南京玄武湖富营养化及重金属污染现状

赵大勇,马 婷,曾 巾,燕文明,徐于楠,姜翠玲

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;3.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京 210008)

南京玄武湖是典型的城市浅水湖泊,湖面面积3.68km2左右,平均水深1.14m,最大水深2.31m.湖面被4个小岛划分为北湖、东南湖和西南湖3部分.玄武湖汇水主要来自紫金山北麓雨水以及流域内工业废水和生活污水[1-2].20世纪80年代末,玄武湖水质已处于富营养化状态,90年代死鱼现象频频发生.2005年7月,玄武湖暴发蓝藻水华,湖面被蓝藻覆盖.后来藻类死亡,整个湖泊散发出难闻的臭味,给南京市的城市景观造成了严重的不良影响[3].

除富营养化外,玄武湖还面临重金属污染的问题[4].在此之前,已有关于玄武湖沉积物中重金属含量分布的研究报道[1,4].邹丽敏等[2]应用ICP-MS的方法检测了玄武湖沉积物中Zn,Cd和Ni的质量分数,发现其分别是南京土壤环境背景值的1.08～2.91倍、51.70～89.80倍和1.33～4.11倍.这表明南京玄武湖沉积物中Zn的污染程度较轻,Cd和Ni的污染程度较重,且Zn,Cd和Ni检出质量分数的最大值均出现在东南湖沉积物中.

湖泊底泥疏浚是指通过挖除湖泊底泥的方式清除沉积物中所含的污染物,减少沉积物中污染物向水体的释放,从而达到改善水质的效果.为了改变玄武湖的富营养化状态,相关部门曾多次在玄武湖开展底泥清淤疏浚工作.最近的一次清淤工作自2007年开始,清淤范围包括北湖、东南湖和西南湖3个湖区,相关工作现已基本结束.但关于底泥疏浚对富营养化湖泊治理方面的积极作用却尚未得到证实[5-6].因此,本文对此次清淤后玄武湖不同湖区水体及沉积物中氮、磷等营养盐以及重金属质量浓度的分布规律进行分析,相关结果可为检验玄武湖生态工程治理效果提供基础数据[7].

1 采样与指标测定方法

1.1 样品采集

2010年4月,在玄武湖的北湖区、东南湖区和西南湖区已完成清淤工作的区域中设置6个采样点(S1～S6,图1).用采水器采集水面下0.5m处的水样,将采集的水样放入冰箱4℃保存.另外,用彼得逊采泥器,在各个采样点采集表层3cm的沉积物样品200g,将采集回来的沉积物样品放入冰箱-20℃保存,供后续分析使用.

1.2 常规理化指标测定方法

采样点水体的pH用pH计在现场原位测定.沉积物pH参照ISO 10390—2005《土壤质量pH的测定》方法进行.水样和冻干后沉积物样品的总氮(TN)、总磷(TP)的测定参照过硫酸钾氧化 紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法进行[8].沉积物样品经冻干后,按照GB9834—88《土壤有机质测定方法》进行有机质质量分数的测定.

1.3 重金属含量的测定方法

水样中重金属含量的测定方法:取10mL已过滤杂质的水样置于50mL的离心管中;加入100μL的HNO3,在电热板上80℃消解6 h,冷却后测定.

沉积物中重金属含量的测定:沉积物样品经冻干后,混合均匀,装入聚乙烯塑料袋,置于干燥器中保存备用.准确称取2g冻干样品,转移至已清洗好的离心管中.在离心管中加入15mL的HCl(1∶1)和5mLHNO3,轻微震荡离心管,使样品与消解液混合均匀.将装好样品和消解液的离心管放在加热板上80℃消解6h,并不时震荡离心管混匀.待离心管冷却后,过滤收集滤液,定容至50mL.

用电感耦合等离子体发射光谱仪(Thermo iCAP 6300,Thermo Fisher Scientific,USA)进行重金属元素的测定,以混合标准溶液建立标准曲线,逐个分析各个样品中Cr,Cu,Ni,Pb和Zn 5种重金属的含量,每个样品测定3次,记录重金属元素含量与标准偏差.

图1 玄武湖采样点位置分布Fig.1 Location of sampling sites in Xuanwu Lake

2 测定结果及分析

2.1 水体及沉积物的理化参数

玄武湖水体及沉积物的理化指标测定结果如表1所示.从表1可以看出,西南湖区富营养化程度最低,北湖湖区沉积物中的有机质的质量分数严重偏高,而东南湖区的湖水TN和TP的质量浓度过高.依据湖泊富营养化分级评价标准,北湖湖区水体处于中度富营养化到严重富营养化状态,东南湖区处于严重富营养化状态,而水质相对较好的西南湖区则处于轻度富营养化状态,只是TN的质量浓度略微偏高.梅卓华等[9]研究了2006年4月—2007年3月期间,南京玄武湖水体中营养盐含量的动态变化.结果显示:玄武湖TN质量浓度一直保持在较高水平,年平均值为1.69 mg/L,低于本研究中各采样点TN的质量浓度平均值(1.91mg/L).TP的质量浓度范围为0.04～0.33mg/L,与本研究检测到的质量浓度范围基本一致.上述研究结果显示:经过清淤修复,玄武湖水体中营养盐浓度并未出现明显下降.朱敏等[10]的研究结果也显示,玄武湖1998年清淤后沉积物中TP的质量分数略有下降,但其后又呈现上升趋势,TN在清淤后呈明显上升趋势.

表1 水体及沉积物理化指标测定结果Table 1 Measured results of physicochemical parameters in water and sediment samples

2.2 水体中重金属质量浓度

各采样点水样中重金属质量浓度的测定结果如表2所示,各采样点水体中的重金属质量浓度相对都比较低,只有Cr和Zn元素的质量浓度高于检测限,其余重金属元素均未检出,这说明Ni,Cu,Pb等元素在玄武湖水体中的质量浓度比较低.

由于玄武湖的补给水源主要是雨水和污水处理厂的中水,因此重金属的来源主要是污水处理厂的中水以及化肥农药的流失.检测结果显示,位于东南湖的两个采样点S3和S4水体中重金属污染最严重,这可能是因为玄武湖东南方向靠近花卉公园、情侣园等处,有污水处理厂的中水回流影响.

2.3 沉积物中重金属的质量分数

排入水体的重金属污染物,由于各种物理化学过程,会由水相转入固相,并逐步转移至沉积物中[11].因此,水环境中的重金属离子在水相中含量甚微,绝大部分会结合于沉积物颗粒中.

表2 玄武湖水体中重金属的质量浓度Table2 Concentrations of heavy metals in water of Xuanwu Lake mg/L

表3 玄武湖沉积物中重金属质量分数Table 3 Concentrations of heavy metals in sediments of Xuanwu Lake 10-6

玄武湖各个采样点沉积物中重金属元素的检测结果如表3所示.玄武湖沉积物中重金属的质量分数由高到低的顺序为Zn,Cr,Cu,Pb,Ni.李晓晨等[4]的研究结果表明,玄武湖沉积物中重金属质量分数的排列顺序为Fe,Mn,Ba,Zn,Ni,Cd.该研究结果与本文研究结果一致.总体上看,西南湖区沉积物中重金属质量分数最低.根据南京市土壤环境背景值[12],Cr,Ni,Pb均没有超标,但是Zn存在超标现象.张立等[1]的研究结果表明,玄武湖沉积物中大部分采样点的Cr,Pb和Zn的质量分数超过背景值,处于轻微污染状态.这说明本次清淤之后,玄武湖沉积物中Cr和Pb的质量分数有所降低,污染状况有所缓解.

2.4 沉积物中重金属污染评价

为了定量南京玄武湖沉积物中重金属的生态风险,应用地累积指数法对重金属的污染程度进行评价[13-15].地球化学背景参考值,选定南京土壤环境中重金属元素的背景值作为计算依据[10],取Cr,Cu,Ni,Pb,Zn金属背景参考值分别为59mg/kg,32.2mg/kg,35.80mg/kg,24.8mg/kg和61.50mg/kg.

地累积指数(Igeo)的计算公式为

式中:cn——实测重金属的质量分数;βn——当地沉积物重金属的背景值;1.5——考虑到成岩作用可能引起背景值波动而设定的常数.

计算出玄武湖6个采样点的地累积指数并根据表4得出分级结果,如表5所示.

表5结果表明,玄武湖沉积物的6个采样点中,根据采样点S2和S4的Zn质量分数计算出的 I geo处于0～1之间,说明这2个采样点沉积物中的Zn处于轻度污染程度,其余金属污染程度均为清洁.邹丽敏等[2]应用地累积指数法对南京玄武湖沉积物中Cd,Ni和Zn3种重金属的污染程度进行了评价,在北湖、东南湖和西南湖3个湖区中,依据3种金属浓度计算出的地累积指数均有大于0的值出现,污染程度大小顺序为Cd,Ni,Zn,且东南湖的污染程度最为严重.

表4 地累积指数与重金属污染程度的关系Table4 Relationship between geo-accumulation index and heavy metal pollution

表5 地累积指数与污染级别Table5 Geo-accumulation indices and pollution grades

玄武湖的重金属污染与汇入的污水量和滞留时间有较大关系.唐家山沟、紫金山沟和岗子村流入的污水进入东南湖区,其汇入水量为总量的42%;南十里长沟、老季亭和香料厂的污水流入北湖区,汇入水量占总水量的39%.而北湖的平桥闸和东南湖区的武庙闸的出湖水量分别占出湖总量的55%和23%[16].此外,西南湖区有西家大塘汇入,但没有出口,只能从仅有的与东南湖区相连的水道流经东南湖区后,再经武庙闸流出.可见,东南湖区接纳的污水量较其他2个湖区多,出湖水量较北湖少,其污水的滞留时间自然也较其他湖区长,所以导致东南湖区重金属污染和生物毒性也较其他湖区严重.

3 结 论

a.在玄武湖的3个湖区中,西南湖区相比较而言营养状况最好,北湖湖区沉积物中的有机质含量偏高,而东南湖区湖水中TN和TP含量过高.与清淤前的数据相比,玄武湖水体中营养盐质量浓度未见明显下降.

b.水体中重金属除S3和S4采样点的Cr超标外(达不到Ⅴ类地表水的标准),其余各采样点的重金属的质量浓度均可达Ⅰ类或Ⅱ类地表水环境标准.清淤之后,玄武湖沉积物中Cr和Pb的质量分数有所降低,污染状况有所缓解.

c.根据地累积指数法,在玄武湖6个采样点中,采样点S2和S4沉积物中Zn的地累积指数处于0～1之间,说明这2个采样点沉积物中Zn处于轻度污染程度,其余金属污染程度均为清洁.

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