2. 河海大学环境学院, 江苏 南京 210098
2. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China
引江济太工程是缓解太湖富营养化, 确保区域水质安全的重要举措, 工程实施后对太湖水质尤其是贡湖湾区域水质改善起到了一定积极作用[1]。调引的长江水经望虞河进入贡湖湾, 两端设有常熟、望亭水利控制枢纽, 其水质质量对入湖水质达标有直接影响。为确保调水水质达标入湖, 近年来, 对引水后望虞河水质变化、调水方案优化研究较多[2-3], 但引水水质会受到沿河支流汇入污水的影响, 尤其是氮、磷营养盐, 是确保调水水质达标入湖的关键因子。望虞河流程较长, 东西两岸有大量支流汇入, 东岸沿线有大小支流51条, 全部有闸控制, 调水期大部分处于关闭状态, 不向望虞河排水; 西岸支流兼排区域涝水, 调水期大部分处于敞开状态[4]。望虞河西岸属典型平原河网区, 西岸支流与望虞河水量交换频繁。望虞河西岸仍存在污、废水直接排放现象, 污染源主要为生活污染, 其总氮、总磷约占污染负荷总量的52%以上, 氨氮占60%以上[5]。区域内污染物排放量, 尤其是NH4+-N和TP排放量, 无法达到污染物排放总量控制的目标[6]。大量污水由支流汇入望虞河, 特别是靠近望虞河入湖口望亭立交水利枢纽的西南河网区在调水期营养盐大量输入, 对保障引水水质达标有直接影响。但目前对望虞河西岸支流氮、磷污染现状研究较为缺乏, 因此研究该区域入河支流营养盐输入特征及对望虞河水质的影响具有重要现实意义。
对靠近望亭立交水利枢纽区域的望虞河西岸4条主要入河支流氮、磷及相关理化指标进行监测, 探究研究区各形态氮、磷分布规律, 评价河流污染状况, 揭示氮、磷分布与环境因子的相关关系, 进一步说明入河支流污染物输入对望虞河引水水质的影响, 以期为相关引水水质保障措施提供依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况与样品采集望虞河连接长江和太湖, 是引江济太工程的骨干河流, 也是非调水期太湖入江的重要排水通道。以望虞河西岸紧临入湖口的4条代表性河流为研究对象, 共设立23个断面进行水质监测(图 1)。其中, 伯渎港为区域骨干河道, 全长25 km, 经城市生活区、村镇工业区和农业区, 最后经梁鸿湿地汇入望虞河, 全河段污染来源复杂, 共设8个采样点(BDG1~BDG8)。张塘河为连接伯渎港与望虞河的中级河道, 自西向东汇入望虞河, 全长约5.1 km, 两岸土地利用类型以农业用地为主, 设5个采样点(ZTH1~ZTH5)。古市桥河由北向南汇入望虞河, 全长约2.3 km, 入河口靠近望亭水利枢纽, 两岸土地类型以农业用地为主, 设5个采样点(GSQ1~GSQ5)。徐塘桥河自西向东汇入望虞河, 全长约3.3 km, 沿途为工业区和村镇生活区, 设5个采样点(XTQ1~XTQ5)。
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图 1 采样布点示意 Fig. 1 Sampling sites diagram |
分别于2017年11月28—30日(冬季、枯水期)以及2018年3月27—29日(春季、平水期)和6月27—29日(夏季、丰水期)进行样品采集。采样时, 利用GPS全球卫星定位系统确定监测断面位置, 于各监测断面中点水下0.5 m处采集水样, 装入2 L聚乙烯塑瓶低温保存, 在24 h内运回实验室分析, 同时现场记录采样时水温、pH、ρ(DO)和电导率(EC)等理化指标。
1.2 样品分析、数据处理方法pH、ρ(DO)和电导率等水体理化指标在现场采用HACH便携式水质仪进行测定。其他指标测试方法分别为ρ(TN)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法, ρ(NH4+-N)采用纳氏试剂光度法, ρ(NO3--N)采用紫外分光光度法, ρ(TP)采用过硫酸钾消解法, ρ(PO43--P)采用钼锑抗分光光度法, CODMn指数采用酸性高锰酸钾法, ρ(Chl-a)采用分光光度法, 具体操作方法参照《水和废水监测分析方法》[7]。
采用SPSS 23.0和Origin 9.0软件进行统计分析和图形制作。采用Pearson相关系数法进行各形态氮、磷与环境因子间的相关性分析。采用营养状态评分法[8], 以ρ(TN)、ρ(TP)、CODMn和ρ(Chl-a)为评价指标, 计算得到各断面水体营养状态指数(EI, IE), 并依据营养状态分级标准(贫营养，IE≤20；中营养，20 < IE≤50；轻度富营养，50 < IE≤60；中度富营养，60 < IE≤80；重度富营养，80 < IE≤100)评价水体营养状态。IE计算公式为
| $ {I_{\rm{E}}} = \sum\limits_{n = 1}^N {{E_n}} /N。$ | (1) |
式(1)中, En为评价项目赋分; N为评价项目个数。
2 结果与讨论 2.1 水体理化指标及叶绿素a浓度分布特征pH、ρ(DO)和电导率等理化指标以及ρ(Chl-a)会影响浮游植物及微生物对营养盐的分解利用, 从而影响水体中营养盐形态与分布。4条河流水体pH、ρ(DO)、电导率和ρ(Chl-a)监测数据见图 2。
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BDG1~BDG8为伯渎港采样点; XTQ1~XTQ5为徐塘桥河采样点; GSQ1~GSQ5为古市桥河采样点; ZTH1~ZTH5为张塘河采样点。 图 2 pH、ρ(DO)、电导率和ρ(Chl-a)变化曲线 Fig. 2 Changes of pH, DO, conductivity and Chl-a |
由图 2可知, 3次采样各监测断面水体pH值差异较小, pH值在7.3~8.79之间, 总体呈弱碱性, 各河流沿程无明显变化趋势。ρ(DO)平均值为10.22 mg·L-1, 除徐塘桥河外, 其他3条河流各监测断面ρ(DO)春季总体高于夏季和冬季, 而各河流沿程溶解氧浓度变化差异较小。夏季水体生物活动强烈, 有机物经微生物降解会消耗水中溶解氧, 同时夏季水温垂直分层明显, 阻碍了上下层水体溶解氧的垂直交换[9], 这可能是造成夏季溶解氧偏低的原因之一。伯渎港电导率沿程有下降趋势, 各季节变化趋势一致, 平均电导率为684.14 μS·cm-1, 李秋华等[10]认为营养盐浓度是影响水库电导率的重要因素, 较高的NO3-、NH4+和PO43-浓度对电导率影响较大。与水库相比, 富营养化河流水体营养盐浓度更高, 而伯渎港ρ(TN)沿程有下降趋势, 这可能是造成其电导率变化的原因。4条河流水体ρ(Chl-a)时间变化特征均为夏季>春季>冬季, 夏季水温较高, 光照充足, 造成藻类大量繁殖。各河流ρ(Chl-a)空间分布差异较大, 这主要受各断面水体氮、磷浓度影响。
2.2 水体氮、磷污染现状4条河流氮、磷浓度统计见表 1。由表 1可知, 伯渎港、徐塘桥河、古市桥河和张塘河ρ(TN)平均值分别为4.93、5.20、2.27和3.78 mg·L-1, 这在太湖流域入湖河流水体ρ(TN)变化范围内[11], 古石桥河NH4+-N平均浓度高于GB/T 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准(2 mg·L-1), 伯渎港和徐塘桥河NH4+-N平均浓度高于Ⅳ类水标准(1.5 mg·L-1)。NO3--N为研究区水体氮素主要存在形态。望虞河西岸地区种植业集约化程度高, 化肥施用强度大[5], 研究区土地利用类型以农业用地为主, NO3--N为农田氮素流失主要形态[12], 因此农业非点源污染是研究区水体NO3--N的潜在来源。伯渎港、徐塘桥河、古市桥河和张塘河ρ(TP)平均值分别为0.18、0.23、0.16和0.15 mg·L-1, 各河流TP平均浓度差异较小, 且基本达到Ⅲ类水标准, PO43--P为水体磷的主要形态。
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表 1 4条河流氮、磷浓度 Table 1 The concentration of nitrogen and phosphorus of four tributaries |
4条河流氮、磷浓度时间变化特征见图 3。由图 3可知, 伯渎港、徐塘桥河和古市桥河ρ(TN)最大值均出现在夏季, 分别为5.35、6.24和3.41 mg·L-1, 分别为各自浓度最低季节的1.24、1.44和2.01倍, 冬季4条河流ρ(TN)有所降低。6—7月为太湖流域梅雨季, 降雨强度大, 地表径流量增加, 而农业非点源污染通常由降雨径流过程产生, 其污染负荷与降雨强度有较大相关性[13], 因此夏季入河径流量的增加会提高入河氮素量, 导致水体ρ(TN)升高。同时, 夏季水温较高, 有机氮矿化是沉积物中无机氮来源之一, 而沉积物-水界面间氮素矿化潜力非常大, 氮素在界面间的迁移会直接影响上覆水氮素浓度, 矿化速率会随温度的升高而提高[14], 所以夏季沉积物-水界面间氮素迁移对水体氮素浓度有一定贡献。而进入冬季枯水期后, 地表径流的减少可能会导致水体ρ(TN)降低。夏季伯渎港、古市桥河和张塘河ρ(NO3--N)较高, 而ρ(NH4+-N)较低, 这可能是因为夏季水体微生物活动强烈, NH4+-N可经亚硝化、硝化细菌转化为NO3--N, NH4+-N无法积累。
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图 3 4条河流氮、磷季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of nitrogen and phosphorus of four tributaries |
由图 3可知, 春季为平水期, 春季4条河流ρ(TP)最低, 磷形态以PO43--P为主, 而冬季4条河流ρ(PO43--P)均高于春季和夏季。平水期降雨强度较小, 入河径流量较小, 因此由雨水冲刷入河的颗粒态磷较少, 进入冬季后, 春、夏季大量繁殖的水生植物尤其是挺水植物在冬季死亡, 植物腐解过程会向周围释放可溶性营养盐, 迅速降低上覆水ρ(DO)[15], 这可能会导致水体ρ(PO43--P)升高, 同时这可能也是冬季4条河流ρ(DO)偏低的原因。徐塘桥河和古市桥河夏季水体ρ(TP)较高, 河流水位变化会影响水体营养盐浓度, 影响颗粒物沉积效应, 水位频繁变动会促进沉积物营养盐的释放[16], 夏季降雨强度大, 水位变动频繁, 这可能会促进沉积物中磷的释放。
2.4 4条河流氮、磷空间变化特征4条河流氮、磷浓度空间变化见图 4。由图 4可知, 4条河流水体氮、磷浓度在沿汇入望虞河方向有一定下降趋势, 其中伯渎港流程最长, 下降趋势最明显, ρ(TN)和ρ(TP)分别由BDG1断面的8.97和0.33 mg·L-1下降为BDG8断面的2.63和0.21 mg·L-1。BDG1和BDG2断面NH4+-N占比较高, BDG3~BDG8断面NO3--N占比较高且沿程分布差异较小。伯渎港各监测断面水体磷素均以PO43--P为主。伯渎港是研究区与望虞河联通的骨干河道, BDG1和BDG2断面靠近城市生活区, 对生活污水和工业废水收集率较高, 区域污染源以点源为主, 两岸进行的护岸整治对面源污染也有一定削减作用, 因此汇入的点源污染物在水平方向上得到稀释, 氮、磷浓度沿流程呈一定下降趋势。BDG1和BDG2断面靠近城市生活区, 生活污水对水体NH4+-N和PO43--P的高占比有一定贡献; 而BDG3~BDG8断面为农业区, 农田氮素主要以NO3--N形态进入河道, 这可能是区域水体ρ(NO3--N)较高的原因。
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BDG1~BDG8为伯渎港采样点; XTQ1~XTQ5为徐塘桥河采样点; GSQ1~GSQ5为古市桥河采样点; ZTH1~ZTH5为张塘河采样点。 图 4 河流氮、磷空间分布特征 Fig. 4 Spatial distribution characteristics of nitrogen and phosphorus |
由图 4可知, 徐塘桥河各断面氮素浓度分布差异较大, 其中XTQ2断面ρ(TN)严重超标, 高达10.07 mg·L-1, XTQ3~XTQ5断面水体ρ(NH4+-N)呈增加趋势。徐塘桥河各断面ρ(TP)变化较小, TP平均浓度比其他3条河流高, 以PO43--P为主。徐塘桥河为自西向东汇入望虞河的小型河流, 沿途为工业区和村镇生活区, 流速缓慢, 污染状况严重, 两岸有大量生活污水、工业废水直排点, 这些直排点源污染是水体主要氮、磷外源。
由图 4可知, 古市桥河氮、磷污染程度在4条河流中最低, 沿程ρ(TN)也呈明显下降趋势, ρ(TN)和ρ(TP)分别由GSQ1断面的3.40和0.28 mg·L-1下降为GSQ5断面的1.53和0.06 mg·L-1, 沿汇入望虞河方向水质有所改善, 各断面氮形态以NO3--N为主, 磷以PO43--P为主。古市桥河由北向南汇入望虞河, 两岸有少量农业用地, 外源氮、磷污染负荷较轻, 水质优于其他3条河流。
由图 4可知, 张塘河各断面各形态氮、磷浓度分布相似, 氮形态以NO3--N为主, 磷以PO43--P为主。张塘河是连接伯渎港与望虞河的中级河道, 张塘河XTQ1断面起始于BDG4断面, 伯渎港部分水量汇入张塘河, 张塘河各断面氮、磷分布特征与BDG4断面相似, ZTH1~ZTH5断面ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)沿程分布差异较小。张塘河两岸均为农业用地, 面源污染分布均匀, 而张塘河ρ(PO43--P)沿程有下降趋势, 伯渎港部分来水汇入张塘河后水体磷浓度沿程得到稀释, 因此伯渎港磷浓度水平对张塘河磷浓度影响较大。
根据《太湖流域水功能区划》, 望虞河江苏调水保护区水质目标为GB/T 3838—2002中Ⅲ类[17]。各河流与望虞河交汇断面氮、磷分布有一定差异, 氮素污染较为严重, 4条支流与望虞河交汇的断面ρ(TN)均超过V类水标准, ρ(NH4+-N)均超过Ⅲ类水标准, 这些高负荷营养盐输入对望虞河调水水质有潜在重要影响。各河流与望虞河交汇断面水体氮、磷监测数据显示, 伯渎港、古市桥河和张塘河氮素潜在输入形态以NO3--N为主, 徐塘桥河以NH4+-N为主。
2.5 4条河流富营养化特征分析4条河流各断面营养状态分布见图 5。由图 5可知, 研究区91.3%的断面处于中度富营养化水平, 空间分布上, 各河流沿汇入望虞河方向EI值有所降低, 再次说明研究区河流沿汇入望虞河方向水质有所改善, 但交汇断面仍处于中度富营养化状态, 因此需重点控制各河流前段区域污染, 进一步改善入河水质。
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BDG1~BDG8为伯渎港采样点; ZTH1~ZTH5为张塘河采样点; XTQ1~XTQ5为徐塘桥河采样点; GSQ1~GSQ5为古市桥河采样点。 图 5 水体营养状态指数和氮磷比分布 Fig. 5 Distribution of nutritional state index and N/P |
氮、磷是藻类生长的必要元素, 不同藻类在不同氮磷比条件下生长状况各不相同, 作为水华优势种的铜绿微囊藻的最佳氮磷比为40:1[18]。氮磷比在一定程度上能反映水体营养物限制性特征, 一般而言, 氮磷比在10~40范围内较适宜藻类生长[19]。由图 5可知, 除GSQ4断面外, 其他断面氮磷比范围均介于10~40之间, 这表明研究区水体较适合藻类生长。根据水体营养物限制性分类标准[20], n(TN):n(TP)≥50(摩尔比, 换算成质量比约为22.6)为磷限制状态, n(TN):n(TP)≤20(摩尔比, 换算成质量比约为9.0)为氮限制状态, 其中56.5%的断面为磷限制状态, 只有XTQ4断面为氮限制状态, 因此研究区富营养化防治需注意控制水体磷素尤其是溶解性磷浓度。
2.6 水体不同形态氮、磷分布影响因素分析由于硝化、反硝化和矿化等生物化学作用, 各形态氮素在水体中可相互转化, 同时如pH和ρ(DO)等环境因子对水体各形态氮、磷的迁移转化也有明显影响[21]。不同形态氮、磷与部分环境因子之间的相关系数见表 2。由表 2可知, pH与ρ(NO3--N)呈显著负相关(P < 0.05), 水体中各形态氮迁移转化过程需要特定微生物参与, pH可影响参与微生物的活性。有研究[22-23]表明, pH较低或较高时, 硝化作用会受到明显抑制, 自养硝化细菌最适生长pH为6.6~8.0。研究区水体pH为7.30~8.79, 呈弱碱性, 在pH较高的断面, 硝化作用被抑制, 进南明影响水体ρ(NO3--N)。ρ(DO)与ρ(TP)呈显著正相关(P < 0.05), DO会影响水-沉积物界面氧化还原状态, 促进表层沉积物微生物活动, 增强其对有机磷的矿化作用, 从而促进溶解性磷向水体的释放[24]。EC与ρ(TN)和ρ(NH4+-N)呈极显著正相关(P < 0.01), 这说明NH4+-N等离子形态氮浓度对水体EC有一定影响。CODMn与ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(TP)和ρ(PO43--P)均呈极显著正相关(P < 0.01), 这可能是因为部分断面有机污染与氮、磷污染具有同源性。ρ(TN)、ρ(NH4+-N)和ρ(TP)与ρ(Chl-a)呈极显著正相关(P < 0.01), 这说明营养盐是影响研究区水体ρ(Chl-a)的重要因素, 由氮磷比可知研究区56.5%的断面为磷限制状态, 因此水体ρ(Chl-a)对ρ(TP)变化更为敏感。而更易被藻类吸收的PO43--P与ρ(Chl-a)相关性不显著, 这可能是因为藻类生长与水体温度和pH等环境条件联系更为密切, 同时各种优势藻种生长所需的营养盐最适浓度和比例也不同[25]。
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表 2 各形态氮、磷与环境因子的相关系数 Table 2 Correlations between different nitrogen and phosphorus forms and environmental factors |
望虞河西岸河网区与望虞河存在频繁的水量交换, 汛期西岸河网部分污水经望虞河向北排入长江, 而非汛期西岸河网污水经望虞河汇入太湖, 增加入湖氮、磷负荷。引江济太工程实施后, 调水期西岸污水的汇入对望虞河水质产生巨大影响, 同时为了控制入湖污染物总量, 需控制入湖水量以抬高望虞河水位, 这也导致西岸污水无排放出路, 污水在区域内回荡造成区域水环境恶化。
近年来, 通过望虞河引长江水入太湖的水量逐年上升, 太湖流域水环境监测中心及江苏省水文水资源勘测局的监测资料显示, 2007年以来, 调水期望亭立交水利枢纽水体ρ(TN)平均值为2.66 mg·L-1，ρ(TP)平均值为0.132 mg·L-1, 而同一时期, 太湖贡湖湾水体ρ(TN)平均值为2.70 mg·L-1，ρ(TP)平均值为0.071 mg·L-1, 因此磷素是影响调水水质的关键因子。在TN指标上, 望虞河引水水质略优于贡湖湾, 但徐塘桥河和张塘河入河断面ρ(TN)平均值分别为3.41和3.67 mg·L-1, 因此徐塘桥河和张塘河氮素的输入对调水期望虞河ρ(TN)达标有一定影响。在TP指标上, 调水期望亭立交水利枢纽水体ρ(TP)高于贡湖湾, 而徐塘桥河入河断面ρ(TP)平均值为0.20 mg·L-1, 徐塘桥河磷素的输入可能会进一步提高望虞河ρ(TP)。综上，支流营养盐的汇入对望虞河入湖口区域水质有较大影响, 同时研究区56.5%的断面为磷限制状态, 磷素尤其是溶解性磷的削减对控制研究区水体富营养化及保障望虞河引水水质有重要意义。望虞河西岸NH4+-N和TP排放量在现有控制措施下无法达到排放总量控制目标, 因此应针对西岸河网区农业非点源和内源污染, 采取生态修复、底泥疏浚等措施进一步削减入望虞河氮磷负荷, 重点针对徐塘桥河、张塘河入河断面采取水质强化措施。
3次监测时段内, 研究区夏季氮、磷污染最严重, 夏季采样时段为2018年6月27—29日, 太湖流域管理局2018年引江济太调水数据显示, 2018年10月23日—12月3日为望虞河向太湖引水的第2阶段, 笔者研究监测时段为该次引水期之前, 降雨强度的提升加速研究区支流污水汇入望虞河, 而此时望亭立交枢纽闸门处于关闭状态, 河流流速缓慢, 污染物在区域内蓄积, 引水后对初期引水水质产生极大影响。引水后, 随着望虞河水位的提高, 西岸河网区失去排水出路, 水体流动性变差, 高氮、磷负荷污水在西岸入河口河网区蓄积, 当河网区水位超过望虞河水位时, 大量营养盐输入望虞河, 严重影响调水水质。为保障望虞河引江济太工程效率, 阻止调水期望虞河西岸地区污水进入望虞河, 同时解决调水期望虞河西岸排水出路问题, 已经实施了走马塘拓浚延伸工程和望虞河西岸控制工程。但走马塘拓浚延伸工程实施后, 望虞河西岸南部河网水体流动性较差的问题并没有得到解决[26], 因此建议对西岸南部支流进行适当调水、补水, 重点针对水质较差的入河河道进行补水。水利工程的建设将不可避免地对当地水文、水动力和水环境质量等产生影响, 因此在实施控制工程的基础上, 也要加强望虞河西岸地区生态治理, 增强水体自净能力, 减小西岸氮、磷污染对望虞河引水水质的影响。
3 结论(1) 伯渎港、徐塘桥河、古市桥河和张塘河ρ(TN)平均值分别为4.93、5.20、2.27和3.78 mg·L-1, ρ(TP)平均值分别为0.18、0.23、0.16和0.15 mg·L-1, NO3--N和PO43--P分别为氮、磷的主要形态。
(2) 4条河流氮、磷浓度沿汇入望虞河方向呈下降趋势, 但入河断面各形态氮、磷浓度仍未达到区域水功能区划制定的Ⅲ类水质目标。
(3) 研究区河流营养盐的汇入对望虞河入湖口区域水质有较大影响, 需重点关注徐塘桥河和张塘河入河断面水质, 并加强水体氮、磷，尤其是溶解性磷的削减控制。
(4) 研究区夏季氮污染最严重, 伯渎港、徐塘桥河和古市桥河TN浓度最高值均出现在夏季, 分别为各自浓度最低季节的1.24、1.44和2.01倍。夏季为望虞河调水期, 应加强该时段入河支流的氮素污染防治, 削减入河污染物总量。
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