蠡湖沉積物現狀調查及表層沉積物污染評價

喬紅霞,楊小龍,王俊力,陶琛杰,蔡 敏,劉福興?

(1 上海市農業科學院,上海201403;2 無錫恒誠水利工程建設有限公司,無錫214000;3無錫市水利基建工程質量監督站,無錫214000)

蠡湖作為無錫市的內湖,與無錫市民的工作、生活、娛樂等方面息息相關。 隨著生活水平的提高,人們與河湖水系互動逐漸頻繁,蠡湖一度成為生產和生活污水主要的接納場所。 20 世紀80 年代以來,由于自然資源的過度開發及養殖業、工業的迅速崛起,蠡湖的生態環境遭到了破壞,水質不斷惡化,蠡湖一度成為太湖地區富營養化最為嚴重的水域[1]。 21 世紀初,無錫市對蠡湖全面實施生態清淤、污水截流、退漁還湖、生態修復、湖岸整治和環湖林帶建設等水環境綜合整治工程[2]。 2006 年,無錫市被我國水利部列為全國第一批水生態系統保護與修復試點城市[3]。 通過這些整治工程和措施,蠡湖的水質和生態環境在一定程度上得到改善。 研究表明,蠡湖水體進行生態治理和整治后,水質有了明顯提高[4-6]。 整治前后,蠡湖水質均為西部湖區優于東部湖區[2,7]。

底泥沉積物作為湖泊生態系統的重要組成部分,是湖泊河道污染的主要內因之一。 底泥既是匯也是源,其污染狀況和污染物的存在形式與水體污染情況和浮游動植物的生存關系密切。 廣大科研人員圍繞河湖沉積物,特別是太湖流域沉積物中污染物的存在形態、分布、釋放及評價開展了大量工作。 方家琪等[8]認為,太湖竺山灣沉積物中總磷(TP)屬于重度污染,總氮(TN)屬于輕度污染,北部地區為重度污染區,有機污染相對較重。 孟翠等[9]研究表明,太湖西部入湖口沉積物中氮磷外源輸入嚴重,且有嚴重的生態風險。 張杰等[10]、魏偉偉等[11]分別研究了太湖胥口灣和竺山灣緩沖帶內濕地表層沉積物中營養鹽的空間分布及其污染特征,認為胥口灣整體上處于中度污染狀態,竺山灣緩沖帶內濕地表層沉積物中TN 含量和TP 含量處于中等水平,有機質(OM)含量處于較高水平;二者的研究均認為,OM 主要來源于水生生物的分解,與TN 具有很高的同源性,而與TP 同源性較低。 鐘小燕等[12]研究表明,太湖河道底泥中氮磷營養鹽釋放量和最終平衡濃度與流速呈對數關系;TN、TP 含量平衡濃度隨流速增加呈指數形式增加。 此外,對于洞庭湖、鄱陽湖沉積物中污染物釋放、分布及污染風險評價也有報道[13-14]。

蠡湖是非常典型的城市湖濱水體,對其研究大多著眼于其水質及植被,而對其底泥沉積物這個潛在的污染源研究較少[2]。 為了更好地了解蠡湖沉積物的現狀、分布及其污染狀況,本研究擬對蠡湖沉積物進行調查,并采用綜合污染指數法和有機污染指數法對其污染程度進行評價,以期為蠡湖生態環境的修復和治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

蠡湖(31°30′07″—31°32′48″ N,120°15′11″—120°13′54″ E)是太湖梅梁灣伸入無錫市的內湖,水域面積為8.6 km2,東西長6 km,南北寬0.3—1.2 km,環湖一周約21 km。 無錫市位于亞熱帶季風氣候區, 年均溫為18 ℃, 年均降水量為843.6 mm[7]。

1.2 調查點位概況

為更好地了解蠡湖各個區域的底質狀況,依據生態環境和功能定位不同,將蠡湖分為5 個區域(圖1)。 A 區:蠡堤北湖區(退漁環湖區);B 區:蠡堤至寶界橋湖區;C 區:寶界橋至蠡湖大橋湖區;D區:蠡湖大橋東湖區;E 區:長廣溪湖區(張莊巷浜至石塘廊橋)。 調查共選取239 個點位測定沉積物淤積深度;選取21 個代表性點位采集底泥樣品進行檢測。

圖1 蠡湖底泥淤積深度測定點位及分區Fig.1 Measuring points of sediment deposition depth in Lihu Lake and its division

1.3 測定與計算方法

沉積物化學性質測定參照《土壤農業化學分析方法》[16]:總氮(TN)含量采用蒸餾法測定,總磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法測定,有機質(OM)含量采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化法測定。

沉積物污染評價分別采用綜合污染指數法[17]和有機污染指數法[18-21]。

其中,有機污染指數(OI)按照以下公式計算:

式中:OC 為有機碳含量,ON 為有機氮含量,均以質量分數(%)表示。

綜合污染指數(FF)按照以下公式計算:

式中:Si為單項評價指數;Ci為評價因子i的實測值;Cs為評價因子i的評價基準值。 FF 為綜合污染指數;F為n項污染物污染指數平均值;Fmax為最大單項污染指數。

有機污染指數和綜合污染指數等級見表1。

表1 污染指數等級Table 1 Grade of pollution index

1.4 綜合污染指數閾值

對于綜合污染指數的基準,國際上有很多閾值標準,本研究選用4 種基準閾值進行污染指數評價對比。 即:1)王健等[22]推薦的中國東部典型湖泊沉積物總氮、總磷基準值;2)美國沉積物基準值[21];3)1960 年太湖沉積物中的氮磷背景值[23];4)加拿大安大略省環境和能源部1992 年發布的指南中關于沉積物中能引起最低級別生態風險效應的總氮、總磷閾值[24]。

2 結果與分析

2.1 蠡湖沉積物淤積深度

從測定數據來看,蠡湖底泥平均淤積深度為0.35 m,最深處為1.6 m;其中淤積深度1.00 m 以上的占4%,0.51—1.00 m 的占18%,0.31—0.50 m的占14%,0.30 m及以下的占64%。 可以看出,蠡湖底泥淤積不深,且呈現出離岸距離越遠淤積越淺的趨勢(圖2)。 據資料記載,在清淤前(2001 年),蠡湖東部湖心最大淤積深度3 m,西部最大淤積深度超6 m,平均深度1.3 m[25]。

總體來看(圖3),5 個區的底泥淤積情況均不嚴重,平均深度0.26—0.51 m。 其中,淤積最深的B 區為0.51 m,這可能與之前的清淤工程未涵蓋此區域,且最深的幾個點位均在此區域有關;與之一堤之隔的A 區淤積最淺;C 區除個別點位淤積較深外,大多點位都較淺,是0—0.10 m 淤積深度最多的區域。 C、D、E 3 個區域淤積深度較接近,差異不大。

圖2 蠡湖沉積物淤積深度離岸距離比較Fig.2 Comparison of sediment depth and offshore distance in Lihu Lake

圖3 蠡湖沉積物淤積深度不同區域比較Fig.3 Comparison of sediment depth of different areas in Lihu Lake

2.2 蠡湖沉積物養分含量

養分含量可以作為底泥是否適合水生植物生長的參考,也是本次調查的目標之一。 根據蠡湖地勢和底泥分布特點,共選取21 個代表性點位采集沉積物樣品,測定有機質、總氮、總磷含量。 結果表明:調查區域沉積物中有機質含量為6.3—43.5 g∕kg,平均含量為26.9 g∕kg,其中C 區的56 號點位最高,B 區的19 號點位最低。 參照全國第二次土壤普查養分分級標準(表2),各區域沉積物中有機質平均含量以三級占比最多,為43%,其次為二級,占比33%,平均含量為三級。 根據江蘇省水文水資源勘測局無錫分局2001 年的監測數據,蠡湖清淤整治前,沉積物中有機質平均含量為40.4 g∕kg,為一級。 此次調查數據較清淤前(2001 年,下同)有顯著下降,平均降低33%左右。

表2 我國第二次土壤普查養分分級標準Table 2 Nutrient grading standard of the second national soil survey g·kg -1

從圖4 可見,調查區域沉積物中總氮含量為0.30—2.36 g∕kg,平均含量為1.35 g∕kg,其中C 區的56 號點位最高,B 區的19 號點位最低,與有機質含量的表現規律一致。 與土壤養分分級標準相比,調查區域沉積物中總氮平均含量為三級,但從單個點位來看,以二級占比最多,達43%,四級最少,僅占5%。根據江蘇省水文水資源勘測局無錫分局2001 年的監測數據,蠡湖清淤整治前,沉積物中總氮含量平均為1.19 g∕kg,屬于三級。 與本次調查結果相比,沉積物中總氮含量總體呈上升趨勢,18 年間增加了0.16 g∕kg,平均每年增加約0.01 g∕kg。

調查區域沉積物中總磷含量為0.63—1.51 g∕kg,平均含量為0.86 g∕kg,屬于二級,其中50 號(D 區)、53 號(D 區)、56 號(C 區)3 個點位較高,達一級,其他點位均屬于二級或三級,且以三級占比最多,超過50%。 根據江蘇省水文水資源勘測局無錫分局2001 年的監測數據,蠡湖清淤整治前,沉積物中總磷含量平均為2.53 g∕kg,屬于一級。 與本次調查結果相比,蠡湖沉積物中總磷含量有顯著下降,18 年間減少了1.67 g∕kg,平均降低近66%。

為更好地了解蠡湖各區域內沉積物淤積深度及污染物含量分布,將研究區域沉積物平均淤積深度、有機質、總氮、總磷平均含量按區域劃分。

從圖5 可以看出,5 個分區的沉積物中有機質平均含量為19.45—31.28 g∕kg。 沉積物淤積深度最淺的A 區其有機質平均含量最高,為5 個區域中唯一一個達到二級的區域;而沉積物淤積深度最深的B 區其有機質平均含量卻最低,為唯一一個屬于四級的區域,兩區之間有機質含量相差較大;其余3 個區域有機質平均含量均屬于三級,差異不大。 5 個區域沉積物中總氮含量為1.05—1.56 g∕kg,其中E 區最高,A區次之,B 區最低,E 區為B 區的1.49 倍。 5 個區域沉積物中總磷含量為0.71—1.03 g∕kg,其中D 區最高,A 區最低,D 區為A 區的1.46 倍。

圖4 蠡湖沉積物中養分含量Fig.4 Nutrient content of Lihu Lake sediment

圖5 蠡湖不同區域沉積物中養分含量比較Fig.5 Comparison of sediment nutrient content in different areas of Lihu Lake

2.3 蠡湖表層沉積物污染評價

2.3.1 有機污染指數法評價結果

從污染角度對蠡湖表層沉積物進行評價,有機污染指數評價結果表明(圖6):位于C 區的56 號點位有機污染指數最高,B 區的19 號點位有機污染指數最低,與有機質含量和總氮含量表現一致。 在調查區域內,有86%的沉積物達到污染程度,其中5%為重度污染,48%為中度污染,33%為輕度污染,總體評價為中度污染。

2.3.2 綜合污染指數法評價結果

由于蠡湖屬太湖流域,因此本研究采用1960 年太湖沉積物中的氮磷背景值[23]作基準對其污染進行評價。 從單因素評價指數看,蠡湖表層沉積物有86%的STN達到污染程度,其中達到重度污染的為52%,中度污染的為24%,輕度污染的為10%,總體評價為重度污染;STP全部達到污染程度,其中86%為重度污染,14%為中度污染,無輕度污染和清潔,總體評價為重度污染。

圖6 蠡湖沉積物有機污染指數分析Fig.6 Analysis on organic pollution index of sediment in Lihu Lake

綜合污染指數FF 評價表明(圖7),蠡湖表層沉積物全部達到污染程度,其中52%為重度污染,38%為中度污染,10%為輕度污染,總體評價為重度污染。

圖7 蠡湖沉積物綜合污染指數分析Fig.7 Analysis on comprehensive pollution index of sediment in Lihu Lak

2.3.3 不同區域沉積物污染評價

由表3 可見,對照污染指數等級(表1),從單因素污染指數看,STN除B 區為中度污染外,其他4 個區均為重度污染;STP全部為重度污染。 從綜合污染指數FF 看,除B 區為中度污染外,其他4 個區均為重度污染。 從有機污染指數OI 看,除B 區為輕度污染外,其他4 個區均為中度污染。 可見,相比有機物,氮、磷的污染更嚴重,D 區磷的污染最嚴重,B 區氮和有機物的污染最輕。

表3 不同區域沉積物污染評價Table 3 Assessment of sediment pollution in different areas

2.3.4 綜合指數基準閾值選擇比較

為了更好地分析不同基準閾值對綜合污染指數評價的影響,選取常見的4 種基準閾值進行了對比。

從表4 可見,總氮基準閾值差異較大,4 號最低,1 號最高,1 號是4 號的2.02 倍;總磷基準閾值4 號最高,2 號最低,4 號是2 號的1.43 倍。 因此,選擇哪種基準閾值將直接影響河湖沉積物污染評價的結果。從5 個區域的污染評價結果看,以3 號和4 號為基準閾值的STN計算結果一致;以2 號和3 號為基準閾值的STP計算結果一致;以3 號和4 號為基準閾值的FF 評價結果一致,以1 號和2 號為基準閾值的FF 評價結果一致。

表4 基于不同基準閾值的各區域沉積物污染評價Table 4 Assessment of regional sediment pollution based on different benchmark thresholds

3 討論與結論

底泥沉積物中的污染物一般來源為生活污水和工業廢水、生物遺體轉化降解、土壤流失、農田徑流、大氣沉降等等。 2001 年后,無錫市針對蠡湖生態修復進行了多項清淤工程,使得蠡湖中的污染物大為減少。 本次調查中,與清淤前的數據相比,蠡湖沉積物中有機質和總磷含量呈下降趨勢,總氮含量略有增加。 這與蠡湖地處城市中心,居民生活和工業活動污染頻繁發生密切相關。 雖然近年來對于河湖生態治理及污水截污納管等整治力度加大,但人類相關活動及水生動植物還是給蠡湖帶來了一定的污染。 通過沉積物污染評價得出,蠡湖的污染主要來源于氮磷。 以1960 年太湖沉積物中的氮磷為背景值,單因子總氮評價指數STN、總磷評價指數STP及綜合污染評價指數FF 結果顯示:氮磷的污染主要來自于外源輸入;以具有生物效應表征的基準閾值作評價值[9],單因子總氮評價指數STN、總磷評價指數STP及綜合污染評價指數FF 表明:氮磷污染存在嚴重的生態風險。

通過對蠡湖沉積物現狀的調查分析和污染評價分析,得出以下結論。 1)蠡湖沉積物淤積不深,且越向湖心越淺,平均淤積深度A 區最淺,B 區最深。 2)蠡湖沉積物中TP 含量屬于二級,OM 含量和TN 含量均屬于三級,其中D 區與A、B 區的TP 含量差異較大。 3)蠡湖表層沉積物中有機物為中度污染,氮、磷為重度污染。 總體評價,蠡湖污染嚴重,其中氮、磷的貢獻較大。 從分區來看,D 區磷的污染最嚴重,B 區氮和有機物的污染較輕。 4)通過綜合指數基準閾值比較可知,在本次調查結果污染評價中,以1960 年太湖沉積物中的氮磷背景值和加拿大安大略省環境和能源部1992 年發布的指南中沉積物中能引起最低級別生態風險效應的總氮、總磷閾值為基準的STN和FF 評價結果一致;以美國沉積物基準值和1960 年太湖沉積物中的氮磷背景值為基準的STP評價結果一致。