2.1 表层沉积物污染物含量、形态及分布差异
研究对象西北某小型水库南北两岸距离较短,但主沟道长达3 km,同时水库入流卧管与取水塔距离较远,库区水体流动性差,可能导致沉积物中污染物分布差异较大.表层沉积物中TOC、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N和AP含量分别为11.68 g/kg、0.46 g/kg、0.17 g/kg、32.20 mg/kg、66.90 mg/kg和13.08 mg/kg.通过计算变异系数发现TN变异系数为28%,TP为31%,NO-3-N为32%,说明氮磷营养盐在沉积物中分布并不均匀(表3).
表3 西北某小型水库表层沉积物中污染物含量
Tab.3 Distribution of pollutants in surface sediments of a small reservoir in Northwest China
沉积物中NH+4-N来源主要为有机物的氨化作用,因此,本研究中计算了S1至S4采样点NH+4-N占TN比例.结果显示这一比例在4个采样点为13%~16%,并没有因有机质含量的不同出现显著差异,说明该水库不同位置沉积物氨化水平相近.沉积物中NO-3-N是NH+4在硝化作用下转化而来,然而沉积物处于厌氧环境,硝化作用弱[12],导致NO-3-N所占比例仅为5%~10%.也正因此,在沉积物的还原条件下NH+4-N比NO-3-N的释放速率高,当NH+4释放至上覆水体后又会被氧化为NO-3-N[13-14].
图2 西北某小型水库沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)空间分布
Fig.2 Spatial distribution of total organic carbon(TOC),total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)in the sediments of a small reservoir in Northwest China
从图2可以看出,研究区域内表层沉积物中TOC含量接近,但氮、磷含量空间分布差异明显,且变化趋势相近.从坝前至引水塔TN与TP不断下降,又于库尾处急剧升高,反映出该小型水库沉积物受制于库区地形和运行管理方式,在库区内迁移较慢.此外,氮磷营养盐的分布规律相似能够从侧面说明此水库沉积物污染来源较为单一.
2.2 沉积物中营养物质比值
沉积物C/N与N/P是反映其污染来源的重要指标,研究表明,若C/N<10则有机质多为内源污染,C/N≈10时有机质内源与外源平衡,而C/N>10则有机质来自外源[15].这是因为高等植物、维管束陆生植物和陆生禾本科或莎草科植物的C/N比大于10,其中高等植物为14~23,维管束陆生植物通常大于20,陆生禾本科与莎草科则可高达45~50[10,16].由图3可知,西北某小型水库S1-S4采样点表层沉积物C/N分别为23.93、25.71、40.93和19.02,空间分布差异较大,且呈现出强烈的外源输入迹象.浮游植物在生长和衰亡过程会按一定比例吸收和释放氮、磷,这一比值约为16:1,若接近此值,表明沉积物主要为内源输入的污染[17].在对4个采样点做N/P分析可以发现该水库N/P在2.33~3.36波动,远小于16:1.说明外源有大量磷输入水库,这可能是由于该水库位于传统农灌地区,生活农业等污水排入所致.
图3 西北某小型水库表层沉积物中TOC/TN、TN/TP
Fig.3 TOC/TN and TN/TP in surface sediments of a small reservoir in Northwest China
2.3 沉积物污染评价
2.3.1 有机污染评价
有机污染指数法能定量评价湖库沉积物所受有机污染水平,因此,对4个采样点进行了有机污染和有机氮污染指数评价,评价结果如表4所示.由表4可知,西北某小型水库沉积物有机污染指数为0.035~0.080,均值为0.054,属于轻度污染.其中S2和S3采样点有机污染指数均小于0.05,评价结果为清洁.有机氮污染指数评价结果与有机污染指数评价结果略有不同,因为有机污染指数同时考虑有机碳和有机氮含量,而有机氮污染指数仅评价有机氮含量.从表中可以看出,有机氮污染指数范围为0.030~0.062,平均值0.044,亦属于轻度污染,但S2采样点有机氮污染指数评价为轻度污染,这说明S2采样点表层沉积物有机氮含量较高.
表4 西北某小型水库表层沉积物有机污染指数和有机氮污染指数评价结果
Tab.4 Evaluation of organic pollution index and organic nitrogen pollution index in surface sediments of a small reservoir in Northwest China
2.3.2 单因子污染指数和综合污染指数评价
有机污染评价虽能判断沉积物中有机污染程度,但并未考虑到沉积物中TP的影响.磷作为微生物生长繁殖的必要营养物质,在水体富营养化发展进程中起着至关重要的作用,因为部分浮游植物具有固氮功能,此时磷就成为藻类生长的限制因素.本研究采用单因子污染指数与综合污染指数进一步对沉积物污染做出评价,结果如表5所示.
表5 西北某小型水库表层沉积物单因子污染指数及综合污染指数评价
Tab.5 Evaluation of single factor pollution index and comprehensive pollution index of surface sediments of a small reservoir in Northwest China
单因子污染指数能较准确反应研究区域N、P营养物的污染情况.我国目前并未制定湖库沉积物TN、TP的污染评价标准,故选用加拿大安大略省所定标准.由表5可知,研究对象表层沉积物氮、磷单因子污染指数低,仅S4点总氮为轻度污染,其余各采样点均为清洁.结合氮、磷两种元素做综合污染指数评价后也仅S4点位轻度污染,其余采样点表层沉积物为清洁.
根据沉积物污染物含量与评价结果,该水库虽淤积严重,但有机质、氮、磷污染程度较轻,能够作为饮用水应急水源.但在水库运行管理中,应在有效控制外源输入污染的同时,尽量避免沉积物的内源释放.