δ15N和δ18O在太湖污染源解析中的應用

祝 鵬,祝 飛,

（1.南昌大學建筑工程學院,南昌 330031；2.南昌市南隔堤堤防工程管理處,南昌 330052)

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δ15N和δ18O在太湖污染源解析中的應用

祝 鵬1,祝 飛2,

（1.南昌大學建筑工程學院,南昌 330031；2.南昌市南隔堤堤防工程管理處,南昌 330052)

摘 要：通過對太湖污染源的概化、比較,選擇農業(yè)污水、工業(yè)污水、生活污水、雨水作為太湖水體污染源,測定污染源及16個水樣δ15N和δ18O值,結合同位素質量守恒模型進行數(shù)值分析,確定各污染源來源比例。結果表明:太湖整體工農業(yè)污染占主要比重,生活污水和雨水來源比例均較低；其中,入湖支流水樣工業(yè)污染來源比例平均高于農業(yè)污染來源,相對開闊湖區(qū)水樣工業(yè)污染來源比例低于農業(yè)污染來源,而相對封閉湖區(qū)水樣工業(yè)污染來源比例則高于農業(yè)污染來源?？梢?在合理劃分湖泊水體污染源組成的基礎上,利用同位素與數(shù)值模型對污染源來源比例的量化研究可為湖泊污染源治理輕重緩急的選擇提供參考依據(jù),是揭示湖泊水體污染來源及其污染程度的重要手段。

關鍵詞：同位素；δ15N；δ18O；污染源；質量守恒；太湖

1 研究背景

同位素技術在科學技術領域的應用已經(jīng)非常普遍,許多行業(yè)將其作為重要的研究手段和工具。水文地質方面,利用同位素“示蹤劑”特性可以揭示地表水和地下水流系統(tǒng)形成和運移機理［1-2］；考古學方面,應用同位素半衰期特征可進行年代的測定［3］；生態(tài)學方面,應用同位素可研究各種生物群之間能量流動、營養(yǎng)級和食物網(wǎng)結構［4-6］。伴隨著同位素技術的發(fā)展,同位素技術的應用已逐步從原型觀測、實驗室試驗研究,向試驗與數(shù)理模型、試驗與數(shù)值分析相結合的理論研究方向深入［7-10］。童海濱等［7］利用氫氧穩(wěn)定同位素技術結合瑞利分餾原理和水力學基本定律,建立了運動水體中氫氧穩(wěn)定同位素組成變化的微分方程模型,為其定量計算和精確模擬提供了確定性的數(shù)學基礎。王永森等［8］基于瑞利分餾原理和質量守恒定律,研究了開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)降水的氫氧穩(wěn)定同位素與云團水汽之間的數(shù)值關系,并導出其微分方程,發(fā)現(xiàn)它們之間并非簡單的線性關系。在利用氮氧同位素技術對生物食物來源貢獻比例的研究中, Phillips等［9-10］在充分比較歐幾里得距離模型和質量守恒模型后,認為質量守恒模型在來源貢獻率的應用中研究結論與試驗結果更加接近。

目前,利用同位素技術進行源解析研究正在環(huán)境領域深入開展。如通過對機動車尾氣、土壤風沙塵、煤煙塵等各類碳同位素的測定,對大氣中PM10貢獻源情況進行解析［11］；利用鉛同位素易于測定等優(yōu)點,解析土壤中鉛的主要貢獻源和識別其它潛在污染源［12-14］。但是,在水環(huán)境領域利用同位素技術結合數(shù)值分析確定湖泊水體各種污染源來源貢獻率的研究并不多［15］,主要是因為湖泊水體污染源影響因素眾多,容易受季節(jié)、氣候、地理區(qū)域、人文因素的影響,水體污染源種類的合理確定相對復雜。本文通過太湖水體環(huán)境的調查分析,綜合湖泊污染源傳統(tǒng)劃分方法,對污染源類別進行概化和選擇,確定太湖水體污染源劃分方法和種類,采用同位素質量守恒模型對湖區(qū)水體污染源來源貢獻比例進行分析研究,為太湖水環(huán)境污染等級的評估和污染治理提供可靠依據(jù),從而提高湖泊水體污染源治理效率。

2 理論基礎與計算方法

2.1 同位素污染源解析基本原理

自然界中穩(wěn)定同位素組成的變化很微小,通常采用δ值反映這一特征。δ值表達式為δ＝（Rsample/Rstand-1)×1 000,其中Rsample和Rstand代表樣品和標準樣品同位素豐度的相對變化。湖泊污染物中不同污染源某些穩(wěn)定同位素δ值存在差異,如圖1所示［16］,化肥中富18O而貧15N,因此δ15N處于較低值,而工業(yè)污水、生活污水（人畜廢物)等δ15N值較高。當化肥在農業(yè)生產中大量施用后隨被其污染的水體一并流入湖泊會造成湖泊水體中δ15N值降低,而受工業(yè)污水、生活污水（人畜廢物)污染的水體流入湖泊會使得湖泊水體中δ15N呈升高趨勢。湖泊水體δ15N值的變化程度反映了不同δ15N值污染源水體的匯入情況, δ15N值高的污染源匯入量多,則湖泊水體δ15N值呈現(xiàn)高值,否則水體δ15N值會降低?？梢?同位素δ15N值的變化對湖泊水體污染源匯入量大小具有指示作用。δ18O在不同污染物之間也存在差異,在湖泊水體污染狀況研究中具有與δ15N相似的性質。因此,通過測定工業(yè)、農業(yè)廢水以及生活污水等污染源及湖泊水樣中穩(wěn)定同位素δ15N,δ18O值的變化情況,建立污染源及湖泊水樣穩(wěn)定同位素δ值之間的模型及數(shù)值關系,可有效判斷湖泊污染源來源比例。

圖1 各來源δ15N,δ18O同位素變化范圍[16]Fig.1 Schematic diagram of typical ranges of δ15N and δ18O from various sources[16]

2.2 計算方法

以采用氧同位素δ18O值對2種污染源貢獻比例進行定量測定為例。如A,B為混合水樣的2污染源頭,測定2個源頭水樣以及混合水樣中氧的同位素δ18O值,根據(jù)同位素質量守恒關系［17］對于湖泊水體污染物來源貢獻比例的計算作如下變化:

式中:δ108O,δA18O,δB18O分別為混合水樣及源A、源B中氧元素的同位素δ18O值m0,mA,mB分別為對應元素的質量。顯然,水樣中元素質量可表示為m＝cV,其中c表示水樣中18O濃度,V表示水樣體積。則式（1)變?yōu)?/p>

即

令fA＝VA/ V0,fB＝VB/ V0并視其為來源在混合水樣中的貢獻份額,則

根據(jù)式（4)可計算出唯一的fA和fB, fA和fB即湖泊水體來源貢獻比例。

對于來自A,B,C 3個源頭的混合水樣則測定2種元素的同位素,如δ018O,δ0

15N。貢獻比例計算式如下:

式中:c0′,cA′,cB′,cC′分別為混合水樣及源A,B,C 的15N濃度。

由上述可知,k個來源貢獻比例的計算需要定量測定k-1種同位素。當來源數(shù)量k比較大時,為獲得唯一解,所測定的同位素種類也較多,工作量會很大。但考慮相關物理意義,有0≤fk≤1的約束條件且所有fk之和為1。當k≥j＋1（其中j為同位素種數(shù))時可以對其離散化求解,即在0～1（100%)之間按0.01步長離散,解出允許誤差范圍內所有fk值,并對其進行概率統(tǒng)計,分析fk值在0～1之間的出現(xiàn)頻率。根據(jù)所求解的頻率分布情況分析混合水樣的來源貢獻比例。這樣既可以減少樣品穩(wěn)定同位素測定工作的投入,又可以獲得各種污染來源的貢獻比例［18］。

3 結果與討論

3.1 太湖污染源的選擇

在來源的量化分析計算中,各種來源的識別是量化分析計算過程中重要的基礎環(huán)節(jié)。自然界中污染物來源種類很多,而且有的來源相互之間還存在內在聯(lián)系,將其完全獨立地區(qū)分開來非常困難。而在計算分析過程中,如果選擇的來源組合不完全相同又往往導致來源貢獻率結論存在差異。

太湖湖泊系統(tǒng)污染源眾多且各污染源之間存在千絲萬縷的聯(lián)系,分類復雜。不同文獻資料對湖泊各種污染源的區(qū)分、定義,以及概念內涵和外延的解釋存在較大差異。傳統(tǒng)上主要將其分為內源、外源、大氣沉降等,當然也有專家按陸源、生物來源等對湖泊污染來源進行分類。內源主要指湖底沉積物釋放的污染物,也有學者認為這是水中污染物沉降后再次懸浮溶解,可認為不是湖泊系統(tǒng)污染源。大氣沉降主要考慮湖區(qū)大氣降雨帶入湖泊的污染物,也可認為是外源的范疇。外源包括沿岸工業(yè)、農業(yè)、生活污水等的匯入。

本文綜合分析外源、內源等污染物源的概念,結合對太湖污染源實際情況的調查分析和目前湖泊污染源解析的可操作性,對其進行概化和比較,選擇如下幾類主要的污染物來源作為太湖水體污染物來源比例研究的端源:農業(yè)來源,指沿岸農業(yè)生產產生的污水對太湖的污染；工業(yè)來源,指工業(yè)生產產生的污水對太湖的污染；生活污水來源,指人類生活活動產生的污染物對太湖的污染；大氣沉降來源（雨水來源),指大氣中污染物沉降物對太湖水體的污染,主要考慮湖區(qū)降雨匯入湖泊造成水體污染的情況。

3.2 太湖水樣來源比例分析

2011年5月對上述太湖污染源及湖區(qū)水體進行采樣,采樣點如圖2,其中采樣點1—5位于入湖支流,采樣點6—16均位于湖區(qū)。農業(yè)污染源水樣分別采自西、北及南部沿岸田間水,工業(yè)污染源水樣采自太湖沿岸2個工業(yè)園區(qū)水樣,生活污染源水樣采自蘇州及湖州對太湖有一定影響的城市生活污水排放口。水樣采集后,野外現(xiàn)場進行分離過濾,帶回實驗室測定湖區(qū)各水樣和污染源水樣穩(wěn)定同位素δ18O和δ15N 值,如圖3所示。太湖地區(qū)農業(yè)污染源δ18O值相對較高,而δ15N值相對較低,工業(yè)污染源δ15N相對較高,大氣沉降來源（雨水來源)同位素明顯貧δ15N而富δ18O ,而生活污水恰恰相反,貧δ18O富δ15N。各污染源δ18O ,δ15N值區(qū)別明顯。湖區(qū)水樣δ18O值均小于太湖農業(yè)污水來源δ18O值的上限,大于生活污水來源δ18O值下限。水樣δ15N值分布在一個較狹窄的范圍內,其下限也在農業(yè)污水來源δ15N的上限之上,且遠大于雨水來源的δ15N值。

圖2 太湖采樣點位置圖(2011年5月)Fig.2 Layout of sampling points in Taihu Lake (May,2011)

圖3 太湖水樣及端源δ15N,δ18O同位素變化范圍Fig.3 Ranges of δ15N and δ18O in different samples in Taihu Lake

圖4 采樣點5水樣各污染源來源貢獻率分布Fig.4 Contribution ratios of different pollution sources from water sample at sampling point No.5

在Matlab實驗條件下采用同位素質量守恒模型對太湖16個采樣點水樣進行來源比例的計算分析。圖4為經(jīng)同位素質量守恒模型離散化求解得到的太湖苕溪水系入湖支流水樣（水樣5)的所有污染來源比例分布情況。圖4中橫坐標表示來源貢獻比例fk值,縱坐標表示fk出現(xiàn)頻率相對大小。如圖4 （a)所示,按上述模型計算得到水樣5農業(yè)來源可能貢獻比例fk介于10%～47%之間,統(tǒng)計參數(shù)μ±σ ＝33.1%±7.0%,當fk＝35%時出現(xiàn)的頻率最高；工業(yè)來源可能貢獻比例fk介于36%～73%之間,統(tǒng)計參數(shù)μ±σ＝58.6%±7.1%,當fk＝59%時出現(xiàn)的頻率最高。分析認為入湖支流采樣點5水樣中各污染源貢獻比例工業(yè)來源比例最大,其次為農業(yè)來源、生活污水、雨水。圖5為采樣點16處水樣所有污染來源比例分布情況,各污染源貢獻比例中農業(yè)來源比例最大,其次為工業(yè)來源、生活污水、雨水來源。很明顯,入湖支流水樣工業(yè)污染來源比重高于湖區(qū)水樣,而農業(yè)來源比重卻低于湖區(qū)水樣。

圖5 采樣點16水樣各污染源來源貢獻率分布Fig.5 Contribution ratios of different pollution sources from water sample at sampling point No.16

圖6 太湖采樣點水樣各污染源來源平均貢獻率Fig.6 Average contribution ratios of different pollution sources from water samples in Taihu Lake

綜合分析太湖16個采樣點水樣,各水樣來源貢獻比例平均值如圖6所示。太湖入湖支流水樣（水樣1—5)工業(yè)來源比重明顯高于其他來源,可見湖區(qū)水體工業(yè)來源污染物通過入湖支流輸入量占重要比重,具有明顯的點源輸入特征。太湖湖區(qū)采樣點6—10以及15,16處水樣農業(yè)污染來源比例較工業(yè)來源比例高。湖區(qū)采樣點11—14處水樣則呈相反情況,工業(yè)污染來源比重高于農業(yè)污染來源比重。從湖區(qū)采樣點水域環(huán)境分布情況來看,水樣6—10以及水樣15,16的采樣點位于湖區(qū)較開闊的水域,水域面積相對較大。采樣點11—14主要位于西山及東山之間及胥口灣一線相對狹窄水域,屬近岸采樣點。湖區(qū)開闊水域水樣農業(yè)污染來源比例高于工業(yè)來源比例可能是由于開闊湖區(qū)水域面積相對大,湖岸線長,沿岸面源性農業(yè)生產污染物隨入湖水體匯入量大,從而提高湖區(qū)水體農業(yè)污染來源比重,同時也稀釋了工業(yè)污染所占比重。狹窄湖區(qū)水樣,受岸邊點源性工業(yè)污染源影響大,因此工業(yè)污染來源比重情況與入湖支流相似,占主要比重。

4 結 論

本文通過運用同位素技術結合數(shù)值模型對太湖污染源來源比例的計算分析,得到了各污染來源對太湖水體污染貢獻比例。太湖16個采樣點水樣污染物來源主要是沿岸工農業(yè)生產輸入為主,生活污水和大氣沉降（雨水來源)所帶來的污染物在所有污染源中所占比例較低,不是污染物主要來源。采自入湖支流的水樣工業(yè)污染來源比例高而農業(yè)污染來源比例低,相對狹窄水域與入湖支流水樣污染源來源比重呈相似的情況；工業(yè)來源比重大,開闊湖區(qū)水樣正好呈相反的情況,工業(yè)污染來源比例低而農業(yè)污染來源比例高。雖然污染源來源比例是根據(jù)方程解的頻率分布情況分析確定,但從分析結果看,通過對湖泊水體污染來源組成的合理劃分,利用同位素對湖泊污染源來源比例的量化研究可以有效揭示湖泊水體污染來源及其污染程度,能夠作為湖泊污染源治理輕重緩急選擇的參考依據(jù)。

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（編輯:趙衛(wèi)兵)

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Application of δ15N and δ18O in Identification of Pollution Sources in Taihu Lake

ZHU Peng1,ZHU Fei2
（1.School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031,China；2.Nangedi Embankment Works Project Management Office in Nanchang , Nanchang 330052,China)

Abstract:Through summarization and comparison of the pollution sources of Taihu Lake, we determined four sources: industry, agriculture, sewage, and rain. Sixteen samples from both lake area and tributary area were collected, and δ15N and δ18O in these samples were measured. The contribution ratio of pollution sources was analyzed based on the stable isotope technique in association with the model of isotope conservation of mass. Results show that pollutions from industry and agriculture are more serious than those from sewage and rain. As for the samples into the lake from tributary area, the proportion of industrial pollution is basically higher than that of agricultural pollution, and the result of samples from relatively closed lake area is similar, whereas for samples from relatively broad lake area, the result is reverse. On the basis of rationally classifying water pollution resources, quantitative study using isotope technique and numerical model could provide reference for the harnessing of pollution sources of lake. It is also an important approach of determining pollution sources for lake water and pollution conditions.

Key words:isotope；δ15N；δ18O；pollution sources；conservation of mass；Taihu Lake

通訊作者：祝 飛（1979-),男,江西南昌人,工程師,研究方向是水資源與水務管理,（電話)0791-85215002（電子信箱)1263821680@ qq.com。

作者簡介：祝 鵬（1977-),男,江西南昌人,講師,研究方向是水環(huán)境與水資源,（電話)0791-86705243（電子信箱)ncuzhupeng@163.com。

收稿日期：2014-10-09;修回日期：2014-11-03

doi:10.11988/ ckyyb.20140857 2016,33（02):19-23

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0019-05