黄柏河流域水库底泥内源磷释放对水质影响分析

磷是湖泊生态系统限制性营养元素[1-2]，沉积物作为湖泊磷的源和汇，对湖泊的磷循环具有重要影响。湖库来水携带大量的富磷物质，一部分直接被水生生物直接利用，另一部分不断沉积，在沉积物中形成稳定矿物。有研究表明，湖泊沉积物是磷等营养盐类污染物的重要蓄积库，仅有不足1%的污染物溶解于水中，超过99%的污染物储存在沉积物中[3-4]。沉积物中磷受有机质矿化降解驱动，经过一系列物理、化学和生物作用，又释放到水体中对水质产生重要影响[5]。当外源磷输入得到有效控制后，沉积物中的沉积磷成为湖库重要的磷源[6-7]。

再后来，当小牛孕育出Huracán Performante，一个更努力、更专注的兰博基尼变得形象更加生动起来。我仍然记得，2017年在富士赛道举办的一站兰博基尼Esperienza驾驶体验活动中，第一次体验Huracán Performante时收获的惊艳感觉：天啊，明明是定位最极端的兰博基尼公路超跑，实际上竟然如此好开—没错，就是好开！尽管我无法试探摸清其极限，但是在它的表演和帮助之下，最纯粹的感官刺激却表现得极度安稳而销魂，让人欲罢不能，让人情不自禁，管它多么深奥的轻量化和空气动力学设计呢，好快和好开才是王道……

黄柏河流域内磷矿藏丰富，流域内各大水库水华现象频发。受特殊地域条件的影响，流域产水中富含大量磷矿颗粒。近年来，各矿场排水已得到有效控制，但前期积累的沉积物中的磷可能是导致流域内各个水库富营养化的重要原因。目前有关黄柏河的研究较少，而它作为宜昌市的母亲河，提供着城区200万人生产生活用水，其水质的重要性不言而喻。本研究通过在黄柏河流域水库中采集的沉积物-水界面柱状样品，结合月平均流量数据，探讨黄柏河流域内源释放与外源输入两者的关系，旨在分析内源释放对湖库水质的影响，为管理部门预防水华提供数据。

1 研究区域概况

黄柏河系长江一级支流，位于长江北岸，发源于宜昌市夷陵区黑良山，地处东经111°04′～111°00′，北纬30°43′～31°29′。黄柏河河长162 km，流域面积1 902 km2，流域分为东西两支，在夷陵区两河口汇合，于葛洲坝大坝上游注入长江。其东支为黄柏河主脉，河长130 km。东支内自上而下有4座大中型水库：玄庙观水库，总库容4 054万m3，天福庙水库，总库容6 180万m3，西北口水库，总库容2.1亿m3以及尚家河水库，总库容1 646万m3。水库出水经东风渠总干渠引入东分区灌区，既是宜昌城区100万人的饮用水源，亦承担着当阳、枝江、夷陵区、高新区等区域内百万亩农田以及100万人的生产生活用水的任务，其水质受到广泛关注。

黄柏河流域内磷矿资源丰富，天福庙水库以上有磷矿开采企业54家。黄柏河流域供水区内经济总量占宜昌市的近80%。由于流域内城镇居民污水直排，工业企业废水排放，化肥、农药的不合理使用，以及2003年来流域内磷矿(磷矿藏30亿t)的开采规模逐渐加大，导致黄柏河流域水资源污染状况日益严重。宜昌市附近其余水源条件(清江网箱养殖泛滥，沮漳河水质常年劣V类)也不容乐观，黄柏河作为宜昌市的饮用水水源有不可替代的作用，因而就黄柏河对宜昌市的重要作用而言，开展本研究具有重要意义。

工业建筑设计整体化与住宅设计整体化有着相似之处，作为城市内部建设的重要组成部分，工业建筑不仅要注重自身的整体性，能够满足工业生产多方面使用需求，还需要能够与城市发展规划相一致。由于工业建筑所涉及的内容较多，在设计过程中要重点关注工程质量目标，同时还要采用科学的手段提高建筑经济效益、环境效益与社会效益，这样才能满足新时期和谐社会发展要求，实现人与自然的和谐共融。由此可见，在工业建筑设计中坚持整体性原则是优化建筑环境的重要手段，能够降低工业建筑对环境各方面造成的破坏。

2 材料与方法

2.1 样品采集

水样采样时间为2016年全年各月，采样点位于玄庙观水库、天福庙水库以及西北口水库库尾，现场测定理化指标包括水温、溶解氧和pH，采集表层水水样两份，用于测定叶绿素a和营养盐。2016年10月，采用柱状采泥器(φ=6.5cm)采取水库各点的沉积物柱状样品[8]，现场对沉积物和上覆水进行2 cm一层分层，保存于离心管和聚乙烯瓶中，带回实验室进一步分析，同时测得上覆水理化指标。在实验室中对沉积物样品进行分析，采用L535R-1型冷冻离心机离心得到孔隙水，泥样干燥至恒重，计算沉积物含水量和孔隙率。

孔隙水经过0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后进行水质指标分析[9]，采用纳氏试剂光度法测量氨氮，过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测总氮，过硫酸钾法测总磷，采用丙酮提取法测叶绿素a。水样通过0.45 μm乙酸纤维滤膜在真空泵下抽滤，所得滤膜置于10 mL离心管中，加入90%的丙酮至于暗处静置24 h后，用离心机离心15 min，取上清液测定水体中叶绿素a的含量。

2.2 内、外源量计算

水库内源释放量不仅受沉积物-水界面磷释放通量的影响，还受到水库沉积物面积影响[10-11]。水库内源释放总量的计算公式为

W=S·F·t

(1)

式中，W为水库内源释放磷总量；S为流域水面面积；t为计算时长；F为各水库各采样点的平均总磷释放通量。释放通量F可由Fick第一定律来计算：

F=-ØDs(∂c/∂x)x=0

(2)

式中，F为沉积物—水界面的释放通量,mg/(m2·d)；Ø为沉积物的孔隙度；(∂c/∂x)x=0为沉积物-水界面物质的浓度梯度；Ds是沉积物中溶质的分子扩散系数,cm2/s。由于Ds考虑了沉积物的弯曲效应，但实际中弯曲度测量较为困难，通常通过其与孔隙度之间的关系来进行推导：

(3)

式中,D0是无限稀释溶液的理想扩散系数，通常取6.12×10-6cm2/s(25℃)。有学者对扩散系数D0和温度T(上覆水)之间的关系做出进一步的校准。

D0=7.34+0.16(T-25℃)

(4)

水库外源汇入磷总量主要受到水库入库流量及入流断面总磷浓度的影响,计算公式为

②Generally, he is an easy-going person, but when it comes to religious belief he talks turkey.

(5)

式中，V为水库外源汇入磷总量；Qi为各月入库流量；t为计算时长；Ci为各月入流断面总磷浓度。

3 结果与分析

3.1 环境因子变化

3座水库全年各月采样时的环境因子如图1所示。表层水体溶解氧含量呈现1，10，11月和12月较高，其余各个月变化范围较小，与温度的变化趋势相反。随着温度的升高，表层水体溶解氧含量下降，气温最高的7，8月和9月，溶解氧浓度达到最低。pH值变化范围为7.8～8.8，表层水体为弱碱性，这与3座水库沉积物沉积环境有很大关系[13]，其中玄庙观水库和天福庙水库具有相同的变化趋势。

式(1)和式(2)中：YC为总营运成本；S1为折旧费；S2为营运费；S3为燃油费；S4为武装保安；S5为破冰护航费；S6为苏伊士运河费；S7为港口使费；S8为海盗区保险；RL为船舶残值；i0为折现率，取6%；N为船舶折旧期，取25 a；P为船舶造价；Q为船舶运量，Q=Tn/(T1+T2)×VC；VC为航次载货量；Tn为全年营运时间；T1为单航次航行的时间；T2为单航次停泊时间。

3.以法律审查为手段，加强法律风险防控制度体系。各种管理制度与法律法规之间存在一定的协调关系，管理制度不能超越法律法规的强制性规定。所以，应当在事前、事中和事后三个阶段对管理制度进行法律审查。

图1 3座水库全年各月采样环境因子变化
Fig.1 Interannual variation of environmental factors of three reservoirs

图2 3座水库全年总氮、总磷和叶绿素a含量
Fig.2 Monthly variation of total nitrogen,total
phosphorus and Chl-a of three reservoirs

图2为3座水库全年各月总氮、总磷和叶绿素a含量情况。叶绿素a浓度变化与总氮和总磷浓度变化具有相似趋势，1～4月相对较大。有研究表明：叶绿素a含量与流量呈现负相关关系，导致枯水期叶绿素a含量较大。总磷浓度和总氮浓度相关性较好，最高可达0.737(p<0.05)，总磷和总氮浮动较大，呈现春季和冬季较高，夏季和秋季较低的情况。

3.2 孔隙水磷释放通量的估算

3座水库孔隙水和上覆水中TP浓度垂直分布见图3所示。总体上，上覆水TP浓度低于孔隙水，在玄庙观水库出现上覆水TP浓度高于孔隙水的情况。对于上覆水，总体上均值表现为玄庙观水库(1.822 mg/L)>天福庙水库(1.002 mg/L)>西北口水库(0.445 mg/L)，呈现逐渐降低的趋势。对于孔隙水，玄庙观水库整体呈现先增加后降低的趋势，TP浓度垂向波动较大；天福庙水库波动较小，总体上亦存在先增加后降低的趋势；西北口水库库首和库中TP浓度呈现随深度增加的趋势，库尾TP浓度表现为先增加后减小。

根据Fick第一定律，结合图3，选取界面以下孔隙水扰动层3～5 cm以及界面以上3～5 cm的TP浓度对深度进行指数拟合[13]，结果见表1。由表1可以看出，拟合情况良好。根据拟合所得的公式对深度进行求导，得到沉积物-水界面dc/dx，再由孔隙度，采用Fick定律可计算得到各个采样点的总磷释放通量(见表1)。

由表1可知，黄柏河流域内3座梯级水库总磷均表现为由孔隙水向上覆水进行扩散，即均表现为总磷的源。其中玄庙观水库平均磷释放通量为0.492 mg/(m2·d)，天福庙为0.37 mg/(m2·d)，西北口水库为0.175 mg/(m2·d)。各个采样点的释放潜力均不相同，这与沉积物-水界面的浓度梯度、沉积物的理化性质、粒径等密切相关，总体表现为玄庙观水库>天福庙水库>西北口水库。

根据黄柏河流域管理局所提供的相应的水位、流量、库容以及水面面积数据，查得各月平均水位，并通过3座水库的水位-水面面积关系曲线，插值得到各月平均水面面积，采用公式(1)计算各个水库内源总磷释放通量，采用公式(2)计算各个水库年内汇入总磷

表1 各水库不同点沉积物总磷含量拟合方程及释放通量

Tab.1 Regression equations and phosphorus releasing fluxes of sediment of reservoirs

采样点拟合曲线dc/dxφ/%D0/(cm2·s-1)Ds/(cm2·s-1)F/(mg·m-2·d-1)玄庙观水库库首 y =1.6243e-0.337x-0.54750.06.2×1063.1×1060.740库中 y =3.3546e-0.115x-0.38650.26.1×1062.8×1060.462库尾 y =3.8964e-0.061x-0.23845.56.1×1062.9×1060.274天福庙水库库首 y = 1.0498e-0.224x-0.23548.45.6×1062.7×1060.261库中 y =2.245e-0.11x-0.24747.45.8×1062.6×1060.266库尾 y =1.8437e-0.28x-0.51645.65.7×1062.9×1060.584西北口水库库首 y = 0.2897e-0.558x-0.16250.15.3×1062.5×1060.177库中 y =1.1239e-0.187x-0.21047.84.9×1062.2×1060.190库尾 y =1.0986e-0.152x-0.16745.05.3×1062.4×1060.156

图3 3座水库沉积物-水界面TP垂直变化
Fig.3 Vertical changes in concentrations of TP at the sediment-water interfaces of three reservoirs

总量见表3。

通过水库内源释放占磷总量的比例可以分析内源释放对水库富营养化的影响，具体见表4。玄庙观水库底泥释放磷最高为28.4%，出现在1月份；天福庙水

表2 各水库年内总磷释放总量

Tab.2 Interannual total phosphorus releasing fluxes of sediment of reservoirs

月份 玄庙观水库水面面积/km2释放总量/kg 天福庙水库 水面面积/km2释放总量/kg 西北口水库 水面面积/km2释放总量/kg1月1.50122.8832.63030.1914.49924.3442月1.40620.0492.58327.7444.49422.7513月1.33720.3842.56629.4564.61824.9884月1.35419.9772.47927.5444.79125.0915月1.42721.7632.34426.9154.83926.1856月1.46021.5502.57628.6175.01826.2807月1.38721.1422.62430.1235.09227.5548月1.47822.5342.59129.7455.33228.8539月1.33219.6562.29125.4595.34027.96610月1.34420.4982.21225.3995.17327.99011月1.34919.9071.98822.0935.30427.77612月1.43021.8051.86221.3785.25028.408

表3 各水库年内总磷汇入总量

Tab.3 Interannual total phosphorus import of reservoirs

月份 玄庙观水库水量/万m3汇入总量/kg 天福庙水库 水量/万m3汇入总量/kg 西北口水库 水量/万m3汇入总量/kg1月 577.16157.7161406.698140.6701229.187122.9192月 576.1311152.2621346.9831346.9831367.454683.7273月 917.436917.436623.785311.8921763.574176.3574月 2001.3146404.2053341.0041670.5023551.5631775.7825月 1718.4941031.0972149.358214.9363466.947346.6956月 3527.5412469.2785071.8964564.7065708.3332283.3337月 2484.7051739.2943956.8793561.1916959.8343479.9178月 2083.6391875.2754022.0264826.4317017.9333508.9669月 779.931233.9791360.138680.0692476.5261238.26310月 813.29781.330969.443678.6101335.374133.53711月 903.047361.219846.614423.3072062.987825.19512月 664.56666.457942.64694.2651173.507117.351

表4 各水库年内磷释放通量占比

Tab.4 Interannual proportion of phosphorus releasing fluxes of sediment of reservoirs

月份玄庙观水库/%天福庙水库底泥释放量占总量的比例/% 西北口水库/%1月28.4 17.7 16.5 2月1.7 2.0 3.2 3月2.2 8.6 12.4 4月0.3 1.6 1.4 5月2.1 11.1 7.0 6月0.9 0.6 1.1 7月1.2 0.8 0.8 8月1.2 0.6 0.8 9月7.7 3.6 2.2 10月20.1 3.6 17.3 11月5.2 5.0 3.3 12月24.7 18.5 19.5

库在12月底泥释放磷最高，为18.5%；西北口水库在12月底泥释放磷最高，为19.5%。水库的来水量对水库底泥释放量占总量的比例具有很重要的影响，在来流量较少的9月至翌年3月，3座水库底泥释放量占比均较高。

4 结 论

本文分析了黄柏河饮用水水库内源磷释放对水质的影响。通过对流域内3座梯级水库水体和沉积物柱状样品的采集分析，估算了沉积物-水界面磷释放通量，以及底泥释放量在磷总量中的占比。结果表明：黄柏河流域内3座梯级水库玄庙观水库、天福庙水库、西北口水库的孔隙水TP含量均高于上覆水，其相应的内源磷释放通量为：玄庙观水库0.492 mg/(m2·d)，天福庙水库0.37 mg/(m2·d)，西北口的水库0.175 mg/(m2·d)，表现为TP的“源”。在此基础上计算得到玄庙观水库内源磷释放磷最高可占磷总量的28.4%，天福庙水库最高为18.5%，西北口水库为19.5%。水库底泥释放量已对各水库水质产生影响，尤其是对玄庙观水库影响明显。

沉积物内源磷释放是一个复杂的生物地球化学过程，受诸多环境因子的影响，尤其是在黄柏河流域的水库中，水动力的季节性变化将直接影响沉积物磷释放，人类活动同样对其造成影响。因此，还需在黄柏河流域在时间与空间尺度上开展更多的监测，并提高测验精度，积累不同条件下水库沉积物磷释放的数据，以实现对水库沉积物内源磷负荷的准确评估。

引人注目的是，整部小说差不多有四章(第三、十五、二十二和三十八章前半部分)完全没有人的参与，纯粹是对四大元素(the elements)的描述。每一章单独看，简直就像是从地理学或地质史中抽出来的章节。在第三章中，作家以准确到位的科学术语，描述了“土”元素——芬斯区是由淤泥形成的。淤泥的特点在于“它既塑造又毁灭；既腐蚀又扩充；既非进步又非倒退”[2]8。“淤泥最早来自海洋”，它有着多重的作用，能“抬升陆地，驱退海水，使泥煤得以生长，因此也阻碍河水流动，堵塞河水流动，堵塞河口，使新生陆地备受水患，无法泄洪”[2]9。接着，讲述者—历史教师笔锋一转，说到了淤泥对人类历史的影响：

参考文献：

[1] 吴丰昌, 金相灿, 张润宇,等.论有机氦磷在湖泊水环境中的作用和重要性[J].湖泊科学，2010，22(1)39-43.

[2] 钱宝,刘凌,潘畅. 湖泊水体溶解氧水平对内源磷释放的影响[J].人民长江，2015，46 (5):93-96.

[3] 吕育锋.东平湖沉积物中营养盐分布特征及其污染释放规律研究[D].济南：山东建筑大学，2013.

[4] 张翠英,徐德兰,万蕾,等. 不同类型湖泊沉积物碱性磷酸酶活性时空差异特征分析[J].环境化学，2013(2):325-326.

[5] 陈娟娟.磷在高岭土、腐殖酸及海洋沉积物上的吸附行为研究[D].济南：中国海洋大学，2014.

[6] 熊强,焦立新,王圣瑞,等. 滇池沉积物有机磷垂直分布特征及其生物有效性[J].环境科学，2014(11):4118-4126.

[7] 高永霞,朱广伟,贺冉冉,等. 天目湖水质演变及富营养化状况研究[J].环境科学，2009，30 (3):673-679.

[8] 王雨春,黄荣贵.SWB-1型便携式湖泊沉积物—界面水取样器的研制[J].地球与环境，1998 (1):94-96.

[9] Schroth,M H,W Eugster,K E et al.Above- and below-ground methane fluxes and methanotrophic activity in a landfill-cover soil[J].Waste Management，2012，32 (5):879.

[10] Ullman,William J, Mark W Sandstrom.Dissolved nutrient fluxes from the nearshore sediments of Bowling Green Bay,central Great Barrier Reef Lagoon (Australia) [J].Estuarine Coastal & Shelf Science，1987，24 (3):289-303.

[11] Li Yuan Hui, Sandra Gregory.Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments[J].Geochimica Et Cosmochimica Acta，1974，38 (5):703-714.

[12] Wang K,Lin Z,Zhang R.Impact of phosphate mining and separation of mined materials on the hydrology and water environment of the Huangbai River basin,China[J].Science of the Total Environment ，2015，543 (Pt A):347.

[13] Krom Michael D,Robert A Berner.The diffusion coefficients of sulfate,ammonium,and phosphate ions in anoxic marine sediments[J].Limnology & Oceanography，1980，25 (2):327-337.