三峡库区主要支流氮磷与金属元素分布特征、来源及风险评价

摘要

三峡工程作为有着良好综合效益的水利水电重大工程，在防洪、发电、通航、供水等方面给人们带来了方便的同时，也引发了一些生态问题，比如近年来库区内一些区域水华爆发以及某些点位水体重金属污染。因此，本论文以三峡库区云阳-宜昌段的10条支流和茅坪坝区的水和沉积物为研究对象，探讨了水和沉积物中的常量离子、氮磷营养物质和重金属的时空分布、来源及污染特征，进一步阐明了河流-水库系统中水环境质量的变化趋势以及环境健康风险评价，研究结论如下：　　（1）研究区域水中常量离子大体上未超过地表水质量标准，且具有季节性差异；在间隙水中，常量离子有释放的趋势；通过来源分析发现，水中Na+和Cl-，Na+、Mg2+和Ca2+可能有相同的来源，且相较于枯水期，丰水期中常量离子受到农业活动的影响更大。研究表明，水中pH为7.39，呈微碱性。除了F-有两个点位超标，其余水中常量离子均低于地表水水质标准。在水样和间隙水中常量离子有季节性差异，但纵向空间分布上并无显著差异，原因是水层之间不断流动混合。相关性分析表明，水中Na+和Cl-，Na+、Mg2+和Ca2+的来源可能相同，源于自然基岩风化或人类活动。同时，NO-3和SO2-4的相互关系的图示中表明，丰水期水样常量离子更多受农业活动影响，枯水期则受到农业活动和工业活动的共同作用。　　（2）水中营养物质TOC，TDN和NH+4-N具有季节性差异，且丰水期更易发生富营养化；在间隙水中，营养物质也有对外释放的趋势；沉积物中的营养物质含量丰水期比枯水期更高，且氮主要是有机氮组成；来源解析表明，沉积物中营养物质在丰水期更多是陆源输入，且沉积物中NH+4-N作为内源释放的可能性最大。研究显示，水中的TDP浓度接近II类水标准，水中的TDN浓度接近IV类水标准；由于丰水期比起枯水期有更多支流N/P小于29，这表明丰水期更易发生富营养化；方差分析显示水中TOC、TDN和NH+4-N具有季节性的波动，但水层间并无明显差异。相较于枯水期，丰水期沉积物中的TOC、TN、TP含量偏高，基于沉积物中C/N表明，原因可能是陆源物质进入水体所致。相关性分析表明，TOC与TN相关系数很高，沉积物中的氮可能主要是有机氮，且沉积物中的营养物质间达到一定平衡，也存在有释放到上覆水的可能性，其中NH+4-N在水-间隙水-沉积物中相关性比较强。　　（3）就水中的重金属而言，Pb超过了Ⅱ类水质标准，应注意控制水中的Pb污染；而在间隙水中，Zn、Mn、Ba、Sr、Fe有释放到上覆水的趋势；同时，Zn、Mn在沉积物中有累积的情况；通过来源解析可知，研究区域在丰水期营养物质的输入贡献更大，而在枯水期则是工业活动贡献更大。结果表明，Sr浓度超过了世界河流均值，达到了天然锶矿泉水标准；Pb超过了饮用水质标准且超过Ⅱ类水标准值，其中在枯水期茅坪坝区的Pb浓度最高，这或是因为大坝的截留效应，因此应注意控制水中Pb污染。在沉积物中，Zn、Mn的含量都高于背景值，表明这两种重金属在沉积物中有累积效应，其中在枯水期Zn、Cu、Cr、Mn、Pb的含量在茅坪坝区最高，也是可能是大坝截留导致的。通过相关性分析表明，Mn与Zn、Cu、Cr等重金属具有相关性。主成分分析表明，丰水期营养物质输入的贡献率最高，而枯水期工业活动的贡献率最高，这与丰水期施肥量以及降雨量更多有关。　　（4）通过对营养物质、重金属以及常量离子的评价可知，就氮磷营养物质而言，沉积物中的TN、TP的含量超过土壤背景值，有累积现象，但SQGs评估结果表明大多数样品处于低效应水平，所有样品都未受到严重污染。就重金属而言，单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法都反映出水质整体较好，以童庄河最佳。地累积指数法评价反映出茅坪坝区、磨刀溪的沉积物出现了Cu的轻微污；除了童庄河以外，其余支流和茅坪坝区沉积物都受到了Zn的轻微污染，因此需要对库区Zn和Cu的污染进行防治。而研究区域水中的化学污染物对人体健康的风险评价表明F-、NO-3、Cu、Zn、Cr、Pb、Fe、Mn、Ni非致癌风险都不高。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 主要离子研究现状

1.2.2 营养物质研究现状

1.2.3 重金属研究现状

1.2.4 污染物来源解析研究

1.3 研究内容

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 课题来源

2 研究区域与方法

2.1 研究区域概况

2.1.1 气候与地貌

2.1.2 土地与水资源情况

2.1.3 工农业情况

2.2 研究方法

2.2.1 样品采集与处理

2.2.2 数据处理与分析

3三峡库区主要支流常量离子时空特征及来源解析

3.1 常量离子时空特征

3.1.1 水中常量离子时空特征

3.1.2 间隙水中常量离子时空特征

3.2 水中常量离子来源解析

3.2.1 水中常量离子的相关性分析

3.2.2 人类活动与常量离子的关系

3.3 本章小结

4 三峡库区主要支流氮磷营养物质分布及来源解析

4.1 氮、磷、碳营养物质含量水平与分布

4.1.1 水中氮、磷、碳营养物质含量水平与分布

4.1.2 间隙水中氮、磷、碳营养物质含量水平与分布

4.1.3 沉积物中氮、磷、碳营养物质含量水平与分布

4.2 氮、磷、碳营养物质来源解析

4.2.1 库区消落带与沉积物中氮、磷、碳营养物质含量比较

4.2.2 沉积物中C/N

4.2.3 水、间隙水、沉积物中营养物质的相关性分析

4.3 本章小结

5 三峡库区主要支流重金属时空分布特征及来源分析

5.1 水中重金属时空分布特征

5.2 间隙水中重金属时空分布特征

5.3 沉积物中重金属时空分布特征

5.4 重金属、营养元素及常量离子的来源分析

5.4.1 重金属来源解析

5.4.2 水中重金属、营养元素及常量离子的主成分分析

5.5 本章小结

6 三峡库区主要支流水体环境评价

6.1 三峡库区主要支流沉积物氮磷质量指南（SQGs）评估

6.2 三峡库区主要支流重金属污染评价

6.2.1 水中重金属的污染评价

6.2.2 沉积物中重金属的污染评价

6.3 三峡库区主要支流水体健康风险评价

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果