江蘇省太湖流域總磷時空變化

陳 禹,黃體斌,陸嘉昂,夏 霆,徐 寧

(1.南京工業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院,江蘇 南京 211800;2.江蘇省環(huán)境科學研究院 江蘇省環(huán)境工程重點實驗室,江蘇 南京 210036;3.南京工業(yè)大學 城市建設(shè)學院,江蘇 南京 211800)

21世紀以來,太湖流域的城鎮(zhèn)化不斷擴大,城市用水量不斷增加。與此同時,周邊居民不斷增加以及流域內(nèi)的工廠不斷擴大,水資源的利用與開發(fā)卻無所遏制,加上居民生活污染、工廠生產(chǎn)污染等,造成流域內(nèi)水資源污染嚴重且復(fù)雜。同時,在各種點源與面源污染的相互作用下,流域生態(tài)環(huán)境遭到了破壞,流域內(nèi)水質(zhì)發(fā)生惡化、生態(tài)平衡被破壞[1-2]。流域人口聚集,水系繁雜、河網(wǎng)縱橫交錯,發(fā)生污染的范圍很大,污染過程也非常復(fù)雜,導致整個流域環(huán)境惡化[3]。尤其是發(fā)生在21世紀初的太湖藍藻事件,給人們敲響了警鐘,因此保護流域的生態(tài)水質(zhì)刻不容緩。

1 流域概況

太湖流域是以黃浦江為主要排水河道的一個支流水系,太湖是流域的中心。太湖流域地處長江三角洲的南緣,大多以平原為主(2/3),剩下的1/3分別為山區(qū)丘陵和河湖水面(各占一半),流域總面積達36 900 km2[4],其中,位于江蘇省行政范圍的面積占53%。東北地勢低,西南地勢高,中間地勢略低,四周地勢略高,總體呈碟子狀[5]。

太湖流域湖泊星羅棋布,大小湖泊共有189個,江河湖海交錯相連,自古以來自然條件就非常好,其中心的太湖面積達2 445 km2,是我國第三大淡水湖。流域內(nèi)包含總長12萬km的河道,其分布密度約3.24 km/km2,因此,太湖流域也是中國河道密度最大的流域;流域內(nèi)錯綜復(fù)雜的河流水系,縱橫交叉,既存在平原性河道,也存在山溪性河道[6]。太湖流域水域?qū)拸V,因此漁業(yè)、水利等事業(yè)相當發(fā)達,又由于地理位置的優(yōu)勢,且陽光、水資源豐富,其農(nóng)業(yè)資源開發(fā)、河道運輸和社會經(jīng)濟發(fā)展也十分繁榮[7]。

江蘇省太湖流域的氣候是屬于北亞熱帶季風氣候,氣候特點為四季分明,雨水較為豐沛,熱量充裕;年平均氣溫約15.1～16.3 ℃,極端天氣中,最高氣溫達41.2 ℃,最低氣溫達-17.0 ℃,冬季平均氣溫最低,夏季平均氣溫最高;降水量上,流域年平均降雨量能夠達到1 178 mm,流域降水按照空間分布呈由西南向東北逐步遞減,受季風強弱變化的影響,每年降水變化幅度較大,在夏季(6月—8月)降水量最多,冬季(12月—次年2月)降水量最少[8-9]。

2 研究意義

現(xiàn)如今,隨著國家不斷重視,全國重點河湖的水質(zhì)以及其生態(tài)環(huán)境已經(jīng)有了較為可觀的改善,但太湖流域的水質(zhì)狀況依舊不容樂觀[10]。雖然當?shù)卣约熬用褚呀?jīng)重視保護太湖,并且政府也投入了大量資金來減緩污染程度、提高水質(zhì),但是一些復(fù)雜且嚴重的污染問題依然存在,沒有得到根本性的解決。據(jù)2018年出版的《中國環(huán)境狀況公報》顯示,太湖流域整體水質(zhì)呈Ⅳ類,且總磷(TP)的污染程度已經(jīng)嚴重超過地表水環(huán)境質(zhì)量標準[11]。因此,要大力、全面、準確地開展太湖流域的水質(zhì)調(diào)查,分析和評價總磷污染物[12]。

3 材料與方法

3.1 采樣點選取原則

采樣點的選取遵循以下原則:①采樣點要離湖、河邊有一定距離;②采樣點不能離湖、河邊太遠,防止其他河流交匯影響;③在重點保護的湖、河選取;④一些河流匯合處,污染排放口附近等設(shè)置采樣點;⑤對于面積較大的湖泊，采樣點設(shè)置在湖心區(qū)域。

3.2 采樣點分布

流域總磷時空變化調(diào)查范圍覆蓋太湖流域江蘇省區(qū)域,共布設(shè)點位201個[13]。鎮(zhèn)江范圍內(nèi),河流污染總體特征:周邊工廠分布廣泛,化學污染排放較多;種植業(yè)較發(fā)達,春耕時期氮、磷污染物排放較多。常州、無錫范圍內(nèi),河流污染總體特征:工業(yè)污染較多;養(yǎng)殖業(yè)興旺,導致河流微生物種類較多,營養(yǎng)超標[14]。宜興范圍內(nèi),河流污染總體特征:化工企業(yè)分布廣,化學污染物的排放濃度高;種植業(yè)發(fā)達,但大多數(shù)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),且許多耕地靠近河流,污染排放大[15]。蘇州范圍內(nèi),河流污染總體特征:蘇州化學工業(yè)發(fā)達,化工污染生物是排放量最大的污染物;水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達,污染不能及時治理,影響河流水質(zhì)[16]。

3.3 環(huán)境功能分區(qū)

根據(jù)《江蘇省太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃》,江蘇省太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)總共劃分為49個,其中陸域43個,水域6個,分為4級,其中生態(tài)Ⅰ級區(qū)5個,指水生生態(tài)系統(tǒng)保持自然狀態(tài),具有健康生態(tài)功能以及良好生態(tài)功能,需要廣泛保護的區(qū)域;生態(tài)Ⅱ級區(qū)10個,指水生生態(tài)系統(tǒng)保持較好的生態(tài)狀態(tài),生態(tài)功能比較健康,需要重點保護的區(qū)域;生態(tài)Ⅲ級區(qū)20個,指水生生態(tài)系統(tǒng)維持一般生態(tài)狀態(tài),部分地區(qū)生態(tài)功能受到威脅,需要修復(fù)的地區(qū);生態(tài)Ⅳ級區(qū)14個,指水生生態(tài)系統(tǒng)維持不良生態(tài)狀態(tài),能發(fā)揮有限生態(tài)功能,需要綜合修復(fù)的區(qū)域。

江蘇省太湖流域地處長江中下游,上游來水沿江而流,因此流域所受到的污染壓力非常大。水生態(tài)功能區(qū)劃是水環(huán)境管理從水質(zhì)目標管理到水生態(tài)健康管理拓展的基本管理單元,可以確定江蘇省太湖流域的水生態(tài)保護狀況,作為水質(zhì)管理目標的依據(jù)。

3.4 采樣時間

枯水期(12月—次年2月)，也稱為枯水季，指的是流域內(nèi)地表水枯竭，主要依靠地下水補給水源的時期；豐水期(5月—9月)，指江河水流主要依靠降雨等補給，一般為雨季或者春季氣溫持續(xù)升高時期；其余時間為平水期，也叫中水期，指流域內(nèi)河流湖泊處于正常水位的時期。為了能夠更客觀地分析江蘇省太湖流域水體中總磷的污染程度，在3個分水期分別采樣一次。

3.5 研究方法

水質(zhì)中TP質(zhì)量濃度(以P計)的測量方法按照GB 11893—1989鉬酸銨分光光度法進行測量[17];評價方法采用單因子污染指數(shù)法,該評價方法表示單項污染物對水質(zhì)污染影響的程度, 計算方法見式(1)。

(1)

式中:Pi為單項污染指標的污染指數(shù);ρi為單項污染指標的實測質(zhì)量濃度;Si為2002年國家公布的地表水環(huán)境質(zhì)量標準的總磷Ⅲ類水標準質(zhì)量濃度(0.20 mg/L)。

將TP質(zhì)量濃度測得值與GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(見表1)進行比較,然后確定地表水污染類別。采樣點在湖、庫的,按照湖、庫的環(huán)境質(zhì)量標準。

表1 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中TP質(zhì)量濃度標準

4 結(jié)果與討論

4.1 時間變化

磷元素是重要的營養(yǎng)物質(zhì),但磷濃度過高會導致水體富營養(yǎng)化,因此，TP濃度是控制水體富營養(yǎng)化的首要因素。

太湖流域江蘇省范圍的201個采樣點在平水期、枯水期和豐水期監(jiān)測的TP質(zhì)量濃度見圖1。由圖1可得:在平水期,TP質(zhì)量濃度為0.02～0.39 mg/L,平均值為0.21 mg/L,平均值顯示達Ⅳ類水質(zhì)標準,其中33%的采樣點為Ⅳ類水質(zhì),40%的采樣點水質(zhì)達Ⅲ類水質(zhì),沒有Ⅰ類水質(zhì);在枯水期,TP質(zhì)量濃度為0.01～0.38 mg/L,平均值為0.12 mg/L,平均值顯示達Ⅲ類水質(zhì)標準,其中43%的采樣點為Ⅲ類水質(zhì),劣于Ⅲ類水質(zhì)的采樣點占8%;在豐水期,TP質(zhì)量濃度為0.01～0.36 mg/L,平均值為0.10 mg/L,平均值顯示達Ⅱ類水質(zhì)標準,其中45%的采樣點為Ⅱ類水質(zhì),劣于Ⅲ類水質(zhì)的采樣點占10%。TP質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在平水期(0.39 mg/L);而TP質(zhì)量濃度最低值(0.01 mg/L)在豐水期和枯水期均出現(xiàn)過?？傮w來看,流域內(nèi)TP質(zhì)量濃度波動性比較大,各區(qū)位平水期TP質(zhì)量濃度大,豐水期TP質(zhì)量濃度較小。這是由于平水期為春季,正是流域農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖的最重要時期,農(nóng)業(yè)種植中農(nóng)藥與化肥的施用以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)餌料的投放,使得流域內(nèi)TP的污染濃度顯著增加;而流域5月—10月處于汛期,長時間雨量積累使得流域內(nèi)水位上漲,水量增加使得TP被稀釋,TP質(zhì)量濃度下降。流域3個時期按TP污染由大到小排序為平水期、枯水期、豐水期。

注:1英里=1 609.344 m。圖1 太湖流域3個時期總磷分布Fig.1 Distribution of total phosphorus in three periods in Taihu Basin

4.2 空間變化

4.2.1 根據(jù)采樣點評價

3個時期TP質(zhì)量濃度空間分布如圖1所示。由圖1可知:流域內(nèi)湖泊和河流受到的TP污染程度比較高。作為流域中心，太湖在豐水期和枯水期的TP質(zhì)量濃度相較于其他湖泊和河流都低,說明其水質(zhì)更優(yōu),有個別采樣點呈Ⅰ類水質(zhì),也側(cè)面說明近些年來對太湖TP的治理是有效的,但太湖湖岸邊的TP質(zhì)量濃度仍比較高,還需要進一步控制TP污染物的排放量。流域內(nèi)長蕩湖、滆湖、陽澄湖以及澄湖等,TP的污染程度過高,亟須治理。流域內(nèi)整體TP濃度過高,主要是由于人類活動和底泥的釋放對TP的濃度有著很大影響。

4.2.2 根據(jù)功能分區(qū)評價

按照功能分區(qū),TP質(zhì)量濃度3個時期空間分布如圖2所示,流域內(nèi)3個時期都有Ⅴ類水質(zhì)。

圖2 太湖流域功能分區(qū)3個時期總磷的空間分布Fig.2 Spatial distribution of total phosphorus in three periods in the functional subregion of Taihu Basin

由圖2可知：各功能區(qū)3個時期TP質(zhì)量濃度存在差異,尤其是平水期,只有Ⅰ-02的水質(zhì)為Ⅰ類水質(zhì),該功能區(qū)為大溪水庫和沙湖水庫,水庫水質(zhì)比較好,保護較為完善,而其余地區(qū)均受到不同程度的TP污染。在枯水期和豐水期,整體太湖流域的TP污染程度較小,個別功能區(qū)TP污染超標較為嚴重。豐水期的Ⅰ類水質(zhì)較多,主要分布于流域西端以及太湖的東岸,但與枯水期相比，豐水期的Ⅳ類水質(zhì)功能區(qū)增加了許多。Ⅲ-03地區(qū)常年受到TP的嚴重污染,該地區(qū)是京杭大運河流經(jīng)流域的入河口。由于上游污染水流入流域內(nèi),外水匯入量處于逐漸遞增階段,致使TP濃度上升,整個水期都處于TP的高污染狀態(tài),需要密切關(guān)注該地區(qū)TP的排放[18]。由圖2還可以發(fā)現(xiàn):流域TP濃度總體上呈由西北至東南先增大后減小的趨勢,流域中部TP濃度一直比較高。這是由于一方面流域處于長江中下游地區(qū),上游含磷污染水流入該流域中;另一方面,流域中部經(jīng)濟較發(fā)達,周邊人口較密集,且流域耕地較廣,平水期大量的農(nóng)業(yè)污染排放致使TP污染非常嚴重。冬季和春季,水體在相對穩(wěn)定的環(huán)境下沉降作用增強,營養(yǎng)物被水中生物消耗,故而南部水域開始好轉(zhuǎn),進而進入下一個水期循環(huán)周期[19]?？偟膩砜?TP濃度是隨著時間推移(從豐小期到枯水期，再到平水期)在逐級增加,Ⅲ-05與Ⅳ-13的水質(zhì)在平水期TP濃度較大,通過查詢資料可知,這兩個區(qū)域農(nóng)田密布,養(yǎng)殖業(yè)興旺,春季施肥量過高,投放飼料過多,排放進河流的水含磷物質(zhì)較多,導致該區(qū)域在平水期TP濃度陡然上升,需要重點關(guān)注,控制區(qū)域的污染排放。

5 治理對策與建議

江蘇省太湖流域的水質(zhì)持續(xù)向好,水體的水質(zhì)由2007年Ⅴ類改善為2017年Ⅳ類,綜合營養(yǎng)鹽狀態(tài)指數(shù)由中度改善為輕度,但是對TP的污染程度依舊不能掉以輕心,尤其是在平水期,TP的濃度仍較高。

2007年太湖藍藻事件中,TP污染程度高是藍藻暴發(fā)的主要因素之一。要降低太湖的TP濃度,重點應(yīng)放在治理流域上,特別是在一些重點河流上。通過對太湖流域TP濃度的時空分析,可以發(fā)現(xiàn)太湖的磷元素主要來源:太湖周邊的工業(yè)發(fā)展增加了污染物總量;由于城鎮(zhèn)化的建設(shè),使得生活污染集中排入太湖,導致水質(zhì)被進一步污染惡化;現(xiàn)如今的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依然需要大量肥料,肥料含有大量的磷營養(yǎng)物質(zhì)，因此增加了含磷污染物的排放。由空間分析可知,太湖西北岸的TP濃度依然較高。一方面是百瀆港、沙塘港和殷村港等區(qū)域主要以紡織印染、化工企業(yè)以及農(nóng)業(yè)為主,并且居民較多,人為干擾也非常大,所產(chǎn)生的污染直接或間接排入了水中,使得污染物濃度較高;另一方面是由于該區(qū)域地理位置較為特殊,受風力影響最大,水生植被較少,常年的盛行風使湖泊底泥沉積物的再懸浮和水體透明度降低,并帶來了污染。因此,要繼續(xù)嚴格控制排放入太湖的TP污染物,周邊大型工廠企業(yè)盡快搬離,大力建設(shè)生活污水處理工程,推進新型農(nóng)藥、肥料的使用,并且控制其使用量[20]。

流域內(nèi)丹金溧漕河、望虞河、梁溪河、伯瀆港以及吳淞江這5處TP污染最為嚴重,需要重點控制這幾個區(qū)域TP污染物的排放。其中丹金溧漕河、望虞河和伯瀆港的TP污染來源主要是農(nóng)村面源的污染,這也是太湖富營養(yǎng)化的主要原因,因此要著重對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的污染進行全方位的監(jiān)控,嚴格執(zhí)行流域內(nèi)養(yǎng)殖水排放標準;大力興建農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施,嚴防生活污水以及農(nóng)業(yè)污水排放進大小湖泊中;優(yōu)化管理畜禽以及水產(chǎn)養(yǎng)殖,加大對畜禽廢棄物再回收利用[21]。梁溪河和吳淞江的主要污染源是工業(yè)污染。因此在開發(fā)水資源的同時,要兼顧生產(chǎn)、生活的供需平衡,要促進節(jié)水先行,優(yōu)先考慮發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè),大力發(fā)展和利用污水、廢水回用等相關(guān)技術(shù),提高中水回用水平,減少廢水排放。一些企業(yè)需要開發(fā)水循環(huán)利用技術(shù),以減少水資源的浪費。

當然,還需要大力宣傳環(huán)保理念,提高人口素質(zhì),培養(yǎng)生活在太湖流域居民的環(huán)境觀、資源觀以及消費觀,意識到環(huán)境與人類是共存的。

6 結(jié)語

江蘇省太湖流域TP的污染程度在豐水期、平水期和枯水期3個時期都比較高,按TP污染程度由大到小排序為豐水期、枯水期、平水期，因此要重點關(guān)注平水期總磷的排放。在空間上,流域TP濃度總體趨勢呈由西北至東南先增加后減小,流域中部TP濃度一直較高。流域中心太湖相較于過去已經(jīng)有了明顯的改善,但西北岸的TP污染程度依舊需要進行治理。要控制江蘇省太湖流域TP的污染量,就必須加強對農(nóng)村面源污染的控制,完善農(nóng)村污染防治措施;增加投入,提高農(nóng)村廢水的處理率。