水库蓄水初期淹没土壤污染物释放试验分析

　　1引言

　　水库建成蓄水可能淹没大量耕地农田，因此在蓄水初期，淹没土壤中的污染物（氮、磷等）会快速释放到水库水体中，从而对水质产生影响，甚至导致水库富营养化[1,2].已有研究表明，库底土壤类型以及水库水温对土壤氮、磷的释放影响很大[3,4];底泥中的有机质含量与氮元素的释放有显着的相关关系[5];底泥污染物向上覆水释放主要是由有扩散边界层的分子扩散和对流扩散引起[6].综合分析可知，已有研究主要针对水库蓄水一段时间后的底泥释放情况，此时的污染物在底泥与水体之间已经达到了一定的平衡。而在水库刚开始蓄水时，淹没的土壤初次长时间处于水体浸泡环境中，土壤-水之间的污染物浓度平衡尚未建立，土壤中的污染物可能大量进入库区水体中，这与水库长期蓄水后底泥的释放有所差别。

　　崔磊等[1]研究发现，淹没土壤浸出未对库区水质产生明显影响；王新伟等[7]的研究却表明，新建水库蓄水初期，淹没区土壤污染物释放是影响水库水质的主要原因。可见已有研究成果的通用性较差。为此，本文针对拟建的桐梓水库，开展了水库蓄水初期淹没土壤污染物释放试验研究，以期为水库蓄水初期的水质预测及水库管理提供参考。

　　2研究区概况

　　拟建的桐梓水库是《重庆市溶溪河流域综合规划》中确定的溶溪河干流上的中型水库。建成后水库坝高48.8m,库容2 000×104m3,水库建成大约淹没533 334m2耕地。根据王裕文[8]调查显示，重庆地区耕地年平均每亩化肥施放量高达100kg,农药施用量达到0.6kg,施放的化肥中以氮肥和磷肥为主。化肥农药的长期过量施放，已经造成了土壤的结构变化和氮磷含量过剩，因此水库蓄水初期，淹没土地中农药化肥的残留物可能释放到水体中。

　　考虑到化肥农药长期使用带来的氮磷污染可能对水库蓄水初期产生的影响较为突出，本文重点对水库蓄水初期淹没耕地土壤中的氮磷污染物的释放规律进行试验研究，获得了一些重要结论。

　　3材料与方法

　　3.1土壤采样与处理

　　根据现场调查，拟建的桐梓水库库区的土壤、作物种类与所采取的农耕措施均较为单一，因此选择膏田镇水田村库区中段土壤作为采集区域，并布设3个采样点，用ESS8201土壤采集器进行采样，每个采样点采集表层土壤（0~20cm）、中层土壤（20~30cm）各5个，采集回来的土壤经过室内阴干之后，除去土壤中的石子和植物根茎等非土壤类物质，充分研磨之后过20目孔径筛筛选，筛选后的土壤经充分混匀后装入密封瓶中备用。

　　3.2试验方法与试验工况
　　
　　水体中土壤污染物的释放与水体紊动条件有关，考虑到天然水体中可能存在的扰动情况，本文开展了水体振荡条件下淹没土壤的氮磷浸出试验。

　　振荡试验在恒温振荡培养箱中进行，控制水体振荡强度为80r/min.试验时在250mL锥形瓶中装入20g土壤，根据水土比（10∶1）注入一定量的上覆水，连续浸泡6d,分别于不同取样时间采取上覆水的水样。水样经0.45μm微孔滤膜抽滤后，测定滤液中的总氮（TN）、总磷（TP）浓度。总氮采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法（HJ636-2012）进行分析，总磷采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）进行分析。

　　分析振荡条件下的试验结果发现，试验土壤中总氮的释放量较大，释放量对水体水质的影响显着。为此，本文进一步开展了静置条件下水体总氮的释放试验，试验方法同振荡试验。试验中环境温度控制为20℃。考虑到实际水库运行中由于来流变化及水库调节导致的水体置换对土壤中污染物浸出的影响，本文在静置试验中设计了水土比分别为10∶1和5∶1两种工况，每个试验开展三组平行样试验。

　　为研究浸泡水体中土壤的氮磷最大释放量，振荡试验中同时进行了换水释放试验，即试验控制条件不变，只在每天取样分析上覆水中污染物浓度，并在取样后将试验中的上清液用蒸馏水替换。

　　具体工况见表1.

　　【1】

　　3.3污染物释放量的计算方法

　　根据上覆水的更换情况，采用不同的污染物释放量计算方法。对于不更换上覆水的各试验工况（工况1、3、4），计算公式为：γn=CnVn/m（1）式中，Cn为第n时刻上覆水浓度，mg/L;m为土壤质量，g;Vn为上覆水体积，mL.在换水试验（工况2）中，土壤的污染物累积释放量为各取样时刻测得的释放量的累积之和。

　　4结果与讨论

　　4.1振荡水体条件下总磷、总氮的释放过程

　　振荡条件下浸泡土壤中TP的释放过程见图1（a）。由图1（a）可看出：①对工况1,水体中TP浓度在2h时达到最高（0.063mg/L），随后是一个下降过程，TP浓度在96h前后变化不大，可以认为基本达到了平衡，最终144h时平衡浓度为0.028mg/L.对于解吸过程来说，TP浓度的升高通常是一个漫长的阶段，而溶解过程相对快速，因此2h时水体中的TP浓度很高的原因主要来自于土壤中TP污染物的溶解，即土壤中的一部分TP并不是以被土壤颗粒吸附的形式存在。考虑到库区土壤之前属于农耕区，这可能与农耕区化肥的过量使用有关，因此可以认为在水库蓄水初期，需要考虑土壤中的这些并未被土壤所吸附的污染物（TP），因为这种污染物可以通过溶解快速的进入水体，并随水体的流动扩散进入库区其他部位，造成蓄水初期水质出现恶化的现象。还可以发现，水体中的TP浓度在2~6h下降较快，相比2h时，平 衡 时TP浓 度 下 降 了0.035mg/L,表明库区土壤对水体中的磷产生了强烈的吸附作用。土壤对磷的吸附很复杂，它受到土壤pH值、阳离子交换量、土壤中的阴离子以及土壤的颗粒组成等影响[9],因此土壤对TP的吸附机理有待进一步研究。②对工况2,通过不断地换水，土壤中能释放出来的磷越来越少，在144h时水体中的磷浓度已为零，因此将各时刻的磷释放量相加得到土壤中TP的最大可释放磷含量，结果为1.03mg/kg.

　　振荡水体条件下土壤中TN的释放过程见图1（b）。由图1（b）可看出：①对工况1,水体中的TN浓度随浸泡时间的增加而升高。与TP释放过程有所差别，上覆水中TN浓度呈总体上升趋势，表明土壤中TN持续向上覆水体中释放，即土壤向水土释放TN的速率大于土壤对水体中TN的吸附速率。原因可能是土壤中含有的某些离子（如钙铝离子）易与磷结合生成难溶性磷，而这些离子不易与氮结合。②对工况2,经计算TN的最大可释放量为17.4mg/kg,扰动下24h土壤TN释放量为9.8mg/kg,此释放量占最大可释放量的56%,可见TN的释放主要集中在24h内。由图1（b）中曲线斜率也可看出，前24h曲线较陡，即0~24h这段时间污染物释放速率较快。

　　144h时，水体中的TN浓度为1.2mg/L、TP浓度为0.028mg/L,一般认为当TP浓度为0.02mg/L、TN浓度为0.2mg/L时，水体已经达到富营养状态[10],可见试验水体已经达到了富营养状态。

　　4.2静置水体不同水土比条件下土壤中总氮的释放过程

　　不同水土比试验中，水体中TN浓度随浸泡时间的变化见图2.由图2可看出：

　　①两种水土比下TN浓度随浸泡时间的增加均升高，水体中的TN浓度在前期（0~12h）变化较快，之后由于土壤与水体中TN浓度梯度差变小导致TN浓度上升趋势较缓。

　　②与图1（b）中水体TN浓度对比可以发现，工况3、4水体中的TN浓度较低，这说明扰动促进了土壤中的TN向上覆水体中释放。

　　③通过计算两种水土比的土壤TN释放量，发现水土比为10∶1（工况3）时土壤TN最终释放量为8.9mg/kg,水土比为5∶1（工况4）时土壤TN释放量为7.4mg/kg,即水土比增加，TN释放量也相应增多。

　　5结论

　　a.由于初期蓄水时库区土壤中的磷大部分是以可溶性磷（如磷肥）的形式存在，这部分磷有可能通过溶解过程快速进入水体，造成水质下降，因此在水库蓄水初期，需要考虑这部分溶解性磷对水库蓄水初期水质的影响。

　　b.土壤中含有较多的氮磷污染源，库区土壤对磷具有较强的吸附作用，因此氮源是库区土壤的主要污染物，并且这些氮污染源经过短期浸泡会迅速释放到水体中，并且在24h已经释放很多。所以水库蓄水时期需要特别注重这个时间段的水质。

　　c.土壤中总氮的释放受水土比和扰动条件的影响，即水体在扰动条件下，污染物释放速率明显加快，水土比越大，污染物释放量越大。

　　d.本文仅对拟建水库蓄水初期土壤中总磷和总氮的释放开展了初步试验研究，由于土壤中氮磷的释放受水温、水化学、土壤粒径及理化性质条件等多种因素影响，并与氮磷污染物在土壤中存在的形态有关，因此今后仍需进一步开展多种不同条件下（如温度、pH、溶解氧等）的土壤浸泡试验，系统分析总结水库蓄水初期土壤释放规律，为工程的水环境保护提供参考依据。

　　参考文献：
　　[1] 崔磊，郝芳华，许嘉琳，等.水库蓄水初期库底土壤对水质影响的模拟实验研究[J].北京师范大学学报：自然科学版，2003,39（5）:688-693.
　　[2] 罗先满，蒲迅赤，邓云.金沙江攀枝花河段沉积物中重金属有效态含量的实验分析[J].四川大学学报：工程科学版，2012,44（S2）:279-284.
　　[3] 吴云鑫.库底土壤物质溶出对水库正常蓄水初期水质的影响[J].水土保持通报，2010,30（3）:69-72.
　　[4] 梅裕，毕永红，胡征宇.环境因子对香溪河库湾淹没土壤磷释放的影响[J].环境科学与技术，2012,35（3）：11-15.