周子振1,黄廷林1,章武首2,马卫星1
(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院,710055 西安; 2.中国市政工程西北设计研究院有限公司,710075 西安)
摘要:
为探究水源水库污染物来源及水质变化规律，以九江市水源地柘林水库为研究对象，于2013年4月-2014年4月逐月对柘林水库进行水质监测.现场测定水温、溶解氧等指标，分层取样测定水体CODMn、TOC、TN、TP、Fe、Mn等水质指标.结果表明，柘林水库主要污染物来源为上游来水，其对CODMn、TN、TP贡献率分别达88.3%、76.2%和67.6%.在水体稳定分层期，底部水体CODMn、TOC、TN、TP、Fe、Mn质量浓度分别升高至3.8、2.4、1.12、0.14、0.42和0.34 mg/L；藻类计数及藻种鉴定结果表明，此时期主库区最大藻密度达2.25×106 L-1，以绿藻为主.水体混合后出现Mn质量浓度超标问题，达0.16 mg/L.
关键词: 柘林水库 污染物来源 水体分层 水质变化 藻类
DOI：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.016
分类号:X52
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金(51478378); 国家科技支撑计划项目(2012BAC04B02).
Pollution sources and the stratification effects on water quality of Zhelin Reservoir
ZHOU Zizhen1, HUANG Tinglin1, ZHANG Wushou2, MA Weixing1
(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, 710055 Xi’an, China; 2.Chinese Northwest Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., 710075 Xi’an, China)
Abstract:
To explore the pollutants sources and the water quality variation rules of the water source reservoirs, monthly monitoring of water quality from April 2013 to April 2014 was carried out in Zhelin Reservoir, which is the main water source of Jiujiang City. The dynamic variations of water temperature and DO concentrations were measured in situ, while CODMn, TOC, TN, TP, Fe and Mn were determined in the laboratory. The results showed that the main pollution source of Zhelin Reservoir was the upstream runoff, and its percentage contribution to the bulk pollutants was 88.3% for CODMn, 76.2% for TN and 67.6% for TP, respectively. During the stable stratification period, the maximum concentrations of CODMn, TOC, TN, TP, Fe and Mn in the bottom water reached 3.8, 2.4, 1.12, 0.14, 0.42 and 0.34 mg/L, respectively. The algae population and algal species identification results demonstrated that the maximum density of algae was 2.25×106 cells/L, in which green algae was predominated. However, during the mixing period, Mn concentration exceeded the drinking water standard.
Key words: Zhelin Reservoir pollutants source stratification water quality variations algae
周子振, 黄廷林, 章武首, 马卫星. 柘林水库污染物来源及水体分层对水质的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2016, 48(2): 93-99. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.016.
ZHOU Zizhen, HUANG Tinglin, ZHANG Wushou, MA Weixing. Pollution sources and the stratification effects on water quality of Zhelin Reservoir[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(2): 93-99. DOI: 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.016.
基金项目 国家自然科学基金（51478378）；国家科技支撑计划项目（2012BAC04B02） 作者简介 周子振(1989-), 男, 博士研究生;
黄廷林(1962-), 男, 教授, 博士生导师 通信作者 黄廷林, huangtinglin@xauat.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2014-10-12
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柘林水库污染物来源及水体分层对水质的影响
周子振1, 黄廷林1
, 章武首2, 马卫星1 1. 西安建筑科技大学 环境与市政工程学院, 710055 西安;
2. 中国市政工程西北设计研究院有限公司, 710075 西安
收稿日期: 2014-10-12
基金项目: 国家自然科学基金（51478378）；国家科技支撑计划项目（2012BAC04B02）
作者简介: 周子振(1989-), 男, 博士研究生;
黄廷林(1962-), 男, 教授, 博士生导师
通信作者: 黄廷林, huangtinglin@xauat.edu.cn
摘要: 为探究水源水库污染物来源及水质变化规律，以九江市水源地柘林水库为研究对象，于2013年4月-2014年4月逐月对柘林水库进行水质监测.现场测定水温、溶解氧等指标，分层取样测定水体CODMn、TOC、TN、TP、Fe、Mn等水质指标.结果表明，柘林水库主要污染物来源为上游来水，其对CODMn、TN、TP贡献率分别达88.3%、76.2%和67.6%.在水体稳定分层期，底部水体CODMn、TOC、TN、TP、Fe、Mn质量浓度分别升高至3.8、2.4、1.12、0.14、0.42和0.34 mg/L；藻类计数及藻种鉴定结果表明，此时期主库区最大藻密度达2.25×106 L-1，以绿藻为主.水体混合后出现Mn质量浓度超标问题，达0.16 mg/L.
关键词: 柘林水库 污染物来源 水体分层 水质变化 藻类
Pollution sources and the stratification effects on water quality of Zhelin Reservoir
ZHOU Zizhen1, HUANG Tinglin1
, ZHANG Wushou2, MA Weixing1 1. School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, 710055 Xi'an, China;
2. Chinese Northwest Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., 710075 Xi'an, China
Abstract: To explore the pollutants sources and the water quality variation rules of the water source reservoirs, monthly monitoring of water quality from April 2013 to April 2014 was carried out in Zhelin Reservoir, which is the main water source of Jiujiang City. The dynamic variations of water temperature and DO concentrations were measured in situ, while CODMn, TOC, TN, TP, Fe and Mn were determined in the laboratory. The results showed that the main pollution source of Zhelin Reservoir was the upstream runoff, and its percentage contribution to the bulk pollutants was 88.3% for CODMn, 76.2% for TN and 67.6% for TP, respectively. During the stable stratification period, the maximum concentrations of CODMn, TOC, TN, TP, Fe and Mn in the bottom water reached 3.8, 2.4, 1.12, 0.14, 0.42 and 0.34 mg/L, respectively. The algae population and algal species identification results demonstrated that the maximum density of algae was 2.25×106 cells/L, in which green algae was predominated. However, during the mixing period, Mn concentration exceeded the drinking water standard.
Keywords: Zhelin Reservoir pollutants source stratification water quality variations algae
近年来，湖泊、水库逐步成为大多数城市的饮用水水源地，随着国民经济的发展，湖泊水库的水质问题也越来越突出，如水体富营养化，水质季节性恶化等[1-4].一种观点认为过量的氮、磷输入是造成水体富营养化的主要原因[5-8]；也有人认为湖泊、水库的內源释放是造成水体富营养化的主要原因[9-10].研究湖泊、水库的污染物来源，有助于摸清水质变化规律.湖泊、水库的季节性分层会导致底部水体缺氧，而长期的厌氧环境会使沉积物向上覆水释放有机质、氮、磷、铁、锰等污染物，造成上覆水体水质恶化[11].因此，准确分析湖泊、水库的污染物来源以及水体分层对水质的影响有助于解决水体富营养化、水质季节性恶化等问题.本文研究了柘林水库污染物来源以及水体分层对水质的影响，以期为柘林水库水资源的合理利用提供理论支撑.
1 实验 1.1 研究区域柘林水库(又称“柘林湖”)位于江西省九江市境内，其地理坐标为东经115°04′~115°40′，北纬29°03′ ~ 29°18′(如图 1所示)，是江西省最大的蓄水工程，控制柘林大坝及以上流域面积9 340 km2，占修河流域面积的63.5%，多年平均入库流量255 m3/s.柘林大坝坝顶设计高程75 m(吴淞)，设计洪水位和死水位分别为71.3和50 m.柘林水库正常蓄水位65 m，相应库容50.2亿m3，水域面积308.2 km2；校核洪水位73.01 m，相应库容79.2亿m3，水域面积415.7 km2.平均水深45 m.
Figure 1
图 1 柘林水库位置及采样点布置 1.2 监测断面及检测方法于2013年4月—2014年4月逐月对柘林水库进行了水质监测.选取9个监测点(如图 1所示)，涵盖入库口、库区以及坝前出水口等区域.表层水样在水面以下0.2~0.5 m处采集，垂向采用深层采样器每隔5 m取样.水温、溶解氧等指标使用HACH Hydrolab DS-5型多功能水质分析仪现场测定；CODMn、TN、TP等采用《水与废水监测分析方法(第4版)》中规定的国家标准方法测定；TOC采用岛津总有机碳分析仪TOC-L测定；Fe、Mn使用优级纯硝酸酸化后经0.22 μm的膜过滤，用ICP-MS测定.将15 mL鲁哥试剂预先加入1 L的玻璃瓶中，采集水样后在实验室使用抽滤机经0.22 μm的膜抽滤.使用磁力搅拌器在低转速条件下将滤膜上藻类转移至25 mL比色管.使用0.1 mL计数框，在显微镜下进行计数及藻种鉴定.
2 污染物来源计算 2.1 上游来水柘林水库为河道型水库，最主要来水水源为修河.修河多年平均来水量为80.6×108 m3，丰水期、平水期、枯水期约占全年来水量的74%、16.8%、9.2%，根据2013—2014年逐月水质监测数据计算各时期修河来水CODMn、TN、TP质量浓度，结果如表 1所示.
表 1
表 1 柘林水库各期CODMn、TN、TP质量浓度 
表 1 柘林水库各期CODMn、TN、TP质量浓度
不同时期来流污染物质量浓度ρi与此时期入库径流量Qi的乘积即此时期入库污染物总量Wi，则根据[12]W=(ρ1×0.74+ρ2×0.168+ρ3×0.092)×Q可计算上游来水CODMn、N、P负荷以及各时期入库污染物所占比例，式中：W为入库污染物总量, ρi为不同时期入库污染物质量浓度, Q为年入库流量.结果如表 2所示.
表 2
表 2 柘林水库入库CODMn、TN、TP总量及各时期所占比例 
表 2 柘林水库入库CODMn、TN、TP总量及各时期所占比例
2.2 地表径流地表径流所携带的污染物与土地利用方式、农药化肥使用量、土壤坡度及类型、降雨强度等因素密切相关[13-15].柘林水库周边产生地表径流并直接汇入库区的区域有13个乡镇，共有土地106.47 km2.根据当地统计资料，化肥使用强度为47 097.6 kg/(km2·a)，且氮肥约占60%，磷肥约占40%；农药使用强度为4 859.8 kg/(km2·a)，以有机磷类为主；标准农田CODMn产生系数为14 999.3 kg/(km2·a)[16].氮肥流失率取6%，磷肥流失率取0.45%，农药磷流失率取8.48%[17-18].
综合修正系数K的计算[16]如下：1)坡度修正.土地坡度在25°以下，流失系数为1.0~1.2；25°以上，流失系数为1.2~1.5.柘林水库周边地势起伏较大，以山地为主，各流失系数按上限选取.周边25°以上坡耕地面积约占总耕地面积的75%，综合坡度修正系数为1.5×0.75+1.2×(1-0.75)=1.425.2)农作物类型修正.由于目前研究区域内没有此方面的研究和经验数据，农作物类型取1.0.3)土壤类型修正.柘林水库周边的土壤类型以红壤和黄壤为主，研究区域土壤修正系数取1.0.4)化肥施用量修正.化肥亩施用量在25 kg以下，修正系数取0.8~1.0；在25~35 kg，修正系数取1.0~1.2；在35 kg以上，修正系数取1.2~1.5.区域内的施肥水平较高，为47 097.6 kg/(km2·a)，故化肥施用量修正系数取1.0.5)降水量修正.柘林水库常年平均降雨量为1 506 mm，雨水充沛，且主要作物的施肥季节与降雨季节重合，故化肥、农药的流失率较高，本研究降水系数取1.4.
综合修正系数
式中：W为污染物排放总量, S为总土地面积, P为农药化肥使用强度或标准农田CODMn产生系数, c为流失率, K为综合修正系数.
计算得
2.3 內源释放研究表明[19-20]，国内部分湖、库内源污染严重，內源污染物释放比重逐步升高.从4月份水体分层逐步开始，到8月份已经有个别监测点底部水体DO质量浓度低于0.5 mg/L.柘林水库水面面积308 km2，武宁县水域水深较浅约15 m，永修县水域水深较大，坝前水深达45 m；柘林水库存在较大区域的水体稳定分层，深水水域自9月份开始底部水体进入厌氧状态，DO质量浓度小于0.5 mg/L，直到次年1月份水体开始混合之后才结束厌氧状态，沉积物厌氧释放结束.
采用实验室模拟方法计算柘林水库沉积物最大释放量.沉积物取自柘林水库坝前区域，上覆水即柘林水库原水；泥水按1:3的比例放入10 L棕色玻璃反应器(沉积物厚度约15 cm，上覆水厚度约45 cm，直径16 cm)；反应器密封，下部留有取水口，置于8 ℃恒温培养箱中.在此状态下隔天测定上覆水中DO、ORP、TN、TP、NH4-N等指标，CODMn每周测定一次.结果表明：反应进行至20 d左右DO开始小于1 mg/L，进行至60 d左右各污染物质量浓度释放量达到最大.使用网格法计算柘林水库深水区域面积约138.6 km2，释放时间按60 d计算.
则模拟实验平均释放通量
水库污染物释放估算量
式中：ρ0为污染物初始质量浓度，ρ1为最大释放质量浓度，s0为反应器截面积，d0为实验进行时间，s为柘林水库释放区域面积，d为释放时间.计算结果如表 3所示.
表 3
表 3 柘林水库沉积物实验室模拟计算结果 
表 3 柘林水库沉积物实验室模拟计算结果
2.4 大气沉降气溶胶及酸性物质在重力作用下直接沉降到地面的干沉降和大气中的各种粒子在降雨过程中降到地面的湿沉降共同构成大气沉降[21].江西地区大气氮沉降总量取6.26 g/(m2·a) [22]，大气磷沉降总量取0.198 g/(m2·a)[23]，则
2.5 生物固氮作用根据孙寓娇等[24]的研究，结合柘林水库富营养化水平，生物固氮速率取0.172 nmol/(m3·d)，生物固氮产生的总氮量
生物固氮作用增加的氮仅为8.8 kg /a，远低于其他来源，本文忽略不计.
对柘林水库污染物年入库量进行统计，结果如表 4所示.柘林水库CODMn、TN、TP输入负荷分别为27.520×103、9.659×103和0.519×103 t/a；CODMn输入负荷顺序为：上游来水>地表径流>內源释放；TN输入负荷顺序为：上游来水>大气沉降>地表径流>內源释放；TP输入负荷顺序为：上游来水>地表径流>大气沉降>內源释放.3种污染物的主要来源为上游来水，其贡献率均在65%以上，上游来水对CODMn的贡献率甚至达88.3%.
表 4
表 4 柘林水库污染物负荷及其所占比例 
表 4 柘林水库污染物负荷及其所占比例
3 水体分层对水质的影响判断水库水温分层类型一般采用α指标法，即
α=入库总流量/总库容.
当α＜10时，为稳定分层型；当α＞20时，为完全混合型[25].
柘林水库多年平均流量255 m3/s，正常蓄水库容为50.2亿m3，所以，柘林水库的α=1.6＜10，属于稳定分层型水库.
3.1 水温、溶解氧变化特征柘林水库坝前水深42 m，水深较大.图 2(a)、(b)表明：在水体分层时期(4—12月份)，水体表层与底层温差较大(最大达22 ℃)，且随着水深的增加水体DO质量浓度逐步降低.而表层水体在大气复氧和藻类光合作用下，DO质量浓度一直维持在9 mg/L左右.水体分层形成期(4—7月份)，底部水体DO质量浓度不断被沉积物、水中有机质降解等消耗而又缺乏相应的复氧机制，DO质量浓度逐步降低；水体分层稳定期(8—11月份)，温差进一步扩大，底部水体进入厌氧状态，9月份底部水体DO降至0 mg/L，沉积物开始释放，上覆水开始恶化[26].水体分层消亡期(12月份)，水体底部仍处于厌氧状态，但温差已小于8 ℃.
Figure 2
图 2 柘林水库水温与溶解氧动态变化 水体混合期(1—3月份)，水体各水质指标垂向趋于一致；1月份垂向DO质量浓度达到当地气温条件下的饱和水平8.6 mg/L，随着气温的进一步降低以及光照强度的减弱，水温进一步降低，2月份氧在水中的溶解度进一步变大，水体垂向DO质量浓度进一步升高至10.6 mg/L.
3.2 有机物变化特征有机物反映的是水体的综合污染特征，柘林水库CODMn和TOC监测结果如图 3所示，CODMn和TOC均表现出在分层期质量浓度较大而混合期质量浓度较小的特征.分层稳定期CODMn和TOC的最大质量浓度分别达3.8和2.4 mg/L；混合时期，CODMn和TOC的最小质量浓度分别为1.9和1.5 mg/L.
Figure 3
图 3 柘林水库不同水层CODMn和TOC月际动态变化 分层形成期伴随着底部水体CODMn和TOC逐步升高.在分层稳定期，进入9月份柘林水库底部DO已衰减至0 mg/L，沉积物向水体释放有机物导致底部水体CODMn和TOC升高，CODMn最高值达3.8 mg/L.在夏、秋季节藻类繁殖旺盛，表层水体有机物含量也处于较高水平，尤其是9月份柘林水库表层水体TOC质量浓度要高于中部和底部水体0.6 mg/L左右.
3.3 氮、磷营养盐变化特征如图 4(a)、(b)所示，全年TN、TP质量浓度最大值分别为1.30和0.14 mg/L；TN最大质量浓度出现在柘林水库汛期6月份，大量径流携带污染物进入水体，导致水体污染负荷升高；在汛期TP质量浓度也升高至0.053 mg/L.
Figure 4
图 4 柘林水库氮、磷、铁、锰动态变化 但在分层稳定期，随着水库底部厌氧区域的出现以及厌氧时间的延长，沉积物中不同形态氮、磷污染物向上覆水体释放，直至水体混合之前，TN、TP才达到最大质量浓度1.12和0.14 mg/L.TN释放强度较小，这是由于坝前深水区域氮素污染程度较轻的缘故，实验室模拟实验TN释放极值也仅达1.50 mg/L.次年1月份水体发生混合之后，TN、TP质量浓度降至最低，分别在0.40和0.01 mg/L左右.可见，在雨水较少、寒冷的冬季水库水质较好[27].
3.4 金属变化特征Fe、Mn属于较活泼的金属元素，水体底部氧化还原环境的改变极易造成沉积物、水界面的Fe、Mn迁移转化[28].如图 4(c)、(d)所示，全年Fe、Mn最大质量浓度分别达0.42和0.34 mg/L，均发生在分层稳定期底部水体；水体混合之后Fe、Mn质量浓度降至0.1和0.16 mg/L左右.
8月份之前，水体Fe、Mn一直处于较低水平(Fe、Mn质量浓度均小于0.1 mg/L)，水体处于富氧状态，此时Fe、Mn不断沉淀、富集在沉积物表面；进入水体分层稳定期之后，底部水体进入厌氧状态，Fe、Mn质量浓度开始升高，且分别出现超标现象.此时局部对流开始削弱温跃层的传质阻碍，中部水体Fe、Mn也有所升高；1月份水体混合之后，Fe处于较低水平，Mn则处于超标状态(《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》规定，集中式生活饮用水地表水源铁、锰标准限值分别为0.3和0.1 mg/L).
3.5 藻类变化特征藻类的生长与光照强度、水温以及营养盐关系密切[29-30]，藻类的大量繁殖对水质恶化影响显著[31-33].柘林水库主库区表层水体藻类鉴定结果如图 5所示.水体分层形成期，藻类繁殖速率较慢，其密度维持在0.5×106 L-1左右；硅藻所占比例逐步降低，由6月份的42%降至11月份的14.8%.水体分层稳定期藻密度较高，最大达2.25×106 L-1，这一时期优势藻种为绿藻，比例达78%.进入12月份，表层水温降低，藻密度明显减少.在混合期，藻密度已不足0.3×106 L-1，硅藻所占比例开始逐步升高，达42.3%.
Figure 5
图 5 柘林水库藻密度及藻种动态变化 稳定分层期是藻类数目全年最高时期.文献[34]表明，当水体TN达0.2 mg/L、TP达0.02 mg/L时，水体可能发生藻类过量繁殖；而稳定分层期也是水体TN、TP质量浓度最高的时期.柘林湖TN、TP均值分别为0.79和0.048 mg/L，属于中营养型，TN与TP比适中，氮磷比是藻类生长高峰的主导因素[35].
4 结论与建议1) 柘林水库的主要污染来源为上游来水，其中CODMn、TN、TP对污染物总量的贡献率分别达88.3%、76.2%和67.6%.
2) 柘林水库为大水深分层型水库，深水区域底部水体在8月份即进入厌氧状态.稳定分层期，CODMn、TOC、TN和TP最大释放强度分别达3.80、2.35、1.12和0.14 mg/L；Fe、Mn最大释放强度分别为0.44和0.34 mg/L；最大藻密度达2.25×106L-1，以绿藻为主.
3) 柘林水库在1月份开始混合，CODMn、TOC、TN、TP、Fe质量浓度有所降低，水质较好，但Mn出现了超标现象，质量浓度为0.16 mg/L.
4) 针对柘林水库内源污染状况，建议采用新型水源水质原位改善技术——扬水曝气技术[35]，对柘林水库底部水体进行充氧并破坏水体分层，抑制水库内源污染释放.
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