环太湖水体污染现状分析

柳后起，方正，孟岩，袁自娇

1. 中国科学技术大学苏州高等研究院，江苏 苏州 215123；2. 安徽师范大学生态与环境学院，安徽 芜湖 241000

近几十年来，由于城市化进程和经济迅速发展，大量污染物流入水体，而相应的环保力度和治理技术未能得到同步发展，从而引发一系列的水环境问题，严重破坏了健康的生态环境。

太湖是中国第三大淡水湖泊，属于典型的草型湖泊。太湖流域是中国城市化和工业化发展速度最快的区域之一，在区域经济和社会发展中具有重要的战略地位。2007年太湖蓝藻大暴发，给太湖流域造成了严重的经济损失和社会影响。水危机后，采取了一系列措施对太湖进行整治，如严格管控化工企业的污染排放、面源污染物控制、引江济太、重点区域的清淤等，取得一定成效（王凤，2007）。2009—2015期间，太湖水质有逐年改善趋势，但太湖生态自净能力仍比较有限，TP和TN的自净率分别只有48%和42%，未利用的氮、磷等污染物去向和可能引发的水污染问题仍需关注（翟淑华等，2014；于东升等，2017）。

太湖水环境问题仍比较突出，富营养化引起的环境问题没有得到彻底解决，尤其是北部的梅梁湖、竺山湖和西部沿岸是太湖污染较严重的区域。目前有关太湖流域的研究，多集中于水体沉积物重金属或局部区域水体污染的研究（Bian et al.，2017；Rajeshkumar et al.，2018；朱伟等，2017）。本研究对环太湖沿岸水体进行了综合采样和分析评价，以全面了解环太湖水体的当前富营养化状态、水体污染现状和空间分布特征等概况。并基于重金属水质基准限值，对水体重金属的水生生物的潜在生态毒理危害进行了评估，从而为水质安全的评价和制定太湖污染防控对策提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

图1 采样点位置示意图Fig. 1 Regions and Sampling Sites around Lake Taihu

参照相关文献（王颖雪等，2015；杨陈等，2016），对太湖湖区进行区域划分（图 1），主要分为东部沿岸（S1—S4）、东太湖（S5—S8）、南部沿岸（S9—S10）、西部沿岸（S12—S14）和北部沿岸（S16—S25）。本次对环太湖重点水域和重要出入湖河流进行了样品采集。北部太湖一直为太湖重点关注水域，因此在该区域的竺山湾、梅梁湾和贡湖湾进行了样点布置；另外在太湖重要出入湖河流（如大浦河、太滆运河、合溪河、苕溪河、梁溪河、胥江运河、浒光运河、太浦河等）附近进行了样品采集。于2018年11月，采用手持式GPS定位，采用水质采集器对太湖沿岸水体（离岸1.5 m，深度0—20 cm）进行采集，共获得水样25个，每个点采集水样2份，体积各2 L。水样用干净的聚四氟乙烯瓶盛装，带回实验室后及时分析。

1.2 样品分析

采样时现场测试了pH值、透明度（SD）等指标。采用国标法对样品总有机碳（TOC）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、COD进行分析。采用离子色谱仪（DIONEX，ICS-2000）对氟化物、氯化物、硝酸根和硫酸根进行定量分析。另取经0.45 μm膜过滤后的水样，加入优级纯硝酸，使样品酸度为2%，然后用ICP-MS（Thermo，XSERIES 2）对溶解态重金属元素进行分析。实验所用药品为分析纯或以上纯度，实验用水为超纯水（MILLPORE，Milli-Q，18.2 MΩ.cm），重金属分析涉及容器经10%硝酸（V/V）浸泡24 h，然后用超纯水润洗5次。样品重复测试，误差控制在±10%以内；设置样品空白和质量控制样品各3份，标线线性指数R2＞0.999，重金属回收率为87%—108%。

1.3 富营养化评价

本研究选择综合营养指数对环太湖水体富营养化状态进行评价（王凤，2007；王明翠等，2002），计算公式为：

式中，TLI（∑）表示综合营养状态指数；TLIi为第i种参数的营养状态指数；Wi为第i种参数的富营养状态指数的相关权重；m为参与富营养化评价参数的个数；第i种参数的归一化相关权重，计算公式为：

式中，ri为第i种参数与基准参数chla的相关系数。当 TLI(∑)＜30时，表示水体贫营养；30≤TLI(∑)≤50，中营养；50＜TLI(∑)≤60，轻度富营养；60＜TLI(∑)≤70，中度富营养；TLI(∑)＞70，重度富营养。本研究选择TP、TN、COD和透明度作为湖泊富营养化评定指标。

1.4 污染评价

采用单因子评价法和内梅罗综合污染指数法，依据《地表水环境质量标准》，选择了COD、氨氮、TP、TN、Cu、Zn、Se、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、Fe、Mn、Co、Ni、氟化物（F−）、硫酸盐（SO42−）、氯化物（Cl−）、硝酸盐（NO3−）20项水质指标，对水体污染程度进行综合评价。本研究评价标准采用国家《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》Ⅲ类标准限值作为参考标准，其中，硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁、锰、钴、镍限值参考“集中式生活饮用水地表水源地项目标准限值”（国家环保总局等，GB 3838—2002）。

1.4.1 单因子评价法

单因子污染指数可较简便地对单个水质因子进行污染评价，计算公式为：

式中，Pi为单因子污染指数；Ci为水质指标i的实测浓度；Si为相应的水质标准。Pi＜1，水体未受污染；Pi=1，水体处于临界状态；Pi＞1，水体已受到污染。

1.4.2 内梅罗综合指数评价

内梅罗综合污染指数法综合考虑了各污染物的污染水平，并能突出个别污染物的最大污染贡献（Nemerow，1991），计算公式为：

式中，Pmax、Pave分别为Pi中最大值和所有Pi的算术平均值。

內梅罗综合污染指数将水质污染状况划分为 6个等级：IP＜0.5，清洁；0.5＜IP＜1.0，尚清洁；1.0＜IP＜2.0，轻度污染；2.0＜IP＜5.0，中度污染；5.0＜IP＜10.0，重度污染；IP＞10.0，严重污染。

2 结果与分析

2.1 水体污染特征

由表1可知，环太湖水体pH值为 (7.60±0.22)，水体呈中性偏弱碱性。透明度为 (29.24±12.67) cm。总有机碳质量浓度为 (24.82±2.48) mg·L−1，变异系数为0.10，有机物总量空间分布比较均匀。多数水质指标未超出相应标准限值，为Ⅲ类或更好类别地表水。重金属除Hg浓度为Ⅳ类地表水质外，其他重金属含量均较低，处于Ⅰ类地表水限值范围，Mn、Fe、Co和Ni浓度也均未超出集中式生活饮用水地表水源地标准限值。氨氮含量为(0.32±0.12) mg·L−1，总体处于Ⅱ类地表水标准，占采样点的88%，氨氮变异系数为0.38，含量存在一定的空间差异。COD为Ⅲ地表水，TP和TN污染仍较严重，分别为Ⅴ类和劣Ⅴ类地表水。

表1 水质因子浓度与单因子污染指数Table 1 Concentrations and single pollution index of water quality factors

2.2 单因子污染指数分析

单因子污染指数结果（表1）。多数水质参数显示未污染，但TN、TP和总Hg已达到较严重的污染程度，TP单因子污染指数为 (2.25±1.39)，范围为0.96—8.23；TN单因子污染指数为 (2.91±0.94)，范围为 1.55—5.27；总 Hg单因子污染指数为(3.43±1.71)，范围为1.59—6.99，这3个水质指标的单因子污染指数均超出1，显示严重污染。

2.3 内梅罗综合污染指数

内梅罗综合污染指数为 (2.78±1.20)，范围为1.24—5.89，显示水质总体呈中度污染状态。由图2可知，研究区水质轻度污染占采样点36%，中度污染占60%，重度污染为4%。污染程度为：北部沿岸＞东部沿岸＞西部沿岸＞南部沿岸＞东太湖。北部的竺山湾、梅梁湾和贡湖湾均已达到中度污染。东部沿岸为太湖的主要出水区，可能携带湖体污染物流出湖区，导致污染程度偏重（郑一等，2001）。西部沿岸和南部沿岸水质处于临界中度污染。东太湖水质最好，为轻度污染，这应该与本区域分布有大量沉水植物、挺水植物以及近年采取的生态治理措施有关。位于北部沿岸竺山湾的 S17号采样点（P=4.99）和贡湖湾的S21号采样点（P=4.83）已接近重度污染，位于梅梁湾水域的 S20号采样点（P=5.89）已处于重度污染状态。

图2 内梅罗综合污染指数Fig. 2 Regional distribution of Nemero comprehensive pollution index

2.4 综合富营养指数

环太湖水体综合营养状态指数（TLI）平均数值为 69.3，显示中度富营养化，与 2001年研究结果（TLI=61.1）相比，富营养化程度有所加重（王明翠等，2002）。TP、TN、COD和透明度的单个营养指数（TLI）平均值依次为(57.1±7.2)、(71.9±5.0)、(72.0±9.0) 和 (76.7±8.2)，变异系数分别为 0.13、0.07、0.13和0.11，显示各湖区单个指标富营养化分布较为均匀，各指标对综合富营养指数的贡献率分别为21.1%、25.3%、26.0%和27.7%。由图3可知，各区域水体已达到中度或重度富营养化，且存在明显的空间差异，依次为西部沿岸 (TLI=71.2)＞北部沿岸 (TLI=70.3)＞南部沿岸 (TLI=69.4)＞东太湖 (TLI=68.4)＞东部沿岸 (TLI=66.0)。分析可知，西部沿岸的透明度较差（TLI=83.3），这导致综合富营养化程度偏重。北部沿岸的梅梁湾富营养化程度最高（TLI=74.9），竺山湾次之（TLI=72.6），贡湖湾相对最低（TLI=67.4）。因贡湖湾采样点较多，所以导致北部综合富营养化程度偏低。东太湖 TP、TN、COD和透明度的营养指数平均值依次为56.2、72.0、66.3和 69.8，与 2006年研究相比（TP-69.4、TN-74.3、COD-63.2和SD-65.4），TN、TP指数有所下降，COD和透明度富营养化程度有所加剧，综合富营养化指数也明显上升（TLI=64.1）（白秀玲等，2006）。

2.5 重金属分布特征

图3 各湖区综合营养指数Fig. 3 Comprehensive nutrition index in Lake Taihu

图4 溶解性重金属含量分布特征Fig. 4 Regional distribution characteristics of dissolved metals in surface water

由表1可知，环太湖水体重金属（Hg除外）含量均较低，但不同区域及重金属之间的含量存在较大差异，浓度顺序为：Fe＞Ni＞Se＞Cu＞Zn＞As＞Cr＞Hg＞Co＞Pb＞Cd。本文对重金属（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Se、Hg、Ni）在各区域的分布进行了总结（图 4）。由图可知，重金属总量由高到低顺序为北部沿岸、西部沿岸、东部沿岸、南部沿岸、东太湖。北部太湖冶金、化工和纺织污染较严重，污染突出，导致北部沿岸重金属含量相对最高，尤其是北部的竺山湾，这与之前研究较为一致（燕姝雯等，2011）。东太湖重金属浓度最低。Cd、Pb、Hg、As、Zn和Se浓度变异系数均高于0.50，As和Pb分别为1.35和0.96，显示明显的空间分布差异。西部沿岸水体的Cr、Pb和Zn含量最高，北部的As、Hg、Se含量最高；Cr、Cu和Ni浓度分布较为均匀，变异系数分别为0.17、0.26和0.36。

参照重金属相关水质基准，结果显示北部的竺山湾、梅梁湾和贡湖湾部分区域水体（S17、S20、S21、S23、S24和S25采样点）的Hg含量已超出中国淡水水生生物Hg慢性基准数值（LTHC5：0.467 μg·L−1）（张瑞卿等，2012），这些区域的 Hg 已对水生生物具有一定的潜在危害。Cd、Pb和Zn含量较低，均未超出水生生物慢性或急性基准数值，处于安全范围（赵芊渊等，2015；吴丰昌等，2011；闫振广等，2009；孔祥臻等，2011；EPA，2009）。

2.6 主要污染因子区域分布特征与污染源分析

基于单因子污染指数，对各因子的污染负荷进行了分析，结果显示，各因子对水体污染的贡献存在明显差异，污染贡献较大的因子为总汞(29.58%)＞TN (25.09%)＞TP (19.38%)＞COD (6.60%)，它们的累积污染贡献率达80.65%。可见，总Hg、TN、TP和 COD是环太湖水体的主要污染驱动因子，因此，本文对TN、TP、总Hg和COD的空间分布特征进行了概括（图5）。

由表 1可知，COD 质量浓度为 (15.29±6.50)mg·L−1，范围为 7.52—41.36 mg·L−1。总体来看，环太湖 COD浓度处于Ⅲ类地表水范围，以Ⅰ类和Ⅱ类水质为主，分别占总采样点的56%和32%。COD含量变异系数为0.43，存在明显的空间差异，北部湖湾含量最高，西部沿岸次之，两区域都为Ⅲ类地表水，东部沿岸、东太湖和南部沿岸为Ⅰ类地表水。北部沿岸的梅梁湾 COD平均质量浓度为 26.32 mg·L−1，已达到Ⅳ地表水标准，S20号采样点COD质量浓度为41.36 mg·L−1，为劣Ⅴ类地表水。

TN 质量浓度为 (2.91±0.94) mg·L−1，范围为1.55—5.27 mg·L−1，总体属于劣Ⅴ类地表水，占采样点的92%，8%为Ⅴ类地表水。TN浓度变异系数为0.32，空间分布较均匀，显示明显的面源污染特征。TN浓度表现为北部沿岸＞东部沿岸＞西部沿岸＞南部沿岸＞东太湖。东部沿岸的吕浦港采样点（S1）、北部贡湖湾（S21）、竺山湾（S16和S17）的TN浓度均高于 4.0 mg·L−1，张晓晴等（2011）在 2005—2007期间的研究也发现类似分布特征，竺山湾水体TN明显高于其他湖区，虽然东太湖 TN浓度相对较低 (2.46±0.74) mg·L−1，但比 2006 年（1.61 mg·L−1）有明显增加（白秀玲等，2006）。有研究表明，2015年太湖西岸年平均入湖TN浓度为4.54 mg·L−1，严重超标，COD浓度也高于GB 3838—2002中Ⅲ类地表水限值，其余各指标在Ⅲ类地表水范围（于东升等，2017）。由此可见，近年来太湖水质趋于变好。

图5 主要污染因子区域分布特征Fig. 5 Distribution characteristics of main pollution factors

TP 质量浓度为 (0.11±0.07) mg·L−1，范围为0.05—0.41 mg·L−1，总体处于Ⅴ类地表水范围。变异系数为0.62，空间差异明显，以Ⅳ和Ⅴ类地表水为主，都占总采样点的44%。东部沿岸为0.10 mg·L−1，已临界Ⅴ类地表水限值，太湖南部、西部、北部和东太湖都达Ⅴ类地表水，南部相对最严重。东太湖水体 TP 质量浓度为 (0.11±0.02) mg·L−1，与 2006 年研究结果（TP=0.103 mg·L−1）比较接近（白秀玲等，2006），表明东太湖区域近年TP浓度控制较好，这应该与本水域分布有大量水生植物有关。北部湖湾中，梅梁湾TP质量浓度最高（0.22 mg·L−1），属于劣Ⅴ类地表水，梅梁湾S20号采样点TP质量浓度达到了0.41 mg·L−1，该处磷污染最严重。有研究表明，梅梁湾、竺山湾是太湖污水的主要入湖区，入湖的磷占输入量的75%（郑一等，2001）。竺山湾和贡湖湾TP浓度处于Ⅳ类地表水，贡湖湾TP污染相对最轻。

总 Hg 质量浓度为 (0.34±0.17) μg·L−1，范围为0.16—0.70 μg·L−1，变异系数为 0.50，存在一定的空间差异。总体来看，所有采样点Hg质量浓度处于Ⅳ地表水范围，空间分布为北部沿岸＞西部沿岸＞东太湖＞东部沿岸＞南部沿岸，北部沿岸Hg浓度均值达到0.52 mg·L−1，多个采样点污染较为严重。

有研究表明，总氮超标是太湖流域较为普遍的问题，主要受上游污水、点源和面源污染的影响。总磷浓度在 6—9月丰水期也会出现浓度明显偏高现象，说明总磷受到较大的农业面源影响（韩梅等，2014；吕学研等，2016；王大春等，2015）。由于太湖的主要入湖河流分布于西部，大量化工处理污水流入湖体，另有沿岸农业、养殖等面源污染，导致西部污染仍比较严重。北部湾区相对封闭，与外太湖水体交换有限，污染物不断沉积，导致污染加重。因此，需要对北部进行人工生态干预，提高其自净能力，同时结合工程手段，以减轻该区域的本底污染负荷。西部区域面积广阔，需要针对面源污染和入湖水体污染特征展开深入研究，如沿岸农业污染、地表径流污染的截留工程建设，从而为太湖水质治理制定科学有效的方案。

3 结论

本研究对环太湖水体污染现状进行了综合评价。结果显示，目前太湖为中度富营养化；单因子污染指数显示TN、TP和Hg污染较为严重，TN为劣V类地表水，TP为Ⅴ类地表水，Hg为Ⅳ类地表水，其他水质指标未超出Ⅲ类地表水限值。内梅罗综合污染指数结果显示，环太湖水质总体呈中度污染，占采样点74.36%；轻度污染、重度和严重污染分别占采样点的17.95%、5.13%和2.56%。TN、TP、Hg和COD是主要污染驱动因子，累积污染贡献率占80.65%。总体来看，太湖北部污染最严重，尤其是Hg，明显高于其他区域。北部沿岸多处水域Hg浓度已超出我国淡水水生生物Hg慢性基准限值。

目前太湖污染还没得到明显改善，尤其是北部三大湖湾和西部湖区，近年蓝藻水华仍较严重。因此，应该从各湖区污染特征和周边生态环境情况出发，制定科学的治污措施和生态规划，注重加强对水生植被的保护与重建，尤其是加强沉水植物和挺水植物的生态恢复，做好长期监督管理，促进太湖生态系统的良性发展。