陽宗海砷污染水質變化過程分析

畢建培,劉 晨,黎紹佐

陽宗海砷污染水質變化過程分析

畢建培,劉 晨,黎紹佐

(珠江流域水資源保護局,廣東廣州 510611)

為掌握2008年陽宗海砷(As)污染事件后控制與修復過程中水質特征及變化,對湖水As含量、pH值、電導率、總硬度等水質參數,以及底質As含量和生物殘毒進行全程監測和分析評價。結果表明：陽宗海As污染事件后水質恢復歷時28個月;陽宗海湖水As質量濃度經歷了先上下波動、后持續下降再到穩定在0.05mg/L以下的變化過程;底泥中As的質量濃度經歷了先迅速升高后大幅下降,再小幅上漲后又回落至21.5～27.0mg/L的變化過程;pH值、電導率及總硬度等參數受到一定影響,湖水中貝類等水生生物對As的富集能力較強。最后從管理角度提出了保護陽宗海水資源的措施。

陽宗海;As污染;水質監測與評價;水質變化;生物殘毒

陽宗海是云南省9大高原湖泊之一,被譽為“滇中高原的璀璨明珠”。長期以來,陽宗海在湖區的防洪、灌溉、工業、農業、漁業和人民生活中發揮了重大作用,成為湖區社會經濟發展的重要水源地,根據《全國重要江河湖泊水功能區劃(2011—2030年)》,陽宗海湖區被劃為陽宗海飲用、景觀用水區,水質目標為II類。2008年6月,陽宗海發生嚴重砷污染事故,引起社會關注,王振華等[1]先后4次通過采樣對陽宗海As污染水平、變化趨勢及風險進行了評估,齊劍英等[2]對2008年10—12月陽宗海水體中As的形態分布特征及來源進行了研究,張玉璽等[3]對2010年4月陽宗海的湖水及沉積物進行了分析。結果表明,溶解態As的質量濃度在68.14～96.72 μg/L之間,表層0～2 cm沉積物As的人為貢獻率最大。但是以往的研究一般監測時間較短,監測頻次較少,不足以全面掌握As污染期間陽宗海湖區水體特征的全過程變化情況,鑒于此,筆者對2008—2010年陽宗海As污染期間水體As含量、pH值、電導率、硬度等水質參數變化進行了研究,并對底質As分布特征、生物殘毒影響進行了分析,旨在總結陽宗海砷污染控制與修復過程的水體特征及變化,為高原湖泊水污染防治和水資源保護提供參考。

1 流域概況

1.1 自然地理

陽宗海屬珠江流域南盤江水系,為南北向的巖溶構造深水湖泊。位于澄江、呈貢、宜良3縣之間,距昆明市約50 km,地理位置為東經102°59憶～103° 02憶,北緯24°51憶～24°58憶。整個湖面呈紡錘形,湖面控制水位1 770.7 m,平均水深約20 m,最大水深29.7 m,湖泊南北平均長12.7 km,東西平均寬2.5 km,湖面面積31.5 km2,湖岸長32.3 km,總蓄水量6.04億m3。

陽宗海流域主要出、入湖河流有陽宗大河(陽宗海最大入湖河流,也是澄江縣陽宗鎮的主要防洪、排澇河道,集水面積27.3 km2)、七星河(集水面積17.0 km2)、魯溪沖河(集水面積8.18 km2)、百夷河(集水面積95.8 km2)、湯池渠(陽宗海唯一的出口河道,明代洪武年間人工開鑿,后經多次開挖,渠長約3.3 km)、湯池河(百夷河和湯池渠匯合后稱為湯池河,徑流面積377.2 km2,全河長41.4 km)。

陽宗海流域汛期為5—10月,汛期降水量占全年降水量的85%左右,而6—8月降水量占整個汛期的66%。徑流主要來自大氣降水,總的表現為夏季豐水、冬季枯水、春秋季過渡的形式。

1.2 社會經濟

陽宗海流域原分屬昆明市的宜良、呈貢兩縣和玉溪市的澄江縣,2009年12月,為徹底改變多頭管理狀況,云南省政府批準成立昆明陽宗海管委會,對七甸鄉、湯池鎮、陽宗鎮實行統一管理,履行省、市人民政府授予的經濟社會審批管理權限。近年來流域經濟以工業、農業和旅游業為主。工業以冶金、火力發電為主,占國民生產總值的35%左右,農業以糧食和烤煙等經濟作物種植為主,占國民生產總值的30%左右。按照云南省旅游度假區規劃,陽宗海區域未來將建設成為以旅游業為主導的國際生態旅游度假區。

2 樣品采集與分析

考慮布點均勻性與代表性,共布設6個采樣點,湖區采樣點分別標記為1號、2號、3號、4號,分別采集表層水樣(水面下0.5m)和深層水樣(水面下20～25m),另在湯池出海口、抽水站也布設采樣點。與湖區水質采樣垂線對應,設1號、2號、3號、4號共4個采樣點,分別取上層和下層泥(相距約50cm)。實驗采用原子熒光法測定水體、底質和生物體的As含量,pH值采用玻璃電極法測定,電導率采用電導儀測定,硬度采用EDTA滴定法測定。各采樣監測點名稱及位置見圖1。

圖1 陽宗海采樣監測點示意圖

3 結果分析

3.1 水質特征變化趨勢分析

3.1.1 As

由圖2可以看出,2008年10月—2010年3月,陽宗海各測點的湖水As質量濃度仍超過GB3838—2002《地表水環境質量標準》IV類標準限值(0.1 mg/L),其中1號、2號、3號、4號、湯池出海口的湖水As質量濃度變化曲線基本一致,這在自然水體并不多見,可能是由于陽宗海僅有湯池一個出口,湖泊呈南北狹長狀,受季風影響,形成典型的風生湖環流,把湖區混合的較為均勻。抽水站湖水由于距岸邊磷肥廠污染源較近,As質量濃度總體上高于其他測點,且起伏較大,最高值達0.762 mg/L,2009年9月之后As污染物在湖體中逐漸擴散均勻,各測點變化趨勢趨于一致;2010年2月—2010年8月,陽宗海各測點的湖水As質量濃度呈明顯下降趨勢,至2010年8月,陽宗海各測點的湖水As質量濃度均低于0.05mg/L,達到GB3838—2002《地表水環境質量標準》的I類標準(低于0.05 mg/L);2010年9月—2011年4月,以湯池出海口表征湖水As質量濃度,湖水As質量濃度略有回升后繼續降低,但基本維持在0.05 mg/L以下。

圖2 陽宗海各測點湖水As質量濃度變化曲線

為了掌握湖水中As總量的變化趨勢,計算湖水中As總量為

WAs=10-6Wˉρ(As)

式中：WAs為湖水中As的總量,t;W為湖泊蓄水量, m3;ˉρ(As)為位于湖面中軸線的1號、3號、4號共3個測點As質量濃度的平均值,g/m3。

如圖3所示,2008年11月—2009年6月,2009年9月—2010年6月,陽宗海處于枯水期,蓄水量逐月減少;2009年6月—2009年9月,陽宗海處于豐水期,蓄水量逐月增加;2009年最高蓄水量較2008年最高蓄水量減少8.1%。結合圖2可以看出,湖水As總量變化趨勢受湖水As濃度變化影響較大,受蓄水量變化影響不明顯。As總量變化可分為3個階段：①2008年10月—2009年4月,湖水As總量呈不穩定下降趨勢,此時底泥、混凝藥劑對湖水中的As有一定的吸附沉降效果,湖水中的As部分轉移至底泥中,這點也可通過底泥As含量的監測結果得到證實;②2009年5月—2010年2月,湖水As總量在70 t左右上下波動,吸附沉降去除效果不明顯,此時雖然外源污染已得到有效控制,但由于內源污染如周邊含As地下水的補給及底泥中As的釋放,湖水的As總量也會出現回升現象;③2010年2月—2010年8月,湖水As總量呈現明顯下降趨勢, 2010年8月湖水As總量較2008年10月下降80%,此時蓄水量較2008年10月下降14%,而湖水砷濃度較2008年10月下降82%。

圖3 應急監測時段陽宗海蓄水量及湖水As總量變化曲線

為研究陽宗海湖水表層和深層As質量濃度差異,對1號、3號、4號測點表層、深層水樣As質量濃度進行對比分析,結果見圖4。由圖4可見,各測點表層和深層的As質量濃度變化趨勢基本一致,2008年10月,各測點的深層As濃度均高于表層,表明含砷廢水可能通過地下水以地下泉流、滲流方式污染陽宗海;2008年11月,各測點表層As濃度均高于深層,分析認為,As污染源被控制后,底泥、混凝藥劑對湖水As的吸附沉降作用逐漸占主導,導致深層As濃度低于表層;之后各測點湖水As濃度分層現象無明顯規律性,且濃度基本一致,說明陽宗海雖為深水湖泊,但As污染的空間分布相對均勻。

3.1.2 pH值

pH值對As的去除影響很大,在中性條件下,可溶As的數量達到最大,隨著pH值的升高或降低其數量都將減少。

As污染事件發生前,陽宗海湖水pH值為8.5左右。根據圖5,As污染事件發生后,陽宗海各測點的湖水pH值為8.0～9.2,呈弱堿性環境,有利于As的吸附沉降。2008年10月—2009年9月,各測點pH值均波動較大,但總體呈升高趨勢,并出現超標現象(pH＞9.0),可能是投加混凝藥劑導致pH值持續升高;2009年10月—2010年9月,各測點pH值基本穩定在8.5～9.0,此時As的吸附沉降處于動態平衡狀態,結合圖2,可以看出,As濃度明顯下降的階段也在此范圍內;2010年10月之后,As的吸附沉降過程已基本結束,湯池出海口的pH值進一步回落,基本穩定在8.0～8.5。

3.1.3 電導率與總硬度

陽宗海因出湖河道只有湯池河,每年出湖水量僅0.3億m3,沿湖用水量0.4億m3,湖水換水周期為9～10 a[4],屬于相對封閉的湖泊。一般來說,對于封閉型湖泊,湖水電導率和硬度的變化與湖泊蓄水量的變化存在明顯的負相關關系[5]。

圖4 陽宗海湖1號、3號、4號測點水表層和深層As質量濃度對比分析

圖5 陽宗海各測點湖水pH值變化曲線

根據圖6、圖7,結合圖3的陽宗海蓄水量曲線,各測點湖水電導率、總硬度變化可以明顯劃分為兩個階段：①2008年10月—2009年6月,由于As污染治理投加的混凝藥劑對湖水的離子平衡產生干擾,電導率和硬度變化與蓄水量負相關關系不明顯,對比蓄水量接近(相差僅0.2%)的2009年4月和9月電導率和硬度,可以發現,4月湖水電導率、硬度分別較9月高出4.5%,8.1%。②湖水中As的吸附沉降過程會間接導致電導率和硬度的下降,這點可以從2010年1月—2010年5月兩者的變化曲線看出,與湖水As濃度持續下降趨勢相應,電導率和硬度因蓄水量減少的增幅也隨之減小。2009年6月后,電導率和硬度變化與蓄水量呈現明顯的負相關,與蓄水量變化曲線對應,電導率和硬度曲線均在2009年8月、2010年6月出現拐點,電導率、總硬度的最大值、最小值分別對應湖泊蓄水量的最小值、最大值。

圖6 陽宗海各測點湖水電導率變化曲線

圖7 陽宗海各測點湖水總硬度變化曲線

3.2 底質

湖水與底泥As交換是水體As遷移的重要過程。為了解陽宗海底質As的污染情況,對1號、2號、3號、4號測點的底質上、下層As質量比進行了監測,取上、下層As質量比的均值作為各測點代表值,結果見圖8(底泥重量以干污泥計)。由圖8可見,各測點As質量比變化趨勢基本一致,各測點上層As質量比多高于下層。2008年11月—2009年9月,各測點As質量比呈明顯上升趨勢,其中1號測點As質量比上升最快,最高值為54.9 mg/kg(GB4284—84《農用污泥中污染物控制標準》中關于湖庫沉淀底泥的要求是As質量比不高于75 mg/kg),結合該時段湖水As總量呈不穩定下降趨勢的特點,底泥As質量比的增高,一是由于混凝藥劑的吸附沉降作用,再者底泥本身的吸附作用也是一個重要的因素。一方面,當地植物一年四季生長均較旺盛,底泥中不乏有機質,對湖水中As的吸附起到重要作用[6-7];另一方面,湖水呈偏堿性,pH值為8.0～9.2,而且底泥中Mn的質量比也較高,達到500～1 200 g/g[1],底泥中錳氧化物、無定形鐵氧化物以及黏土礦物的存在,為As的吸附沉降去除創造了有利條件[8]。2010年1月各測點As質量比為24.0～32.5mg/kg,較2009年9月大幅下降,期間湖水As總量也經歷了變化較大的波動過程。雖然2010年1—8月湖水As總量大幅下降,但底泥各測點As質量比僅呈現小幅上漲,最高值出現在2號測點,As質量比為34.6 mg/ kg,之后經歷多次吸附-解吸的平衡過程后,2010年8月底泥As質量比最終穩定在21.5～27.0mg/kg。

圖8 各測點底質As質量比變化對比

3.3 生物殘毒

As污染事件發生后,相關部門已對陽宗海實施禁漁,為分析As污染后對湖水中生物殘毒的影響, 2010年4月通過湖邊人工垂釣、拾取的方式采集魚類、貝類樣品,分析結果如圖9所示。陽宗海As污染后,部分魚類As質量比超出GB2762—2005《食品污染物限量》關于魚類的規定限值(0.1 mg/kg),貝類(以干重計)對As的富集能力明顯高于魚類,蜆、無齒蚌的As質量比超出GB2762—2005《食品污染物限量》關于貝類的規定限值(1.0mg/kg),應予重視。

圖9 不同水生生物中As質量比對比

4 結論與建議

4.1 結論

陽宗海As污染事件水質恢復歷時28個月;陽宗海湖水As質量濃度經歷了先上下波動后持續下降再到平穩的變化過程,底泥As質量比經歷了先迅速升高后大幅下降,再小幅上漲后又回落的變化過程,湖水As質量濃度空間分布較均勻,底泥As質量比上層多高于下層;2010年2月湖水As總量開始大幅下降,8月湖水As總量較2008年10月下降80%,之后湖水As質量濃度基本維持在0.05 mg/L以下;As污染控制與修復過程中曾出現pH值超標、電導率和硬度變化異常等現象;貝類水生生物對As的富集能力較強,體內As質量比處于較高水平,短期內不宜食用。

4.2 建議

陽宗海是高原喀斯特地貌形成的斷層陷落湖,生態功能脆弱而重要,水容量大,沒有大江大河導入,置換周期較長,一旦遭受污染,很難恢復。這次As污染事件水質恢復歷時28個月之久,給人民群眾生產、生活帶來很大影響,應重視和加強陽宗海水資源保護與防治工作,防患于未然。

a.全面貫徹落實《云南省陽宗海保護條例》(以下簡稱“《條例》”)。按照《條例》要求,對陽宗海實行分類保護,建立保護投入和生態補償的長效機制,組織實施保護和管理目標責任制、評議考核制、責任追究制,落實好對陽宗海全方位管理和監督的各項規定。

b.健全和完善陽宗海托管機制。陽宗海風景名勝區管理委員會的成立,徹底改變了陽宗海多頭管理的狀況,應充分發揮管委會的職能,實現對陽宗海區域的統一規劃、統一保護、統一開發、統一管理,統籌好陽宗海開發利用與有效保護的關系。

c.嚴格實施水功能區達標率目標考核和重點水污染物限排總量控制制度。根據陽宗海流域水功能區劃,按照最嚴格水資源管理制度考核要求,制定陽宗海流域水功能區達標目標,按照納污能力和現狀入湖污染物量,提出重點污染物限排總量,并將此作為陽宗海流域水資源保護的重要依據。

d.加強入湖河道、湖區污染治理。加強企業點源污染治理,嚴格新建項目環境準入,限制高污染、不符合產業政策的項目上馬,完善環湖截污管網及污水處理廠建設,確保水污染物達標排放;加強農村面源污染治理,推廣使用低殘留農藥、化肥和平衡施肥技術,推廣沼氣和農村生態衛生旱廁的使用等。

e.做好陽宗海水質、水生態監督性監測和信息通報工作,規范監測機制,提高監測信息化和自動化水平,加強突發水污染預案、預警及應急反應能力建設,加強陽宗海水生態體系修復技術和水污染風險預防等技術研究。

f.加大社會宣傳力度,增強公眾的環保意識,充分發揮社會力量,利用報紙、網絡等媒體力量和民間環保組織的監督作用,向社會公布投訴舉報電話、通信地址等聯系方式和途徑,提高公眾對陽宗海水資源保護工作的參與度。

[1]王振華,何濱,潘學軍.云南陽宗海As污染水平、變化趨勢及風險評估[J].中國科學：化學,2011,41(3)：556-564.(WANG Zhenhua,HE Bin,PAN Xuejun.Evaluation of arseniccontent,variationtrendandriskonLake Yangzonghai in Yunnan Province[J].Science China：Chemistry,2011,41(3)：556-564.(in Chinese))

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Variation of water quality of Yangzonghai Lake affected by arsenic pollution

BI Jianpei,LIU Chen,LI Shaozuo
(Water Resources Protection Bureau of Pearl River Basin,Guangzhou 510611,China)

In order to investigate the variation of water quality of Yangzonghai Lake during arsenic pollution control and water quality restoration after arsenic pollution in the lake in 2008,we conducted monitoring throughout the entire process and evaluation of the water quality parameters,including the arsenic content in the lake,the pH value,conductivity,and total hardness,and the arsenic content in bottom sediment and biological residual toxin. The results show that it took 28 months for the water quality in the lake to be restored from arsenic pollution.The arsenic content in the lake fluctuated initially,then decreased continuously,and finally remained at 0.05 mg/L, while the arsenic content in bottom sediment increased rapidly at the beginning,then decreased sharply,and finally,after another slight increase,dropped back to 21.5 to 27.0 mg/L.The pH value,conductivity,and total hardness were affected to a certain extent.Aquatic organisms such as shellfish showed a remarkable accumulation of arsenic.We put forward some suggestions on the protection of water resources in Yangzonghai Lake from the point of view of management.

Yangzonghai Lake;arsenic pollution;water quality monitoring and evaluation;water quality variation biological residual toxin

X524

A

1004-6933(2014)01-0084-06

201307-31 編輯：徐 娟)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.017

畢建培(1984—),女,工程師,碩士,主要從事水資源保護管理工作。E-mail：bijianpei@126.com