蠡湖沉積物質(zhì)量評估體系的構(gòu)建

李佳璐，姜 霞，王雯雯，王書航，趙 麗

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012）

蠡湖沉積物質(zhì)量評估體系的構(gòu)建

李佳璐，姜 霞*，王雯雯，王書航，趙 麗

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012）

為有效地開展蠡湖的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，在對其上覆水、沉積物及底棲生物調(diào)查基礎(chǔ)上，識別了蠡湖沉積物的主要問題，建立了由1個目標(biāo)層、3個要素層、10個指標(biāo)層構(gòu)成的沉積物質(zhì)量綜合評估體系，開展了沉積物質(zhì)量評估.結(jié)果表明，影響蠡湖沉積物質(zhì)量評估的3個要素層相對重要性排序?yàn)榈啄辔廴咎卣鳎?.522）＞生態(tài)特征（0.322）＞水體污染特征（0.146）；指標(biāo)層中的10個評估指標(biāo)中權(quán)重較大的是底棲動物多樣性指數(shù)（0.282）、氨氮釋放通量（0.208）、水質(zhì)類別（0.128）和溶解磷釋放通量（0.109）.蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)在49～79之間，處于輕度污染和中度污染，整體上呈現(xiàn)西蠡湖大于東蠡湖，沿岸小于湖心的分布趨勢.各評估指標(biāo)對沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)的多元回歸分析結(jié)果表明，蠡湖沉積物的主要問題是沉積物中氮磷的釋放及底棲生物多樣性單一.該評價結(jié)果與蠡湖各分區(qū)的實(shí)際調(diào)查情況相符，可為其他湖泊的沉積物質(zhì)量評估提供一定的參考.

蠡湖；沉積物；質(zhì)量評估；指標(biāo)體系；權(quán)重

我國對湖泊環(huán)境的管理主要集中在水質(zhì)，但對于一些長期處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊，如果僅外源污染得到有效控制，水體會因沉積物中污染物質(zhì)的釋放而在相當(dāng)長的時期內(nèi)維持富營養(yǎng)或水質(zhì)惡化狀態(tài)［1-3］.因此，湖泊沉積物的質(zhì)量狀況是影響這類湖泊水質(zhì)改善的重要因素.

沉積物質(zhì)量評估主要用于評估沉積物污染是否會給環(huán)境或人類帶來不可接受的風(fēng)險［4-6］.目前，沉積物質(zhì)量評估方法主要從對物理、化學(xué)和生物3個方面進(jìn)行單獨(dú)的評估［7］，并且主要關(guān)注沉積物自身的污染程度.但沉積物質(zhì)量狀態(tài)不僅表現(xiàn)在營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬和有毒有機(jī)物在沉積物中的富集，還表現(xiàn)在其與上覆水狀況和底棲生物特征之間的相互影響等方面［8-11］.同時，沉積物本身特有的理化性質(zhì)，如吸附、解吸、緩沖容量等特征參數(shù)在時間和空間上的差異，都造成了沉積物質(zhì)量評估相對于水環(huán)境質(zhì)量評估更為復(fù)雜和不確定，因此，現(xiàn)階段急需根據(jù)國內(nèi)外已有的研究成果，建立一套行之有效的沉積物質(zhì)量評估技術(shù)體系，診斷湖泊生態(tài)環(huán)境問題，分析其成因，從而為針對性的開展相應(yīng)改善和保護(hù)工作提供技術(shù)支持.本研究建立了由目標(biāo)層、要素層、指標(biāo)層構(gòu)成的沉積物質(zhì)量評估體系，以蠡湖為研究對象，在對沉積物、水質(zhì)及底棲生物詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，并結(jié)合蠡湖已實(shí)施的治理和修復(fù)工程和蠡湖的實(shí)際生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，定量評估蠡湖沉積物的質(zhì)量狀況.旨在為其他湖泊的沉積物質(zhì)量評估方法的建立提供參考.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

蠡湖位于太湖北部（120.22°E～120.29°E，31.48°N～31.55°N），東西長約6km，南北寬0.3～1.8km，面積約8.6km2，常年水位3.07m，豐水期和枯水期水位變幅較小，平均變動幅度為0.72m.經(jīng)梁溪河閘、五里湖閘與梅梁湖相通，通過曹王涇、長廣溪等分別與京杭大運(yùn)河、貢湖相連接，湖周圍還有數(shù)條小河及斷頭浜，是一個既相對獨(dú)立又與太湖相通的水體.蠡湖北面河道及西南側(cè)山丘區(qū)河道以入湖為主，東南側(cè)河道以出湖為主，平時總體流速均很小，水體流動性相對不大.

以物理標(biāo)志蠡堤、寶界橋和蠡湖大橋?yàn)檫吔鐚Ⅲ缓澐譃?個區(qū)域（圖1），分別為A區(qū)，即退漁還湖區(qū)，原有大量魚塘，污染嚴(yán)重，采用干湖清淤的方式去除底泥；B區(qū)為底泥清淤區(qū)，為綜合整治前的“西蠡湖”，采用機(jī)械法直接從湖水中清淤，同時在兩邊沿岸開展水生植被重建工程；C區(qū)為生態(tài)修復(fù)區(qū)，以寶界橋和蠡湖大橋?yàn)榻?，?shí)施了沿岸綜合整治工程，并建有長廣溪濕地；D區(qū)為蠡湖“東出口區(qū)”，沿岸居民區(qū)較多.

圖1 蠡湖已開展工程及采樣點(diǎn)位置Fig.1 The location of completed governance project and sampling sites in Lihu Lake

1.2 評估數(shù)據(jù)來源

選取2012年4月蠡湖水體、沉積物和底棲生物同步調(diào)查的26個點(diǎn)位進(jìn)行沉積物質(zhì)量評估.水體測定項(xiàng)目包括溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a（Chl.a）、高錳酸鹽指數(shù)、透明度（SD）、總懸浮物（TSS）；沉積物測定項(xiàng)目包括總氮（TN）、總磷（TP）、有機(jī)質(zhì)（OM）、重金屬（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb）；水生態(tài)調(diào)查包括浮游動物多樣性和底棲生物多樣性.具體的調(diào)查與分析測定方法參考《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（第二版）》［12］和《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》［13］.

本研究的釋放通量根據(jù)Fick第一擴(kuò)散定律計(jì)算［14-15］：

式中：F為分子擴(kuò)散通量，mg/（m2·d）；φ為表層沉積物的孔隙度?c/?x為界面濃度梯度（用表層沉積物間隙水濃度與上覆水濃度差估算求得），mg/（L·cm）；Ds為考慮了沉積物效應(yīng)的實(shí)際分子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s.Ds與φ之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中，D0為營養(yǎng)鹽在無限稀釋溶液中理想擴(kuò)散系數(shù)，對于-N，D0取19.1×10-6cm2/s，對于DTP，本文D0取5×10-5cm2/s.

1.3 底泥空間分布和蓄積量調(diào)查

為摸清蠡湖污染底泥分布范圍和厚度，確定污染底泥蓄積量，2013年8月采用靜力觸探法對蠡湖淤泥厚度進(jìn)行勘測，勘測網(wǎng)格為50m×50m，在岸邊和出入湖河口進(jìn)行適當(dāng)加密；同時采用鉆孔取樣法對淤泥厚度進(jìn)行校正，校正網(wǎng)格為500m×500m，淤泥厚度測定方法見《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》［16］.

2 評估方法體系構(gòu)建

2.1 評估方法的選擇

選擇合適的評估方法是進(jìn)行沉積物質(zhì)量評估的關(guān)鍵步驟.目前，沉積物質(zhì)量評估方法主要分為數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)評估和綜合指標(biāo)體系評估法［17，18］.數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)評估通過設(shè)定評估數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)對沉積物進(jìn)行定量評價與比較，方法簡單，可操作性強(qiáng)，但是地區(qū)差異性較大，因而誤差較大；綜合指標(biāo)體系評估法是則是通過建立多指標(biāo)的綜合體系，其結(jié)果可靠直觀，問題針對性強(qiáng)，但對數(shù)據(jù)要求較高.借鑒其他湖泊的研究成果［19-21］，同時結(jié)合蠡湖處于半封閉狀態(tài)、已有數(shù)據(jù)詳實(shí)等特點(diǎn)，本研究選擇綜合指標(biāo)體系評估法對蠡湖沉積物質(zhì)量進(jìn)行評估，建立由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層組成的綜合評估指標(biāo)體系，計(jì)算蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)（SQCI）.

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

將蠡湖沉積物質(zhì)量評估指標(biāo)體系設(shè)計(jì)為由目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層.

目標(biāo)層（A）用以反映沉積物質(zhì)量的總體水平，用沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)（SQCI）表示.SQCI是根據(jù)要素層和指標(biāo)層逐層聚合的結(jié)果.

要素層（B）從不同側(cè)面反映沉積物質(zhì)量狀況的屬性和水平，是確定主要影響因子范圍的關(guān)鍵構(gòu)建層.根據(jù)沉積物質(zhì)量評估的目的和沉積物污染對水環(huán)境和生態(tài)的影響，選擇沉積物污染特征（B1）、水體污染特征（B2）和水生生物特征（B3）3個方面作為本次研究的要素層.

指標(biāo)層（C）是在要素層下選擇若干指標(biāo)所組成，任何可測的、能夠準(zhǔn)確反映水-沉積物系統(tǒng)狀態(tài)的環(huán)境特征都可以作為沉積物質(zhì)量評估的指標(biāo).按照要素層設(shè)定的3個方面，共確定10個指標(biāo).1）沉積物污染特征選擇了總氮（C11）、總磷（C12）、有機(jī)質(zhì)（C13）、重金屬（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb）污染風(fēng)險指數(shù)（C14）、氨氮釋放通量（C15）、溶解磷釋放通量（C16）6項(xiàng)評價指標(biāo).由于蠡湖沉積物的有毒有機(jī)污染物尚屬低風(fēng)險范疇［22］，本研究忽略不計(jì)；2）水體污染特征選取了水質(zhì)類別（C21）和綜合營養(yǎng)指數(shù)（TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)、Chla和SD）（C22）2項(xiàng)評價指標(biāo)；3）生態(tài)特征選取了底棲動物多樣性指數(shù)（C31）和浮游動物多樣性指數(shù)（C32）2個指標(biāo).

2.3 參照標(biāo)準(zhǔn)的確定

表1 蠡湖沉積物質(zhì)量評估指標(biāo)參照標(biāo)準(zhǔn)及其依據(jù)Table 1 The standard values for sediment quality assessment and their reference sources

沉積物質(zhì)量評估是建立在與本底值或者參照標(biāo)準(zhǔn)對比的基礎(chǔ)之上，用來參照或比較的標(biāo)準(zhǔn)可以采用環(huán)境保護(hù)部已經(jīng)制定的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也可以查詢國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或公認(rèn)的閾值或者采用生態(tài)系統(tǒng)所在地域的平均本底值.本研究中10項(xiàng)指標(biāo)因子的參照標(biāo)準(zhǔn)值及其確定依據(jù)見表1.

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化

環(huán)境與生態(tài)的質(zhì)量-效應(yīng)變化符合Weber-Fishna定律，即當(dāng)環(huán)境與生態(tài)質(zhì)量指標(biāo)成等比變化時，環(huán)境與生態(tài)效應(yīng)成等差變化［27］.根據(jù)該定律，進(jìn)行指標(biāo)無量綱化：

式中：xij是i指標(biāo)在采樣點(diǎn)j的實(shí)測值；sij是指標(biāo)因子的參考標(biāo)準(zhǔn).其中，負(fù)向型指標(biāo)包括總氮、總磷、總有機(jī)質(zhì)、重金屬污染風(fēng)險指數(shù)、氨氮釋放通量和溶解性磷釋放通量；正向型指標(biāo)包括底棲動物多樣性指數(shù)和浮游動物多樣性指數(shù).

2.5 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法［19，28］.本研究將以上2種方法結(jié)合起來，使所確定的權(quán)重同時體現(xiàn)主觀信息和客觀信息，采用專家打分法確定要素層權(quán)重，熵值法確定指標(biāo)層的權(quán)重.

（1） 要素層B權(quán)重的確定方法

該層次的權(quán)重系數(shù)采取專家打分法確定，將評價指標(biāo)做成調(diào)查表，邀請專家進(jìn)行打分，滿分為10分，分值越高表示越重要.通過對咨詢結(jié)果進(jìn)行整理后的判斷矩陣，計(jì)算每個要素層的權(quán)重系數(shù)（見表2）.

（2） 指標(biāo)層C權(quán)重的確定方法

①構(gòu)建n個樣本m個評價指標(biāo)的判斷矩陣Z

②將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，得到新的判斷矩陣，其中元素的表達(dá)式為：

③根據(jù)熵的定義，n個樣本m個評價指標(biāo)，可確定評價指標(biāo)的熵為：

其中，0≤Hi≤1，為使lnfij有意義，假定fij=0，fijlnfij= 0，i=1，2…m；j=1，2…n.

④C層評估指標(biāo)對要素層B層的熵權(quán)的計(jì)算：

表2 沉積物質(zhì)量評估指標(biāo)體系權(quán)重設(shè)置Table 2 The index-weight for sediment quality assessment

⑤C層指標(biāo)因子相對于目標(biāo)層A的權(quán)重計(jì)算

式（11）中，即W（BA）i為要素層B相對于目標(biāo)層A的權(quán)重；W（CA）i為C層指標(biāo)因子相對于目標(biāo)層A的權(quán)重.

沉積物質(zhì)量評估要素層和指標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)最終計(jì)算結(jié)果見表2.

2.6 沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算及分級

各指標(biāo)的無量綱化值和指標(biāo)權(quán)重確定后，代入式（12），求得沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)：

式中，SQCI為沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)值；rij為評價指標(biāo)的無量綱化值，此處需滿足0≤rij≤1，大于1的按1取值.

參照其他湖泊類似生態(tài)系統(tǒng)的健康評價分級標(biāo)準(zhǔn)［19］，設(shè)置沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)（SQCI）分級標(biāo)準(zhǔn)（表3）.

表3 沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)分級Table 3 The classification of SQCI

3 結(jié)果與討論

3.1 蠡湖底泥的空間分布

蠡湖底泥主要分布在犢山閘至寶界橋的西蠡湖，東蠡湖的湖心、金城灣和長廣溪等區(qū)域，以帶狀或塊狀分布為主（圖2）.

利用地理信息系統(tǒng)中的3D分析模塊對蠡湖7.8km2（不包括犢山閘以西及湖中小島）湖區(qū)分析表明，底泥蓄積量為4.81×106m3，平均厚度為0.62m，其中小于0.1m的面積為0.18km2，僅占總面積的2%；0.1～0.2m之間的面積為0.98km2，占總面積的13%；0.2～0.5m之間的占總面積的27%；0.5～1m之間的占研究區(qū)的33%；而＞1m的占總面積的25%.

統(tǒng)計(jì)表明，A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)的底泥厚度分別為（0.34±0.3）m、（0.88±0.51）m、（0.57 ±0.41）m、和（0.65±0.44）m，在退漁還湖區(qū)（A區(qū)）厚度較小，而在原西蠡湖（B區(qū)）的厚度較高，但總體上看已經(jīng)顯著低于1997～1999年調(diào)查的1.3m，正好也與2002年底泥生態(tài)疏浚工程在原蠡湖（不包括退漁還湖區(qū)的5.7km2）平均疏挖了0.5m相互印證.

圖2 蠡湖底泥空間分布Fig.2 Sediment spatial distribution in Lihu Lake

3.2 蠡湖沉積物質(zhì)量評估結(jié)果

圖3 蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of SQCI of Lihu Lake

蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)在49～79之間，平均為64，整體上呈現(xiàn)西蠡湖大于東蠡湖，沿岸小于湖心的分布趨勢（圖3）.

結(jié)合沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)分級可以看出，蠡湖沉積物基本處于輕度污染和中度污染.26個點(diǎn)位中處于輕度污染和中度污染的比例分別為61%和39%，并且SQCI得分較高的區(qū)域主要分布在西蠡湖的退漁還湖區(qū)和東蠡湖的湖心區(qū)；而SQCI得分較低的區(qū)域主要集中在入湖河口、寶界橋及其蠡湖的東出口及其南出口的長廣溪區(qū)域.

從分區(qū)評估來看，蠡湖沉積物SQCI得分排序?yàn)锳區(qū)＞C區(qū)＞B區(qū)＞D區(qū).得分最高的是A區(qū)（退漁還湖區(qū)），平均得分69，并且最大值達(dá)到79，已經(jīng)基本處于無污染的水平.C區(qū)的分?jǐn)?shù)也較高，平均達(dá)到66，其中中部和北部的得分較高，基本處于70以上，而岸邊及南出口的長廣溪區(qū)域基本處于65以下，部分河口區(qū)域甚至在60以下.B區(qū)是綜合整治前的西蠡湖，底泥污染較厚，平均達(dá)到0.88m，SQCI得分平均為63，已經(jīng)接近中度污染水平.D區(qū)沉積物污染較為嚴(yán)重，平均得分為56，除極少數(shù)點(diǎn)位達(dá)到60以上，整個區(qū)域基本處于60以下.各湖區(qū)的沉積物質(zhì)量評估結(jié)果詳見表4.

表4 蠡湖各分區(qū)種沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)Table 4 The SQCI of different zones in Lihu Lake

3.3 討論

能夠準(zhǔn)確反映沉積物污染狀況、污染物的生物可利用性及其對水生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵是沉積物質(zhì)量評估指標(biāo)的選擇.一般來說，選擇的指標(biāo)體系須能完整準(zhǔn)確地反映沉積物污染狀況的同時，應(yīng)能夠?qū)ι嬖诘啄嘀械牡讞锛捌渑c之相關(guān)的脅迫進(jìn)行監(jiān)測，以尋求沉積物質(zhì)量下降或者好轉(zhuǎn)的原因，并且可以定期為政府決策、科學(xué)研究及公眾要求等提供沉積物質(zhì)量現(xiàn)狀、變化及趨勢的統(tǒng)計(jì)總結(jié).本次研究中，選取了6個反映沉積物污染的指標(biāo)，其中總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量主要反映了蠡湖沉積物營養(yǎng)鹽的蓄積程度，8種重金屬的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)主要反映了重金屬的污染狀況，而氮、磷的釋放通量重點(diǎn)反映了沉積物對上覆水體營養(yǎng)狀態(tài)的影響；選取了水質(zhì)類別和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來反映水體污染狀況；同時選取了底棲動物多樣性指數(shù)和浮游動物多樣性指數(shù)來反映底泥的生態(tài)特征.綜合來看，10個指標(biāo)體系可較為全面地反映蠡湖沉積物的污染狀況，同時能體現(xiàn)沉積物污染對上覆水狀況和底棲生物特征的影響.

3.3.1 關(guān)于評估權(quán)重 在沉積物質(zhì)量評估體系中，權(quán)重的確定是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它反映了各因素指標(biāo)在綜合評判過程中所占的地位或所起的作用，直接影響評估的結(jié)果.要素層B相對于目標(biāo)層A的權(quán)重是根據(jù)專家打分并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后得到的.按照權(quán)重系數(shù)的大小，要素層B各個因素的相對重要性排序?yàn)椋旱啄辔廴咎卣鳎?.522）＞生態(tài)特征（0.322）＞水體污染特征（0.146）.其中底泥污染污染特征的權(quán)重最大，已經(jīng)超過了50%，說明在沉積物質(zhì)量評估中，氮、磷、有機(jī)質(zhì)和重金屬含量仍是沉積物質(zhì)量評估的關(guān)注點(diǎn)，尤為重要；同時可以看到，生態(tài)特征也占到了30%以上，主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)底棲生物相對來說都是定居的，與沉積環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，因此對于棲息地、沉積物和水質(zhì)狀況的短期和長期變化，都非常敏感.

指標(biāo)層C相對于要素層B的權(quán)重是用熵值統(tǒng)計(jì)法得出的.在底泥污染特征B1所對應(yīng)的6個指標(biāo)中，氨氮釋放通量C15權(quán)重最大，其次為溶解性磷釋放通量C16，兩者權(quán)重之和（0.607）大于0.5，說明蠡湖沉積物的首要問題還是氮磷的釋放問題，其次才是有機(jī)質(zhì)和重金屬的污染問題.水體污染特征對應(yīng)的兩個指標(biāo)中，水質(zhì)類別C21的權(quán)重為0.875，相對于營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)占絕對優(yōu)勢，說明蠡湖水體的主要問題還是水體氮、磷超標(biāo)問題，這也與底泥污染特征中氨氮釋放通量C15和溶解性磷釋放通量C16的權(quán)重較大相呼應(yīng).生態(tài)特征B3中，底棲生物多樣性指數(shù)C31的權(quán)重為0.851，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于浮游動物多樣性指數(shù)C32，說明蠡湖沉積物污染對底棲生物已產(chǎn)生嚴(yán)重影響.

指標(biāo)層C相對于目標(biāo)層A的權(quán)重是由公式（11）計(jì)算得出的，可以通過該層權(quán)重的大小直接判斷所有指標(biāo)因子的相對重要性.10個評估指標(biāo)的權(quán)重較大的是底棲動物多樣性指數(shù)C31（0.282）、氨氮釋放通量C15（0.208）、水質(zhì)類別C21（0.128）和溶解磷釋放通量C16（0.109），這4個因子的權(quán)重之和為0.727，在本次沉積物質(zhì)量評估中起到?jīng)Q定性的作用，也說明蠡湖沉積物的主要問題是底棲生物多樣性單一及其沉積物中氮磷的釋放.

3.3.2 關(guān)于評價結(jié)果 根據(jù)評估結(jié)果，蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)平均為64，3個要素層（底泥污染特征、水體污染特征和生態(tài)特征）得分分別為32.22、11.43和20.35，說明底泥污染特征仍然是本次沉積物評估的最重要方面（圖4）.

圖4 蠡湖不同區(qū)域要素層得分空間差異Fig.4 Spatial diversity of factor layer score in different areas of Lihu Lake

同時，從圖4可以看出，不同分區(qū)在各要素得分差異較大.在底泥污染特征（B1）方面，A區(qū)得分最高，為41分，顯著高于全湖平均值（p＜0.01），而D區(qū)得分最低，僅為24分，說明D區(qū)的底泥污染問題相對于其它區(qū)域最為嚴(yán)重.在水體污染特征（B2）方面，不同區(qū)域得分排序?yàn)锳區(qū)＞B區(qū)＞C區(qū)＞D區(qū)，但不同區(qū)域差異較小，不足以影響各個分區(qū)的沉積物質(zhì)量評估結(jié)果.在生態(tài)特征（B3）方面，不同區(qū)域得分排序?yàn)镃區(qū)＞D區(qū)＞B區(qū)＞A區(qū)，沉積物污染程度最輕的A區(qū)得分最低，可能是A區(qū)為退漁還湖區(qū)，以底質(zhì)以硬質(zhì)為主；C區(qū)得分最高，為23分，主要因?yàn)镃區(qū)湖面比較寬闊，并且分布有長廣溪濕地自然保護(hù)區(qū)，水生態(tài)相對較好.本方法的計(jì)算結(jié)果與張博［29］、胡佳晨［30］等對蠡湖沉積物各分區(qū)的實(shí)際調(diào)查情況相符合.同時，要想進(jìn)一步提高蠡湖沉積物質(zhì)量，需在A區(qū)和B區(qū)應(yīng)加強(qiáng)底棲生物的保護(hù)及人工放殖本地土著底棲物種，并且為底棲生物生存、生長和繁殖創(chuàng)造環(huán)境；在D區(qū)和C區(qū)應(yīng)通過底泥環(huán)保疏浚等措施進(jìn)一步對污染沉積物進(jìn)行治理.

為了進(jìn)一步識別影響蠡湖沉積物質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，采用多元逐步回歸分析法分析了各評估指標(biāo)對沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)貢獻(xiàn)的“最優(yōu)”回歸方程，見表5.

表5 蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)與評估指標(biāo)的多元回歸方程Table 5 Multiple stepwise regression between SQCI and evaluating indexes for Lihu Lake

由表5可以看出，沉積物總氮C11、氨氮釋放通量C15和底棲生物多樣性C32是決定沉積物質(zhì)量狀況的關(guān)鍵指標(biāo)，并且不同區(qū)域影響沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)得分的因子也稍有差異，如綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)C22、水質(zhì)類別C21和有機(jī)質(zhì)C13分別也是B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)的關(guān)鍵因子.

由于蠡湖與周邊河流基本上以閘控的方式隔絕，與周邊水體之間基本上已沒有水量的交換，因此蠡湖水體中氮磷主要來源于湖體本身的內(nèi)源及通過大氣干濕沉降進(jìn)入湖體的外源污染.先前的研究表明，沉積物氮的釋放通量約20～30t/a，磷約1～2t/a，約占蠡湖水體氮、磷污染負(fù)荷的60%以上［31-32］.本研究中，底棲生物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在0.24～2.66之間，平均為1.65，整體屬于中等污染水平，并且優(yōu)勢種都是搖蚊、水絲蚓等比較耐污的種類，而且沉積物中底棲生物的分布也極為不均勻，一些點(diǎn)位中僅發(fā)現(xiàn)1～2種，這些都與氮磷釋放通量、底棲生物多樣性指數(shù)是影響蠡湖沉積物質(zhì)量的主要指標(biāo)相呼應(yīng).

從上面對蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)的空間分布、影響因素及3個要素層的空間差異性分析可以看出，要想改善蠡湖沉積物的質(zhì)量，可以從控制底泥氮磷釋放、改造基質(zhì)以營造底棲動物生長和繁殖環(huán)境以及污染嚴(yán)重區(qū)域（D區(qū)）的有機(jī)質(zhì)清除等方面入手.根據(jù)沉積物質(zhì)量評估結(jié)果，本研究將沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)小于60，即處于中度污染的區(qū)域定義為重點(diǎn)控制區(qū)，需要采取工程措施進(jìn)行底泥修復(fù)；沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)處于60～65之間的區(qū)域一般處于中等污染的邊緣，處于輕度污染到中度污染的過渡階段，本研究定義為“一般控制區(qū)”，此區(qū)域可結(jié)合湖區(qū)水文水動力等特點(diǎn)及水下地形情況適當(dāng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)；而綜合指數(shù)大于65的區(qū)域，底泥污染較輕，定義為“規(guī)劃保護(hù)區(qū)”，現(xiàn)階段可以不采取工程措施，主要以自然修復(fù)為主.結(jié)合底泥厚度的空間分布，并扣除底泥厚度小于10cm區(qū)域，得到蠡湖沉積物分類控制的空間分布圖，見圖5.

圖5 蠡湖分類控制區(qū)域分布Fig.5 Spatial distribution of classification control areas for Lihu Lake

從圖5可以看出，蠡湖沉積物重點(diǎn)控制區(qū)主要分布在D區(qū)的大部分區(qū)域、C區(qū)的長廣溪區(qū)域以及寶界橋和蠡湖大橋周圍.利用地理信息系統(tǒng)空間統(tǒng)計(jì)表明，蠡湖重點(diǎn)控制區(qū)面積達(dá)到1.76km2，占整個蠡湖水面面積的22.55%.

4 結(jié)論

4.1 3個要素層相對重要性排序?yàn)榈啄辔廴咎卣鳎?.522）＞生態(tài)特征（0.322）＞水體污染特征（0.146）；10個評估指標(biāo)的權(quán)重較大的是底棲生物多樣性指數(shù)C31（0.282）、氨氮釋放通量C15（0.208）、水質(zhì)類別C21（0.128）和溶解磷釋放通量C16（0.109），這4個因子的權(quán)重之和為0.727.

4.2 蠡湖沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)在49～79之間，平均為64，整體上呈現(xiàn)西蠡湖大于東蠡湖，沿岸小于湖心的分布趨勢；46個點(diǎn)位中處于輕度污染和中度污染的比例分別為61%和39%.

4.3 多元統(tǒng)計(jì)表明，沉積物總氮C11、氨氮釋放通量C15及其底棲生物多樣性C32是決定沉積物質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，表明蠡湖沉積物的主要問題是底棲生物多樣性單一及其沉積物中氮磷的釋放.

4.4 綜合底泥厚度空間分布、沉積物質(zhì)量評估綜合指數(shù)分級的相關(guān)結(jié)果，將蠡湖沉積物分為“重點(diǎn)控制區(qū)”、“一般控制區(qū)”和“規(guī)劃保護(hù)區(qū)”，其中重點(diǎn)控制區(qū)面積為1.76km2，占整個蠡湖水面面積的22.55%.

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Preliminary evaluation of the sediment quality for Lihu Lake.

LI Jia-lu， JIANG Xia*， WANG Wen-wen， WANG Shu-hang， ZHAO Li （State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：565～573

In order to protect the ecological environment of Lihu lake， the main environmental problem of Lihu lake was recognized based on the investigation of its overlying water and sediment as well as the benthic organisms. According to investigation results， the paper established sediment quality comprehensive evaluation system composing of one target layer， three element layers， and ten index layers to evaluated the sediment quality inLihu lake. Results showed that as for the sediment of Lihu lake， the relative important order of the three index layers was sediment pollution characteristics（0.522）＞ecological characteristics （0.32）＞water pollution characteristics （0.146）. Benthic biodiversity index （0.282），ammonia flux （0.208）， water quality classification （0.128）， and phosphorus flux （0.109） had much more influence among the 10assessment index in the index layer. Sediment quality comprehensive index （SQCI） of Lihu sediments was 49～79，and sediment quality classification of Lihu Lake was slightly polluted and moderately polluted. SQCI in west Lihu lake was higher than that in east Lihu Lake， and central lake was higher than coastal areas. Results of multi-regression analysis between evaluation indexes and SQCI indicated that release of nitrogen and phosphorus in sediments and single benthic biodiversity were the main problems of Lihu Lake sediments. The assessment results were coincident with the Lihu Lake situations， and the study may have some implications for the sediment quality evaluation of other lakes.

Lihu Lake；sediment；quality evaluation；index system；weight

X524

A

1000-6923（2015）02-0565-09

李佳璐（1988-），女，河南開封人，中國環(huán)境科學(xué)研究院碩士研究生，主要從事湖泊水環(huán)境管理研究.發(fā)表論文4篇.

2014-04-22

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07101-013）

* 責(zé)任作者， 研究員， jiangxia@craes.org.cn