望虞河西岸河网区沉积物营养盐和重金属污染时空分布特征

谢孟星，陈志浩，许 彬，赵 杰，何常清

1.江苏省城镇化和城乡规划研究中心，江苏 南京 210000 2.宿迁市供排水管理中心，江苏 宿迁 223800

太湖流域是全国人口最稠密、经济最发达、城市化程度最高的地区之一[1-2]，但随着经济的发展和人们生活水平的提高，太湖流域生态破坏严重[3-4]。水体富营养化[5-6]及沉积物重金属污染[7-8]目前已成为影响该区域健康发展的重要因素[9-11]。望虞河作为太湖流域内的重要水道，沟通着长江、太湖两大水系，在洪涝期担负由太湖向长江排洪的任务，在其他时段则承担着由长江向太湖生态补水的任务，是江苏15条主要入太湖河道之一，在保障太湖(无锡贡湖)供水安全方面发挥着积极作用。望虞河西岸污染是影响望虞河水质的重要因素[12]。该区域水环境具有苏南平原河网的典型特征，且仍存在污废水直接排放的现象[12]。过度的人为干扰使其河道生态系统退化、生态功能脆弱，成为太湖流域水环境治理的重点和难点[13]。目前，有关望虞河西岸河网区整体污染状况的研究相对较少，相关研究主要针对局部区域或单一时段的水体污染状况[14-15]、重金属污染状况[16]，缺少对整个流域水质指标、沉积物营养盐和重金属含量时空分布特征的系统性研究，难以为区域水环境管理提供动态参考。

本研究以无锡市望虞河西岸河网区为研究区域，于2018年12月—2019年9月分冬、春、夏、秋4个季节采集底层水、沉积物样本，分析主要水质指标、沉积物营养盐和重金属浓度，揭示各种污染物的时空分布特征，以期为该区域生态环境保护提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域位于无锡市望虞河西岸，京杭大运河东部，面积约为500 km2。该区域紧邻太湖贡湖湾，人口密集，经济发达，具有苏南平原河网区的典型特征。区域内污染源复杂多样，生态系统脆弱，生物多样性低。

在研究区域内选择了8条代表性的河道，基本覆盖了整个无锡市。其中：新兴塘河流经人类活动密集的市区；芙蓉河、九里河、徐冲桥港位于郊区；夹蠡河沿岸集聚着大量的工业企业；伯渎港流经无锡城区，上游污染较为严重；京杭运河为无锡境内主要航道；望虞河是太湖流域唯一一条由长江直接向太湖引水的骨干河道。在对望虞河、伯渎港、京杭运河3条骨干河道进行加密监测的情况下，在8条代表性河道和宛山荡湿地(当地最大的水生态修复工程)共设置了16个采样点，类型涵盖工业区、市区、郊区、生态修复区4大类，能够有代表性地反映该区域污染状况的空间分布特征。具体位置如图1所示。

注：1#.新兴塘河；2#.九里河；3#.芙蓉河；4#.宛山荡；5#.徐冲桥港；6#.夹蠡河；7#.伯渎港上游；8#.伯渎港中游；9#.伯渎港下游；10#.京杭运河上游；11#.京杭运河中游；12#.京杭运河下游；13#.望虞河上游；14#.望虞河中游；15#.望虞河下游；16#.望虞河入太湖处。图1 采样点位Fig.1 Sampling points

1.2 样品采集与分析

2018年12月—2019年9月，分冬(12月)、春(3月)、夏(6月)、秋(9月)4个季节采集样品。其中：沉积物样本使用彼德逊采泥器采集后，装入自封袋内，带回实验室进行后续处理；底层水样由分层采水器收集后，转移至玻璃瓶中，带回实验室进行测定。

水体溶解氧(DO)含量使用多参数水质仪现场测定，氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)的测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》。沉积物TN的测定采用凯氏定氮法(HJ 717—2014)，TP的测定采用碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ 632—2011)。将沉积物样品于-80 ℃冷冻干燥后研磨过筛，采用微波消解法(HJ 832—2017)充分消解后定容，使用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定其重金属含量。试验的加标回收率为90%～110%。

1.3 沉积物富营养化评价

采用综合污染指数法进行评价，并以1960年太湖底泥TN、TP实测值的平均值为背景值(TN为0.67 g/kg，TP为0.44 g/kg)。计算公式如下：

CFi=Ci/Ci0

(1)

(2)

式中：CFi为重金属i的污染系数；Ci0为重金属i的背景值；Ci为重金属i的实测值；PLI为某点位多种重金属元素的综合污染负荷指数。

1.4 沉积物重金属生态风险评价

德国科学家MÜLLER[17]提出的地累积指数法是一种通过比较重金属浓度与其地球化学背景值，来定量评价重金属污染状况的方法。计算公式如下：

(3)

式中：Igeo为地累积指数；Cn、Bn分别为重金属元素n的实测浓度值、地球化学背景值；k为修正系数，一般取1.5。

1.5 统计分析

利用SPSS 23.0软件对主要水质指标、沉积物氮磷及重金属检测结果进行Speraman相关性分析和显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 水体污染状况时空分布特征

水质指标季节变化情况见表1。其中，NH3-N含量年均值为1.47 mg/L。2018年冬季到2019年秋季，NH3-N平均浓度从2.14 mg/L下降至0.98 mg/L。

TN含量除秋季较高外，其余季节无明显差异。年均值为4.10 mg/L，是地表水Ⅴ类标准限值的2倍多。

丰水期(6月、9月)TP平均浓度高于枯水期(12月)、平水期(3月)。STEVENSON等[18]认为，吸附在泥沙颗粒表面的磷酸盐在雨季更容易随地表径流进入水体。

CODMn从冬季到夏季逐步降低，秋季有所回升。这与武进港监测数据变化趋势一致[19]。

受水体热分层影响，夏秋两季水体DO含量保持在一个较低的水平。

表1 水质指标季节变化情况Table 1 Quarterly changes of water quality indicators mg/L

水质指标空间分布特征见图2。16个采样点中，1#、6#、7#、8#点位的NH3-N含量远高于其他点位，均超过地表水Ⅴ类标准(2 mg/L)。其中，6#采样点最高，年平均浓度为4.54 mg/L。

TN的空间分别特征与NH3-N相近(r=0.6，P<0.05)，仍然是1#、6#、7#、8#点位较高。除16#点位的TN年平均浓度(1.93 mg/L)稍低于Ⅴ类水质标准(2 mg/L)外，其余点位均超标严重。

TP污染情况较轻，浓度在0.14～0.38 mg/L之间，均未超过Ⅴ类水质标准(0.4 mg/L)。除1#、6#点位较高外，大部分点位的TP年平均浓度低于0.2 mg/L(Ⅲ类水质标准)。

CODMn的空间差异较小，在8.06～9.37 mg/L之间小范围波动。

除1#、6#、7#这3个氮磷污染较为严重的点位的DO含量较低之外，10#点位的DO含量也偏低，其余大部分点位都高于Ⅲ类水质标准(5 mg/L)。

2.2 沉积物营养盐时空分布特征

沉积物营养盐季节变化情况见表2。其中，TN含量从冬季的1 008.8 mg/kg下降至夏季的388.6 mg/kg，秋季则回升至1 003.8 mg/kg。研究表明，氮在沉积物-水界面主要通过硝化和反硝化作用的形式进行迁移交换。结合上覆水TN、DO变化情况来看，冬季至夏季，沉积物为氮“源”。其中：冬季至春季，沉积物-水界面处于富氧条件，沉积物中的有机氮通过硝化作用氧化成亚硝酸根、硝酸根，从而进入上覆水；到了夏季，上覆水DO含量急剧下降，河流底部处于厌氧环境，反硝化作用使得硝酸根以N2O或N2等气体的形式从水系统中分离出来。夏季至秋季，沉积物为氮“汇”。这一时期的水体DO含量变化不大，因此，沉积物TN含量有所增加可能是缘于上覆水TN含量的增加，抑或是水温、pH等其他环境因子的变化带来的影响[20-22]。

表2 各季节沉积物氮磷含量Table 2 Statistical of nitrogen and phosphorus content in sediments in each season mg/kg

沉积物TP含量在冬季最低，仅为495.3 mg/kg；在春、夏、秋3季较高，平均浓度分别为863.2、800.5、1 005.8 mg/kg。沉积物TP含量的变化趋势同上覆水TP含量的变化趋势一致，因此，沉积物为磷“汇”。

沉积物营养盐空间分布特征见图3。除5#、13#、14#、16#点位TP含量相对较低以外，其余点位含量接近。

图3 各采样点沉积物氮磷空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of nitrogen and phosphorusin sediments at each sampling point

3#、6#、14#点位的TN含量相对较高，分别为1 044.5、1 280、1 222.3 mg/kg；1#、5#、9#、11#、12#、16#点位的TN含量相对较低。在上覆水TN含量较高的1#、7#、8#点位，其沉积物中的TN含量并没有明显高于其他点位。根据采样期间调研结果，与之相关的两条河道刚刚进行过清淤，由此可能引发了沉积物TN含量在一定程度上的削减。

2.3 沉积物富营养化状况评价

采用综合污染指数法对沉积物富营养化状况进行评价，结果见表3。

表3 各采样点沉积物营养盐风险评价结果Table 3 Results of sediment nutrient risk assessment at each sampling point

评价结果显示，望虞河西岸河网区沉积物营养盐污染情况十分严重。从全年平均情况来看，18.75%的点位属于轻度污染，50%的点位属于中度污染，25%的点位属于重度污染，仅有6.25%的点位属于清洁状态。其中，5#、16#点位的污染情况相对较轻。分析其原因：5#点位属于“十三五”水专项生态修复项目示范区，前期开展的基底修复工作取得了一定成效；16#点位靠近锡东水源地，周边环境管理措施较为严格，几乎不存在点源污染和农业面源污染。

2.4 沉积物重金属时空分布特征

沉积物重金属季节变化情况见表4。表层沉积物中，Cu、As、Pb、Ni、Zn、Cd、Cr这7种重金属元素的含量的季节变化较小，均不存在显著差异(P>0.05)。ZHAO等[23]于2011—2016年对浙江省象山湾沉积物中的重金属元素进行了长期监测，未发现沉积物重金属元素含量存在明显的季节变化趋势，与本研究结果较为一致。一般而言，影响沉积物重金属元素含量的因素主要包括外源输入和重金属自身的迁移转化。其中，迁移转化过程包括重金属的吸附、络合及化学沉淀等，这些过程受季节变化的影响较小[24]。这也从侧面反映出，该时期不存在重金属的大量外源输入。

表4 各季节重金属浓度统计Table 4 Statistical of heavy metal concentration in each season mg/kg

各点位沉积物重金属元素空间分布特征见图4。以江苏省土壤重金属含量背景值作为参比，除2#点位外，其余点位的As、Cr年平均浓度均低于背景值。

图4 各点位沉积物重金属浓度季节变化情况Fig.4 Seasonal variation of heavy metal concentrationin sediments at each point

Cu和Ni的空间分布特征较为相似(r=0.737，P<0.05)。其中：2#、3#、4#、7#、10#、13#、15#点位沉积物的Cu含量和Ni含量相对较高；6#点位(工业区)沉积物的Cu含量远高于其他点位，说明工业区沉积物中的Cu可能主要来自附近工业源的排放。

Cd和Zn的空间分布特征也较为相似(r=0.710，P<0.05)。其中：15#点位的Cd含量最高，达到了0.71 mg/kg；其余超标点位的Cd含量在0.17～0.33 mg/kg之间小范围波动。Zn的污染状况最为严重，所有点位的Zn含量均超过了背景值，同样也是以15#点位(望虞河)的含量为最高，达到了190.81 mg/kg。

Pb污染状况相对较轻，有56.25%的点位的Pb含量超过了背景值。其中，Pb污染较为严重的点位有3#、7#、10#点位，分别到达了98.25、91.81、148.25 mg/kg。

2.5 沉积物重金属生态风险评价

以江苏省土壤重金属含量背景值作为参比，计算7种重金属的地累积指数。从表5可以看出：Cd和Zn的污染程度最高，大部分点位属于偏中度污染；Cu和Pb的污染程度相近，大部分点位属于轻度污染；As和Cr的污染程度较轻，大部分点位无污染。

表5 重金属地累积法评价结果Table 5 Evaluation results of heavy metal geoaccumulation method

研究区域内工业污染源相对较少，但农业相对发达，面源污染较严重。而研究表明，农业生产中大量施用的化肥(主要是氮肥)、农药和除草剂都不同程度地含有Zn、Pb、Cd等重金属，连年施用会造成重金属在土壤中的累积，并通过地表径流或其他方式进入水体[25-26]。

3 结论

1)受居民生活和工业企业生产影响，望虞河西岸河网区西北片区的水体污染较为严重，具体表现在新兴塘河、伯渎港上中游、夹蠡河氮磷负荷较高。但随着水体的流动自净，下游水质状况明显得到改善。从时间上看，望虞河西岸河网区水体的冬季NH3-N负荷、秋季TN负荷、丰水期TP负荷较高。

2)沉积物氮磷负荷较高的点位主要分布在两个片区，分别是九里河、芙蓉河、宛山荡湿地一带，以及伯渎港上中游、夹蠡河一带。前一片区可能是因长期未进行清淤而导致沉积物氮磷蓄积量过高，后一片区本身的水体氮磷负荷就较为严重。从时间上看，沉积物的TN含量会受到上覆水DO的影响，从冬季到夏季逐步下降，秋季则有所回升；沉积物TP含量与上覆水TP含量的变化趋势一致，即冬季最低，春夏秋季基本持平。

3)研究区域主要受到Cd、Zn两种重金属的污染。除15#(望虞河)点位Cd污染最重外，其余点位的Cd污染程度相近；Zn污染严重的区域同沉积物氮磷污染严重的区域较为一致，可能存在共同的污染源。从时间上看，沉积物中7种重金属元素含量的季节变化均不明显。