白马湖西岸入湖河流污染特征解析

仪慧民，胡小贞，代丹，吴明红,陈锦华

1.上海大学环境与化学工程学院,上海 200444 2.中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，北京 100012 3.中国环境科学研究院湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，北京 100012

白马湖西岸入湖河流污染特征解析

仪慧民1,2,3，胡小贞2,3*，代丹2,3，吴明红1,陈锦华2,3

1.上海大学环境与化学工程学院,上海 200444 2.中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，北京 100012 3.中国环境科学研究院湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，北京 100012

白马湖；入湖河流；氮磷营养盐；聚类分析；因子分析

湖泊流域随着经济发展污染负荷大量输入，引起湖泊水质污染和富营养化[1-2]。湖泊富营养化是我国湖泊当前面临的重要环境问题[3-4]。入湖河流作为连接湖泊与流域的主要通道，其水质污染往往是湖泊水质污染的重要原因[5-7]。李如忠[8]研究表明，巢湖营养盐输入的一个重要途径是入湖河流，其输入的TN、TP中入湖河流占90.18%和95.23%。李乐等[9]研究发现，滇池入湖河流中的污染物是造成滇池富营养化的重要原因之一。许朋柱等[7,10]研究表明，河道污染物的输入是太湖主要的污染外源，直接影响太湖水质变化，太湖水环境恶化是河道入湖污染负荷增加的直接后果。近年来，随着入湖河流小流域人为干扰强度的增加，工业点源、城市生活污水及农田径流等排放量加大，使许多湖泊流域入湖河流污染问题日益突出[11-12]。科学解析入湖河流污染特征是入湖河流及其湖泊水质治理的基础。王书航等[13]将巢湖入湖河流分为城市污染控制型河流、水土保持控制型河流和面源污染控制型河流，进而提出为控制巢湖藻类生物量要优先控制入湖河流TN的输入。燕姝雯[5]研究发现，太湖入湖河流以氮污染为主导因素，磷污染次之。

1 材料与方法

1.1研究区域概况

白马湖地处淮河流域下游，位于淮安市东南边缘，分属淮安市金湖县、洪泽县、淮安区和扬州市宝应县(119°02′E～119°12′E，33°09′N～33°19′N)。白马湖南北长约17.80km，东西宽约6.40km，湖面面积约113.90km2。白马湖流域涵盖洪泽湖大堤以东，苏北灌溉总渠以南，里运河以西，白马湖隔堤和洪金北干渠以北的封闭区域，面积为994km2，多年平均水位6.56m。白马湖流域水系发达，河流众多，主要包括：湖泊南岸大金沟、避沉沟和阮桥河3条出湖河流；湖泊西岸花河、往良河、大荡河、浔河、丰产河、桃园河、山阳河和草泽河8条入湖河流；湖泊北岸永济河、于南河、新河和温山河4条河流，北岸河流与白马湖之间有闸门连接，闸门常年处于关闭状态，河水基本不入湖(图1)。

图1 白马湖流域主要水系及其西岸入湖河流监测点、湖泊采样点示意Fig.1 The main water system of Baima Lake basin and sampling sites of inflow rivers and west bank of the lake

1.2数据来源与测试分析

1.2.1数据来源

本研究部分数据来源于淮安市及其各县环境保护局和环境监测站，西岸入湖河流上各设置1个监测点，依次编号为J1～J8，监测时段为2015年11月—2016年10月，每月监测1次。为了解入湖河流营养盐及其形态污染特征，在白马湖西岸8条入湖河流距入湖口约500m处各设置1个采样点，依次编号为A1～A8；为了解入湖河流对白马湖水质的影响，分别沿入湖河流河口向湖中心布设8个采样点，依次编号为B1～B8。于2016年11月9日对其进行采样分析。采样点具体布设和8条入湖河流基本水文特征分别见图1和表1。

表1 白马湖西岸入湖河流水文特征

1.2.2测试分析

2 结果与讨论

2.1主要入湖河流水质变化特征

8条入湖河流CODMn、TN和TP浓度如图2所示。从图2可以看出，花河、往良河、大荡河、浔河、丰产河、桃园河、山阳河和草泽河8条河流中CODMn为13.29～106.87mg/L，年均值分别为41.98、29.19、26.33、19.75、18.60、19.45、24.27和32.63mg/L，均超过地表水Ⅴ类标准，其中，浔河、丰产河和桃园河CODMn较为稳定，其余5条河流CODMn波动较大。TN浓度为0.22～13.92mg/L，其中花河TN污染最为严重且浓度波动较大，年均浓度达8.20mg/L；往良河、大荡河、浔河、丰产河、桃园河、山阳河和草泽河年均浓度分别为3.46、2.86、3.31、2.32、2.57、2.36和2.71mg/L。除草泽河外，其余河流TN浓度全年均处于地表水劣Ⅴ类标准，可能与居民生活污水排放及农田含氮肥料的施用有关。各河流TP污染相对较轻，浓度为0.02～0.62mg/L，花河、往良河、大荡河、浔河、丰产河、桃园河、山阳河和草泽河年均浓度分别为0.30、0.15、0.11、0.17、0.08、0.09、0.10和0.17mg/L。花河TP浓度波动较大，除2、3、4月外均超过地表水Ⅲ类标准。在丰水期TP浓度明显升高，是由于随丰水期地表径流的增大，面源污染物大量进入河流水系所致。

图2 入湖河流主要污染指标变化Fig.2 The change of concentration of main factors in the inflow rivers

2.2入湖河流水质氮磷浓度及其形态

对白马湖西岸8条入湖河流CODMn、TP和TN的监测数据分析发现，河流受氮磷污染较为严重，为进一步明确河流氮磷污染形态，将采集的河流水质进行分析，结果见图3。

从图3可以看出，花河、往良河、大荡河、浔河、桃园河、山阳河6条入湖河流水质达到地表水劣Ⅴ类标准，草泽河和丰产河达到地表水Ⅳ类标准。TN为主要超标指标，浓度为1.41～9.12mg/L，除丰产河和草泽河(Ⅳ类)外，均超过地表水Ⅳ类标准。原因是在河流流域范围内耕地面积大，农业种植以稻麦轮作模式为主，水田面积占比接近90%，亩产高的情况下，农药和化肥的施用量及氮磷流失量较大，大面积的水田造成TN排放量高。以地表水Ⅲ类标准为基数，其中花河TN浓度超标最为严重，为8.12倍；其次为大荡河、桃园河、浔河、山阳河、往良河、草泽河和丰产河，分别超标了2.55、1.45、1.29、1.10、1.01、0.72和0.41倍；除草泽河和丰产河外，其余入湖河流的CODMn超标了0.06～0.61倍；除浔河TP浓度超地表水Ⅲ类标准0.2倍外，其余7条河流均未超标。

8条入湖河流水体不同形态氮所占比例如图4所示。从图4可以看出，除大荡河(TDN浓度约占TN的65.6%)外，其余7条入湖河流TDN浓度均占TN的85%以上。其中草泽河TDN浓度占比最高，为99.3%；其次为丰产河、山阳河、花河、往良河、浔河和桃园河，分别为98.3%、97.7%、92.7%、91.6%、89.0%和87.8%。TDN是各入湖河流中氮的主要形态，河流沿岸大面积水稻田的种植，大量含氮化肥流入，导致河流中TDN浓度增加。

注：执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》。图3 白马湖西岸主要入湖河流水质参数Fig.3 Water quality parameters in the inflow rivers of Baima Lake west bank

图4 白马湖西岸主要入湖河流不同形态氮所占比例Fig.4 The percentage of different nitrogen forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

图5 白马湖西岸主要入湖河流TDN中不同形态氮所占比例Fig.5 The percentage of different TDN forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

与氮污染相比，白马湖西岸入湖河流受磷污染程度相对较轻，水体中TP浓度为0.07～0.24mg/L，除浔河TP浓度达地表水Ⅳ类标准外，其余河流水体中TP浓度均维持在地表水Ⅱ～Ⅲ类标准〔图3(e)〕。从图6可以看出，8条入湖河流中，往良河和浔河TDP占比较高，分别为96.7%和81.5%；花河、大荡河、丰产河、桃园河、山阳河和草泽河中TDP占比分别为55.1%、58.0%、65.9%、61.8%、53.0%和67.5%。可见，入湖河流中TDP是磷的主要赋存形态。调查发现河流两岸有大量居民，生活污水的排入和零星养殖是造成TDP浓度高的主要原因。

图6 白马湖西岸主要入湖河流不同形态磷所占比例Fig.6 The percentage of different P forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

由图7可以看出，往良河水体TP浓度虽未超出地表水Ⅲ类标准，但其浓度高达0.19mg/L，属于湖库Ⅴ类标准。往良河和浔河水体中PO43--P浓度占TP的80.18%和66.90%，是磷的主要赋存形态。农业排水、工业废水排放以及农村畜禽排泄物均可以产生较高浓度的含磷污染物[18,21]。在浔河和往良河沿岸有个体小规模水产养殖，零星家禽散养，农田沿河分布，浔河流经的化工、机械、造纸等工业聚集区会有工业废水的汇入，一定程度上导致河流受磷污染。

图7 白马湖西岸主要入湖河流不同形态磷的浓度Fig.7 The concentration of different P forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

2.3入湖河流污染水平聚类分析和水质污染因子

聚类分析法是将每个个体看作一类，然后将相近程度较高的类进行合并，不断重复这种过程，直到所有个体归为一类[12,19]。运用聚类分析法对入湖河流进行分析，有助于对河流进行系统分类，解析其污染特征[19]。

图8 白马湖西岸入湖河流聚类分析结果Fig.8 Clustering results of the inflow rivers in the west bank of Baima Lake

从图8可以看出，白马湖西岸8条入湖河流可以分为3类：第一类包括花河，河流受污染严重，水质主要受工业园区、农业、集镇与农村生活污染的共同影响；第二类包括往良河和浔河，其水质较花河污染程度轻，受农业(农业种植、水产养殖和畜禽养殖)和集镇与农村生活污染的影响；第三类包括大荡河、丰产河、桃园河、山阳河和草泽河，河流受到轻微污染，主要受农业、集镇与农村生活污染的复合污染影响，但由于流域人口较少(约1000人)，部分生活污水经收集处理，对河流造成的污染较轻。

表2 水质参数因子负荷

各入湖河流的主成分得分(图9)，反映了入湖河流污染的主要影响因子。从图9(a)可以看出，花河、往良河和浔河第一主成分得分相对较高，分别为5.66、0.11、0.26，说明水质受到氮污染影响较显著；往良河和浔河第二主成分得分较高，分别为3.02和3.64，说明水质受到一定程度的磷污染影响；往良河、大荡河和山阳河第三主成分得分较高，分别为1.17、1.53和0.76，说明水质受有机物污染影响较大。根据综合评价函数，计算各条河流的水质污染综合得分，结果见图9(b)。综合得分反映了各河流的污染状况，其值越高，表明水质受到的污染越严重。从图9(b)可以看出，花河综合得分最高，为2.31，其次为浔河、往良河、大荡河、桃园河、山阳河、草泽河和丰产河，分别为1.38、1.33、-0.45、-0.99、-1.04、-1.19和-1.34。因此，白马湖西岸8条入湖河流的污染程度分级为花河>浔河>往良河>大荡河>桃园河>山阳河>草泽河>丰产河。

图9 白马湖入湖河流主成分得分Fig.9 Principal component scores for inflow rivers of Baima Lake

2.4入湖河流水质对沿岸水质影响

注：B1-2代表B1和B2采样点，B5-6代表B5和B6采样点。由于B1、B2采样点和B5、B6采样点分别位置相近且各指标浓度变化较小，因此可合并处理。图10 白马湖各采样点的浓度和CODMnFig.10 The concentration of TN, ammonia nitrogen, TP and permanganate index in different sampling sites of Baima Lake

图11 白马湖西岸北部入湖河流与湖泊水质的比较Fig.11 Comparison of water quality of inflow rivers and lakes in the northern part of Baima Lake west bank

图12 白马湖西岸南部入湖河流与湖泊水质的比较Fig.12 Comparison of water quality of inflow rivers and lakes in the southern part of Baima Lake west bank

3 结论

(2)对白马湖西岸入湖河流进行聚类分析，将其分为三类：第一类为花河，河流受污染严重，水质主要受工业园区、农业、集镇与农村生活污染的共同影响；第二类为浔河和往良河，其水质较花河污染程度轻，受农业(农业种植、水产养殖和畜禽养殖)和集镇与农村生活污染的影响；大荡河、桃园河、山阳河虽属于劣Ⅴ类，但其各指标超标不严重，因此将其和草泽河、丰产河归为一类，水质主要受农业和集镇与农村生活污染的复合污染影响。

(3)8条入湖河流水质主成分分析可知，花河、往良河和浔河水质受到氮污染影响较显著；往良河和浔河水质受到一定程度的磷污染影响；往良河、大荡河和山阳河水质受有机物污染影响较大。8条入湖河流污染程度表现为花河>浔河>往良河>大荡河>桃园河>山阳河>草泽河>丰产河。

志谢：感谢淮安市及其各县环境保护局、环境监测站、水利局和白马湖规划建设管理办公室等提供的资料及其在采样过程中给予的帮助和指导。

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AnalysisofpollutioncharacteristicsofinflowriversofBaimaLakewestbank

YI Huimin1,2,3, HU Xiaozhen2,3, DAI Dan2,3, WU Minghong1, CHEN Jinhua2,3

1.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 2.Research Center of Lake Eco-Environment, Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on the analysis of the monitoring data from 2015 to 2016, it was found that the inflow rivers in the west bank of Baima Lake was seriously polluted by nitrogen and phosphorus. In order to further understand the pollution characteristics of the inflow rivers of Baima Lake west bank and its impact on the water quality of Baima Lake, eight main inflow rivers were sampled in November, 2016. The concentration and formation of nitrogen and phosphorus were measured. The results showed that the pollution level of the eight inflow rivers was in the order of Hua River> Xun River> Wangliang River> Dadang River> Taoyuan River> Shanyang River> Caoze River> Fengchan River. The eight inflow rivers were seriously polluted by nitrogen. TN ranged from 1.41 to 9.12 mg/L, exceeding the standard level seriously. TDN which accounted for 65.61%-99.30% of TN was the main form of nitrogen in the inflow rivers. The pollution level of phosphorus was comparatively lower, the concentration of TP in Xunhe River exceeded Class Ⅲ of the Environmental Quality Standard for Surface Water by 0.2 fold, while the other seven rivers maintained at the Class Ⅱ-Ⅲ. The TDP accounted for 53.03%-96.70% of TP, which is the main form of phosphorus in the inflow rivers. The eight inflow rivers could be divided into three categories by the cluster analysis, with Hua River alone as one category, Wangliang River and Xun River as the second category, and Dadang River, Fengchan River, Taoyuan River, Shanyang River and Caoze River belonging to the third category. The results of factor analysis showed that the water quality of Huahe River, Wangliang River and Xunhe River was significantly affected by nitrogen pollution, the water quality of Wangliang River and the Xun River was mainly affected by phosphorus pollution, while that of Wangliang River, Dadang River and Shanyang River was affected by organic pollution. With the increase of the distance from the lake inflow, the concentration of TN, ammonia nitrogen, TP and permanganate index in Baima Lake west bank decreased, indicating that the inflow rivers had direct impact on the water quality of the lake, and the input of pollutants of inflow rivers should be the important reason for the decline of the water quality of Baima Lake.

Baima Lake; inflow river; nitrogen and phosphorus nutrients; cluster analysis; factor analysis

仪慧民，胡小贞，代丹,等.白马湖西岸入湖河流污染特征解析[J].环境工程技术学报,2017,7(6):666-675.

YI H M, HU X Z, DAI D, et al.Analysis of pollution characteristics of inflow rivers of Baima Lake west bank[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):666-675.

2017-04-18

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07510-001)

仪慧民(1990—)，女，硕士，主要研究方向为湖泊水环境，1570812017@qq.com

*通信作者：胡小贞(1975—)，女，副研究员，长期从事湖泊污染控制技术研究，huxz@craes.org.cn

X524

1674-991X(2017)06-0666-10

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.092