南湖水體中懸浮物的時空分布特征及環(huán)境效應

趙麗，蔚靜雯，邢健宇，王書航*，蔡青，鄭朔方，姜霞

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室，中國環(huán)境科學研究院 2.國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院 3.長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司

懸浮物是指水體中各種不同分散度的懸浮顆粒物，其粒徑變化范圍較大，既有小于0.2 μm的顆粒狀膠體，也有mm級的浮游植物、魚卵、浮游動物、糞便顆粒和海洋雪花等[1]。水體中懸浮物濃度是評價水環(huán)境質量的重要參數(shù)，其可影響水體透明度、渾濁度、水體顏色等光學性質，決定太陽光在水下的分布和浮游植物對光照的利用情況，從而影響水體的初級生產力[2-5]。此外，水體中懸浮物濃度也是衡量水質污染程度的基本指標之一[6]，可以作為污染物的指示劑。李正陽等[7]研究指出，各種營養(yǎng)鹽和污染物以水體中懸浮物為載體，容易引起藍藻水華暴發(fā)等嚴重生態(tài)危害。因此，對水體中懸浮物濃度的研究，有助于河流、湖泊和水庫等水體的生態(tài)環(huán)境保護。

南湖(120°76′E，30°76′N)位于浙江省嘉興市東南部，水域面積約0.42 km2。南湖由運河各渠匯流而成，上承長水塘和海鹽塘，下泄于平湖塘和長纖塘，四周地勢低平，河港縱橫。南湖是中國共產黨召開第一次全國代表大會的會址，是著名的紅色教育基地。近年來南湖水體氮、磷濃度和化學需氧量等水質指標呈下降趨勢，但水質感官指標——水體透明度和懸浮物濃度卻并未改善，因此，對懸浮物濃度的研究成為南湖水環(huán)境治理的重點。筆者在詳細調查的基礎上，對南湖及周邊水體中懸浮物時空分布特征、組成、來源進行分析，對懸浮物濃度居高不下的原因進行探討，并提出下一步控制的建議，以期為南湖水環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 水樣采集

針對南湖及周邊水體分布特征，在南湖主要入湖河流主干道、入湖河口、河流交叉口及東北部姚家蕩共布設56個月際采樣點〔圖1(a)〕，分別于2018年8月(豐水期)、2019年1月(枯水期)采集水樣；在南湖湖區(qū)布設50個加密采樣點〔圖1(b)〕，于2018年10月采集水樣；在南湖湖區(qū)布設3個月際采樣點，于2018年8月—2019年7月每月采集1次水樣。用有機玻璃采水器采集各采樣點表層0.5 m處水樣，同時測定水深、溶解氧(DO)濃度、pH、氧化還原電位等水質理化參數(shù)，將采集的水樣低溫保存并送至實驗室，48 h內進行相關指標的測定。

圖1 南湖及周邊水體采樣點分布示意Fig.1 Distribution of sampling points in Nanhu Lake and its surrounding waters

1.2 檢測指標與方法

水體中總懸浮物(TSS)濃度采用GB 11901—89《水質 懸浮物的測定 重量法》測定，將一定體積的水樣通過0.45 μm的濾膜，TSS濃度等于截留在濾膜上并于103～105 ℃烘干至恒質量的固體物質質量與過濾水樣的體積之比；無機懸浮物(ISS)濃度的測定采用燒失量法[8]，取已烘干含懸浮顆粒物的濾膜放入馬弗爐中，于550 ℃下煅燒6 h至恒質量后稱量，ISS濃度等于懸浮物在煅燒后剩余的質量與過濾水樣的體積之比；有機懸浮物(OSS)濃度等于TSS濃度與ISS濃度之差。水體中總氮(TN)濃度采用GB 11894—89《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定，水體中總磷(TP)濃度采用GB 11893—89《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定；懸浮物中TN濃度采用大進樣量元素分析儀(Vario MACRO cube，德國)測定，懸浮物中TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測定，懸浮物粒徑采用激光粒度儀(Marlvern Mastersizer 2000，英國)測定；水體透明度采用塞氏盤測定，水深采用水深測定儀測定，水體DO濃度、pH和氧化還原電位采用便攜式多參數(shù)水質測量儀測定。所有指標均進行3次平行測定，取平均值(誤差<5%)。相關性分析采用皮爾遜(Pearson)相關系數(shù)法，空間分布采用克里格插值法(Kriging)。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010、Origin 2018和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計檢驗、繪圖與分析。

2 結果與分析

2.1 南湖水體主要水質指標狀況

2018年10月南湖水體主要水質指標狀況如表1所示。由表1可知，南湖水深為1.00～3.75 m，平均值為3.00 m；水體透明度為10.00～46.00 cm，平均值為24.85 cm，整體偏低；水體DO濃度為2.06～9.96 mgL，平均值為5.92 mgL，局部區(qū)域DO濃度偏低；pH為7.03～8.55，平均值為7.47，呈中性；氧化還原電位為46.5～179.0 mV，平均值為130.2 mV，具有氧化性；懸浮物中值粒徑為4.49～13.63 μm，平均值為8.01 μm；水體中TN、TP濃度平均值分別為4.32、0.25 mgL，均超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅴ類水質標準，處于較高營養(yǎng)鹽水平。

表1 2018年10月南湖水體主要水質指標狀況

圖2 南湖水體中TSS濃度月際變化Fig.2 Monthly variation of TSS concentrations in Nanhu Lake

2.2 南湖水體中TSS濃度月變化特征

2018年8月—2019年7月南湖水體中TSS濃度月際變化如圖2所示。由圖2可知，各月南湖水體中TSS濃度呈波動變化且無明顯月際變化，3個采樣點TSS濃度為24.00～47.60 mgL，平均值為37.58 mgL，整體較高。5月、9月和10月TSS平均濃度均大于40 mgL，處于一年中較高水平，這可能是因為這3個月是南湖的旅游旺季，游客眾多，游船載客游覽活動頻繁，對水體擾動作用較強，引起底泥再懸浮，加之南湖中沒有水生植物，無法對懸浮底泥起到過濾、消浪和抑制上浮作用，從而造成水體TSS濃度較高；其余月份TSS平均濃度為28～41 mgL，其中3月最低，平均值僅為28.67 mgL。

2.3 南湖水體中TSS濃度空間變化特征

2018年10月南湖水體中TSS濃度空間分布如圖3所示。由圖3可知，南湖水體中TSS濃度為29.20～75.20 mgL，平均值為38.95 mgL。TSS濃度空間分布差異性顯著，高值主要集中在西南、東南入湖河口及其航道區(qū)域，在湖體南部和出湖口較低。入湖河口水體中TSS濃度整體較高，說明入湖河流對南湖水體中TSS的貢獻較大；另外，南湖水體TSS濃度還受船舶活動的影響，航道區(qū)域TSS濃度明顯高于周邊水體。

2.4 南湖及周邊水體中TSS濃度時空變化特征

圖4 南湖及周邊水體中TSS濃度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of TSS concentrations in Nanhu Lake and its surrounding waters

南湖及周邊水體中TSS濃度空間分布特征如圖4所示。由圖4可知，南湖及周邊水體中TSS濃度為10.00～230.67 mgL，平均值為59.08 mgL，其中2019年1月的平均值為54.88 mgL，2018年8月的平均值為64.30 mgL，差異不顯著(P>0.05)?？臻g分布上，西部的杭州塘、北部的蘇州塘和長纖塘、東部的平湖塘TSS濃度均高于南湖，且多個區(qū)域水體中TSS濃度大于80 mgL。究其原因，主要是西部、北部外環(huán)河網是京杭運河主航道，承擔著重要的航運任務，每天眾多船只穿梭于此運送煤炭、水泥、石膏等物資[9]，對區(qū)域水體擾動十分強烈，擾動引起的底泥再懸浮嚴重影響水體中TSS濃度。除嘉善塘和平湖塘外，南部和東部區(qū)域水體中TSS濃度與南湖水體相差不大，為20～60 mgL，且2019年1月TSS濃度低于2018年8月，這是由于該區(qū)域航運活動相對較少，對水體的擾動強度相對低；東北部區(qū)域的姚家蕩是一個封閉型水體，水體流動性較差，受人類干擾較小，TSS濃度最低。綜上，南湖及周邊水體中TSS濃度整體處于高水平，主要影響因素是航運造成的水體擾動。

3 討論

3.1 水體中懸浮物的組成與粒徑分布

水體中懸浮物的來源有外源性和內源性2種，外源性來源主要包括地表徑流帶入到水體的細顆粒泥沙、腐屑以及投餌網箱的殘體等，內源性來源主要包括浮游生物及其死后的殘體、風浪作用下底泥的再懸浮、水生植物腐爛后的殘體[10]。由于南湖與周邊京杭運河相通，而京杭運河水體中懸浮物濃度遠高于南湖，因此南湖水體中懸浮物受外源河流輸入影響較大，南湖水體中懸浮物內源性來源主要以船舶擾動引起的底泥再懸浮為主。

圖5 南湖及周邊水體中OSS、ISS與TSS濃度的相關關系Fig.5 Correlation between OSS, ISS and TSS concentration in Nanhu Lake and its surrounding waters

從組成上看，南湖及周邊水體中懸浮物以ISS為主，其濃度為2.80～210.00 mgL，平均值為41.19 mgL，在TSS中占比高達73.44%；而OSS濃度僅為4.00～37.00 mgL，平均值為11.71 mgL；南湖水體中懸浮物也以ISS為主，其在TSS中占比為55.42%～79.25%，平均值為66.80%。南湖及周邊水體中OSS、ISS與TSS濃度相關關系多元回歸曲線(圖5)表明，OSS、ISS濃度均與TSS濃度呈顯著正相關(P<0.01)，但ISS濃度的相關系數(shù)(R)更大，進一步說明南湖及周邊水體中懸浮物濃度空間分布主要是由ISS濃度決定的。

為了進一步探討南湖水體中懸浮物的特征，對南湖及周邊水體中懸浮物的中值粒徑進行了統(tǒng)計，結果如圖6所示。由圖6可知，南湖周邊水體中粒徑為10～50 μm和大于50 μm懸浮物占比均值分別達38.60%和29.83%；粒徑為0～10 μm懸浮物占比均值為31.57%。而南湖水體中粒徑為0～10 μm懸浮物占比為45.24%～83.73%，均值為58.94%；粒徑為10～50 μm和大于50 μm懸浮物占比的均值相對較小，分別為20.59%和20.47%。這說明狹窄河道攜帶懸浮物來到寬闊的湖體時，大粒徑懸浮物沉降下來，但粒徑小于10 μm的懸浮物很難通過重力而沉降，因此南湖水體中懸浮物主要以細小且不易沉降的顆粒物為主。

圖6 南湖及周邊水體中不同粒徑懸浮物占比Fig.6 Proportions of different particle size of suspended solids in Nanhu Lake and its surrounding waters

3.2 水體中懸浮物濃度與TN、TP濃度關系

懸浮物是多種營養(yǎng)鹽與污染物吸附的載體，尤其是氮、磷營養(yǎng)鹽，而氮、磷是導致水體富營養(yǎng)化的主要因素。南湖及周邊水體中TSS濃度與TN、TP濃度的相關關系如圖7所示。由圖7可知，南湖及周邊水體中TSS濃度與TN、TP濃度呈顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)(R2)分別為0.65和0.70，其中與TP濃度的相關性更好。

圖7 南湖及周邊水體中TSS濃度與 TN、TP濃度的相關關系Fig.7 Correlation between TSS, TN and TP concentrations in Nanhu Lake and its surrounding waters

懸浮物具有吸附性，可與水體中的污染物相互作用成為其載體，在很大程度上決定著污染物在環(huán)境中的遷移轉化和循環(huán)歸宿[11-13]，這可能是導致南湖及周邊水體中TN、TP濃度高的重要原因之一。對南湖及周邊水體懸浮物中氮、磷濃度進行了測定，結果如圖8所示。由圖8可知，南湖及周邊水體懸浮物中TN、TP濃度平均值分別為1 617.10、1 415.58 mgkg，均高于杭嘉湖平原區(qū)表層土壤環(huán)境背景值(TN為1 460 mgkg，TP為763 mgkg)[14]，說明懸浮物中TN、TP均有富集，且TP的富集更為嚴重。另外，通過計算可知，水體中顆粒態(tài)氮和顆粒態(tài)磷濃度分別占水體中TN和TP濃度的5.30%～17.66%和42.77%～84.85%，均值分別為10.01%和63.35%，進一步說明懸浮物中TP富集程度較TN高。

注：圖中曲線為各采樣點數(shù)據(jù)的正態(tài)分布 曲線；橫線為各采樣點數(shù)據(jù)的平均值。圖8 南湖及周邊水體懸浮物中TN、TP濃度Fig.8 TN and TP concentrations in suspended solids in Nanhu Lake and its surrounding waters

與國內其他湖泊水體中TSS濃度進行對比(表2)，發(fā)現(xiàn)南湖水體中TSS濃度平均值既高于城市湖泊(武漢東湖和無錫蠡湖)，又高于天然湖泊(鄱陽湖、梁子湖和洪湖)，且與典型富營養(yǎng)化淺水湖泊太湖、巢湖相近，但與太湖、巢湖不同的是，富營養(yǎng)化湖泊中影響水質的主要因素是藻類等有機污染物，而南湖主要受外部河道輸入無機物的影響較大。

表2 南湖與國內其他湖泊水體中TSS濃度對比

Table 2 Comparison of TSS concentrations between Nanhu Lake and some other lakes in China mgL

表2 南湖與國內其他湖泊水體中TSS濃度對比

湖泊名稱濃度平均值東湖[15]13.80～23.7618.72蠡湖[8]1.00～78.0017.35鄱陽湖[16]5.00～72.0023.87梁子湖[15]2.83～26.8512.41洪湖[15]2.24～25.6610.98太湖[17]11.08～85.4034.31巢湖[18]17.80～67.5342.76南湖29.20～75.2038.95

4 結論與建議

4.1 結論

4.2 建議

南湖水體中懸浮物呈現(xiàn)濃度高、顆粒細和以無機物為主的特點，懸浮物主要受河道輸入，尤其是京杭運河等航運河道輸入的影響，同時湖體游船擾動引起的底泥再懸浮也不可忽視。因此，對水體中懸浮物濃度控制應該從清水廊道構建、河口強化凈化及湖體生境改善著手，具體可結合懸浮物的空間分布，通過水量優(yōu)化調控措施，從懸浮物濃度較低的河道引水，并對水體進行預處理，減少源頭水體進入河道的濃度，同時在河道中構建多級攔截與凈化系統(tǒng)，提高水體透明度，增強水體自凈能力，恢復清水通道功能。針對湖內底泥再懸浮問題，可通過局部精確環(huán)保疏浚，在易受游船航行擾動影響范圍進行底泥的清理，將底泥上層易受擾動的小顆粒浮泥清除，減少底泥的再懸??；建議同時開展南湖及周邊水體生態(tài)系統(tǒng)恢復和重建，通過水生植物恢復，加強草型生態(tài)系統(tǒng)的培植，構建水下森林，對水中懸浮顆粒物起到攔截作用；另外，可采用水質應急凈化工程，如利用超磁分離沉淀技術，進行快速除磷降濁，并增強水體流動性，為湖內沉水植物恢復創(chuàng)造條件。