西太湖入湖河流水系污染时空分异特征及解析

王 倩,吴亚东,丁庆玲,张琼华,王晓昌 (西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710000)

西太湖入湖河流水系污染时空分异特征及解析

王 倩,吴亚东,丁庆玲,张琼华*,王晓昌 (西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710000)

选取典型西太湖入湖河流水系(南溪水系和洮滆水系)2011～2014年12个断面的9个指标,采用单因素方差分析、回归分析及相关分析等多元统计分析方法探讨河湖水系的污染分异特征,结合温度、水量及缓冲带土地利用现状解析污染物变化规律及特征.研究结果表明:西太湖上游南溪水系和洮滆水系TN污染严重,全部超出地表水Ⅴ类标准限值.洮滆水系TN和NH3-N平均浓度高于南溪水系,其他指标差异不大.时间水平上,DO、BOD5、TN和NH3-N等可被生物利用的污染物浓度夏秋季节显著高于春冬季节,丰水期村镇及水产养殖区部分污染物浓度显著下降.空间水平上,人类活动影响较小的南部山区水体污染物(除 TN外)浓度最低,显著优于其他断面,城区水质略好于入湖区,大面积水产养殖集中区水体污染物(除TN和TP外)浓度最高.此外,城区完善的雨污分流系统及绿地消纳径流能有效控制及削减TN污染,而村镇生活污水及畜禽养殖废水、农田径流加剧了TN污染,水产养殖退水加剧了BOD5和NH3-N污染.村镇、水产养殖及农业面源对水体C、N等污染物影响较大,需要通过截留村镇生活污水及畜禽养殖废水、处理水产养殖退水及设置农田岸边防护带等途径有效控制和治理.研究结果对于掌握典型河湖水体污染及治理TN、NH3-N和BOD5等入太湖污染物提供有效技术支撑.

时空分异；水质水量；温度；土地利用；多元统计分析；西太湖

太湖流域地处长江三角洲南翼,面积36900km2,是中国五大淡水湖之一.行政区划分属江苏、浙江、上海和安徽三省一市,是我国城市最密集、经济最具活力的地区.流域独特的平原河网为流域经济社会发展提供了良好的水资源条件,也决定了流域水资源、水环境等问题的复杂性、艰巨性和长期性.在过去的几十年太湖处于严重的富营养化状态,尽管开展了大量湖泊污染特征研究及一系列“治太”工程如底泥清淤、蓝藻打捞等,水华爆发范围在一定程度上有所削减,但富营养化形势依然十分严峻[1].太湖水质空间分布及入太湖河流污染研究发现,入湖河流污染是太湖污染的主导因素[2-3].入湖河流对太湖氮素贡献高达 72.0%～93.8%[4].其中西太湖(宜兴地区)入湖污染负荷最大,入湖水量及污染物通量占总入湖量的 50%以上[5].因此,深入解析西太湖上游河流污染特征,可为太湖入流污染控制及治理提供依据.

河流污染受气候、地形、土地利用类型等的影响而呈现出一定的时空分异特征[6-8].土地利用及地形与人类活动方式息息相关,且决定了污染物的源汇过程[7-8];气候(降雨、温度等)则决定了污染物在水中的状态、迁移及转化过程,从而对河流水量水质有较大的影响[9-10].此外,土地利用与水质的关系也受降雨、地形及距河流的距离影响[11-13].研究表明,农业和城市区域比其他土地利用类型与水质有更强的关系,而降雨对这种关系有削弱作用,陡峭的地形比平坦的地形对水质有更大的影响[12];200m 缓冲带内土地利用对河流水质影响更大[13].

目前对西太湖(宜兴地区)入湖河流污染的研究较少,主要集中在污染物时空分布特征及土地利用对太湖水环境的影响等方面[14-16].尽管这些研究初步探讨了温度、水量或土地利用现状与水质之间的关系,但主要集中在单个因素的探讨,它们与水质之间的关系及影响程度的大小需要更加系统的研究.

本文以典型河网地区西太湖上游南溪水系和洮滆水系入湖河流为研究对象,采用多元统计分析方法分析西太湖上游入湖水系水量水质的时空分异特征,并探索温度、水量及土地利用现状对水质的影响.识别出太湖上游水系污染物变化规律及特征影响因子,为西太湖的源头治理提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究地点位于中国第三大淡水湖泊––太湖流域西部上游宜兴市内南溪水系和洮滆水系(图1B).南溪水系发源于茅山山区,经西氿、团氿、东氿 3个小型湖泊,于宜兴洪巷港(M1)、城东港(M2)、大浦港(M3)入太湖,干流长50km,下游北与洮滆水系相连(图 1A).南溪水系入湖水量约占太湖上游来水总量的 25%.洮滆水系是由山区河道和平原河道组成的河网,以洮湖和滆湖为中心,纳西部茅山诸溪后经东西向的百渎港(N1)、殷村港(N2)等多条主干河道入太湖(图 1A),洮滆水系入湖水量约占太湖上游来水总量的 20%左右.由于地势原因,水流方向主要是由西向东、由南向北.

宜兴是中国综合实力最强的县级市之一,总面积1996.6km2,城市化水平60.54.全年温暖湿润,降雨丰沛,平均气温 15.7℃,年平均降雨量1177mm,春夏降雨集中.地势南高北低,南部为丘陵山区,北部为平原区,东部为太湖渎区,西部为低洼圩区.

图1 采样位置示意Fig.1 Sampling locations in Yixing city

图1A为宜兴市水系图及12个监测点位置.其中,百渎港(N1)、殷村港(N2)为洮滆水系的入湖河道,世纪大桥(U1)、荆溪中桥(U2)、荆邑大桥(U3)位于南溪水系中游、宜兴城市核心区,洪巷港(M1)、城东港(M2)和大浦港(M3)为南溪水系主要入湖河道,社渎港(N3)和官渎港(N4)为连接南北的入湖河道,乌溪港(S1)和大港(S2)为南部山区入湖河道.根据地理位置分为4大类:北部入湖区(N1～N4)、中部入湖区(M1～M3)、南部入湖区(S1和 S2)和城市核心区(U1～U3).各监测断面 河道特征见表1.

表1 河道特征描述Table 1 Characteristics of rivers monitored

1.2 水质

针对研究目标,数据采用 2011～2014年环保局于每月现场及实验室监测的9个水质指标:

流量、水温、DO、CODMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP.指标的测定均采用国家标准测定方法[17].

1.3 分析方法

采用单因素方差分析:多重比较(最小显著性差异法)检验不同断面水质水量的空间差异及单个断面水质水量的季节差异是否显著.采用回归分析和Pearson相关分析探究温度、水量及土地利用现状与水质之间的关系.统计分析前,首先检验数据的正态性及方差同质性,不符合正态假设的数据进行对数转换.多元统计分析采用SPSS 19.0软件,作图采用CorelDRAW X6、Excel和Origin 8.5软件.

2 结果与讨论

2.1 空间分布

表2为2011～2014年12个监测断面流量、DO、CODMn、BOD5、COD、TN、NH3-N和TP的描述性统计值(平均值±标准差)以及不同断面之间各指标显著性差异分析结果.

2.1.1 流量 不同断面平均流量差异很大,从0.60～25.86m³/s变化不等,其中M2和U1流量最大,M3、N1和N2流量居中,其次是U3和U2,S1、M1、N3、N4和S2流量最小.结合表1可以看出,同一区域内,河道流量随着河道宽度的增大而增大.流量不满足正态假设,因此未进行单因素方差分析.

2.1.2 溶解氧 DO平均浓度为5.66～7.22mg/L,满足地表水Ⅲ类标准,单因素方差分析结果表明:S2显著高于其它断面,城区(U1～U3)显著高于N3,其他断面之间不存在显著性差异.

2.1.3 CODMn、COD和BOD5CODMn平均浓度在 3.45～6.78mg/L之间变化,满足地表水IV 类标准(10mg/L).单因素方差分析结果表明:S2显著低于其他断面,N3显著高于其他断面,其他断面之间虽存在显著性差异,但差异相对较小.

表2 不同监测断面水质水量描述统计Table 2 Water quality and quantity of twelve monitoring sections

COD平均浓度在10.19～26.79mg/L之间变化,满足地表水Ⅳ类标准(30mg/L).与 CODMn基本一致,S2显著低于其他断面,N3显著高于其他断面,其他断面之间虽存在显著性差异,但差异相对较小.

BOD5平均浓度在3.06～8.04mg/L之间变化,大部分仅满足地表水Ⅴ类标准(10mg/L).相对于COD和CODMn,BOD5污染更为严重.与CODMn和COD基本一致,S2显著低于其他断面,N3显著高于其他断面,其他断面之间无显著性差异.

2.1.4 TN、NH3-N和TP TN平均浓度在3.72～5.38mg/L之间变化,均远高出地表水Ⅴ类标准(2mg/L),TN污染严重.N1显著高于大部分断面,城区(U1-U3)浓度最低,但仅显著低于 N1～N3、M1和S1.

NH3-N平均浓度在 0.31～2.04mg/L之间变化,S2满足地表水Ⅲ类标准(1mg/L),城区(U1～U3)和M3满足IV类标准(1.5mg/L),N2、N4、M1、M2和S1满足V类标准(2mg/L),而N1和N3超出Ⅴ类标准.S2显著低于其他断面,N3显著高于城区和M2、M3,其他断面之间虽存在差异,但不显著.

TP平均浓度在 0.06～0.23mg/L之间变化, N3、N4、S1和S2满足地表水Ⅲ类标准(0.2mg/L),其他断面满足Ⅳ类标准(0.3mg/L).S2(0.06mg/L)显著低于其他断面,其次是N3(0.16mg/L),其他断面差异性相对较小.

2.1.5 与太湖湖体相比 与同期太湖湖体内部水质相比[1],本研究中河道CODMn、TN、NH3-N和TP均值分别是湖体的1.3、2.3、8.7和2.9倍,表明西太湖流域入湖河流污染严重.

由上述分析结果可知,西太湖上游南溪水系和洮滆水系 TN污染最为严重,均超出地表水Ⅴ类标准限值.洮滆水系TN和NH3-N平均浓度高于南溪水系,其他指标差异不大.S2污染物(除TN外)浓度最低,显著优于其他断面;N3水质最差, DO、CODMn、COD、BOD5及NH3-N平均浓度显著高于其他断面,但 TP浓度较低;城区水质好于入湖区,TN和NH3-N浓度均较低.与太湖湖体相比,入湖河流污染严重.

2.2 时间分布

2011～2014年12个监测断面不同季节的流量、DO、CODMn、BOD5、COD、TN、NH3-N和TP显著性差异结果见图2(A)～(H).

2.2.1 流量 一般来说,夏秋季流量大于春冬季节,但对于部分河道(N2、N3、M1、M3和 U2)来说,这种差异不显著[图2(A)].

2.2.2 DO 夏秋季 DO显著低于春冬季节,部分河道(N1～N2和M1～M3)春冬季或夏秋季之间DO也存在显著性差异[图2(B)].

2.2.3 CODMn、COD和BOD5一般来说,入湖河道 CODMn春季高于其他季节,但城区夏季高于其他季节.大部分河道不同季节 CODMn无显著性差异,N1～N3和M1春冬季节CODMn和夏秋季节存在显著性差异[图2(C)]. 大部分河道(除S2和U3外)BOD5春冬季节显著高于夏秋季节[图2(D)].

图2 不同季节监测断面流量及污染物浓度变化Fig.2 Seasonal variations of flow rate and pollutant concentrations for the twelve monitoring sections

对于大部分河道来说,不同季节 COD均值浓度无显著性差异,但N2、N3春季COD显著高于夏秋季[图2(E)].

2.2.4 TN、NH3-N和TP 所有河道TN浓度春冬季节显著高于夏秋季节,而春冬季节和夏秋季节之间不存在显著差异[图2(F)].

大部分河道(除S2外)NH3-N浓度春冬季节显著高于夏秋季节[图2(G)].

对于大部分河道,不同季节 TP无显著性差异,但N2、M1、S1春冬季节TP显著高于夏秋季节[图2(H)].

总体而言,夏秋季节流量显著或不显著地高于春冬季节;所有河道DO、BOD5、TN、NH3-N和少数河道 TP春冬季节显著高于夏秋季节.大部分河道的CODMn、COD和TP不存在显著性差异.

2.3 影响因素分析

2.3.1 温度的影响 温度作为气候因素的主要指标之一,一方面直接影响水生动植物及微生物的代谢活动;另一方面通过改变水体中 DO的含量,促进或限制水生动植物及微生物的生长代谢过程,从而影响河流水质变化.

图3为12个断面DO与水温的回归分析结果,复相关回归系数 R2越大,表示线性回归拟合度越好;拟合回归线斜率k绝对值越大,则DO受温度影响越大.可以看出,DO和水温有较强的线性关系,随着水温的升高,DO呈下降趋势.由水温数据可知,最高水温出现在 8月-夏季最热的时候,高出 30℃,相应 DO浓度为 3.0～6.1mg/L,平均4.4mg/L;最低水温出现在1月-冬季最冷的时候,低于 5℃,DO浓度为 5.8～12.5mg/L,平均8.8mg/L,高出夏季1倍.一方面,温度升高使水中溶氧量降低;另一方面,温度升高使微生物的代谢活动加强,好氧微生物消耗水中的溶解氧,导致水中 DO下降.然而,污染性质不同,这两个因素对DO浓度影响程度也不同.尽管12个断面水温均值不存在显著性差异,但S2断面DO浓度显著高于其他断面(表 2).一方面,这是因为污染物质的存在阻碍了氧的溶解,另一方面,微生物代谢需要多种营养物质协同.S2除 TN外,其他污染物浓度非常低,营养物质的缺乏限制了微生物的代谢及DO的消耗.这与S2拥有最小的R2和斜率结果一致(图3).

除与DO显著负相关外,水温与TN、NH3-N、BOD5等也显著负相关(表 3),这是由于在适宜的温度下生物代谢消耗 TN、NH3-N、BOD5等可被生物同化利用的物质[18].TN和 NH3-N与水温、DO的相关性最强,其次是BOD5,TP也有部分断面存在一定相关性,这与生物代谢所需物质平衡及污染物可代谢组分有关,说明河道中 TN和NH3-N易被生物代谢消耗,BOD5可能处于过剩状态,TP可代谢成分不高等.S2的相关关系较差验证了其他污染物量的限制影响了生物代谢在水体自净中的作用.

图3 2011～2014年各断面DO浓度和水温之间的线性回归关系Fig.3 Linear relationships of DO concentration with water temperature during 2011～2014

表3 温度、DO与水质指标之间的相关性Table 3 Correlations of water quality indicators with temperature and DO

2.3.2 水量的影响 流量作为水动力的重要指标之一[18],主要受降雨的影响,夏秋季降雨较多,流量也较春冬季节大(3.2.1).降雨径流引起的流量增大通常会产生两种效应:稀释效应和冲刷效应[19].由流量与各断面水质指标的相关分析结果可以看出(表4),仅部分河道(N1、N3、N4和S1等)中个别污染物(TN、NH3-N和DO等)表现出了明显的稀释效应,但对于大部分河道中大部分污染物来说,流量的影响并不明显.其一,这可能是因为降雨前后河道流量及污染物浓度变化均较大[20];其二,不同土地利用类型污染物排放特征不同,降雨径流所表现的稀释效应或冲刷效应不同.例如, N1、N3、N4和S1村镇及水产养殖密集,居民生活污水和水产养殖退水以旱天排放为主,且TN和NH3-N浓度较高,因此,降雨对其以稀释效应为主(如 N3);而对于其他以农田和城区为主的断面,污染物主要来源于农田和城市径流,降雨的冲刷和稀释效应则同时存在[21].

表4 流量和水质指标之间的相关性Table 4 Correlations of water quality indicators with discharge rate

表5 200m缓冲带内土地利用与水质指标之间的相关性Table 5 Correlations of water quality indicators with land use type of 200m buffer

2.3.3 土地利用类型的影响 河道周围土地利用类型决定了河道点、面源污染物输入类型,进而影响河道污染物组分分布情况.12个断面周围200m缓冲带内土地利用分布见表1.分别对全年及不同季节(春、夏、秋、冬)水质与200m缓冲带内土地利用类型进行相关分析,结果见表 5.由表中可知,城市用地在春、夏、秋季及全年水平上均与 TN 呈显著负相关关系,且在夏季与NH3-N也显著负相关,而与CODMn显著正相关.绿地在春、夏及全年水平上与 TN显著负相关.这些结果表明城区完善的雨污分流系统及绿地消纳径流对水体TN和NH3-N具有明显的控制作用,但城区径流可能带来一定的 CODMn污染.村镇在春、秋、冬及全年水平上均与TN呈显著的正相关关系,表明村镇是水体 TN主要的污染源之一.这是因为村镇污水管理水平较低,高污染物浓度的居民生活污水及畜禽养殖废水直接或通过沟渠排入水体[22].农田仅在夏季与 TN显著正相关,这是因为夏季降雨丰富,农田施肥后在降雨期间的产流富含TN,汇入水体造成TN污染[23].水产养殖在夏季与NH3-N、在秋季与 BOD5和NH3-N显著正相关,表明水产养殖废水是水体BOD5和NH3-N的主要来源.

因此,加强城区雨水分流及绿地管理、强化入湖区村镇(如百渎港)分散式生活污水及畜禽养殖废水收集及处理、夏秋季水产养殖(如社渎港)退水集中处理、设置农田岸边防护带植草沟控制农田径流等是削弱西太湖上游河流 TN、NH3-N、BOD5污染负荷的有效途径.

3 结论

3.1 上游南溪水系和洮滆水系 TN污染最为严重,均超出地表水Ⅴ类标准限值.洮滆水系TN和NH3-N平均浓度高于南溪水系,其他指标差异不大.人类活动影响较小的山区水体污染物(除 TN外)浓度最低,显著优于其他断面;从城区到入湖区,污染物浓度增大;大面积水产养殖的河道水质最差.

3.2 夏秋季节流量高于春冬季节;DO、BOD5、TN、NH3-N和少数河道TP春冬季节显著高于夏秋季节;而大部分河道的CODMn、COD和TP不存在显著性差异.

3.3 温度与可生物利用物质(DO、TN、NH3-N、BOD5、部分TP)浓度显著负相关.丰水期村镇及水产养殖区部分污染物浓度明显下降.城区完善的雨污分流体系及绿地消纳径流能有效控制和削减TN污染,而村镇生活污水和畜禽养殖废水、农田径流加剧了 TN污染,水产养殖退水加剧了BOD5和NH3-N污染.

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Temporospatial variations and influential factors of water quality in the flowing river systems of western Taihu Lake Basin.

Lake Basin. WANG Qian, WU Ya-dong, DING Qing-ling, ZHANG Qiong-hua*, WANG Xiao-chang (School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi’an 710000, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2699～2707

The temporospatial variations and factors influencing the water quality of Nanxi and Taoge river systems in the Taihu Upper-River Basin were evaluated. The results showed that Nanxi and Taoge river systems were characterized by TN pollution. The average concentrations of TN and NH4-N in the Taoge river system were higher than that in the Nanxi river system. Moreover, the seasonal variations were significant for bioavailable pollutants (DO, BOD5, TN and NH4-N), the concentrations of which were significantly higher in spring and winter than that in summer and autumn. Spatially, the water quality parameters (except TN) in the mountainous area was prominently superior to other areas. However, the water quality was the worst in large-scale aquaculture areas. The rain sewage diversion and greenbelt in urban areas are beneficial for the reduction of TN pollution. By contrast, agriculture runoff and domestic and livestock wastewater from the villages and towns exacerbate the TN pollution. Furthermore, the aquaculture wastewater aggravates the BOD5and NH4-N pollution. Therefore, the management of aquaculture wastewater, agricultural runoff, as well as domestic and livestock wastewater from villages and towns are effective approaches to the control of pollution in the river systems of the Taihu Upper-River Basin.

spatial-temporal variations；water quality；temperature；land use；multi-statistical analysis；Taihu Lake

X522

A

1000-6923(2017)07-2699-09

王 倩(1990-),女,湖北襄阳人,在读博士研究生,主要研究方向为水环境污染及修复研究.发表论文6篇.

2016-12-07

水污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07305002)

* 责任作者, 讲师, qionghuazhang@126.com