太湖入湖河流氮磷時(shí)空分布特征

李叢楊,史宸菲①,方家琪，張世偉，汪 旋,辛 悅,劉華基,劉金娥,王國(guó)祥

(1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省水土環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023;3.美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校地理科學(xué)系,美國(guó) 馬里蘭州 大學(xué)公園 20741)

太湖位于長(zhǎng)江三角洲南部，是我國(guó)第三大淡水湖泊，在地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[1]。從20世紀(jì)80年代起，隨著當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，太湖部分水域開始出現(xiàn)藍(lán)藻水華。進(jìn)入21世紀(jì)，太湖富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重[2-4]，逐漸成為影響當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的突出問題。太湖流域河道眾多，河網(wǎng)復(fù)雜，包括大港河、烏溪河、太滆運(yùn)河、武進(jìn)港、梁溪河、望虞運(yùn)河等15條主要入湖河流，上述河流污染物對(duì)太湖污染物總量的貢獻(xiàn)高達(dá)80%[5]，因此，開展入湖河流水環(huán)境的研究與治理工作對(duì)太湖水環(huán)境質(zhì)量的綜合改善具有重要意義。

梁溪河位于無錫境內(nèi)，西起梅梁灣，東至京杭運(yùn)河，是太湖的一條重要入湖河流，也是連接太湖、城區(qū)水系和運(yùn)河的天然紐帶[6]。早期梁溪河的兩岸為工業(yè)污染區(qū)，部分支流的閘控常年處于關(guān)閉狀態(tài)，水體自然流通性差，黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重。為修復(fù)梁溪河水環(huán)境，2007年當(dāng)?shù)卣畣⒂昧嗣妨汉谜荆瑥奶蛄合诱{(diào)水引流[7]，一定程度上提高了水體的流動(dòng)性，改善了梁溪河的黑臭問題。但是每逢藍(lán)藻爆發(fā)季節(jié)，在主導(dǎo)風(fēng)向作用下，太湖湖區(qū)的水華藍(lán)藻仍會(huì)匯聚到梅梁灣，調(diào)水引流則順勢(shì)將梅梁灣高濃度的藻類顆粒物帶入梁溪河，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的壓力。目前，對(duì)于太湖入湖河流的研究主要集中在西部和北部的武進(jìn)港、望虞河等[8-10]，關(guān)注點(diǎn)也主要放在主干河道。梁溪河流域支流由于地理環(huán)境因素不同，上、下游各支流的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸出強(qiáng)度差異較大。盡管已有一些關(guān)于梁溪河流域水環(huán)境狀況的研究[6,11-12]，但多集中在主干河道，對(duì)梁溪河支流的污染狀況的差異性及營(yíng)養(yǎng)鹽輸出的研究較少，而支流水體的氮磷污染也是流域水污染控制的重要內(nèi)容。

筆者選取梁溪河為研究對(duì)象，進(jìn)行了為期1 a的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)合水文和水環(huán)境特點(diǎn)，揭示了梁溪河氮磷等水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空分布特征，并對(duì)類似支流的污染控制提出了建議，以期為典型入湖河流水環(huán)境的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

無錫市地處江蘇省南部，年平均氣溫15.6 ℃，年降水量約1 500 mm，且集中在6—9月。梁溪河被譽(yù)為無錫的“母親河”，其在改善市區(qū)水環(huán)境和防洪排澇方面發(fā)揮著重要作用[13]。梁溪河沿線有諸多支流，其中大成浜、吳大成浜、錢家橋浜等為斷頭浜，水體流速較慢，污染物易堆積；線涇浜、小渲河、西新河、東新河、廟東浜等為閘控，常年處于關(guān)閉狀態(tài)。此外，老城區(qū)也存在生活污水管道滲漏、養(yǎng)殖業(yè)等農(nóng)業(yè)面源污染問題。受上述因素影響，梁溪河干流水質(zhì)一直較差。為緩解河道污染狀況，當(dāng)?shù)夭块T每天都會(huì)以0.12 m·s-1流速、20 m3·s-1的流量從梅梁灣向梁溪河主干河道調(diào)水引流，夏季的調(diào)水量會(huì)隨著藻類的爆發(fā)而有所增加。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

為掌握梁溪河水環(huán)境狀況，獲取氮、磷濃度的時(shí)空變化特征，共設(shè)置11個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)：在主干流設(shè)置梅梁湖泵站閘前(0號(hào))、梅梁湖泵站(1號(hào))、鴻橋(4號(hào))、蠡橋(9號(hào))和京杭大運(yùn)河交匯口(10號(hào))取樣點(diǎn)，在北部支流設(shè)置了大渲河下游(2號(hào))、張巷浜(3號(hào))、大成浜(6號(hào))和吳大成浜(7號(hào))取樣點(diǎn)，在南部支流設(shè)置了線涇浜(5號(hào))和錢家橋浜(8號(hào))取樣點(diǎn)。從2017年12月至2018年12月采集水樣進(jìn)行分析檢測(cè)。

2.2 分析測(cè)定方法

在預(yù)設(shè)點(diǎn)采集水面以下0.5 m處的水樣，測(cè)定溶解性總氮(DTN)和溶解性總磷(DTP)之前將原水通過0.45 μm孔徑的微孔濾膜過濾，主要指標(biāo)均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[14]。其中，TN和DTN濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP和DTP濃度采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH4+-N濃度采用納氏試劑比色法，NO3--N濃度采用紫外分光光度法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

表格和圖采用Origin 9.0軟件制作，相關(guān)性分析采用SPSS 22.0 軟件完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 梁溪河流域氮素時(shí)空分布特征

梁溪河干流和支流TN、DTN、NH4+-N、NO3--N平均濃度的年變化如圖2所示。梁溪河干流ρ(TN)為0.57～2.86 mg·L-1，均值為1.70 mg·L-1；支流ρ(TN)為2.42～5.63 mg·L-1，均值為3.89 mg·L-1。干流與支流ρ(TN)和ρ(DTN)年變化趨勢(shì)相近，ρ(TN)從2017年12月至2018年8月2次先增長(zhǎng)后下降，在春季和夏季出現(xiàn)2個(gè)峰值，9月后下降，冬季又小幅回升。這可能是因?yàn)榇杭舅w流量低、流速小，植物生長(zhǎng)緩慢，水中反硝化作用弱，大部分氮滯留于水中，引起氮濃度的升高[15]；而夏季又達(dá)到峰值，可能與梅梁灣6月調(diào)水引入的大量藍(lán)藻有關(guān)。至9月間又出現(xiàn)了大幅度下降，可能是此時(shí)梁溪河具有較大的降水量及水流速度，對(duì)水體具有強(qiáng)烈的稀釋作用所致[16-18]；此外，夏季動(dòng)植物新陳代謝速度快，對(duì)氮的利用速率高，兩者共同作用導(dǎo)致氮濃度下降。次年冬季進(jìn)入枯水期，氣溫的降低使藍(lán)藻腐敗死亡，釋放出的營(yíng)養(yǎng)鹽又使得氮濃度回升[19]。

干流ρ(DTN)的年變化范圍為0.49～2.50 mg·L-1，均值為1.31 mg·L-1；支流ρ(DTN)的年變化范圍為2.12～5.39 mg·L-1，均值為3.16 mg·L-1，所表現(xiàn)的季節(jié)規(guī)律均與TN相似，且占TN濃度的80%，說明梁溪河TN主要以溶解態(tài)的形式存在。干流ρ(NH4+-N)的年變化范圍為0.10～0.75 mg·L-1，均值為0.38 mg·L-1；支流ρ(NH4+-N)的年變化范圍為1.12～3.35 mg·L-1，均值為2.29 mg·L-1。干流ρ(NO3--N)的年變化范圍為0.02～0.53 mg·L-1，均值為0.15 mg·L-1；支流ρ(NO3--N)的年變化范圍為0.32～2.33 mg·L-1，均值為0.97 mg·L-1。支流NH4+-N和NO3--N濃度的變化幅度較小，但與TN有著相似的變化規(guī)律。

各采樣點(diǎn)TN、NH4+-N、NO3--N濃度空間變化如圖3所示。在6月藍(lán)藻爆發(fā)時(shí)節(jié)，梁溪河的干流沿線(0、1、4、9號(hào)點(diǎn))TN濃度隨河流流向呈不斷上升的趨勢(shì)，可能與藍(lán)藻更易在下游支流堆積以及與下游支流的TN輸入有關(guān)。在監(jiān)測(cè)期間，5、6、8號(hào)點(diǎn)所在支流污染嚴(yán)重，個(gè)別點(diǎn)位ρ(TN)最高值已接近10 mg·L-1。這是由于多數(shù)支流為斷頭浜，水體長(zhǎng)期處于不流動(dòng)或流動(dòng)較慢的狀態(tài)，水中的藍(lán)藻以及其他流經(jīng)的漂浮物在此處大量堆積，故TN濃度居高不下；加之兩岸多為硬質(zhì)河岸，對(duì)污染物的滯留效果差，使其易被降水、風(fēng)等帶入河道，進(jìn)而影響河道水質(zhì)；同時(shí)8號(hào)點(diǎn)周圍還受到水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染的影響; 5號(hào)點(diǎn)位非斷頭浜，但受到與其連通的黑臭河道廟東浜水質(zhì)的影響，污染狀況也比較嚴(yán)重。梁溪河干流9號(hào)點(diǎn)至10號(hào)點(diǎn)TN濃度下降，說明河道本身具有一定的自凈效果，此外，與運(yùn)河之間的流通也會(huì)在污染物濃度稀釋方面發(fā)揮一定作用。ρ(NH4+-N)與ρ(TN)表現(xiàn)出相似的空間變化規(guī)律，5和6號(hào)點(diǎn)ρ(NH4+-N)較高，且常年處于劣Ⅴ類水質(zhì)(Ⅴ類水質(zhì)濃度限值為2 mg·L-1)。ρ(NO3--N)空間上分布較均勻，集中在0.5～1.5 mg·L-1。郝禹[11]在利用氮氧同位素對(duì)梁溪河NO3--N的來源識(shí)別中發(fā)現(xiàn)，糞肥污水和土壤源是梁溪河地表水中硝酸鹽氮的主要污染源。

3.2 梁溪河流域磷時(shí)空分布特征

梁溪河干流水體ρ(TP)為0.05～0.39 mg·L-1，均值為0.18 mg·L-1；支流水體ρ(TP)為0.07～0.52 mg·L-1，均值為0.27 mg·L-1。從時(shí)間分布來看，TP濃度冬季低、夏季高(圖4)。從2017年12月至2018年4月ρ(TP)一直較低，之后與ρ(TN)表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律：6月隨著藍(lán)藻輸入ρ(TP)猛增達(dá)到最高值，8—9月由于水流量及動(dòng)植物利用的增加出現(xiàn)一定的回落[19]，11月又再次回升。

總體上，TP濃度的變化與藍(lán)藻的生長(zhǎng)衰亡時(shí)間相符合。6—8月隨著藍(lán)藻大量的繁殖與腐敗堆積，水體呈厭氧狀態(tài)，會(huì)促進(jìn)沉積物中磷的內(nèi)源釋放[20]；另一方面，固化于沉積物當(dāng)中的磷也會(huì)在受到風(fēng)浪等外力的攪動(dòng)下以溶解態(tài)形式釋放于水體中，水中的藻類等其他水生植物為了滿足生長(zhǎng)需要，會(huì)不斷吸收水中的磷酸鹽，加速底泥中磷的釋放[21]。此外，夏季溫度的升高提高了微生物的分解速率，磷濃度增加，同時(shí)藻類在合適的溫度下生長(zhǎng)加速，其生長(zhǎng)降解會(huì)顯著改變pH值、DO等水環(huán)境條件，從而誘導(dǎo)沉積物釋放更多的磷[22]，兩者共同作用導(dǎo)致水體中磷濃度上升。梁溪河水體中ρ(DTP)的年變化趨勢(shì)與ρ(TP)也基本一致，其中干流ρ(DTP)為0.01～0.30 mg·L-1，均值為0.11 mg·L-1；支流ρ(DTP)為0.04～0.43 mg·L-1，均值為0.19 mg·L-1，且ρ(DTP)占ρ(TP)的65%左右，表明顆粒物對(duì)TP的貢獻(xiàn)同樣不容小視。

由圖5可知，TP的空間變化趨勢(shì)與TN相近，在6月藍(lán)藻爆發(fā)后，TP濃度沿著河流干流的流向遞增，表明藍(lán)藻易聚積在斷頭浜并在高溫下腐敗分解，消耗水中溶解氧，產(chǎn)生大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及藻毒素，從而影響到下游水質(zhì)；不同環(huán)境條件下的支流水質(zhì)有著差異，在5、6號(hào)點(diǎn)等支流污染較嚴(yán)重，個(gè)別點(diǎn)位ρ(TP)已達(dá)0.65 mg·L-1，為劣Ⅴ類水(Ⅴ類水質(zhì)限值為0.4 mg·L-1)。

3.3 不同形態(tài)氮磷濃度相關(guān)性分析

監(jiān)測(cè)期間梁溪河流域水體各形態(tài)氮、磷濃度存在一定的相關(guān)性(表1)。ρ(TN)與ρ(TP)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，r=0.478)，這表明梁溪河水體在氮磷輸入的途徑和形式上一致，梅梁灣調(diào)入的藍(lán)藻給水體帶來的大量氮磷污染物，而流通性差的支流為藍(lán)藻及其他污染物的腐爛分解提供了場(chǎng)所。ρ(NH4+-N)與ρ(TN)也呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，r=0.878)，且ρ(NH4+-N)很高，說明NH4+-N為TN中無機(jī)態(tài)的主要存在形式。

表1 梁溪河流域不同形態(tài)氮磷濃度的Pearson相關(guān)性分析Table 1 Pearson correlation analysis of different forms of nitrogen and phosphorus in Liangxi River

3.4 梁溪河流域支流營(yíng)養(yǎng)鹽輸出通量分析

梁溪河的支流營(yíng)養(yǎng)鹽輸入會(huì)影響干流的總體負(fù)荷，為進(jìn)一步驗(yàn)證“氮磷在空間上沿干流流向呈升高趨勢(shì),與支流營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入有關(guān)”的結(jié)論，需結(jié)合支流的水質(zhì)和水流量來定量計(jì)算其污染貢獻(xiàn)。計(jì)算公式為營(yíng)養(yǎng)鹽通量= 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度×流量×換算系數(shù)[23]。

根據(jù)濱湖區(qū)水利局提供的水文資料，監(jiān)測(cè)期間梁溪河2、3、5、6、7、8號(hào)點(diǎn)位支流夏季的平均流量分別為12.4、5.0、6.0、4.5、2.6、4.1 m3·s-1，計(jì)算得到各支流6月TN的營(yíng)養(yǎng)鹽輸出通量分別為22.5、9.2、46.1、42.9、9.2和14.5 g·s-1,TP分別為3.2、1.2、3.7、2.6、1.0和1.3 g·s-1。5號(hào)點(diǎn)位由于支流氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高，營(yíng)養(yǎng)鹽輸出也最大，約占6條支流總輸出的30%; 7號(hào)點(diǎn)位由于支流流量最小，營(yíng)養(yǎng)鹽輸出也最小，占總輸出的10%不到；而2號(hào)點(diǎn)位由于支流流量最大，也具有一定的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入，但是干流1號(hào)至4號(hào)點(diǎn)位之間河道較寬、流速較快，營(yíng)養(yǎng)鹽不易堆積，同時(shí)夏季降雨也具有一定稀釋作用，因此對(duì)下游水質(zhì)影響并不大。6月梁溪河6條支流TN輸出總和為144.7 g·s-1；TP為13.3 g·s-1，可見支流輸入是干流氮、磷的重要來源，尤其5、6號(hào)點(diǎn)位所在支流對(duì)下游水質(zhì)具有重要的影響。

3.5 梁溪河流域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制策略與建議

梁溪河具有污染源復(fù)雜、支流眾多等特點(diǎn)，支流與干流水質(zhì)差異較大，因而應(yīng)對(duì)干、支流分別進(jìn)行更有針對(duì)性的治理。干流的調(diào)控重點(diǎn)應(yīng)以污染物入河總量控制為核心，減少入河污染負(fù)荷，提高水環(huán)境容量。余茂蕾等[6]在對(duì)梁溪河流域水體的研究表明，通過梅梁湖泵調(diào)水引流對(duì)河流水質(zhì)有一定改善作用，但也引入了大量的藍(lán)藻顆粒物，河道受營(yíng)養(yǎng)鹽的沖擊隨調(diào)水量的增加而增大，故應(yīng)合理控制調(diào)水量，在不同時(shí)期加大不同風(fēng)向上的調(diào)水力度，從源頭上控制藍(lán)藻顆粒。支流水質(zhì)的提升重點(diǎn)應(yīng)放在點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染的綜合控制與提高水體流動(dòng)性上。陳詩(shī)文等[24]對(duì)太湖流域西苕溪支流的研究表明，污染源和土地利用類型的多樣性是影響西苕溪支流營(yíng)養(yǎng)鹽的重要因素。應(yīng)加強(qiáng)排污口管控，合理封閉入河排污口，全面控制工業(yè)污水、生活污水、畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)污水。此外，針對(duì)支流水體流動(dòng)較差、水體交換力較弱的特點(diǎn)，應(yīng)增設(shè)合適的補(bǔ)水源，并通過河道曝氣充氧、掛設(shè)生物繩填料、水生植物栽種等治理技術(shù)增強(qiáng)水體循環(huán)，提高河道生態(tài)環(huán)境自我修復(fù)能力?？傊?，在今后的河流修復(fù)與整治中，應(yīng)采取干流和支流共同調(diào)控、水污染控制和水生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的綜合修復(fù)策略。

4 結(jié)論

(1)梁溪河流域氮磷污染不容樂觀，支流污染較干流污染嚴(yán)重，大多支流為劣V類水。其中，干流ρ(TN)為0.57～2.86 mg·L-1，支流為2.42～5.63 mg·L-1，且主要以NH4+-N的形式存在；干流ρ(TP)為0.05～0.39 mg·L-1，支流為0.07～0.52 mg·L-1，以DTP為主要存在形式。

(2)TN、TP的季節(jié)性變化規(guī)律有一定的差異，TN濃度在春季和夏季出現(xiàn)雙峰值；TP濃度則表現(xiàn)出冬季低、夏季高的趨勢(shì)?？臻g上，氮磷濃度的空間分布格局較為相似，在夏季都是沿干流流向呈不斷上升的趨勢(shì)，反映出藍(lán)藻易在斷頭浜聚積從而影響到下游水質(zhì)；不同環(huán)境條件下支流水質(zhì)有明顯差異，個(gè)別支流的氮磷污染狀況尤為嚴(yán)重。

(3)在今后的河流修復(fù)與整治中，應(yīng)采取干流和支流共同調(diào)控、水污染控制和水生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的綜合修復(fù)策略。