李 平，陳 強(qiáng)，王 婷，龔 健，商 栩

（溫州醫(yī)科大學(xué) 環(huán)境與衛(wèi)生學(xué)院，浙江 溫州 325035）

溫州飲用水源地珊溪水庫(kù)水質(zhì)的時(shí)空分析

李 平，陳 強(qiáng)，王 婷，龔 健，商 栩*

（溫州醫(yī)科大學(xué) 環(huán)境與衛(wèi)生學(xué)院，浙江 溫州 325035）

在一年時(shí)間內(nèi)對(duì)珊溪水庫(kù)水質(zhì)在重點(diǎn)支流的水平和垂直方向上的分布狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析庫(kù)區(qū)水體水質(zhì)的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，珊溪水庫(kù)主庫(kù)水體氮的季節(jié)分布特征明顯，春秋季含量高于夏冬季，磷元素含量在不同季節(jié)變化不大。水庫(kù)水質(zhì)隨氣象水文條件的垂直分布研究表明，主庫(kù)40～50m水體長(zhǎng)期存在熱分層現(xiàn)象，且常年處于缺氧狀況。庫(kù)底水體及沉積物中的缺氧、厭氧環(huán)境有利于有機(jī)物的厭氧分解，并在底層水體中累積形成高于表層水體的氮、磷濃度。水庫(kù)主庫(kù)30m以上水體在秋冬季又會(huì)發(fā)生垂直水層間的傳質(zhì)交換，可以改變氮、磷轉(zhuǎn)化途徑，也可能將底層水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶至表層，誘發(fā)藻華。

珊溪水庫(kù)；時(shí)空變化；熱分層；垂直交換

近年來，多數(shù)城市主要供水水源湖庫(kù)的水質(zhì)問題已顯現(xiàn)［1］，其中水體富營(yíng)養(yǎng)化是最突出的問題之一。水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)造成水生生物大量死亡、水質(zhì)惡化、發(fā)腥發(fā)臭等［1］，并且對(duì)人類和生態(tài)健康都存在潛在的威脅［2］。飲用型水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)源來源分析一直都是學(xué)術(shù)界和管理部門的關(guān)注重點(diǎn)，然而長(zhǎng)期以來水庫(kù)水源地的污染研究多集中于工農(nóng)業(yè)和生活畜禽養(yǎng)殖等方面［3-6］，而對(duì)于內(nèi)源釋放來源污染的研究相對(duì)較少。內(nèi)源釋放方面的研究大多關(guān)注水—沉積物界面上的氮、磷吸附解吸行為［7-14］，對(duì)底層厭氧水體中釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能否及如何影響上層水質(zhì)了解不多。

珊溪水庫(kù)是溫州市最大的供水水源，它控制著溫州地區(qū)將近80%的水資源，被溫州人民譽(yù)為“大水缸”。近幾年來水庫(kù)水質(zhì)呈下降趨勢(shì)，曾出現(xiàn)藍(lán)藻水華等富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，常發(fā)生季節(jié)性的水質(zhì)惡化事件。作為一個(gè)河道型水庫(kù)，珊溪水庫(kù)受到水庫(kù)地形地貌和子匯水區(qū)情況差異等的影響，其水體中各種水溶性和不溶性物質(zhì)的時(shí)空分布必然很不均勻，現(xiàn)有的少數(shù)固定點(diǎn)表層水質(zhì)數(shù)據(jù)難以充分反映水中污染物的分布狀況。特別是作為一個(gè)最大水深超過百米的深水水庫(kù)，不僅其水質(zhì)的水平分布呈現(xiàn)區(qū)域差異，在垂直方向上的水質(zhì)分布差異必然客觀存在。河道型深水水庫(kù)這種立體的水質(zhì)分布特征不僅是各種水環(huán)境要素以及不同來源污染物入庫(kù)的結(jié)果，更是各種物質(zhì)經(jīng)過生物地球化學(xué)循環(huán)過程作用的結(jié)果。本文在對(duì)珊溪水庫(kù)水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，新增對(duì)水質(zhì)的垂直空間分布狀況以及各種水文條件的測(cè)定，從而更加全面地了解不同污染來源對(duì)珊溪水庫(kù)水質(zhì)的影響的貢獻(xiàn)大小，為水庫(kù)水質(zhì)的模擬和預(yù)測(cè)乃至整個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建提供依據(jù)，為今后珊溪水庫(kù)全流域的科學(xué)管理、治理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

珊溪水庫(kù)位于溫州市文成縣境內(nèi)的飛云江干流中游河段，全流域面積3252km2，距溫州市區(qū)117km，距文成縣城28km。如圖1所示，珊溪水庫(kù)采樣點(diǎn)包括黃坦坑上 （A1）、中 （A2）、下 （A 3）游，雙板橋上游 （A4）和雙板橋下游 （A5）共5個(gè)固定點(diǎn)。

1.2 樣品采集

庫(kù)區(qū)垂向水質(zhì)樣品分別于表層 （0～0.2m），以及用Niskin分層采水器在水體中層 （5～10m，此為葉綠素及溶解氧最大層）、底層 （支流上游30m，中游50～60m，下游及主庫(kù)70m）采集，水樣采集后滴加1～2滴飽和HgCl2固定，4h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)分析。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置

1.3 分析方法

水樣的在線監(jiān)測(cè)通過美國(guó)YSI公司6920V2型多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)完成。該水質(zhì)分析儀最大使用深度可達(dá)200m，但受限于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸線纜長(zhǎng)度 （約61m），實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的最大深度約為60m。YSI-6920V2所能監(jiān)測(cè)的水環(huán)境指標(biāo)包括水溫、溶解氧、銨態(tài)氮等。所有探頭傳感器均每月在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)參比校準(zhǔn)，以保障在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。理化指標(biāo)均按國(guó)標(biāo)方法測(cè)定。硝態(tài)氮采用紫外分光光度法，銨態(tài)氮采用納氏試劑比色法，總磷 （TP）采用鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 珊溪水庫(kù)典型水體水質(zhì)的季節(jié)分布特征

2.1.1 銨態(tài)氮

珊溪水庫(kù)的水質(zhì)呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化，且這種變化很大程度上受降水量的調(diào)控。各站位水體中銨態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)兩個(gè)高峰，分別出現(xiàn)在春、秋兩季 （圖2）。各監(jiān)測(cè)站位表、中層銨態(tài)氮均在5月出現(xiàn)最高值，但底層銨態(tài)氮最大值出現(xiàn)的月份則有所不同，黃坦坑中游的底層銨態(tài)氮最大值出現(xiàn)在11月。夏季的水體銨態(tài)氮含量低谷主要反映了進(jìn)一步降雨的稀釋作用及浮游植物吸收利用的消耗，冬季的銨態(tài)氮低谷則主要是由于降雨減少造成的外源輸入減少所致。

圖2 銨態(tài)氮的季節(jié)分布特征

2.1.2 總氮

相比銨態(tài)氮顯著的年度波動(dòng)，水體中總氮的濃度變化趨勢(shì)相對(duì)較緩，在春末夏初的5，6月達(dá)到最大，之后逐步下降，至冬季達(dá)到最低值（圖3）。這種差異一方面是由于春夏之交水庫(kù)從降雨及其形成的地表徑流輸入的氮含量增高，從而使得總氮含量最高峰出現(xiàn)在5—6月。另一方面，由于夏、秋季庫(kù)區(qū)高的水溫和日照輻射，導(dǎo)致水體浮游植物數(shù)量一直維持在較高的水平，在其產(chǎn)出的大量溶解氧參與下，大部分氮素以硝化狀態(tài)呈現(xiàn)，從而表現(xiàn)為夏、秋季水體中銨態(tài)氮很低、總氮相對(duì)下降不明顯的特征。此外，總氮的組成中除了有銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等無機(jī)氮的存在，還有相當(dāng)部分是以溶解態(tài)有機(jī)氮的形式存在。而溶解態(tài)有機(jī)氮主要為浮游植物釋放和分解產(chǎn)物，因此在春夏季浮游植物生長(zhǎng)旺盛的時(shí)期，其產(chǎn)出溶解態(tài)有機(jī)氮量也較多，也使得水體總氮含量相對(duì)銨態(tài)氮而言較為穩(wěn)定。

圖3 總氮的季節(jié)分布特征

2.1.3 總磷

磷的季節(jié)分布特征與銨態(tài)氮和總氮都有很大不同，水體中磷的濃度與溫度、降雨等氣候現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)不大 （圖4）。表層、中層和底層水體中總磷含量的季節(jié)變化趨勢(shì)均有所差異，反映了表、中、底層水體中磷的來源及代謝行為可能存在差異。

圖4 總磷的季節(jié)分布特征

總體而言，氮、磷元素在珊溪水庫(kù)不同調(diào)查站位的季節(jié)分布特征不一致，其中氮元素所呈現(xiàn)出的雙峰型的年度分布模式與降雨及夏季藻類生長(zhǎng)旺盛期間參與的生物地球化學(xué)循環(huán)有關(guān)。春夏之交的降雨形成的地表徑流能夠?qū)⒋罅康獛霂?kù)區(qū)水體中，形成了水體中氮素的第一個(gè)高峰。隨后在夏秋季的高溫多雨季節(jié)中，雖然降雨仍將地面、大氣中的氮素帶入水體，但浮游植物在此期間旺盛生長(zhǎng)，大量消耗水體所接受的氮元素，可能是造成此時(shí)期氮素特別是銨態(tài)氮濃度顯著下降的主要原因。水體中磷元素的年際波動(dòng)更為復(fù)雜，可能是磷的來源更為多樣且水體中磷的含量較低，易受水體浮游植物利用等因素影響所致。

2.2 珊溪水庫(kù)典型水體水質(zhì)的空間分布特征

珊溪水庫(kù)的地形地貌特點(diǎn)，導(dǎo)致了水庫(kù)的水質(zhì)分布呈現(xiàn)出典型的水平和垂直方向上的差異，且這2種差異間存在高度關(guān)聯(lián)，并在不同季節(jié)隨氣象、水文條件的不同，不同站位的水質(zhì)垂直分布也發(fā)生相應(yīng)的變化，因此根據(jù)調(diào)查期間不同季節(jié)的典型月份及條件對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的空間分布特征加以解析。

2.2.1 夏季庫(kù)區(qū)水質(zhì)的空間分布

夏季的水溫隨深度增大平穩(wěn)下降，從表層的30℃逐漸下降到底層的12.4～20℃，其中主庫(kù)深度較深，水溫較低；支流上游深度較淺，水溫較高（圖5）。其中2條支流上游與中、下游水體的水溫整體垂直分布特征不同，但若從相同深度的比較來看，各站位在30m以內(nèi)由表向底的水溫下降曲線比較相似，表現(xiàn)為表層10m內(nèi)水溫下降較快，10～20m水溫下降速度放緩，20～30m水溫下降又加快。在較深的站位，當(dāng)水深大于30m以后，出現(xiàn)一個(gè)明顯的溫躍層，在2～5m的水溫從20℃左右快速下降到12℃左右。溫躍層以下水溫變化幅度很小，表明此時(shí)該層以下水體較為穩(wěn)定，與上層水體的熱交換被阻隔。在水深30～40m的地方，有明顯的熱分層現(xiàn)象。

圖5 夏季珊溪水庫(kù)各站位水體溫度的垂直分布

夏季表層水體的溶解氧含量很高，其飽和度可達(dá)150%。但在水面3～5m深度，溶解氧濃度也開始迅速下降。其中支流上、中游站位水體溶解氧飽和度持續(xù)下降至低于20%甚至低于5%，所對(duì)應(yīng)的溶解氧濃度低至0.4mg·L-1，底層水體已呈缺氧狀態(tài)。即便在水面相對(duì)開闊，水深較大的支流下游斷面，水體溶解氧含量隨深度增大的下降幅度雖然較小，但部分站位底層水體溶解氧濃度仍低于2mg·L-1（圖6）。

圖6 夏季珊溪水庫(kù)各站位水體溶解氧飽和度的垂直分布

從夏季庫(kù)區(qū)水體銨態(tài)氮的垂直分布情況來看，表層較高，隨深度增加而逐步下降 （圖7）。值得關(guān)注的是，雖然各站位表層水體銨態(tài)氮濃度差異不大，但支流上、中游底層的銨態(tài)氮濃度均高于下游入庫(kù)斷面底層，顯示了在較淺水體中沉積物內(nèi)源釋放的貢獻(xiàn)。

圖7 夏季珊溪水庫(kù)各站位水體銨態(tài)氮濃度的垂直分布

珊溪水庫(kù)在夏季水深超過30～40m，有明顯的熱分層現(xiàn)象，而且支流的上游、中游底層溶解氧含量接近零，下游底層溶解氧含量稍高，但也不超過2mg·L-1。銨態(tài)氮濃度卻是上、中游高于下游入庫(kù)斷面底層，這足以說明在熱分層時(shí)期，水深的增加限制了氧傳質(zhì)效能以及上下層銨態(tài)氮的交換，再加上水體、底泥的耗氧，使得底層溶解氧含量降低，溶解氧含量越低，接近于厭氧環(huán)境更有利于沉積物的釋放，使得上、中游的銨態(tài)氮濃度高于下游。

2.2.2 秋季庫(kù)區(qū)水質(zhì)的空間分布

如圖8所示，支流上游未出現(xiàn)溫躍層，但在支流中下游和主庫(kù)水深較大的水域，在40～50m深度處出現(xiàn)明顯的溫躍層。

圖8 秋季珊溪水庫(kù)各站位水溫的垂直分布

秋季水庫(kù)支流上游水體表底層溶解氧含量變化較小，與夏季的一個(gè)很大差別是此時(shí)支流上游底層水體溶解氧含量較高，打破了夏季水底的缺氧狀態(tài)。但在支流中、下游斷面，伴隨溫躍層出現(xiàn)了極為顯著的 “氧”躍層，在5m的深度跨度上溶解氧飽和濃度從75%快速下降到不足5%。

從圖9可以看出，躍層之下的水體處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài)。

圖9 秋季珊溪水庫(kù)各站位水體溶解氧飽和度的垂直分布

秋季黃坦坑上游0～5m的銨態(tài)氮濃度略有變化，可能由人類活動(dòng)引起，其余區(qū)域的銨態(tài)氮濃度不隨深度的增加而變化。在黃坦坑中游發(fā)現(xiàn)了溫躍層以下水體銨態(tài)氮含量增高的現(xiàn)象，可能是缺氧條件下有機(jī)質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生銨態(tài)氮的體現(xiàn)（圖10）。

圖10 秋季珊溪水庫(kù)各站位水體銨態(tài)氮濃度的垂直分布

秋季珊溪水庫(kù)中、下游呈現(xiàn)出了明顯的溫躍層，伴隨了所謂的 “氧”躍層和銨態(tài)氮濃度增大的現(xiàn)象。在上游水溫、溶解氧變化都不大，而且底層溶解氧含量很高，銨態(tài)氮濃度也基本上不隨深度的增加而變化，這足以說明在上游發(fā)生了水體的交換，而由于深度的影響，在中、下游難以發(fā)生上下的交換，表明秋季珊溪水庫(kù)只能在較淺的地方發(fā)生垂向水層間的傳質(zhì)交換，較難發(fā)生整體的 “翻庫(kù)”現(xiàn)象。

2.2.3 冬季庫(kù)區(qū)水質(zhì)的空間分布

冬季水庫(kù)上游中的水溫基本保持不變，中、下游水庫(kù)中的溫躍層繼續(xù)發(fā)生變化，同時(shí)在支流下游溫躍層的深度跨度也加大了，達(dá)到20～30m（圖11）。

圖11 冬季珊溪水庫(kù)各站位水溫的垂直分布

上游溶解氧濃度上下層之間基本不變，底層水體的氧飽和度超過80%。但在中、下游斷面，底層水體缺氧嚴(yán)重。（圖12）。

和秋季類似，在黃坦坑中游斷面觀測(cè)到底層銨態(tài)氮含量的增加，進(jìn)一步表明此斷面底層銨態(tài)氮的產(chǎn)出和釋放 （圖13）。

圖12 冬季珊溪水庫(kù)各站位水體溶解氧飽和度的垂直分布

圖13 冬季珊溪水庫(kù)各站位水體銨態(tài)氮濃度的垂直分布

冬季與秋季的變化相似，上游發(fā)生水體的交換。

中、下游由于冬季季節(jié)氣溫較低，與水庫(kù)底層溫度差不多，因此上下層的溫差不大，有不明顯的溫躍層，有明顯的 “氧躍層”，并且中游底層銨態(tài)氮含量增加，說明中下游沒有發(fā)生上下層的交換。

3 小結(jié)與討論

珊溪水庫(kù)氮、磷元素在不同調(diào)查站位的季節(jié)分布特征不一致，其中春秋季氮元素含量高于夏冬季。這主要與降雨及夏季藻類生長(zhǎng)旺盛期間參與的生物地球化學(xué)循環(huán)有關(guān)。磷元素含量變化相對(duì)穩(wěn)定，在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

珊溪水庫(kù)主庫(kù)水體夏季長(zhǎng)期存在熱分層現(xiàn)象。秋冬季30 m以上水體有垂直水層間的傳質(zhì)交換，40～50 m水體保持分層現(xiàn)象，且常年處于缺氧狀況。庫(kù)底水體及沉積物中的缺氧、厭氧環(huán)境有利于有機(jī)物的厭氧分解［15-17］，并在底層水體中累積形成高于表層水體的氮、磷濃度。水庫(kù)秋冬季降雨少，且伴隨水庫(kù)季節(jié)性的蓄、放水，水庫(kù)的水位總體比雨季低很多。季節(jié)更迭所產(chǎn)生氣溫驟變能夠促使表、底層水體產(chǎn)生交換，在各支流上游打破熱分層，這種垂直方向上的水體交換一方面能夠改善沉積物表面及底層水體中的缺氧狀況，改變氮、磷轉(zhuǎn)化途徑；但另一方面也可能將底層水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶至表層，誘發(fā)藻華。

上述調(diào)查結(jié)果表明，作為一個(gè)河道型深水水庫(kù)，珊溪庫(kù)區(qū)的水質(zhì)既有相對(duì)穩(wěn)定的一面，同時(shí)也受到各種內(nèi)、外源環(huán)境因子的影響，且各種環(huán)境因子之前還存在相互關(guān)聯(lián)。因此，要更加準(zhǔn)確地掌握影響庫(kù)區(qū)水質(zhì)，特別是潛在的誘發(fā)藻華的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步完善珊溪庫(kù)區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)施及方案，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)水體水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)。

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（責(zé)任編輯：張 韻）

X171

A

0528-9017（2016）05-0778-07

2016-02-14

溫州市科技科技項(xiàng)目 （S20140040）；溫州市科技科技項(xiàng)目 （S20140037）

李平 （1989—），女，在讀碩士研究生，山西晉中人，從事環(huán)境污染化學(xué)及生態(tài)學(xué)方面研究工作，E-mail：liping1553@ sina.com。

商栩，副教授，博士后，E-mail：copepod@sina.com。

文獻(xiàn)著錄格式：李平，陳強(qiáng)，王婷，等.溫州飲用水源地珊溪水庫(kù)水質(zhì)的時(shí)空分析 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，57（5）：778-784.

10.16178/j.issn.0528-9017.20160551