净水技术 | 青草沙水库底泥营养盐污染特征及评价
青草沙水库是上海市重要的水源地之一，供水总规模为719万m3/d。青草沙水库位于长江口南北港分流口水域，含泥沙的江水进入水库后，由于流场的变化会产生泥沙沉降，逐渐形成底泥。底泥是碳、氮、磷等营养物质的重要聚集地，这些营养物质经过长期积累，成为水体潜在的内源性污染源，且在适当的条件下释放并进入水体，增加上层水的营养负荷，严重影响上覆水体质量。因此，研究沉积物中碳、氮、磷的含量及其分布特征对控制水体富营养化和生态系统状况具有重要的指导意义。本文主要对青草沙水库的底泥营养盐污染现状进行了分析与评价，以期为维护水库优良水质、优化水库管理和运行提供依据。
样品的采集与分析处理
2017年采用彼得逊采泥器分别在青草沙水库的入水口、垦区南北两岸、库中以及下游等采集库底表层(0～10 cm)底泥样品，采样点分布如图1所示。
每个点取样5 kg，采用洁净的密封袋封装，运回实验室后在4 °C下保存。样品经过混匀、自然风干、研磨、过筛后进行分析。
本文主要测定了底泥中总氮(TN)、总磷(TP)和有机碳(TOC)。TN选用重铬酸钾-硫酸消解法；TP选用欧洲标准委员会推荐的SMT法；TOC选用重铬酸钾法。每批样品均做空白，并用土壤标准物质(GBW07410)对样品氮磷分析质量进行控制，所用试剂为优级纯。
图1 采样点示意图
叶绿素测定：取样品10 g，加入90%丙酮溶液30 mL，静置8～10 h，以3 000 r/min离心10～15 min，将清液过滤至100 mL容量瓶中;另加90%的丙酮至离心管进行反复提取，最后定容，并利用紫外分光光度计进行测定。
底泥营养盐含量及分布特征
图2 青草沙水库底泥氮磷和有机碳空间分布
对青草沙水库底泥中的TN、TP及TOC浓度进行分析，如图2所示。底泥TN含量在620.6～1 915.0 mg/kg，TP含量在602.3～944.1 mg/kg。总体呈现库尾>库中>库首的分布特征。1#、2#的底泥氮、磷浓度明显要高于其他点位，TN含量分别为1 874.3 mg/kg和1 915.0 mg/kg，TP含量分别为944.1 mg/kg和924.7 mg/kg。相比之下，水库入水口的6#及12#氮磷浓度较低。12#的TN含量仅为620.6 mg/kg，TP含量为602.3 mg/kg。
青草沙水库底泥中的TOC含量在3.53～11.88 g/kg。通过空间分析发现，和氮、磷分布相同，有机碳同样呈现出库尾浓度较高的分布特征。库尾1#和2#点位的浓度分别为11.85 g/kg和11.88 g/kg。库首12#浓度最低，为3.53 g/kg。
底泥营养盐的这种分布特征主要与库内藻类沉降及水动力条件有关。水库目前采用上下游联动的措施进行水力调控。水库的引排水通过上下游的两个闸门完成，上游闸门70 m宽，在库外潮位高于库内水位时进行引水，下游闸20 m宽，在库外潮位低于库内水位时进行排水。下游闸门宽度较窄，致使排水时间相对较长，水库下游流速缓慢，这就使得死亡藻类会大量沉降于库尾的底泥中。
图3展示了水库不同点位底泥中叶绿素a的浓度。由图3可知，库中及库尾的1#～4#点位的叶绿素a浓度相对较高。由此也印证了以上观点，库内水动力条件引起的藻类沉降是造成库尾底泥氮、磷及TOC浓度较高的原因之一。
图3 青草沙水库底泥叶绿素a浓度空间分布
除此之外，由于水库垦区南侧通道内的水动力条件强于北侧库区，库外粒径较大的泥沙易淤积在12#点位，粒径较大的沉积物对氮、磷等的吸附能力差，故12#点位营养盐含量较低。
在上述基础上，利用碳氮比指标对青草沙水库沉积物的有机来源做了进一步的分析。生物种类不同，C/N也不同。高等植物C/N为14～23，水生生物为2.8～3.4，而浮游动植物平均值约6～13，藻类为5～14。相关资料表明，C/N愈大，陆源输入的有机质成分愈大，故可利用C /N定性判识沉积物中有机质的来源。
图4为青草沙水库不同点位的C/N，在5.75～7.07，且每个点位之间数值相差不大。这表明青草沙水库沉积物中的有机质多来源于藻类以及浮游动植物沉降，且其陆源输入的污染较少。
对青草沙水库沉积物的碳、氮、磷相关性进行分析，如图5所示。
由图5可知，水库底泥碳、氮、磷之间显著性相关，其线性方程如表1所示。
图4 青草沙水库底泥不同点位C/N比
图5 青草沙水库碳、氮、磷相关性
TN、TP与TOC的显著相关关系可以进一步说明，水库氮、磷在沉积行为上较为一致，其主要通过水生植物的残体沉积过程进入底泥中，而非外源输入。将水库的TN、TP含量与国内其他水域的沉积物氮、磷含量进行对比，如表2所示。
由表2可知，和其他湖泊相比，青草沙水库的TN含量相对较低，与太湖相接近。同时，青草沙水库TP含量处于中等水平，部分点位的TP浓度高于洞庭湖、洪泽湖以及鄱阳湖。将水库的有机碳含量与太湖周边水库沉积物有机碳含量进行对比，如表3所示。由表3可知，青草沙水库的有机碳含量要低于其他水库。
沉积物污染评价标准
目前，对浅水湖泊底泥的污染状况尚无统一的评价方法和标准，多用有机指数评价法。有机指数通常用作表征水体底质环境状况，具体计算方法如式(1)、式(2)。
OI=OC(%)×ON(%)
(1)
ON=TN(%)×0.95
(2)
其中：OI—有机污染指数；
OC—有机碳；
ON—有机氮；
TN—TN；
有机污染指数评价标准如表4所示。
通过对水库不同点位有机碳、氮浓度的分析，得出其有机污染程度如表5所示。
表5 青草沙水库沉积物有机污染程度分级
由表5可知，青草沙水库库尾2#点位的沉积物属于尚清洁区域，12#属于清洁区域，其他点位有机污染程度位于两者之间，属于较清洁区域，这和水库的整体情况较为符合。2#点位处于库尾，浮游植物沉积较多。12#处于上游垦区北侧，由于水流呈现北弱南强的特征，12#点水流较少，且为砂质底泥沉积，营养盐吸附能力较弱，有机污染较少。
结论
(1)青草沙库区TN含量为620.6～1 915.0 mg/kg，TP含量为602.3～944.1 mg/kg，总有机碳含量为3.53～11.88 g/kg。营养盐分布总体呈现库尾>库中>库首的特点。库尾1#、2#点位碳、氮、磷浓度最高，库首12#点位的浓度最低。
(2)青草沙库中及库尾的1#～4#点位底泥的叶绿素a浓度相对较高，这主要是库内水动力条件引起的藻类沉降造成。同时，该分布也与底泥营养盐分布特征相符。
(3)根据水库底泥C/N以及碳、氮、磷之间的相关性分析可知，青草沙水库沉积物中的有机质多来源于藻类以及浮游动植物沉降，其陆源输入的污染较少。
(4)根据有机污染指数评价法，青草沙水库库尾2#点位的沉积物属于尚清洁区域，12#属于清洁区域，其他点位有机的污染程度位于两者之间，属于较清洁区域。