南四湖的水環(huán)境問題研究

王云倩, 曹霏霏, 顧聰敏, 曹 峰, 楊麗原

(1.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022; 2.濟(jì)寧市水利局,山東 濟(jì)寧 271019)

0 引言

南四湖(34°27′～35°20′N, 116°34′～117°21′E)位于山東省西南部,由南陽湖、昭陽湖、獨山湖和微山湖相互連貫而成(圖1),屬于淮河流域泗水水系,湖泊總面積1 266 km2,南北長126 km,東西寬5～25 km,平均水深1.46 m,是山東省最大的淡水湖泊．南四湖湖盆淺平,北高南低,二級壩位于湖泊中部,將其一分為二,二級壩以北為上級湖,包括南陽湖、獨山湖和部分昭陽湖,以南為下級湖,包括部分昭陽湖和微山湖,天然情況下的水流方向為上級湖泄水入下級湖．南四湖流域水系豐富,湖東、西、北3面承接蘇、魯、豫、皖4省32個縣(市、區(qū))的來水,直接入湖河流多達(dá)53條．南四湖作為山東省重要的水源地、南水北調(diào)東線工程重要的輸水通道和調(diào)蓄樞紐,已經(jīng)發(fā)展成為集蓄洪、灌溉、水產(chǎn)、航運等多功能為一體的水庫性湖泊．隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,南四湖水環(huán)境不容樂觀．

近幾十年來,國內(nèi)學(xué)者圍繞南四湖表層沉積物中重金屬及持久性有機(jī)污染物的污染狀況、湖泊及入湖河流水質(zhì)狀況、濕地景觀及功能變化等方面開展了大量的研究工作．本文系統(tǒng)總結(jié)和概括了針對南四湖水環(huán)境研究取得的成果,在此基礎(chǔ)上提出了今后的研究方向,為南四湖水環(huán)境管理和保護(hù)提供借鑒．

圖1 南四湖湖區(qū)及主要入湖河流分布

1 南四湖沉積物中重金屬的研究

重金屬是環(huán)境中最主要的污染物之一,具有易積累、難降解的特性．進(jìn)入水體的重金屬絕大部分被懸浮顆粒物吸附,逐步沉積到底泥中,當(dāng)水體的pH,Eh等條件發(fā)生變化時,沉積物吸附的重金屬污染物可能重新釋放出來,造成水體的二次污染,危害水體的生態(tài)環(huán)境,并通過食物鏈威脅人體健康[1-2]．

1.1 重金屬的污染狀況

1999年,張祖陸等[3]就開始研究南四湖底泥柱狀沉積物中Hg,Pb,As,Cr和Cd的污染,研究表明,自1989年以來,隨著區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,重金屬排放量也呈現(xiàn)快速增長的趨勢．隨后的十幾年里,國內(nèi)學(xué)者對南四湖沉積物中重金屬的調(diào)查與研究不斷深入.2003年,楊麗原等[4]通過分析20個南四湖表層沉積物樣品,利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法評價了南四湖表層底泥中重金屬的污染,結(jié)果表明:南四湖底泥中Hg超過了背景值的11倍,達(dá)到強(qiáng)生態(tài)污染水平,是最主要的重金屬污染物,Pb,As次之;重金屬對南陽湖底泥的綜合污染達(dá)到重度風(fēng)險水平,其他湖區(qū)為中度風(fēng)險．2010年針對南四湖表層沉積物重金屬的研究結(jié)果表明,Hg,Cd,As和Pb為南四湖主要的重金屬污染物,南四湖處于無污染-中度污染水平,各重金屬對南四湖底泥的綜合污染達(dá)到中度風(fēng)險水平[5]．

2007～2012年南四湖表層沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.通過對比可以看出,從2007年至今,重金屬的含量處于基本不變或下降趨勢,As和Cd的下降速度尤為明顯．自南水北調(diào)東線工程實施以來,政府和各相關(guān)部門積極貫徹落實《南水北調(diào)東線工程治污規(guī)劃實施意見》,及時調(diào)整南四湖流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,推廣清潔生產(chǎn)和點源綜合治理技術(shù),確保企業(yè)污染物排放能夠達(dá)到《山東省南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求,一系列措施的實施對南四湖水環(huán)境的改善起到了積極的作用．

表1 不同時期南四湖表層沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 重金屬的來源

探究重金屬的來源,對減少重金屬的輸入、改善湖泊水質(zhì)有重要的作用．先前的研究表明,湖泊底泥中重金屬的來源分為自然源和人為源[9-10]．自然源主要包括巖石風(fēng)化、成土過程等,人為源主要包括工業(yè)污染、交通污染、農(nóng)業(yè)污染和生活垃圾．

楊麗原等[4]通過對南四湖沉積物樣品的分析得出,濟(jì)寧市未經(jīng)處理排放的生活污水和工業(yè)廢水是湖區(qū)重金屬的主要來源.安文超和程鳳鳴[11-12]對南四湖的主要入湖河流進(jìn)行了監(jiān)測,結(jié)果表明南四湖眾多支流重金屬污染嚴(yán)重,特別是西支河、泗河、白馬河、梁濟(jì)運河、老運河和洸府河,支流的匯入對南四湖重金屬污染影響較大．劉良與王龍鳳等[5,8]利用主成分法分析了南四湖表層沉積物中重金屬的來源,結(jié)果表明: As,Cd,Pb,Zn等重金屬主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥的施用; Hg,Cd,Zn,Pb,Cu等重金屬主要來自采礦等工業(yè)及交通污染; Ni和Cr則主要來自于母巖的風(fēng)化及成土作用．

2 南四湖沉積物中持久性有機(jī)污染物的研究

持久性有機(jī)污染物(POPs)是一類對人類健康和環(huán)境具有嚴(yán)重危害的天然或人工合成的有機(jī)污染物質(zhì),具有長期殘留性、生物積累性、半揮發(fā)性和高毒性．隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,大量有機(jī)污染物通過地表徑流、大氣沉降等途徑進(jìn)入水體[13].由于有機(jī)污染物具有疏水親脂特性,進(jìn)入水體的有機(jī)污染物大部分蓄積在沉積物中,可以通過生物、化學(xué)過程重新釋放出來[14].因此,通過研究沉積物中的有機(jī)污染物,可以評價其對水生生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害．

2.1 持久性有機(jī)污染物的含量和分布

史雙昕[15]分析了南四湖沉積物中多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)及二惡英(PCDD/Fs)的含量,結(jié)果表明:南四湖表層沉積物中PAHs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為221.9～2 554 ng/g,屬于中等污染水平; PCBs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 412～83 094 pg/g,主要以低氯代PCBs為主,屬于中等偏上污染水平; PCDD/Fs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67～110 pg/g,屬于低污染水平．李紅莉等[16]對南四湖表層沉積物中13種有機(jī)氯農(nóng)藥進(jìn)行了分析測定,并利用加拿大和美國保護(hù)水生環(huán)境沉積物化學(xué)品風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)對有機(jī)氯農(nóng)藥進(jìn)行了評價,結(jié)果表明,南四湖表層沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為5.24 ng/g,低于風(fēng)險水平低值,處于低生態(tài)風(fēng)險水平．綜合來看,南四湖表層沉積物中持久性有機(jī)污染物的含量均處于較低水平,尚未對生物造成顯著的負(fù)面影響．

有機(jī)污染物的空間分布受入湖河流、污染源位置、沉積物粒度等因素影響.李紅莉等[17]通過采集湖區(qū)及入湖口的沉積物樣品,分析了有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯的空間分布,結(jié)果表明:有機(jī)氯農(nóng)藥中滴滴涕的分布特征為下級湖各點的濃度高于上級湖,六六六的分布與滴滴涕恰好相反,其余有機(jī)氯農(nóng)藥的分布特征不明顯;多氯聯(lián)苯的大致分布趨勢為湖內(nèi)各點的濃度高于入湖河口,上級湖各點的濃度高于下級湖．劉哲和孫媛媛等[18-19]探究了南四湖表層沉積物中多環(huán)芳烴的分布,結(jié)果顯示微山島和二級壩附近多環(huán)芳烴的含量高于其他點位,且上級湖的含量高于下級湖的含量．

2.2 持久性有機(jī)污染物的來源

持久性有機(jī)污染物的來源可以概括為4類:工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和生活．工業(yè)污染主要包括焦化廠、煤氣化工廠、電器制造廠、化學(xué)品制造廠等工廠三廢的排放;農(nóng)業(yè)污染是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中除草劑、殺蟲劑的使用;交通污染主要是汽車尾氣的排放;人類生活中采暖季節(jié)燃料的燃燒,民用燃?xì)獾榷际怯袡C(jī)污染物的來源．

李紅莉等[17]指出南四湖表層沉積物中多氯聯(lián)苯以低氯代為主,主要污染源是造紙過程中產(chǎn)生的廢水及焚燒爐排放的廢氣和廢塵．孫媛媛等[19]測試了南四湖表層沉積物中多環(huán)芳烴的含量,得出高分子量的多環(huán)芳烴與低分子量的多環(huán)芳烴的比值大于1,因此判定其來源為煤、石油等化石燃料的不完全燃燒．劉哲等[18]分析了南四湖各湖區(qū)及入湖支流的表層沉積物樣品,研究得出白馬河、城郭河、韓莊運河等入湖口處多環(huán)芳烴的含量較高,因此把南四湖表層沉積物中多環(huán)芳烴的污染歸因于入湖河流,而河流中的多環(huán)芳烴主要來自于河流沿線燃煤企業(yè)．總體看來,南四湖及其支流流域內(nèi)工業(yè)排放是南四湖表層沉積物中有機(jī)污染物的主要來源.只有改進(jìn)流域內(nèi)工業(yè)企業(yè)污染處理技術(shù),減少污染物的排放,才能從源頭控制有機(jī)污染物的污染．

3 南四湖及入湖河流水質(zhì)研究

3.1 南四湖水質(zhì)研究

水體污染是當(dāng)今水環(huán)境面臨的主要問題之一,南四湖作為山東省最大的淡水湖泊和南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道,其水質(zhì)狀況備受關(guān)注．

1991年,厲軍[20]通過對湖區(qū)內(nèi)24個水質(zhì)監(jiān)測點的持續(xù)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)水體中的高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷等嚴(yán)重超標(biāo),全湖56%的水域嚴(yán)重污染,44%的水域輕污染或重污染;此外,上級湖中40%的水域達(dá)到重富營養(yǎng)化水平,55%的水域中富-富營養(yǎng)交替出現(xiàn),下級湖中45%的水域中富-富-重富營養(yǎng)化交替出現(xiàn),55%的水域中富-富營養(yǎng)交替出現(xiàn)．2008年,海洋[21]利用修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對南四湖水體的富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行了評價,結(jié)果表明:南陽湖和獨山湖大面積湖區(qū)表現(xiàn)為中度富營養(yǎng)化水平,昭陽湖主要處于貧營養(yǎng)和中營養(yǎng)水平,下級湖大部分湖區(qū)處于貧營養(yǎng)和中營養(yǎng)狀態(tài),微山湖中部和北岸部分湖區(qū)出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)現(xiàn)象．2012年,舒鳳月等[22]利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對南四湖富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行了評價,結(jié)果表明:南四湖整體處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài),南陽湖處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài),獨山湖、昭陽湖和微山湖大部分湖區(qū)均處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)．

1998年,張祖陸等[23]利用南四湖11個長期監(jiān)測點多年的監(jiān)測資料,綜合10年水質(zhì)變化規(guī)律,將南四湖水域分為3類水質(zhì)區(qū):嚴(yán)重污染的支流入湖口區(qū)約10%的水域面積水質(zhì)達(dá)不到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn);污染較輕的支流入湖口附近約13%的水域面積水質(zhì)勉強(qiáng)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn);湖區(qū)內(nèi)77%的水域水質(zhì)尚好,可以達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)．和慧[24]利用網(wǎng)絡(luò)模型評價了南四湖2006年的水質(zhì)狀況,結(jié)果顯示:上級湖26%的水質(zhì)類型為Ⅲ類,30%的水質(zhì)類型為Ⅳ類,44%的水質(zhì)為Ⅴ類和劣Ⅴ類;下級湖48%的水質(zhì)類型為Ⅲ類,39%的水質(zhì)類型為Ⅳ類,13%的水質(zhì)為Ⅴ類和劣Ⅴ類．2010年,李艷紅[25]采用模糊數(shù)學(xué)方法對南四湖進(jìn)行了水質(zhì)評價,結(jié)果表明下級湖水質(zhì)處于Ⅰ類、Ⅱ類,上級湖水質(zhì)不穩(wěn)定,大部分在Ⅲ～Ⅴ類之間波動．

綜合先前的研究數(shù)據(jù)可以看出,近年來南四湖水體富營養(yǎng)化狀態(tài)呈下降趨勢,湖泊水質(zhì)也逐年改善,大部分湖區(qū)水質(zhì)在Ⅲ～Ⅳ類之間,下級湖水質(zhì)優(yōu)于上級湖,個別地區(qū)污染較為嚴(yán)重,距離穩(wěn)定達(dá)到南水北調(diào)調(diào)水水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)還有一定差距．

3.2 主要入湖河流水質(zhì)研究

南四湖支流眾多,河流生態(tài)系統(tǒng)受人類活動影響強(qiáng)烈,人類生產(chǎn)活動產(chǎn)生的污染物主要通過入湖河流進(jìn)入湖體,因此研究入湖河流水質(zhì)對整治湖區(qū)污染有重要意義．

2006～2007年,南四湖流域22條入湖河流的35個監(jiān)測斷面中,水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的占20%,Ⅴ類占20%,劣Ⅴ類占60%,無Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面,這是南四湖水質(zhì)超標(biāo)的主要原因[26]．辛穎等[27]通過分析南四湖主要入湖河流23個監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到,2000～2010年間各監(jiān)測斷面的CODCr和NH3-N濃度平均值總體呈下降趨勢,下降率分別達(dá)74.4%和93.1%,2010年各監(jiān)控斷面的污染物濃度比2005年下降73.9%,總體上水質(zhì)有了大幅度改善．2012年武周虎等[28]對南四湖35個入湖河口的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究表明,南四湖入湖河口水質(zhì)逐年改善,但老運河、洸府河、東魚河、房莊河、泗河、洙趙新河、白馬河、薛城小沙河、新薛河和新萬福河污染仍然很嚴(yán)重,應(yīng)該作為流域治污的重點．

4 南四湖濕地景觀格局變化

濕地被譽(yù)為“地球之腎”,存在于陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的交錯地帶,具有巨大的環(huán)境功能和經(jīng)濟(jì)效益,是人類最重要的生存環(huán)境之一．研究濕地景觀格局的變化,對濕地的恢復(fù)和重建具有一定的指導(dǎo)作用．

南四湖整個湖區(qū)作為典型的湖泊濕地,已經(jīng)被列為國家級濕地保護(hù)區(qū),從20世紀(jì)80年代以來,由于人類活動的干擾,南四湖濕地景觀格局和生態(tài)功能發(fā)生了很大的變化．主要表現(xiàn)為自然濕地(自然水面、河流、蘆葦、荷田)所占面積逐漸減少,破碎程度加劇;人工濕地(養(yǎng)殖水面、水庫坑塘、人工水渠)的面積逐年增加,景觀破碎化程度不一;優(yōu)勢景觀從自然水域、蘆葦?shù)嘏c荷田植被變?yōu)樽匀凰蚝宛B(yǎng)殖水面景觀;非濕地景觀中居民點及建筑用地面積呈增加趨勢,其他農(nóng)用地所占面積縮小[29-31]．南四湖濕地景觀格局的變化提高了濕地的生產(chǎn)功能,增加了地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益,但降低了該地區(qū)的生物多樣性,造成一些物種種群數(shù)量的減少甚至消失,降低了生態(tài)系統(tǒng)抗干擾的能力,濕地生態(tài)系統(tǒng)的大氣調(diào)節(jié)和凈化功能呈下降趨勢．

5 南四湖水環(huán)境研究展望

國內(nèi)學(xué)者針對南四湖水環(huán)境開展了大量的研究工作,從目前的研究狀況來看,未來對南四湖的研究可能主要體現(xiàn)為4個方面.

5.1 深入對南四湖流域物質(zhì)運移及入湖通量的研究

研究重點應(yīng)該放在污染物(重金屬、營養(yǎng)鹽、有機(jī)物等)在支流-湖泊系統(tǒng)的輸移,在水-沉積物界面上的遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理,如人類活動影響下南四湖流域內(nèi)污染物的產(chǎn)生、來源定量識別、運移模擬、凈化機(jī)制及通量估算等．

5.2 開展南四湖湖泊水動力及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究

湖泊水動力會提高水體復(fù)氧能力,影響水體的熱力、光學(xué)特性,增強(qiáng)湖泊的垂直混合,影響沉積物中營養(yǎng)鹽、重金屬等水平、垂直輸移及時空分布,影響浮游生物的生長以及優(yōu)勢種群的演替等,因此今后對南四湖水環(huán)境的研究中應(yīng)考慮水動力的影響．

5.3 建立南四湖生態(tài)健康評價指標(biāo)體系

根據(jù)南四湖生態(tài)系統(tǒng)的實際情況,綜合考慮自然、經(jīng)濟(jì)、社會因素,選擇評價指標(biāo),建立南四湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,并結(jié)合3S技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析技術(shù),全面準(zhǔn)確地對其生態(tài)健康進(jìn)行評價,為湖泊的利用和管理提供科學(xué)的決策依據(jù)．

5.4 南四湖水體污染修復(fù)技術(shù)研究

目前國內(nèi)常用的水體修復(fù)方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)．物理修復(fù)主要包括底泥疏浚、水體深層曝氣等;化學(xué)修復(fù)包括混凝沉淀法、光化學(xué)降解法等;生物修復(fù)主要是利用培育的生物對水中的污染物進(jìn)行降解,包括微生物強(qiáng)化技術(shù)、水生生物修復(fù)等．南四湖流域面積廣,不同湖區(qū)污染狀況不同,應(yīng)該根據(jù)實際情況選擇合適的方法進(jìn)行修復(fù)．

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