 km2，夷陵區(qū)境內(nèi)約20 km；②牌坊河(又稱土門河)，發(fā)源于白廟村，全長17.3 km，流域面積 36.3 km2；③楊樹河，全長25 km，流域面積約41 km2；④ 院子河，河長17 km，流域面積38 km2。柏臨河多年平均降雨量為1 100 mm，蒸發(fā)量為1 280 mm。流域雨季為6～9月，在降雨分布上，具有地域與時(shí)段相對(duì)集中、強(qiáng)度不均的特點(diǎn)，常形成局部暴雨中心。河流水文特點(diǎn)是枯水期長，汛期短，枯水期流量小，洪水漲落迅速，且河口水位受長江水位頂托影響。近年來隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題也越來越突出，作為城市動(dòng)脈的河流則承受著來自四面八方的污染，隨著水流的作用，污染物發(fā)生遷移、擴(kuò)散、沉降等一系列物理化學(xué)變化。為了探究柏臨河污染的現(xiàn)狀，需對(duì)柏臨河沉積物進(jìn)行采樣分析。

采樣點(diǎn)分布情況如圖1所示，共設(shè)置采樣點(diǎn)19個(gè)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～19)，其中3，6，9，12，17，18，19號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在支流上。柏臨河沿岸從上到下已開發(fā)的集鎮(zhèn)有宋家咀、龍泉、土門、花艷及伍家崗區(qū)工業(yè)園等。

圖1 柏臨河流域采樣點(diǎn)分布示意

1.2 樣品采集與分析

2018年6月對(duì)柏臨河干流及主要支流進(jìn)行樣品采集。利用彼得森采泥器采集樣品，進(jìn)行現(xiàn)場分裝。柏臨河河道寬度和沉積物厚度測(cè)量表明，柏臨河主要干支流沉積物平均厚度約20 cm。用100 mL燒杯取3份表層沉積物樣品，現(xiàn)場稱重并記錄重量，再將樣品分別裝入聚乙烯自封袋中做好標(biāo)記；將剩余沉積物混合均勻，用100mL離心瓶收集約80 mL沉積物樣品；再取適量剩余樣品保存于聚乙烯自封袋帶中，排除空氣，密封保存，將所有處理好的樣品放入便攜式冷藏箱中，盡快送回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步分析處理。

在實(shí)驗(yàn)室里挑出雜物后，將樣品經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過80目篩用于總氮和總磷的測(cè)定。用鼓風(fēng)干燥箱110℃烘干沉積物樣品用于測(cè)定孔隙率和含水率；用高速冷凍離心機(jī)(CT18RT)離心沉積物樣品得到間隙水水樣，用實(shí)驗(yàn)室pH(雷磁pHSJ-4A)測(cè)其pH值。沉積物總氮(TN)采用半微量法測(cè)定；總磷(TP)用鉬銻抗比色法測(cè)定。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品測(cè)試3次，取平均值作為最終結(jié)果。

1.3 營養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)方法

采用單因素污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]，計(jì)算公式為

(1)

式中，PIi為第i種營養(yǎng)鹽的污染指數(shù)；ci為第i種營養(yǎng)鹽實(shí)測(cè)值；c0i為第i種營養(yǎng)鹽評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；PI為綜合污染指數(shù)。Wi為污染因子i的權(quán)重，本研究認(rèn)為所有污染因子的權(quán)重均相同。PI<0.5為清潔；0.5≤PI<1.0為表示有影響；1.0≤P<1.5表示受輕度污染；1.5≤PI<2.0表示受重污染；PI≥2.0表示受到嚴(yán)重污染[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化因子分析

由圖2可知，柏臨河表層沉積物孔隙率范圍為41.6%～91.6%，8號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙率最大；含水率范圍為22.7%～85.4%，3號(hào)測(cè)點(diǎn)含水率最大；孔隙率干流變化范圍較小，支流差異較大。3號(hào)測(cè)點(diǎn)為完全硬化的渠道，主要接受來自城市的生活污水，底質(zhì)呈懸濁狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)含量、含水率均較高。由圖3可知，柏臨河主要干支流間隙水pH值范圍為 7.33～8.16，呈弱堿性，5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值最大。pH值與孔隙率以及含水率呈負(fù)相關(guān)，孔隙率越小，間隙水與上覆水體之間的交換就越緩慢，溶解氧、氫離子等物質(zhì)的交換也可能越緩慢。

圖2 含水率及孔隙率分布

圖3 pH值分布

2.2 沉積物總磷含量及分布

柏臨河主要干支流沉積物總磷(TP)含量變化范圍234～2 136 mg/kg，平均含量為538 mg/kg，6號(hào)測(cè)點(diǎn)最高。按照金曉丹等[10]的研究，劃分TP對(duì)沉積物污染程度，柏臨河主要干支流上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有14個(gè)處于輕污染，4個(gè)處于中污染，1個(gè)處于重污染狀態(tài)，總體處于中污染狀態(tài)。長江河口水庫沉積物總磷含量為535.1～910.9 mg/kg;滇池平均含量2 266.2 mg/kg[11]；黃柏河流域西北口水庫、天福寺水庫和玄廟觀水庫沉積物TP含量分別為2 656.6 mg/kg，2 681.2 mg/kg,8 070.0 mg/kg[12]。柏臨河流域沉積物TP含量低于同地區(qū)黃柏河流域三大水庫，受外源污染的水平相對(duì)較低，但部分區(qū)域仍值得注意。

由圖4可知，柏臨河流域主要干支流各監(jiān)測(cè)點(diǎn)從上游至下游沉積物TP含量除個(gè)別點(diǎn)外均有小幅波動(dòng)的特點(diǎn)，這可能是受到河流上攔水壩的影響。各支流沉積物TP平均含量為694 mg/kg，干流沉積物TP平均含量為448 mg/kg，支流明顯高于干流。位于柏臨河中下游的8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是干流TP最大的點(diǎn)，此處河道較寬，水流較緩，沉積物大量淤積，可能有較多外源性磷的輸入。3號(hào)和6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于城鎮(zhèn)附近支流，河道多半已硬化，河道自凈能力較弱，沉積物TP含量較高，且高于干流各監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖4 沉積物總磷含量分布

圖5 沉積物總氮含量

2.3 沉積物總氮含量及分布

如圖5所示，沉積物TN含量變化范圍為703～5 837 mg/kg，平均值為2 155 mg/kg。3號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)沉積物TN含量較高，其他各測(cè)點(diǎn)TN之間的含量差異不大，各測(cè)點(diǎn)氮磷比在1.8～9.4之間，沉積物TN含量遠(yuǎn)高于TP含量。從圖5可以看出，TN從上游至下游變化較為明顯,同樣在3號(hào)、6號(hào)、8號(hào)具有較大值。支流TN平均值為2 594 mg/kg，干流TN平均值1 900 mg/kg，支流含量高于干流。8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是干流TN含量最高的點(diǎn)，3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是支流上TN含量最高的點(diǎn)。

2.4 理化因子與營養(yǎng)鹽的關(guān)系

由表1可知，柏臨河表層沉積物營養(yǎng)鹽含量中TP、TN與pH值為負(fù)相關(guān)關(guān)系，pH對(duì)沉積物內(nèi)源磷的釋放有著顯著影響[13～15]，與含水率和孔隙率呈正相關(guān)關(guān)系，TN與含水率和孔隙率的相關(guān)系數(shù)要高于TP，可能是因?yàn)門N含量受外源的影響更大，且含量更高。

表1 理化因子與營養(yǎng)鹽的相關(guān)性

2.5 營養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)

依據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部1992年制定的《沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》為標(biāo)準(zhǔn)，其中TN和TP能夠引起最低級(jí)別生態(tài)毒性效應(yīng)的含量分別為550 mg/kg和600 mg/kg[16]。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，柏臨河各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN含量均能引起最低級(jí)別生態(tài)毒性效應(yīng)；有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP能引起低級(jí)別生態(tài)毒性效應(yīng)；其余點(diǎn)處于安全水平，不會(huì)產(chǎn)生毒性效應(yīng)。由圖6可知，營養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)范圍0.9～6.2，58%以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于嚴(yán)重污染狀態(tài)，主要受氮污染的影響較大。

圖6 營養(yǎng)鹽綜合指數(shù)分布

3 討 論

不同生態(tài)系統(tǒng)類型的沉積物中，營養(yǎng)鹽含量存在較大的差異。柏臨河表層沉積物營養(yǎng)鹽的含量相對(duì)較高，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]。污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，柏臨河沉積物中TP的污染水平為清潔水平，TN的污染水平處于嚴(yán)重污染水平，營養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)處于嚴(yán)重污染，這主要是由于TN的影響較大。在進(jìn)行流域綜合污染治理時(shí)，去除TN是重點(diǎn)考慮的因素之一。多年來，由于柏臨河周邊地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、 人口數(shù)量的增加，入河染染物排放面臨日益增多的壓力，這可能導(dǎo)致河中沉積物營養(yǎng)鹽含量同樣面臨增加的風(fēng)險(xiǎn)。

柏臨河主要干支流TP、TN“源”與“匯”的關(guān)系以及TN和TP之間的變化關(guān)系還需進(jìn)一步的研究。支流的污染程度高于干流，主要是因?yàn)檫€未發(fā)生較大規(guī)模的降水徑流過程，沉積物暫時(shí)在支流留存。清淤可以在短期內(nèi)達(dá)到去除表層沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)、降低其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的目的[21-22]。但隨著時(shí)間的變化，河道又會(huì)重新淤積形成新的內(nèi)源污染。 在實(shí)施清淤工程以前，要對(duì)河道沉積物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)找出污染物和沉積物理化因子的關(guān)系，評(píng)價(jià)可能產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，最終提出科學(xué)合理的解決方案。

4 結(jié) 論

(1)柏臨河表層沉積物營養(yǎng)鹽分布規(guī)律明顯，上游至下游TP變化幅度較小，支流沉積物TP含量較高，干流沉積物TP含量相對(duì)較低。TN變化較大，支流沉積物平均含量高于干流。

(2)柏臨河TN含量較高，足以引起最低級(jí)別生態(tài)毒性，總體上已呈嚴(yán)重污染狀態(tài)，且支流污染程度高于干流。