西太湖入湖河流水系污染時空分異特征及解析

王 倩,吳亞東,丁慶玲,張瓊華,王曉昌 (西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710000)

西太湖入湖河流水系污染時空分異特征及解析

王 倩,吳亞東,丁慶玲,張瓊華*,王曉昌 (西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710000)

選取典型西太湖入湖河流水系(南溪水系和洮滆水系)2011～2014年12個斷面的9個指標,采用單因素方差分析、回歸分析及相關分析等多元統計分析方法探討河湖水系的污染分異特征,結合溫度、水量及緩沖帶土地利用現狀解析污染物變化規律及特征.研究結果表明:西太湖上游南溪水系和洮滆水系TN污染嚴重,全部超出地表水Ⅴ類標準限值.洮滆水系TN和NH3-N平均濃度高于南溪水系,其他指標差異不大.時間水平上,DO、BOD5、TN和NH3-N等可被生物利用的污染物濃度夏秋季節顯著高于春冬季節,豐水期村鎮及水產養殖區部分污染物濃度顯著下降.空間水平上,人類活動影響較小的南部山區水體污染物(除 TN外)濃度最低,顯著優于其他斷面,城區水質略好于入湖區,大面積水產養殖集中區水體污染物(除TN和TP外)濃度最高.此外,城區完善的雨污分流系統及綠地消納徑流能有效控制及削減TN污染,而村鎮生活污水及畜禽養殖廢水、農田徑流加劇了TN污染,水產養殖退水加劇了BOD5和NH3-N污染.村鎮、水產養殖及農業面源對水體C、N等污染物影響較大,需要通過截留村鎮生活污水及畜禽養殖廢水、處理水產養殖退水及設置農田岸邊防護帶等途徑有效控制和治理.研究結果對于掌握典型河湖水體污染及治理TN、NH3-N和BOD5等入太湖污染物提供有效技術支撐.

時空分異；水質水量；溫度；土地利用；多元統計分析；西太湖

太湖流域地處長江三角洲南翼,面積36900km2,是中國五大淡水湖之一.行政區劃分屬江蘇、浙江、上海和安徽三省一市,是我國城市最密集、經濟最具活力的地區.流域獨特的平原河網為流域經濟社會發展提供了良好的水資源條件,也決定了流域水資源、水環境等問題的復雜性、艱巨性和長期性.在過去的幾十年太湖處于嚴重的富營養化狀態,盡管開展了大量湖泊污染特征研究及一系列“治太”工程如底泥清淤、藍藻打撈等,水華爆發范圍在一定程度上有所削減,但富營養化形勢依然十分嚴峻[1].太湖水質空間分布及入太湖河流污染研究發現,入湖河流污染是太湖污染的主導因素[2-3].入湖河流對太湖氮素貢獻高達 72.0%～93.8%[4].其中西太湖(宜興地區)入湖污染負荷最大,入湖水量及污染物通量占總入湖量的 50%以上[5].因此,深入解析西太湖上游河流污染特征,可為太湖入流污染控制及治理提供依據.

河流污染受氣候、地形、土地利用類型等的影響而呈現出一定的時空分異特征[6-8].土地利用及地形與人類活動方式息息相關,且決定了污染物的源匯過程[7-8];氣候(降雨、溫度等)則決定了污染物在水中的狀態、遷移及轉化過程,從而對河流水量水質有較大的影響[9-10].此外,土地利用與水質的關系也受降雨、地形及距河流的距離影響[11-13].研究表明,農業和城市區域比其他土地利用類型與水質有更強的關系,而降雨對這種關系有削弱作用,陡峭的地形比平坦的地形對水質有更大的影響[12];200m 緩沖帶內土地利用對河流水質影響更大[13].

目前對西太湖(宜興地區)入湖河流污染的研究較少,主要集中在污染物時空分布特征及土地利用對太湖水環境的影響等方面[14-16].盡管這些研究初步探討了溫度、水量或土地利用現狀與水質之間的關系,但主要集中在單個因素的探討,它們與水質之間的關系及影響程度的大小需要更加系統的研究.

本文以典型河網地區西太湖上游南溪水系和洮滆水系入湖河流為研究對象,采用多元統計分析方法分析西太湖上游入湖水系水量水質的時空分異特征,并探索溫度、水量及土地利用現狀對水質的影響.識別出太湖上游水系污染物變化規律及特征影響因子,為西太湖的源頭治理提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究地點位于中國第三大淡水湖泊––太湖流域西部上游宜興市內南溪水系和洮滆水系(圖1B).南溪水系發源于茅山山區,經西氿、團氿、東氿 3個小型湖泊,于宜興洪巷港(M1)、城東港(M2)、大浦港(M3)入太湖,干流長50km,下游北與洮滆水系相連(圖 1A).南溪水系入湖水量約占太湖上游來水總量的 25%.洮滆水系是由山區河道和平原河道組成的河網,以洮湖和滆湖為中心,納西部茅山諸溪后經東西向的百瀆港(N1)、殷村港(N2)等多條主干河道入太湖(圖 1A),洮滆水系入湖水量約占太湖上游來水總量的 20%左右.由于地勢原因,水流方向主要是由西向東、由南向北.

宜興是中國綜合實力最強的縣級市之一,總面積1996.6km2,城市化水平60.54.全年溫暖濕潤,降雨豐沛,平均氣溫 15.7℃,年平均降雨量1177mm,春夏降雨集中.地勢南高北低,南部為丘陵山區,北部為平原區,東部為太湖瀆區,西部為低洼圩區.

圖1 采樣位置示意Fig.1 Sampling locations in Yixing city

圖1A為宜興市水系圖及12個監測點位置.其中,百瀆港(N1)、殷村港(N2)為洮滆水系的入湖河道,世紀大橋(U1)、荊溪中橋(U2)、荊邑大橋(U3)位于南溪水系中游、宜興城市核心區,洪巷港(M1)、城東港(M2)和大浦港(M3)為南溪水系主要入湖河道,社瀆港(N3)和官瀆港(N4)為連接南北的入湖河道,烏溪港(S1)和大港(S2)為南部山區入湖河道.根據地理位置分為4大類:北部入湖區(N1～N4)、中部入湖區(M1～M3)、南部入湖區(S1和 S2)和城市核心區(U1～U3).各監測斷面 河道特征見表1.

表1 河道特征描述Table 1 Characteristics of rivers monitored

1.2 水質

針對研究目標,數據采用 2011～2014年環保局于每月現場及實驗室監測的9個水質指標:

流量、水溫、DO、CODMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP.指標的測定均采用國家標準測定方法[17].

1.3 分析方法

采用單因素方差分析:多重比較(最小顯著性差異法)檢驗不同斷面水質水量的空間差異及單個斷面水質水量的季節差異是否顯著.采用回歸分析和Pearson相關分析探究溫度、水量及土地利用現狀與水質之間的關系.統計分析前,首先檢驗數據的正態性及方差同質性,不符合正態假設的數據進行對數轉換.多元統計分析采用SPSS 19.0軟件,作圖采用CorelDRAW X6、Excel和Origin 8.5軟件.

2 結果與討論

2.1 空間分布

表2為2011～2014年12個監測斷面流量、DO、CODMn、BOD5、COD、TN、NH3-N和TP的描述性統計值(平均值±標準差)以及不同斷面之間各指標顯著性差異分析結果.

2.1.1 流量 不同斷面平均流量差異很大,從0.60～25.86m3/s變化不等,其中M2和U1流量最大,M3、N1和N2流量居中,其次是U3和U2,S1、M1、N3、N4和S2流量最小.結合表1可以看出,同一區域內,河道流量隨著河道寬度的增大而增大.流量不滿足正態假設,因此未進行單因素方差分析.

2.1.2 溶解氧 DO平均濃度為5.66～7.22mg/L,滿足地表水Ⅲ類標準,單因素方差分析結果表明:S2顯著高于其它斷面,城區(U1～U3)顯著高于N3,其他斷面之間不存在顯著性差異.

2.1.3 CODMn、COD和BOD5CODMn平均濃度在 3.45～6.78mg/L之間變化,滿足地表水IV 類標準(10mg/L).單因素方差分析結果表明:S2顯著低于其他斷面,N3顯著高于其他斷面,其他斷面之間雖存在顯著性差異,但差異相對較小.

表2 不同監測斷面水質水量描述統計Table 2 Water quality and quantity of twelve monitoring sections

COD平均濃度在10.19～26.79mg/L之間變化,滿足地表水Ⅳ類標準(30mg/L).與 CODMn基本一致,S2顯著低于其他斷面,N3顯著高于其他斷面,其他斷面之間雖存在顯著性差異,但差異相對較小.

BOD5平均濃度在3.06～8.04mg/L之間變化,大部分僅滿足地表水Ⅴ類標準(10mg/L).相對于COD和CODMn,BOD5污染更為嚴重.與CODMn和COD基本一致,S2顯著低于其他斷面,N3顯著高于其他斷面,其他斷面之間無顯著性差異.

2.1.4 TN、NH3-N和TP TN平均濃度在3.72～5.38mg/L之間變化,均遠高出地表水Ⅴ類標準(2mg/L),TN污染嚴重.N1顯著高于大部分斷面,城區(U1-U3)濃度最低,但僅顯著低于 N1～N3、M1和S1.

NH3-N平均濃度在 0.31～2.04mg/L之間變化,S2滿足地表水Ⅲ類標準(1mg/L),城區(U1～U3)和M3滿足IV類標準(1.5mg/L),N2、N4、M1、M2和S1滿足V類標準(2mg/L),而N1和N3超出Ⅴ類標準.S2顯著低于其他斷面,N3顯著高于城區和M2、M3,其他斷面之間雖存在差異,但不顯著.

TP平均濃度在 0.06～0.23mg/L之間變化, N3、N4、S1和S2滿足地表水Ⅲ類標準(0.2mg/L),其他斷面滿足Ⅳ類標準(0.3mg/L).S2(0.06mg/L)顯著低于其他斷面,其次是N3(0.16mg/L),其他斷面差異性相對較小.

2.1.5 與太湖湖體相比 與同期太湖湖體內部水質相比[1],本研究中河道CODMn、TN、NH3-N和TP均值分別是湖體的1.3、2.3、8.7和2.9倍,表明西太湖流域入湖河流污染嚴重.

由上述分析結果可知,西太湖上游南溪水系和洮滆水系 TN污染最為嚴重,均超出地表水Ⅴ類標準限值.洮滆水系TN和NH3-N平均濃度高于南溪水系,其他指標差異不大.S2污染物(除TN外)濃度最低,顯著優于其他斷面;N3水質最差, DO、CODMn、COD、BOD5及NH3-N平均濃度顯著高于其他斷面,但 TP濃度較低;城區水質好于入湖區,TN和NH3-N濃度均較低.與太湖湖體相比,入湖河流污染嚴重.

2.2 時間分布

2011～2014年12個監測斷面不同季節的流量、DO、CODMn、BOD5、COD、TN、NH3-N和TP顯著性差異結果見圖2(A)～(H).

2.2.1 流量 一般來說,夏秋季流量大于春冬季節,但對于部分河道(N2、N3、M1、M3和 U2)來說,這種差異不顯著[圖2(A)].

2.2.2 DO 夏秋季 DO顯著低于春冬季節,部分河道(N1～N2和M1～M3)春冬季或夏秋季之間DO也存在顯著性差異[圖2(B)].

2.2.3 CODMn、COD和BOD5一般來說,入湖河道 CODMn春季高于其他季節,但城區夏季高于其他季節.大部分河道不同季節 CODMn無顯著性差異,N1～N3和M1春冬季節CODMn和夏秋季節存在顯著性差異[圖2(C)]. 大部分河道(除S2和U3外)BOD5春冬季節顯著高于夏秋季節[圖2(D)].

圖2 不同季節監測斷面流量及污染物濃度變化Fig.2 Seasonal variations of flow rate and pollutant concentrations for the twelve monitoring sections

對于大部分河道來說,不同季節 COD均值濃度無顯著性差異,但N2、N3春季COD顯著高于夏秋季[圖2(E)].

2.2.4 TN、NH3-N和TP 所有河道TN濃度春冬季節顯著高于夏秋季節,而春冬季節和夏秋季節之間不存在顯著差異[圖2(F)].

大部分河道(除S2外)NH3-N濃度春冬季節顯著高于夏秋季節[圖2(G)].

對于大部分河道,不同季節 TP無顯著性差異,但N2、M1、S1春冬季節TP顯著高于夏秋季節[圖2(H)].

總體而言,夏秋季節流量顯著或不顯著地高于春冬季節;所有河道DO、BOD5、TN、NH3-N和少數河道 TP春冬季節顯著高于夏秋季節.大部分河道的CODMn、COD和TP不存在顯著性差異.

2.3 影響因素分析

2.3.1 溫度的影響 溫度作為氣候因素的主要指標之一,一方面直接影響水生動植物及微生物的代謝活動;另一方面通過改變水體中 DO的含量,促進或限制水生動植物及微生物的生長代謝過程,從而影響河流水質變化.

圖3為12個斷面DO與水溫的回歸分析結果,復相關回歸系數 R2越大,表示線性回歸擬合度越好;擬合回歸線斜率k絕對值越大,則DO受溫度影響越大.可以看出,DO和水溫有較強的線性關系,隨著水溫的升高,DO呈下降趨勢.由水溫數據可知,最高水溫出現在 8月-夏季最熱的時候,高出 30℃,相應 DO濃度為 3.0～6.1mg/L,平均4.4mg/L;最低水溫出現在1月-冬季最冷的時候,低于 5℃,DO濃度為 5.8～12.5mg/L,平均8.8mg/L,高出夏季1倍.一方面,溫度升高使水中溶氧量降低;另一方面,溫度升高使微生物的代謝活動加強,好氧微生物消耗水中的溶解氧,導致水中 DO下降.然而,污染性質不同,這兩個因素對DO濃度影響程度也不同.盡管12個斷面水溫均值不存在顯著性差異,但S2斷面DO濃度顯著高于其他斷面(表 2).一方面,這是因為污染物質的存在阻礙了氧的溶解,另一方面,微生物代謝需要多種營養物質協同.S2除 TN外,其他污染物濃度非常低,營養物質的缺乏限制了微生物的代謝及DO的消耗.這與S2擁有最小的R2和斜率結果一致(圖3).

除與DO顯著負相關外,水溫與TN、NH3-N、BOD5等也顯著負相關(表 3),這是由于在適宜的溫度下生物代謝消耗 TN、NH3-N、BOD5等可被生物同化利用的物質[18].TN和 NH3-N與水溫、DO的相關性最強,其次是BOD5,TP也有部分斷面存在一定相關性,這與生物代謝所需物質平衡及污染物可代謝組分有關,說明河道中 TN和NH3-N易被生物代謝消耗,BOD5可能處于過剩狀態,TP可代謝成分不高等.S2的相關關系較差驗證了其他污染物量的限制影響了生物代謝在水體自凈中的作用.

圖3 2011～2014年各斷面DO濃度和水溫之間的線性回歸關系Fig.3 Linear relationships of DO concentration with water temperature during 2011～2014

表3 溫度、DO與水質指標之間的相關性Table 3 Correlations of water quality indicators with temperature and DO

2.3.2 水量的影響 流量作為水動力的重要指標之一[18],主要受降雨的影響,夏秋季降雨較多,流量也較春冬季節大(3.2.1).降雨徑流引起的流量增大通常會產生兩種效應:稀釋效應和沖刷效應[19].由流量與各斷面水質指標的相關分析結果可以看出(表4),僅部分河道(N1、N3、N4和S1等)中個別污染物(TN、NH3-N和DO等)表現出了明顯的稀釋效應,但對于大部分河道中大部分污染物來說,流量的影響并不明顯.其一,這可能是因為降雨前后河道流量及污染物濃度變化均較大[20];其二,不同土地利用類型污染物排放特征不同,降雨徑流所表現的稀釋效應或沖刷效應不同.例如, N1、N3、N4和S1村鎮及水產養殖密集,居民生活污水和水產養殖退水以旱天排放為主,且TN和NH3-N濃度較高,因此,降雨對其以稀釋效應為主(如 N3);而對于其他以農田和城區為主的斷面,污染物主要來源于農田和城市徑流,降雨的沖刷和稀釋效應則同時存在[21].

表4 流量和水質指標之間的相關性Table 4 Correlations of water quality indicators with discharge rate

表5 200m緩沖帶內土地利用與水質指標之間的相關性Table 5 Correlations of water quality indicators with land use type of 200m buffer

2.3.3 土地利用類型的影響 河道周圍土地利用類型決定了河道點、面源污染物輸入類型,進而影響河道污染物組分分布情況.12個斷面周圍200m緩沖帶內土地利用分布見表1.分別對全年及不同季節(春、夏、秋、冬)水質與200m緩沖帶內土地利用類型進行相關分析,結果見表 5.由表中可知,城市用地在春、夏、秋季及全年水平上均與 TN 呈顯著負相關關系,且在夏季與NH3-N也顯著負相關,而與CODMn顯著正相關.綠地在春、夏及全年水平上與 TN顯著負相關.這些結果表明城區完善的雨污分流系統及綠地消納徑流對水體TN和NH3-N具有明顯的控制作用,但城區徑流可能帶來一定的 CODMn污染.村鎮在春、秋、冬及全年水平上均與TN呈顯著的正相關關系,表明村鎮是水體 TN主要的污染源之一.這是因為村鎮污水管理水平較低,高污染物濃度的居民生活污水及畜禽養殖廢水直接或通過溝渠排入水體[22].農田僅在夏季與 TN顯著正相關,這是因為夏季降雨豐富,農田施肥后在降雨期間的產流富含TN,匯入水體造成TN污染[23].水產養殖在夏季與NH3-N、在秋季與 BOD5和NH3-N顯著正相關,表明水產養殖廢水是水體BOD5和NH3-N的主要來源.

因此,加強城區雨水分流及綠地管理、強化入湖區村鎮(如百瀆港)分散式生活污水及畜禽養殖廢水收集及處理、夏秋季水產養殖(如社瀆港)退水集中處理、設置農田岸邊防護帶植草溝控制農田徑流等是削弱西太湖上游河流 TN、NH3-N、BOD5污染負荷的有效途徑.

3 結論

3.1 上游南溪水系和洮滆水系 TN污染最為嚴重,均超出地表水Ⅴ類標準限值.洮滆水系TN和NH3-N平均濃度高于南溪水系,其他指標差異不大.人類活動影響較小的山區水體污染物(除 TN外)濃度最低,顯著優于其他斷面;從城區到入湖區,污染物濃度增大;大面積水產養殖的河道水質最差.

3.2 夏秋季節流量高于春冬季節;DO、BOD5、TN、NH3-N和少數河道TP春冬季節顯著高于夏秋季節;而大部分河道的CODMn、COD和TP不存在顯著性差異.

3.3 溫度與可生物利用物質(DO、TN、NH3-N、BOD5、部分TP)濃度顯著負相關.豐水期村鎮及水產養殖區部分污染物濃度明顯下降.城區完善的雨污分流體系及綠地消納徑流能有效控制和削減TN污染,而村鎮生活污水和畜禽養殖廢水、農田徑流加劇了 TN污染,水產養殖退水加劇了BOD5和NH3-N污染.

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Temporospatial variations and influential factors of water quality in the flowing river systems of western Taihu Lake Basin.

Lake Basin. WANG Qian, WU Ya-dong, DING Qing-ling, ZHANG Qiong-hua*, WANG Xiao-chang (School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi’an 710000, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2699～2707

The temporospatial variations and factors influencing the water quality of Nanxi and Taoge river systems in the Taihu Upper-River Basin were evaluated. The results showed that Nanxi and Taoge river systems were characterized by TN pollution. The average concentrations of TN and NH4-N in the Taoge river system were higher than that in the Nanxi river system. Moreover, the seasonal variations were significant for bioavailable pollutants (DO, BOD5, TN and NH4-N), the concentrations of which were significantly higher in spring and winter than that in summer and autumn. Spatially, the water quality parameters (except TN) in the mountainous area was prominently superior to other areas. However, the water quality was the worst in large-scale aquaculture areas. The rain sewage diversion and greenbelt in urban areas are beneficial for the reduction of TN pollution. By contrast, agriculture runoff and domestic and livestock wastewater from the villages and towns exacerbate the TN pollution. Furthermore, the aquaculture wastewater aggravates the BOD5and NH4-N pollution. Therefore, the management of aquaculture wastewater, agricultural runoff, as well as domestic and livestock wastewater from villages and towns are effective approaches to the control of pollution in the river systems of the Taihu Upper-River Basin.

spatial-temporal variations；water quality；temperature；land use；multi-statistical analysis；Taihu Lake

X522

A

1000-6923(2017)07-2699-09

王 倩(1990-),女,湖北襄陽人,在讀博士研究生,主要研究方向為水環境污染及修復研究.發表論文6篇.

2016-12-07

水污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07305002)

* 責任作者, 講師, qionghuazhang@126.com