南湖及周边水体中氮的时空分布、影响因素及控制对策

2020-11-26王书航郑朔方蔡青姜霞车霏霏赵丽

环境工程技术学报 2020年6期

王书航,郑朔方*,蔡青,姜霞,车霏霏,赵丽

1.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，中国环境科学研究院 2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，中国环境科学研究院

氮是自然界广泛存在的基本元素之一，同时也是引起湖泊富营养化的关键要素之一。2019年生态环境部对全国57个重点湖泊的监测表明[1]，约50%的湖泊处于富营养化水平，富营养化是我国湖泊目前与今后相当长一段时期内的重大水环境问题之一。城市湖泊因受城市建设、居民生活等因素的影响，收纳了大量的点源和面源污水，是受人类影响最为严重的生态系统之一[2]。同时，由于水体面积往往较小，水体自净能力差，城市湖泊面临着水体污染和生态系统退化的双重压力，常表现为富营养化或者重度富营养化状态[3]。

南湖位于浙江省嘉兴市，由运河各渠汇流而成，属过水湖泊，上承长水塘和海盐塘，下泄于平湖塘和长纤塘，南湖四周地势低平，河港纵横。湖南北长，东西狭，水域面积仅为0.42 km2。近年通过嘉兴市水环境治理，南湖水体总氮(TN)浓度虽呈降低趋势，但仍超过GB 3838—2002Ⅴ类水质标准。2018年监测数据显示，南湖水体TN浓度高达3.59 mgL，虽然TN不是南湖水质考核的指标，但其较高的浓度水平会对南湖水体富营养化产生直接影响，应该引起关注。笔者对南湖水体氮进行了全面调查，深入分析水体氮的组成及时空分布特征，同时探究氮的来源及影响因素，并提出了控制措施，以期为南湖水环境治理提供数据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2018年8月(丰水期)和2019年1月(枯水期)于南湖及周边水体布设56个采样点，采样点分布见图1(a)；于2018年10月在南湖湖区布设50个采样点，采样点分布见图1(b)。在每个采样点使用有机玻璃采水器，采集表层0.5 m处水样，同时，每个采样点用彼得森采泥器采集表层0～20 cm范围内的底泥样品，挑出杂质，置于自封袋中。将采集的水样马上置于保温箱中低温保存，尽快运输至实验室，并在48 h内完成相关指标的分析测试，采集的底泥样品进行冷冻干燥。

图1 南湖周边水体及南湖采样点位Fig.1 Sampling points and location in the surrounding river network of Nanhu Lake

1.2 监测指标

水质指标包括TN、溶解性总氮(DTN)、颗粒态氮(PN)、氨氮、硝氮、溶解性有机氮(DON)浓度。其中，TN浓度用采集的原水样进行测定；DTN、氨氮、硝氮浓度测定前，需将原水经0.45 μm的混合纤维滤膜过滤。

TN和DTN浓度采用碱性过硫酸钾氧化-分光光度法测定，硝氮浓度采用紫外吸收法测定，氨氮浓度采用纳氏试剂光度法测定，PN浓度利用TN与DTN差减法获得，DON浓度利用DTN与硝氮及氨氮差减法获得。底泥经冷冻干燥后过100目筛，底泥中TN浓度利用元素分析仪进行测定。上述指标具体分析测试方法参照《水和废水监测分析方法》[4]和《沉积物质量调查评估手册》[5]。

2010—2018年逐月TN浓度采用嘉兴市生态环境局的南湖监测断面的监测数据。

2 结果与分析

2.1 南湖水体氮的季节变化特征

图2 南湖水体TN浓度季节变化Fig.2 Seasonal variations of TN concentration in the water of Nanhu Lake

2010—2018年逐月监测结果(图2)显示，南湖水体中TN浓度季节变化特征明显。总的来说，水体TN月均浓度为2.51～5.91 mgL，均值为4.18 mgL，其中1—4月TN浓度较高，随后逐渐下降，9月达到最低，之后再次回升；总体表现为枯水期TN浓度高于丰水期，且各月TN浓度均超过地表水Ⅴ类水质标准(2 mgL)。从季节变化来看，水体TN浓度冬季(12月—翌年2月)>春季(3—5月)>夏季(6—8月)>秋季(9—11月)。南湖属于过水性水体，换水周期较短(2～3 d)，南湖水体中氮的浓度水平可能是外源和内源共同影响的结果。

注：箭头表示水体流向。图3 南湖水体TN、DTN、硝氮和氨氮浓度的空间分布Fig.3 Spatial distribution characteristics of TN, DTN, nitrate and ammonia nitrogen in the water of Nanhu Lake

2.2 南湖水体氮的空间变化特征

2018年10月南湖水体TN的调查结果显示，其TN浓度为3.81～4.99 mgL，均值为4.32 mgL，是Ⅴ类水质标准限值的2.16倍。南湖水体不同形态氮的空间分布如图3所示。

由图3可见，TN浓度从南湖西南角和东南角向北部出口逐渐递减，而在南部堤岸周围的TN浓度明显低于其他区域。湖体中氮主要以溶解性氮为主，DTN的浓度为3.49～4.39 mgL，均值为3.88 mgL，其空间分布与TN基本一致。硝氮浓度为1.18～2.15 mgL，均值为1.66 mgL，其浓度占DTN浓度的比例为33%～47%；硝氮浓度的分布呈现出与TN和DTN几乎相反的趋势，高值主要出现在湖心岛西北部湖区以及南部堤岸的周围区域，低值则出现在西南侧与东南侧湖湾。氨氮浓度相对较低(0.67～1.67 mgL)，占DTN浓度的比例为19%～35%，均值为1.22 mgL，在地表水Ⅲ类～Ⅴ类水质范围内波动。氨氮浓度的空间分布与TN和DTN较为相似，特别是在整个西南部至北部区域的浓度高于东南湖区。不同氮形态的空间变化受到内、外源输入与浮游植物生长代谢等的综合影响。另外，南湖水体中少部分氮以DON的形式存在，其浓度为0.60～1.87 mgL。

总的来说，南湖水体中TN、DTN和氨氮浓度的空间分布趋于一致，高值多出现在西南及东南部的入湖河流附近，且在北部出口处也有部分高值出现，而低值多分布在湖体南部堤岸附近。表明南湖水体中氮的空间分布受到汇入南湖的河流中氮浓度的影响，城乡生活污水、畜禽养殖废水以及农田径流可能是造成南湖水体氮污染的主要外因[6]。另外，值得注意的是，在湖心岛周边部分区域各形态氮也呈现较高浓度水平，这可能是由于嘉兴南湖是著名的红色旅游圣地，每年有大量游客乘游船至湖心岛瞻仰“南湖红船”，由游船船行波造成的水体扰动可能促使底泥中营养盐的释放，从而使得上述形态氮在以湖心岛为中心的游船航线区域内产生富集。

2.3 南湖及周边水体氮的空间变化特征

为进一步探究河流来水对南湖氮浓度的影响，对南湖及周边水体TN浓度进行详细调查。结果发现，南湖及周边水体的TN浓度为1.39～8.82 mgL，其中1月TN浓度均值(4.66 mgL)略高于8月(4.44 mgL)，但二者间无显著差异(P> 0.05)，且均超过Ⅴ类水质标准限值。从空间分布来看(图4)，南湖周边水体TN在1月和8月空间分布特征保持一致，即西部和北部河流TN浓度较高，其中高值主要集中在苏州塘、杭州塘、长纤塘以及新塍塘，低值则主要出现在姚家荡、海盐塘等区域。而对于南湖湖体来说，1月TN浓度也明显高于8月，与2.2节中氮的季节变化趋势相一致。

图4 南湖及周边水体1月和8月TN浓度空间分布Fig.4 Spatial distribution characteristics of TN concentration in Nanhu Lake and its surrounding river water in January and August

研究表明[7]，杭州、湖州、苏州流入嘉兴的水大部分为Ⅴ类和劣Ⅴ类水质，而且随着经济和社会的发展，嘉兴市辖区内农业面源污染和生活污水、工业废水排放等都会影响南湖及周边水体中氮的浓度水平。位于西部及北部的外环河道是京杭运河主航道，据统计[8]，京杭运河嘉兴段的年货运量约为10 564.195万t，且60%以上的船舶超过了4级航道规定的500 t载重吨位，大吨位船舶航运对河道的底泥扰动强烈，易造成底泥再悬浮及氮的释放，加之船舶油污泄漏，从而使该区域水体中TN浓度高于其他区域。而该区域河道的水正是南湖来水水源之一，高浓度含氮水的输入势必对南湖水体氮浓度造成影响。

2.4 南湖及周边水体底泥中氮的空间变化特征

2018年10月对南湖湖区表层底泥TN浓度调查发现〔图5(a)〕，其TN浓度为758.20～4 956.83 mgkg，均值为2 260.71 mgkg；2018年8月对南湖及周边水体表层底泥TN浓度调查发现〔图5(b)〕，其TN浓度为268.21～5 954.28 mgkg，均值为1 470.08 mgkg。南湖湖区底泥TN浓度高值大部分集中在湖心岛周边受人类活动影响相对较大的区域，同时湖区表层底泥TN浓度明显高于南部河流，说明外源输入的污染物在南湖底泥中得到了累积；另外在南湖北部河道部分河段也存在底泥TN浓度较高的情况。

图5 南湖及周边水体底泥TN浓度空间分布Fig.5 Spatial distribution characteristics of TN concentration in sediments of Nanhu Lake and its surrounding river network

3 讨论

3.1 南湖水体TN浓度与其他湖泊对比

研究表明[9]，我国大多数湖泊已经或正面临着富营养化问题，长江中下游平原地区人口稠密，经济发达，受人类活动影响较大，成为我国目前湖泊富营养化最严重的地区。通过对长江中下游部分湖泊文献调研(表1)发现，除梁子湖外，这些湖泊水体TN浓度均较高，处于Ⅳ类～Ⅴ类水平。而南湖水体TN浓度远高于这些湖泊。研究表明[6]，城乡居民生活污水、畜禽养殖废水、农田径流是造成南湖水系水污染的主要原因。另外，这些湖泊表层底泥TN浓度也存在着差异，南湖表层底泥TN浓度显著高于巢湖、太湖、鄱阳湖和瘦西湖等湖泊，但低于东湖、西湖等城市湖泊。王健等[10]通过对我国东部100个浅水湖泊表层底泥TN浓度进行分析研究，将我国东部典型湖泊底泥TN浓度的参考阈值确定为1 106～1 115 mgkg。表1所列长江中下游湖泊中均有超过该参考阈值的区域，本研究中南湖湖区表层底泥94%的采样点TN浓度超过1 115 mgkg，说明南湖湖区表层底泥TN存在大面积富集现象，而在船舶扰动条件下，内源氮的释放必会引起水体氮浓度的增加。

表1 南湖TN浓度与其他湖泊对比

3.2 南湖及周边水体氮的组成特点及影响因素

从氮的组成上看，DTN在南湖及周边水体的氮中占绝对优势，其浓度为1.08～6.04 mgL，均值为3.74 mgL，占水体TN浓度的比例平均为83.96%；PN的浓度为0.11～3.29 mgL，均值为0.75 mgL。多元回归曲线表明〔图6(a)〕，DTN和PN都与TN呈显著正相关(P<0.01)，但DTN与TN相关性更为显著(R2为0.82)，进一步证实了南湖水系中氮的时空分布主要受DTN的影响。

值得关注的是，南湖水体1月的DTN浓度均值明显高于8月〔图7(a)〕。一般来说，夏季正值水中微生物旺盛生长的时期，特别是8月南湖微生物量相对较高[27]，微生物迅速增殖期间对氮素的大量摄取，可能使得水体中氮浓度明显下降。DTNTN在1月的平均值(0.87)高于8月(0.74)，也从侧面证实了8月微生物对水体氮的吸收。同时，Xu等[28-29]提出，夏季较高温度下反硝化脱氮作用强烈，也容易造成水体氮浓度的降低。另一方面，根据赵林林等[30]对太湖水体TN赋存量的逐月调查结果，水位与TN浓度呈负相关。嘉兴市地处北亚热带南缘，属东亚季风区，春夏季多雨的气候特征有利于8月(丰水期)南湖水系水量的增加，从而对水体中的氮浓度起到稀释作用。相对而言，冬季水体中DTN浓度显著升高，则可能来自于微生物死亡分解引起的氮释放，1月(枯水期)南湖水系水量的减少也有利于水体中氮的浓缩。1月南湖水系中氨氮的平均浓度也高于8月〔图7(b)〕。通常，氨氮的外源污染主要来自于未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水，而上述来源一般不存在显著的月际差异[31-32]，因此南湖及周边水体氨氮浓度在丰水期与枯水期的差异可能同样主要源于水量增减以及微生物的影响，特别是夏季丰水期高温条件下反硝化作用强，这可能是8月氨氮浓度降低的一个重要原因。

图6 DTN、PN与TN相关性及其占TN的相对比例Fig.6 Correlation among DTN, PN and TN, and relative proportions of DTN and PN in TN

图7 DTN和氨氮浓度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of DTN and ammonia nitrogen concentration

总的来说，南湖水系水体中的氮以溶解态占绝对优势，且枯水期氮浓度较高，底泥释放的内源污染以及生活污水、工业废水的外源贡献影响着氮的空间分布，而丰水期枯水期的水量变化以及水环境中微生物的生长消亡造成了水体氮的月际差异。

3.3 南湖及周边水体氮的控制策略

综上，南湖水体氮污染主要来源于人类生产、生活造成的外源输入，同时也受到湖区游船扰动引起的内源释放以及水量的影响，因此建议从以下几个方面控制南湖氮污染：1)针对城乡居民生活污水、畜禽养殖废水造成的污染需要采取截污治污措施，加快城镇生活污水配套管网建设，抓紧实施老城区的雨污分流，提高城镇生活污水收集率；同时加强对现有污水处理设施的运行管理，重视对污水处理厂脱氮除磷工艺的改造，从源头控制高浓度含氮污水排入河道。2)针对农田径流、城镇径流造成的面源污染，这类含氮污染物通常先汇入河流，因此可对入湖河道进行综合整治；针对南湖主要入湖河道污染严重区域进行河道清淤、岸线绿化、堤防加固等综合整治，使南湖来水水质得以改善。3)针对丰水期枯水期水量变化对南湖水体氮浓度的影响，可建设固定式生态补水工程设施；基于斜板沉淀、高效沉淀和超磁分离工艺的一级物化处理能短时间内降低水体营养盐浓度，提升湖区水体的透明度，同时为沉水植物恢复提供基础条件。4)针对南湖湖体内源污染需开展湖区生态修复，根据南湖水质现状，在局部污染严重区开展底泥环保疏浚，减少内源释放对水体氮的贡献；同时在湖区选择适宜进行沉水植物种植的区域进行先期生态系统恢复，构建局部“水下森林”生境，对局部水体进行净化，去除悬浮物，提升南湖水体的透明度，增加水体溶解氧浓度，降低氮、磷营养物浓度。通过上述源头管控—过程拦截—湖体修复扩容的全程控制措施，让南湖呈现水清、流畅、岸绿、景美的新面貌。