竺山湖主要入湖口水質(zhì)及富營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

汪 鋒，錢 莊，張 周，張雅晶，繆恒鋒

(1.江蘇省無錫市環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇無錫 214122；2.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

竺山湖主要入湖口水質(zhì)及富營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

汪 鋒1，錢 莊1，張 周2，張雅晶2，繆恒鋒2

(1.江蘇省無錫市環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇無錫 214122；2.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

摘要[目的]以竺山湖主要入湖口為研究對象，評價(jià)其水質(zhì)及富營養(yǎng)化狀況。[方法]對3條入湖口水質(zhì)開展了連續(xù)3年的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果參照GB 3838—2002中IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，采用單因子評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)。[結(jié)果]單因子評價(jià)結(jié)果表明，只有沙塘港入湖口BOD5單項(xiàng)污染指數(shù)大于1.00，3條入湖口水質(zhì)NH4+-N和BOD5月均值超標(biāo)范圍分別為30.56%～41.67%和25.00%～52.78%，TP均未見超標(biāo)。綜合污染指數(shù)評價(jià)表明，3條入湖口水質(zhì)平均綜合污染指數(shù)均為0.70～1.00。殷村港入湖口和太滆運(yùn)河入湖口水質(zhì)優(yōu)于沙塘港入河口水質(zhì)。綜合營養(yǎng)指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，3條入湖口水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為63.6～64.8，屬于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。其中TN、TP和SD營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較高，Chl-a和CODMn營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較低。由于3條入湖河流匯集了大量的N、P，從而導(dǎo)致TN和TP的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較高，對Chl-a和CODMn濃度控制得相對較好，從而在入湖口表現(xiàn)出這兩項(xiàng)指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較低。[結(jié)論]造成竺山湖富營養(yǎng)化的主要外源貢獻(xiàn)來自于入湖河流的TP和TN輸入，應(yīng)加大對入湖河流N、P污染物的削減治理。

關(guān)鍵詞竺山湖；入湖口；水質(zhì)評價(jià)；富營養(yǎng)化

太湖是我國五大淡水湖之一，面積為2 428 km2，南北長68.5 km，東西平均寬度34.0 km，湖岸線總長405.0 km，平均深度為1.9 m，最大深度為2.6 m，湖泊總蓄水量為4.43×109m3[1]。太湖作為流域內(nèi)重要的供水水源地，承擔(dān)著周邊城市供水和改善下游地區(qū)水質(zhì)的重要作用，其水質(zhì)狀況一直受到廣泛關(guān)注[2]。近年來，太湖湖泊富營養(yǎng)化嚴(yán)重，出現(xiàn)了幾次較為嚴(yán)重的藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)事件，嚴(yán)重影響了太湖流域的可持續(xù)發(fā)展，并對流域沿岸居民的身體健康造成了潛在威脅[3-6]。太湖夏季受熱帶海洋氣團(tuán)的影響，盛行東南風(fēng)，導(dǎo)致太湖西北角竺山湖、梅梁灣、貢湖等湖灣受污染較為嚴(yán)重[7-8]。

竺山湖位于梅梁灣西面，是太湖西北角半封閉型湖灣，面積為57.2 km2，涉及無錫市馬山區(qū)、宜興市和常州市武進(jìn)區(qū)，水質(zhì)較差[9-10]，2015年水質(zhì)處于地表V類標(biāo)準(zhǔn)。造成竺山湖水質(zhì)變化的主要因素可能是由于竺山湖主要入湖河道有太滆運(yùn)河、沙塘港和殷村港，沿湖居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生大量污染物，經(jīng)入湖河流匯入竺山湖[9]。筆者通過對竺山湖主要入湖口連續(xù)3年(2012～2015年)的水質(zhì)主要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，分析污染物指標(biāo)，找出主要污染因子，并應(yīng)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對3個(gè)入湖口富營養(yǎng)化水平進(jìn)行評價(jià)，客觀分析各入湖口水質(zhì)現(xiàn)狀，以期為竺山湖水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)與參考。

1材料與方法

1.1樣品采集與保存對竺山湖3個(gè)主要入湖口設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，分別為殷村港入湖口(S1)、沙塘港入湖口(S2)和太滆運(yùn)河入湖口(S3)，均為漁業(yè)用水，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為IV類[10]。從2013年1月至2015年12月進(jìn)行連續(xù)3年的采樣監(jiān)測；采樣頻率為每月1次(每月15號)；采集水面下0.3～0.5 m處地表水樣，進(jìn)行多點(diǎn)取樣混合。樣品密封在事先準(zhǔn)備好的干燥玻璃瓶中，于4 ℃條件下暗處保存，24 h內(nèi)完成樣品分析。

1.3評價(jià)方法及原理

(1)采用單因子評價(jià)法對水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)水質(zhì)類別與定性評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)，確定各斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況。單因子指數(shù)法可以對每項(xiàng)污染物的污染狀況進(jìn)行評價(jià)，是較為常用的一種水質(zhì)評價(jià)方法，筆者根據(jù)竺山灣水質(zhì)特點(diǎn)，選取NH4+-N、TP、COD、CODMn和BOD55個(gè)因子進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式如式(1)所示：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi為水質(zhì)指標(biāo)i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為水質(zhì)指標(biāo)i的實(shí)測值，mg/L；Si為水質(zhì)指標(biāo)i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。Pi≤1為未達(dá)到污染水平；Pi>1為水質(zhì)達(dá)到污染水平，Pi值越大，表示污染程度越重。

(2)綜合污染指數(shù)的計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

式中，Pj為j斷面的綜合污染指數(shù)；n為參加評價(jià)的污染物項(xiàng)目數(shù)；Pi為水質(zhì)指標(biāo)i的單項(xiàng)污染指數(shù)。根據(jù)Pi值，可以將地表水水質(zhì)分為6個(gè)等級[12]，分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1　地表水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)

(3)選取Chl-a、TP、TN、CODMn和SD作為參數(shù)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對竺山湖主要入湖口水質(zhì)富營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，其計(jì)算公式如式(3)所示[13]。

(3)

式中，TLI(Σ)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

參數(shù)Parameterrijr2ijChl-a1.00001.0000TP0.84000.7056TN0.82000.6724SD-0.83000.6889CODMn0.83000.6889

(4)單個(gè)項(xiàng)目營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如式(5)～(9)所示。

TLI(Chl-a)=10×(2.500 0+1.086lnChl-a)

(5)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

(6)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

(7)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

(8)

TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661lnCODMn)

(9)

湖泊水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級采用0～100的系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級，包括貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)，與污染程度關(guān)系見表3。

表3　水質(zhì)類別與評分值對應(yīng)關(guān)系

2結(jié)果與分析

2.1水環(huán)境質(zhì)量由表4可知，只有S2水質(zhì)的BOD5污染指數(shù)大于1.00，其他各斷面單項(xiàng)污染指數(shù)平均值均小于1.00，3個(gè)入湖口TP濃度控制較好，單項(xiàng)污染指數(shù)平均值分別為0.62、0.57和0.67。3年的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)3個(gè)入湖口NH4+-N和BOD52項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)有一定程度的超標(biāo)，TP、COD和CODMn3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)控制較好，TP濃度均未見超標(biāo)，S2水質(zhì)COD和CODMn月平均濃度超標(biāo)率僅為8.33%和3.85%。由此可見，竺山湖主要入湖口各污染物控制較好，NH4+-N和BOD5有少量超標(biāo)。

從圖1可見，3條入湖口水質(zhì)TN濃度總體呈下降趨勢，2013年S1、S2和S3TN年平均濃度分別為4.18、4.38和4.51mg/L，到2015年TN年平均濃度分別為3.74、3.84和4.19mg/L。S1和S2水質(zhì)TP年平均濃度變化不大，基本維持在0.15～0.19mg/L。S3水質(zhì)TP波動相對較大，2013～2015年TP的年平均濃度由0.18mg/L上升至0.24mg/L。竺山湖水質(zhì)TN、TP濃度距離《太湖流域水環(huán)境綜合治理方案》中規(guī)定的2020年預(yù)期目標(biāo)存在一定差距，因此，在后續(xù)要對各入湖河流進(jìn)行針對性治理，加強(qiáng)對N、P濃度的控制。

2.2綜合污染指數(shù)(Pj)從圖2可見，S1、S2和S3平均綜合污染指數(shù)分別為0.72、0.81和0.72。S1、S3相對較好，S2相對較差。由地表水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)可知，3個(gè)入湖口水質(zhì)平均Pj均在0.70～1.00，均處于中污染級別。

表4　2013～2015年竺山湖主要入湖口水質(zhì)的單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi)評價(jià)結(jié)果

圖1　2013～2015年竺山湖主要入湖口TN和TP的年平均濃度變化Fig.1　Average concentration changes of TN and TP in main entrances of Zhushan Lake

圖2　2013～2015年竺山湖主要入湖口水質(zhì)的平均綜合污染指數(shù)比較Fig.2　Average pollution index of water quality in main entrances of Zhushan Lake

2.3富營養(yǎng)狀況從圖3可以看出，2013～2015年3條入湖口水質(zhì)TLI均在60～70，屬于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，由于入湖河流匯聚了周邊城鎮(zhèn)的生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染及部分工業(yè)污染，導(dǎo)致入湖口水質(zhì)呈中度富營養(yǎng)狀態(tài)。其中，S1水質(zhì)的TLI變化幅度較大，S2和S3水質(zhì)的TLI變化不大，有小幅下降。2013年S1的水質(zhì)TLI最高，其次是S3，S2水質(zhì)的TLI最好；2014年，S2水質(zhì)的TLI最高，而S1水質(zhì)的TLI體現(xiàn)出較大幅度的下降；2015年S2和S3水質(zhì)的TLI相對較高，S1水質(zhì)的TLI最低。總體來說，2013～2015年通過污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和水環(huán)境綜合整治，入湖河流匯聚的污染物濃度有所降低，整個(gè)入湖口水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)整體呈下降趨勢，以S1水質(zhì)表現(xiàn)最為明顯。然而，截至2015年，入湖口總體的水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)仍在60以上，仍需要后期不斷削減外源污染物排放，使入湖河水水質(zhì)有進(jìn)一步改善。

圖3　2013～2015年竺山湖主要入湖口綜合富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)比較Fig.3　Index comparison of comprehensive eutrophication state of main entrances of Zhushan Lake

從圖4可以看出，2013～2015年各入湖口的TLI在63.6～64.8，屬于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。其中，TN、TP和SD較高，是影響整個(gè)水質(zhì)TLI較高的主要原因。同時(shí)，各入湖口水質(zhì)中Chl-a和CODMn營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較低，表明河流生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)物含量和初級生產(chǎn)能力相對較低。總體來看，各入湖口水質(zhì)N、P含量的偏高與水體富營養(yǎng)化有直接關(guān)系。

圖4　2013～2015年竺山湖主要入湖口富營養(yǎng)狀況評價(jià)Fig.4　Eutrophication status evaluation of main entrances of Zhushan Lake from 2013 to 2015

3結(jié)論與討論

該研究根據(jù)2013～2015年竺山湖主要入湖口的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，參照GB3838—2002中IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，采用單因子污染指數(shù)評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)指數(shù)法對3條入湖口水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)單因子污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，只有S2水質(zhì)的BOD5污染指數(shù)大于1.00，其他各斷面單項(xiàng)污染指數(shù)平均值均小于1.00。TP、COD和CODMn3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)控制較好，TP濃度均未見超標(biāo)，S2水質(zhì)COD和CODMn超標(biāo)率僅為8.33%和3.85%。

(2)綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，殷村港入湖口，沙塘港入湖口和太滆運(yùn)河入湖口平均綜合污染指數(shù)均為0.70～1.00，根據(jù)地表水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)屬于中污染區(qū)。3條入湖口水質(zhì)情況是殷村港入湖口最好，其次為太滆運(yùn)河入湖口，沙塘港入湖口最差。入湖河流周邊城鎮(zhèn)污水處理廠尾水排放的較高濃度營養(yǎng)鹽，以及部分未納入管理的面源污染是入湖口水質(zhì)污染較為嚴(yán)重的重要因素[15]。

(3)綜合營養(yǎng)指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，3條入湖口水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)差別不大，均為63.6～64.8，屬于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。其中TN、TP和SD營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較高，是影響整個(gè)水質(zhì)綜合富營養(yǎng)指數(shù)較高的主要原因。近年來，隨著各入湖河流周邊經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)張，人口和企業(yè)數(shù)量的增加，各種點(diǎn)源和面源污染隨著入湖河流排放至竺山湖，使得各入湖口TN和TP濃度較高。3條入湖口水質(zhì)中Chl-a和CODMn營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較低，各入湖口富營養(yǎng)化的出現(xiàn)與總體水質(zhì)N、P含量的偏高有直接關(guān)系。

(4)綜上所述，3條入湖河流對竺山湖富營養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)在于TP和TN的輸送。考慮到3條入湖河流的功能性，建議從以下4個(gè)方面對N、P污染物進(jìn)行削減：①加強(qiáng)農(nóng)業(yè)和徑流面源污染的管理，降低肥料向地表水的轉(zhuǎn)移；②推進(jìn)農(nóng)村分散式生活污水處理，有效削減分散式點(diǎn)源的貢獻(xiàn)；③提高鎮(zhèn)污水處理廠尾水排放要求，降低尾水對地表水污染物的貢獻(xiàn)；④強(qiáng)化入湖河流的生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)水體功能，減少內(nèi)源污染。

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Water Quality and Eutrophication Evaluation of Main Estuary for Zhushan Lake

WANG Feng1, QIAN Zhuang1, ZHANG Zhou2et al

(1. The Environmental Science Research Institute of Wuxi, Wuxi, Jiangsu 214000; 2. School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214122)

Abstract[Objective] Taking the main estuaries of Zhushan Lake as the research object, water quality and eutrophication status were evaluated. [Method] Water quality in three main estuaries was monitored for three consecutive years. Monitoring results referred to the IV water quality standard in Basic Analytical of Environmental Quality for Surface Water in China (GB 3838—2002). Evaluation was carried out by the single factor evaluation method, comprehensive pollution index method and comprehensive nutritional index method. [Result] Results of single factor evaluation method showed that only the single pollution index of BOD5 in Shatang estuary was higher than 1.00. Sandard-exceeding rates of NH4+-N and BOD5 (monthly average) in three estuaries were in the range of 35.56%-41.67% and 25.00%-52.78%, respectively. All the TP indexes were under the level of the IV water quality standard. Results of comprehensive pollution index method showed that the comprehensive pollution indexes of all the estuaries were within the range of 0.70-1.00, and water quality of Yincungang estuary and Taige estuary was a little better than those of Shatanggang estuary. Result of comprehensive nutrition index showed that the water quality of three estuaries were in the state of moderate eutrophication with the nutrition state indexes ranging from 63.6-64.8. Among them, TN, TP and SD contributed most to the nutrition state index, while Chl-a and CODMncontributed less. Since a large amount of N and P were accumulated in three estuaries, nutritional indexes of TN and TP were relatively high; the Chl-a and CODMnconcentration was controlled well. Thus, the two nutritional indexes in estuaries were relatively low.[Conclusion] The main exogenous contribution causing the eutrophication of Zhushan Lake is the TP and TN input of inflowing rivers. Therefore, we should strengthen the control of N and P contaminants of inflowing rivers.

Key wordsZhushan Lake; Estuary; Water quality evaluation; Eutrophication

基金項(xiàng)目國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)子課題(2012ZX07101-006；2013ZX07101-014)。

作者簡介汪鋒(1970- )，男，江蘇宜興人，工程師，從事環(huán)境質(zhì)量管理和評價(jià)方面的研究。

收稿日期2016-02-24

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)12-064-04