蠡湖沉积物现状调查及表层沉积物污染评价

乔红霞,杨小龙,王俊力,陶琛杰,蔡 敏,刘福兴∗

(1 上海市农业科学院,上海201403;2 无锡恒诚水利工程建设有限公司,无锡214000;3无锡市水利基建工程质量监督站,无锡214000)

蠡湖作为无锡市的内湖,与无锡市民的工作、生活、娱乐等方面息息相关。 随着生活水平的提高,人们与河湖水系互动逐渐频繁,蠡湖一度成为生产和生活污水主要的接纳场所。 20 世纪80 年代以来,由于自然资源的过度开发及养殖业、工业的迅速崛起,蠡湖的生态环境遭到了破坏,水质不断恶化,蠡湖一度成为太湖地区富营养化最为严重的水域[1]。 21 世纪初,无锡市对蠡湖全面实施生态清淤、污水截流、退渔还湖、生态修复、湖岸整治和环湖林带建设等水环境综合整治工程[2]。 2006 年,无锡市被我国水利部列为全国第一批水生态系统保护与修复试点城市[3]。 通过这些整治工程和措施,蠡湖的水质和生态环境在一定程度上得到改善。 研究表明,蠡湖水体进行生态治理和整治后,水质有了明显提高[4-6]。 整治前后,蠡湖水质均为西部湖区优于东部湖区[2,7]。

底泥沉积物作为湖泊生态系统的重要组成部分,是湖泊河道污染的主要内因之一。 底泥既是汇也是源,其污染状况和污染物的存在形式与水体污染情况和浮游动植物的生存关系密切。 广大科研人员围绕河湖沉积物,特别是太湖流域沉积物中污染物的存在形态、分布、释放及评价开展了大量工作。 方家琪等[8]认为,太湖竺山湾沉积物中总磷(TP)属于重度污染,总氮(TN)属于轻度污染,北部地区为重度污染区,有机污染相对较重。 孟翠等[9]研究表明,太湖西部入湖口沉积物中氮磷外源输入严重,且有严重的生态风险。 张杰等[10]、魏伟伟等[11]分别研究了太湖胥口湾和竺山湾缓冲带内湿地表层沉积物中营养盐的空间分布及其污染特征,认为胥口湾整体上处于中度污染状态,竺山湾缓冲带内湿地表层沉积物中TN 含量和TP 含量处于中等水平,有机质(OM)含量处于较高水平;二者的研究均认为,OM 主要来源于水生生物的分解,与TN 具有很高的同源性,而与TP 同源性较低。 钟小燕等[12]研究表明,太湖河道底泥中氮磷营养盐释放量和最终平衡浓度与流速呈对数关系;TN、TP 含量平衡浓度随流速增加呈指数形式增加。 此外,对于洞庭湖、鄱阳湖沉积物中污染物释放、分布及污染风险评价也有报道[13-14]。

蠡湖是非常典型的城市湖滨水体,对其研究大多着眼于其水质及植被,而对其底泥沉积物这个潜在的污染源研究较少[2]。 为了更好地了解蠡湖沉积物的现状、分布及其污染状况,本研究拟对蠡湖沉积物进行调查,并采用综合污染指数法和有机污染指数法对其污染程度进行评价,以期为蠡湖生态环境的修复和治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

蠡湖(31°30′07″—31°32′48″ N,120°15′11″—120°13′54″ E)是太湖梅梁湾伸入无锡市的内湖,水域面积为8.6 km2,东西长6 km,南北宽0.3—1.2 km,环湖一周约21 km。 无锡市位于亚热带季风气候区, 年均温为18 ℃, 年均降水量为843.6 mm[7]。

1.2 调查点位概况

为更好地了解蠡湖各个区域的底质状况,依据生态环境和功能定位不同,将蠡湖分为5 个区域(图1)。 A 区:蠡堤北湖区(退渔环湖区);B 区:蠡堤至宝界桥湖区;C 区:宝界桥至蠡湖大桥湖区;D区:蠡湖大桥东湖区;E 区:长广溪湖区(张庄巷浜至石塘廊桥)。 调查共选取239 个点位测定沉积物淤积深度;选取21 个代表性点位采集底泥样品进行检测。

图1 蠡湖底泥淤积深度测定点位及分区Fig.1 Measuring points of sediment deposition depth in Lihu Lake and its division

1.3 测定与计算方法

沉积物化学性质测定参照《土壤农业化学分析方法》[16]:总氮(TN)含量采用蒸馏法测定,总磷(TP)含量采用钼锑抗比色法测定,有机质(OM)含量采用油浴加热重铬酸钾氧化法测定。

沉积物污染评价分别采用综合污染指数法[17]和有机污染指数法[18-21]。

其中,有机污染指数(OI)按照以下公式计算:

式中:OC 为有机碳含量,ON 为有机氮含量,均以质量分数(%)表示。

综合污染指数(FF)按照以下公式计算:

式中:Si为单项评价指数;Ci为评价因子i的实测值;Cs为评价因子i的评价基准值。 FF 为综合污染指数;F为n项污染物污染指数平均值;Fmax为最大单项污染指数。

有机污染指数和综合污染指数等级见表1。

表1 污染指数等级Table 1 Grade of pollution index

1.4 综合污染指数阈值

对于综合污染指数的基准,国际上有很多阈值标准,本研究选用4 种基准阈值进行污染指数评价对比。 即:1)王健等[22]推荐的中国东部典型湖泊沉积物总氮、总磷基准值;2)美国沉积物基准值[21];3)1960 年太湖沉积物中的氮磷背景值[23];4)加拿大安大略省环境和能源部1992 年发布的指南中关于沉积物中能引起最低级别生态风险效应的总氮、总磷阈值[24]。

2 结果与分析

2.1 蠡湖沉积物淤积深度

从测定数据来看,蠡湖底泥平均淤积深度为0.35 m,最深处为1.6 m;其中淤积深度1.00 m 以上的占4%,0.51—1.00 m 的占18%,0.31—0.50 m的占14%,0.30 m及以下的占64%。 可以看出,蠡湖底泥淤积不深,且呈现出离岸距离越远淤积越浅的趋势(图2)。 据资料记载,在清淤前(2001 年),蠡湖东部湖心最大淤积深度3 m,西部最大淤积深度超6 m,平均深度1.3 m[25]。

总体来看(图3),5 个区的底泥淤积情况均不严重,平均深度0.26—0.51 m。 其中,淤积最深的B 区为0.51 m,这可能与之前的清淤工程未涵盖此区域,且最深的几个点位均在此区域有关;与之一堤之隔的A 区淤积最浅;C 区除个别点位淤积较深外,大多点位都较浅,是0—0.10 m 淤积深度最多的区域。 C、D、E 3 个区域淤积深度较接近,差异不大。

图2 蠡湖沉积物淤积深度离岸距离比较Fig.2 Comparison of sediment depth and offshore distance in Lihu Lake

图3 蠡湖沉积物淤积深度不同区域比较Fig.3 Comparison of sediment depth of different areas in Lihu Lake

2.2 蠡湖沉积物养分含量

养分含量可以作为底泥是否适合水生植物生长的参考,也是本次调查的目标之一。 根据蠡湖地势和底泥分布特点,共选取21 个代表性点位采集沉积物样品,测定有机质、总氮、总磷含量。 结果表明:调查区域沉积物中有机质含量为6.3—43.5 g∕kg,平均含量为26.9 g∕kg,其中C 区的56 号点位最高,B 区的19 号点位最低。 参照全国第二次土壤普查养分分级标准(表2),各区域沉积物中有机质平均含量以三级占比最多,为43%,其次为二级,占比33%,平均含量为三级。 根据江苏省水文水资源勘测局无锡分局2001 年的监测数据,蠡湖清淤整治前,沉积物中有机质平均含量为40.4 g∕kg,为一级。 此次调查数据较清淤前(2001 年,下同)有显著下降,平均降低33%左右。

表2 我国第二次土壤普查养分分级标准Table 2 Nutrient grading standard of the second national soil survey g·kg -1

从图4 可见,调查区域沉积物中总氮含量为0.30—2.36 g∕kg,平均含量为1.35 g∕kg,其中C 区的56 号点位最高,B 区的19 号点位最低,与有机质含量的表现规律一致。 与土壤养分分级标准相比,调查区域沉积物中总氮平均含量为三级,但从单个点位来看,以二级占比最多,达43%,四级最少,仅占5%。根据江苏省水文水资源勘测局无锡分局2001 年的监测数据,蠡湖清淤整治前,沉积物中总氮含量平均为1.19 g∕kg,属于三级。 与本次调查结果相比,沉积物中总氮含量总体呈上升趋势,18 年间增加了0.16 g∕kg,平均每年增加约0.01 g∕kg。

调查区域沉积物中总磷含量为0.63—1.51 g∕kg,平均含量为0.86 g∕kg,属于二级,其中50 号(D 区)、53 号(D 区)、56 号(C 区)3 个点位较高,达一级,其他点位均属于二级或三级,且以三级占比最多,超过50%。 根据江苏省水文水资源勘测局无锡分局2001 年的监测数据,蠡湖清淤整治前,沉积物中总磷含量平均为2.53 g∕kg,属于一级。 与本次调查结果相比,蠡湖沉积物中总磷含量有显著下降,18 年间减少了1.67 g∕kg,平均降低近66%。

为更好地了解蠡湖各区域内沉积物淤积深度及污染物含量分布,将研究区域沉积物平均淤积深度、有机质、总氮、总磷平均含量按区域划分。

从图5 可以看出,5 个分区的沉积物中有机质平均含量为19.45—31.28 g∕kg。 沉积物淤积深度最浅的A 区其有机质平均含量最高,为5 个区域中唯一一个达到二级的区域;而沉积物淤积深度最深的B 区其有机质平均含量却最低,为唯一一个属于四级的区域,两区之间有机质含量相差较大;其余3 个区域有机质平均含量均属于三级,差异不大。 5 个区域沉积物中总氮含量为1.05—1.56 g∕kg,其中E 区最高,A区次之,B 区最低,E 区为B 区的1.49 倍。 5 个区域沉积物中总磷含量为0.71—1.03 g∕kg,其中D 区最高,A 区最低,D 区为A 区的1.46 倍。

图4 蠡湖沉积物中养分含量Fig.4 Nutrient content of Lihu Lake sediment

图5 蠡湖不同区域沉积物中养分含量比较Fig.5 Comparison of sediment nutrient content in different areas of Lihu Lake

2.3 蠡湖表层沉积物污染评价

2.3.1 有机污染指数法评价结果

从污染角度对蠡湖表层沉积物进行评价,有机污染指数评价结果表明(图6):位于C 区的56 号点位有机污染指数最高,B 区的19 号点位有机污染指数最低,与有机质含量和总氮含量表现一致。 在调查区域内,有86%的沉积物达到污染程度,其中5%为重度污染,48%为中度污染,33%为轻度污染,总体评价为中度污染。

2.3.2 综合污染指数法评价结果

由于蠡湖属太湖流域,因此本研究采用1960 年太湖沉积物中的氮磷背景值[23]作基准对其污染进行评价。 从单因素评价指数看,蠡湖表层沉积物有86%的STN达到污染程度,其中达到重度污染的为52%,中度污染的为24%,轻度污染的为10%,总体评价为重度污染;STP全部达到污染程度,其中86%为重度污染,14%为中度污染,无轻度污染和清洁,总体评价为重度污染。

图6 蠡湖沉积物有机污染指数分析Fig.6 Analysis on organic pollution index of sediment in Lihu Lake

综合污染指数FF 评价表明(图7),蠡湖表层沉积物全部达到污染程度,其中52%为重度污染,38%为中度污染,10%为轻度污染,总体评价为重度污染。

图7 蠡湖沉积物综合污染指数分析Fig.7 Analysis on comprehensive pollution index of sediment in Lihu Lak

2.3.3 不同区域沉积物污染评价

由表3 可见,对照污染指数等级(表1),从单因素污染指数看,STN除B 区为中度污染外,其他4 个区均为重度污染;STP全部为重度污染。 从综合污染指数FF 看,除B 区为中度污染外,其他4 个区均为重度污染。 从有机污染指数OI 看,除B 区为轻度污染外,其他4 个区均为中度污染。 可见,相比有机物,氮、磷的污染更严重,D 区磷的污染最严重,B 区氮和有机物的污染最轻。

表3 不同区域沉积物污染评价Table 3 Assessment of sediment pollution in different areas

2.3.4 综合指数基准阈值选择比较

为了更好地分析不同基准阈值对综合污染指数评价的影响,选取常见的4 种基准阈值进行了对比。

从表4 可见,总氮基准阈值差异较大,4 号最低,1 号最高,1 号是4 号的2.02 倍;总磷基准阈值4 号最高,2 号最低,4 号是2 号的1.43 倍。 因此,选择哪种基准阈值将直接影响河湖沉积物污染评价的结果。从5 个区域的污染评价结果看,以3 号和4 号为基准阈值的STN计算结果一致;以2 号和3 号为基准阈值的STP计算结果一致;以3 号和4 号为基准阈值的FF 评价结果一致,以1 号和2 号为基准阈值的FF 评价结果一致。

表4 基于不同基准阈值的各区域沉积物污染评价Table 4 Assessment of regional sediment pollution based on different benchmark thresholds

3 讨论与结论

底泥沉积物中的污染物一般来源为生活污水和工业废水、生物遗体转化降解、土壤流失、农田径流、大气沉降等等。 2001 年后,无锡市针对蠡湖生态修复进行了多项清淤工程,使得蠡湖中的污染物大为减少。 本次调查中,与清淤前的数据相比,蠡湖沉积物中有机质和总磷含量呈下降趋势,总氮含量略有增加。 这与蠡湖地处城市中心,居民生活和工业活动污染频繁发生密切相关。 虽然近年来对于河湖生态治理及污水截污纳管等整治力度加大,但人类相关活动及水生动植物还是给蠡湖带来了一定的污染。 通过沉积物污染评价得出,蠡湖的污染主要来源于氮磷。 以1960 年太湖沉积物中的氮磷为背景值,单因子总氮评价指数STN、总磷评价指数STP及综合污染评价指数FF 结果显示:氮磷的污染主要来自于外源输入;以具有生物效应表征的基准阈值作评价值[9],单因子总氮评价指数STN、总磷评价指数STP及综合污染评价指数FF 表明:氮磷污染存在严重的生态风险。

通过对蠡湖沉积物现状的调查分析和污染评价分析,得出以下结论。 1)蠡湖沉积物淤积不深,且越向湖心越浅,平均淤积深度A 区最浅,B 区最深。 2)蠡湖沉积物中TP 含量属于二级,OM 含量和TN 含量均属于三级,其中D 区与A、B 区的TP 含量差异较大。 3)蠡湖表层沉积物中有机物为中度污染,氮、磷为重度污染。 总体评价,蠡湖污染严重,其中氮、磷的贡献较大。 从分区来看,D 区磷的污染最严重,B 区氮和有机物的污染较轻。 4)通过综合指数基准阈值比较可知,在本次调查结果污染评价中,以1960 年太湖沉积物中的氮磷背景值和加拿大安大略省环境和能源部1992 年发布的指南中沉积物中能引起最低级别生态风险效应的总氮、总磷阈值为基准的STN和FF 评价结果一致;以美国沉积物基准值和1960 年太湖沉积物中的氮磷背景值为基准的STP评价结果一致。