白馬湖西岸入湖河流污染特征解析

儀慧民，胡小貞，代丹，吳明紅,陳錦華

1.上海大學環境與化學工程學院,上海 200444 2.中國環境科學研究院湖泊生態環境創新基地，北京 100012 3.中國環境科學研究院湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，北京 100012

白馬湖西岸入湖河流污染特征解析

儀慧民1,2,3，胡小貞2,3*，代丹2,3，吳明紅1,陳錦華2,3

1.上海大學環境與化學工程學院,上海 200444 2.中國環境科學研究院湖泊生態環境創新基地，北京 100012 3.中國環境科學研究院湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，北京 100012

白馬湖；入湖河流；氮磷營養鹽；聚類分析；因子分析

湖泊流域隨著經濟發展污染負荷大量輸入，引起湖泊水質污染和富營養化[1-2]。湖泊富營養化是我國湖泊當前面臨的重要環境問題[3-4]。入湖河流作為連接湖泊與流域的主要通道，其水質污染往往是湖泊水質污染的重要原因[5-7]。李如忠[8]研究表明，巢湖營養鹽輸入的一個重要途徑是入湖河流，其輸入的TN、TP中入湖河流占90.18%和95.23%。李樂等[9]研究發現，滇池入湖河流中的污染物是造成滇池富營養化的重要原因之一。許朋柱等[7,10]研究表明，河道污染物的輸入是太湖主要的污染外源，直接影響太湖水質變化，太湖水環境惡化是河道入湖污染負荷增加的直接后果。近年來，隨著入湖河流小流域人為干擾強度的增加，工業點源、城市生活污水及農田徑流等排放量加大，使許多湖泊流域入湖河流污染問題日益突出[11-12]。科學解析入湖河流污染特征是入湖河流及其湖泊水質治理的基礎。王書航等[13]將巢湖入湖河流分為城市污染控制型河流、水土保持控制型河流和面源污染控制型河流，進而提出為控制巢湖藻類生物量要優先控制入湖河流TN的輸入。燕姝雯[5]研究發現，太湖入湖河流以氮污染為主導因素，磷污染次之。

1 材料與方法

1.1研究區域概況

白馬湖地處淮河流域下游，位于淮安市東南邊緣，分屬淮安市金湖縣、洪澤縣、淮安區和揚州市寶應縣(119°02′E～119°12′E，33°09′N～33°19′N)。白馬湖南北長約17.80km，東西寬約6.40km，湖面面積約113.90km2。白馬湖流域涵蓋洪澤湖大堤以東，蘇北灌溉總渠以南，里運河以西，白馬湖隔堤和洪金北干渠以北的封閉區域，面積為994km2，多年平均水位6.56m。白馬湖流域水系發達，河流眾多，主要包括：湖泊南岸大金溝、避沉溝和阮橋河3條出湖河流；湖泊西岸花河、往良河、大蕩河、潯河、豐產河、桃園河、山陽河和草澤河8條入湖河流；湖泊北岸永濟河、于南河、新河和溫山河4條河流，北岸河流與白馬湖之間有閘門連接，閘門常年處于關閉狀態，河水基本不入湖(圖1)。

圖1 白馬湖流域主要水系及其西岸入湖河流監測點、湖泊采樣點示意Fig.1 The main water system of Baima Lake basin and sampling sites of inflow rivers and west bank of the lake

1.2數據來源與測試分析

1.2.1數據來源

本研究部分數據來源于淮安市及其各縣環境保護局和環境監測站，西岸入湖河流上各設置1個監測點，依次編號為J1～J8，監測時段為2015年11月—2016年10月，每月監測1次。為了解入湖河流營養鹽及其形態污染特征，在白馬湖西岸8條入湖河流距入湖口約500m處各設置1個采樣點，依次編號為A1～A8；為了解入湖河流對白馬湖水質的影響，分別沿入湖河流河口向湖中心布設8個采樣點，依次編號為B1～B8。于2016年11月9日對其進行采樣分析。采樣點具體布設和8條入湖河流基本水文特征分別見圖1和表1。

表1 白馬湖西岸入湖河流水文特征

1.2.2測試分析

2 結果與討論

2.1主要入湖河流水質變化特征

8條入湖河流CODMn、TN和TP濃度如圖2所示。從圖2可以看出，花河、往良河、大蕩河、潯河、豐產河、桃園河、山陽河和草澤河8條河流中CODMn為13.29～106.87mg/L，年均值分別為41.98、29.19、26.33、19.75、18.60、19.45、24.27和32.63mg/L，均超過地表水Ⅴ類標準，其中，潯河、豐產河和桃園河CODMn較為穩定，其余5條河流CODMn波動較大。TN濃度為0.22～13.92mg/L，其中花河TN污染最為嚴重且濃度波動較大，年均濃度達8.20mg/L；往良河、大蕩河、潯河、豐產河、桃園河、山陽河和草澤河年均濃度分別為3.46、2.86、3.31、2.32、2.57、2.36和2.71mg/L。除草澤河外，其余河流TN濃度全年均處于地表水劣Ⅴ類標準，可能與居民生活污水排放及農田含氮肥料的施用有關。各河流TP污染相對較輕，濃度為0.02～0.62mg/L，花河、往良河、大蕩河、潯河、豐產河、桃園河、山陽河和草澤河年均濃度分別為0.30、0.15、0.11、0.17、0.08、0.09、0.10和0.17mg/L。花河TP濃度波動較大，除2、3、4月外均超過地表水Ⅲ類標準。在豐水期TP濃度明顯升高，是由于隨豐水期地表徑流的增大，面源污染物大量進入河流水系所致。

圖2 入湖河流主要污染指標變化Fig.2 The change of concentration of main factors in the inflow rivers

2.2入湖河流水質氮磷濃度及其形態

對白馬湖西岸8條入湖河流CODMn、TP和TN的監測數據分析發現，河流受氮磷污染較為嚴重，為進一步明確河流氮磷污染形態，將采集的河流水質進行分析，結果見圖3。

從圖3可以看出，花河、往良河、大蕩河、潯河、桃園河、山陽河6條入湖河流水質達到地表水劣Ⅴ類標準，草澤河和豐產河達到地表水Ⅳ類標準。TN為主要超標指標，濃度為1.41～9.12mg/L，除豐產河和草澤河(Ⅳ類)外，均超過地表水Ⅳ類標準。原因是在河流流域范圍內耕地面積大，農業種植以稻麥輪作模式為主，水田面積占比接近90%，畝產高的情況下，農藥和化肥的施用量及氮磷流失量較大，大面積的水田造成TN排放量高。以地表水Ⅲ類標準為基數，其中花河TN濃度超標最為嚴重，為8.12倍；其次為大蕩河、桃園河、潯河、山陽河、往良河、草澤河和豐產河，分別超標了2.55、1.45、1.29、1.10、1.01、0.72和0.41倍；除草澤河和豐產河外，其余入湖河流的CODMn超標了0.06～0.61倍；除潯河TP濃度超地表水Ⅲ類標準0.2倍外，其余7條河流均未超標。

8條入湖河流水體不同形態氮所占比例如圖4所示。從圖4可以看出，除大蕩河(TDN濃度約占TN的65.6%)外，其余7條入湖河流TDN濃度均占TN的85%以上。其中草澤河TDN濃度占比最高，為99.3%；其次為豐產河、山陽河、花河、往良河、潯河和桃園河，分別為98.3%、97.7%、92.7%、91.6%、89.0%和87.8%。TDN是各入湖河流中氮的主要形態，河流沿岸大面積水稻田的種植，大量含氮化肥流入，導致河流中TDN濃度增加。

注：執行GB 3838—2002《地表水環境質量標準》。圖3 白馬湖西岸主要入湖河流水質參數Fig.3 Water quality parameters in the inflow rivers of Baima Lake west bank

圖4 白馬湖西岸主要入湖河流不同形態氮所占比例Fig.4 The percentage of different nitrogen forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

圖5 白馬湖西岸主要入湖河流TDN中不同形態氮所占比例Fig.5 The percentage of different TDN forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

與氮污染相比，白馬湖西岸入湖河流受磷污染程度相對較輕，水體中TP濃度為0.07～0.24mg/L，除潯河TP濃度達地表水Ⅳ類標準外，其余河流水體中TP濃度均維持在地表水Ⅱ～Ⅲ類標準〔圖3(e)〕。從圖6可以看出，8條入湖河流中，往良河和潯河TDP占比較高，分別為96.7%和81.5%；花河、大蕩河、豐產河、桃園河、山陽河和草澤河中TDP占比分別為55.1%、58.0%、65.9%、61.8%、53.0%和67.5%。可見，入湖河流中TDP是磷的主要賦存形態。調查發現河流兩岸有大量居民，生活污水的排入和零星養殖是造成TDP濃度高的主要原因。

圖6 白馬湖西岸主要入湖河流不同形態磷所占比例Fig.6 The percentage of different P forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

由圖7可以看出，往良河水體TP濃度雖未超出地表水Ⅲ類標準，但其濃度高達0.19mg/L，屬于湖庫Ⅴ類標準。往良河和潯河水體中PO43--P濃度占TP的80.18%和66.90%，是磷的主要賦存形態。農業排水、工業廢水排放以及農村畜禽排泄物均可以產生較高濃度的含磷污染物[18,21]。在潯河和往良河沿岸有個體小規模水產養殖，零星家禽散養，農田沿河分布，潯河流經的化工、機械、造紙等工業聚集區會有工業廢水的匯入，一定程度上導致河流受磷污染。

圖7 白馬湖西岸主要入湖河流不同形態磷的濃度Fig.7 The concentration of different P forms in the inflow rivers of Baima Lake west bank

2.3入湖河流污染水平聚類分析和水質污染因子

聚類分析法是將每個個體看作一類，然后將相近程度較高的類進行合并，不斷重復這種過程，直到所有個體歸為一類[12,19]。運用聚類分析法對入湖河流進行分析，有助于對河流進行系統分類，解析其污染特征[19]。

圖8 白馬湖西岸入湖河流聚類分析結果Fig.8 Clustering results of the inflow rivers in the west bank of Baima Lake

從圖8可以看出，白馬湖西岸8條入湖河流可以分為3類：第一類包括花河，河流受污染嚴重，水質主要受工業園區、農業、集鎮與農村生活污染的共同影響；第二類包括往良河和潯河，其水質較花河污染程度輕，受農業(農業種植、水產養殖和畜禽養殖)和集鎮與農村生活污染的影響；第三類包括大蕩河、豐產河、桃園河、山陽河和草澤河，河流受到輕微污染，主要受農業、集鎮與農村生活污染的復合污染影響，但由于流域人口較少(約1000人)，部分生活污水經收集處理，對河流造成的污染較輕。

表2 水質參數因子負荷

各入湖河流的主成分得分(圖9)，反映了入湖河流污染的主要影響因子。從圖9(a)可以看出，花河、往良河和潯河第一主成分得分相對較高，分別為5.66、0.11、0.26，說明水質受到氮污染影響較顯著；往良河和潯河第二主成分得分較高，分別為3.02和3.64，說明水質受到一定程度的磷污染影響；往良河、大蕩河和山陽河第三主成分得分較高，分別為1.17、1.53和0.76，說明水質受有機物污染影響較大。根據綜合評價函數，計算各條河流的水質污染綜合得分，結果見圖9(b)。綜合得分反映了各河流的污染狀況，其值越高，表明水質受到的污染越嚴重。從圖9(b)可以看出，花河綜合得分最高，為2.31，其次為潯河、往良河、大蕩河、桃園河、山陽河、草澤河和豐產河，分別為1.38、1.33、-0.45、-0.99、-1.04、-1.19和-1.34。因此，白馬湖西岸8條入湖河流的污染程度分級為花河>潯河>往良河>大蕩河>桃園河>山陽河>草澤河>豐產河。

圖9 白馬湖入湖河流主成分得分Fig.9 Principal component scores for inflow rivers of Baima Lake

2.4入湖河流水質對沿岸水質影響

注：B1-2代表B1和B2采樣點，B5-6代表B5和B6采樣點。由于B1、B2采樣點和B5、B6采樣點分別位置相近且各指標濃度變化較小，因此可合并處理。圖10 白馬湖各采樣點的濃度和CODMnFig.10 The concentration of TN, ammonia nitrogen, TP and permanganate index in different sampling sites of Baima Lake

圖11 白馬湖西岸北部入湖河流與湖泊水質的比較Fig.11 Comparison of water quality of inflow rivers and lakes in the northern part of Baima Lake west bank

圖12 白馬湖西岸南部入湖河流與湖泊水質的比較Fig.12 Comparison of water quality of inflow rivers and lakes in the southern part of Baima Lake west bank

3 結論

(2)對白馬湖西岸入湖河流進行聚類分析，將其分為三類：第一類為花河，河流受污染嚴重，水質主要受工業園區、農業、集鎮與農村生活污染的共同影響；第二類為潯河和往良河，其水質較花河污染程度輕，受農業(農業種植、水產養殖和畜禽養殖)和集鎮與農村生活污染的影響；大蕩河、桃園河、山陽河雖屬于劣Ⅴ類，但其各指標超標不嚴重，因此將其和草澤河、豐產河歸為一類，水質主要受農業和集鎮與農村生活污染的復合污染影響。

(3)8條入湖河流水質主成分分析可知，花河、往良河和潯河水質受到氮污染影響較顯著；往良河和潯河水質受到一定程度的磷污染影響；往良河、大蕩河和山陽河水質受有機物污染影響較大。8條入湖河流污染程度表現為花河>潯河>往良河>大蕩河>桃園河>山陽河>草澤河>豐產河。

志謝：感謝淮安市及其各縣環境保護局、環境監測站、水利局和白馬湖規劃建設管理辦公室等提供的資料及其在采樣過程中給予的幫助和指導。

[1] 殷福才,張之源.巢湖富營養化研究進展[J].湖泊科學,2003,15(4):377-384.

YINFC,ZHANGZY.SurveyofChaohuLakeeutrophicationresearch[J].JournalofLakeSciences,2003,15(4):377-384.

[2] 孔繁翔,胡維平,范成新,等.太湖流域水污染控制與生態修復的研究與戰略思考[J].湖泊科學,2006,18(3):193-198.

KONGFX,HUWP,FANCX,etal.ResearchandstrategicthinkingforwaterpollutioncontrolandecologicalrestorationinTaihuBasin[J].JournalofLakeSciences,2006,18(3):193-198.

[3]SMITHVH,JOYESB,HOWARTHRW.Eutrophicationoffreshwaterandmarineecosystems[J].Limnology&Oceanography,2006,51(1):351-355.

[4]SCHAFFNERM,BADERHP,SCHEIDEGGERR.Modelingthecontributionofpointsourcesandnon-pointsourcestoThachinRiverwaterpollution[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2009,407(17):4902-4915.

[5] 燕姝雯.太湖流域出入湖河流水污染特征研究[D].北京:中國環境科學研究院,2011.

[6] 黃漪平.太湖水環境及其污染控制[M].北京:科學出版社,2001.

[7] 許朋柱,秦伯強.2001—2002水文年環太湖河道的水量及污染物通量[J].湖泊科學,2005,17(3):213-218.

XUPZ,QINBQ.WaterquantityandpollutantfluxesofthesurroundingriversofLakeTaihuduringthehydrologicalyearof2001-2002[J].JournalofLakeSciences,2005,17(3):213-218.

[8] 李如忠.巢湖水環境生態修復探討[J].合肥工業大學學報(社會科學版),2002,16(5):130-133.

LIRZ.ApproachtorestorationofwaterenvironmentalecosysteminChaohulake[J].JournalofHefeiUniversityofTechnology(SocialScience),2002,16(5):130-133.

[9] 李樂,王圣瑞,王海芳,等.滇池入湖河流磷負荷時空變化及形態組成貢獻[J].湖泊科學,2016,28(5):951-960.

LIL,WANGSR,WANGHF,etal.Temporalandspatialvariationsofphosphorusloadingandtheforms,compositionsandcontributionsininletriverofLakeDianchi[J].JournalofLakeSciences,2016,28(5):951-960.

[10] 易娟,徐楓,高怡,等.2007年以來環太湖22條主要河流水質變化及其對太湖的影響[J].湖泊科學,2016,28(6):1167-1174.

YIJ,XUF,GAOY,etal.Variationsofwaterqualityofthemajor22inflowriverssince2007andimpactsonLakeTaihu[J].JournalofLakeSciences,2016,28(6):1167-1174.

[11]SINGHKP,MALIKA,SINHAS.WaterqualityassessmentandapportionmentofpollutionsourcesofGomtiRiver(India)usingmultivariatestatisticaltechniques:acasestudy[J].AnalyticaChimicaActa,2005,538(1/2):355-374.

[12] 封吉猛,王欣澤,林燕,等.洱海流域北部入湖河流污染特征分析[J].凈水技術,2013,32(5):11-15.

FENGJM,WANGXZ,LINY,etal.AnalysisofwaterpollutioncharacteristicsofinflowingriversintoNorthofErhaiLakeBasin[J].WaterPurificationTechnology,2013,32(5):11-15.

[13] 王書航,姜霞,金相燦.巢湖入湖河流分類及污染特征分析[J].環境科學,2011,32(10):2834-2839.

WANGSH,JIANGX,JINXC.ClassificationandpollutioncharacteristicanalysisforinflowriversofChaohuLake[J].ChineseJournalofEnvironmentalScience,2011,32(10):2834-2839.

[14] 郝達平,劉雪梅.白馬湖底泥重金屬污染特征分析[J].安徽農業科學,2014(11):3340-3342.

HAODP,LIUXM.AnalysisofheavymetalpollutioncharacteristicsaboutbottomsedimentinBaimaLake[J].JournalofAnhuiAgriculturalSciences,2014(11):3340-3342.

[15] 國家環境保護總局.地表水環境質量標準:GB3838—2002[S].北京:中國標準出版社,2002.

[16] 江蘇省環境科學研究院.江蘇省白馬湖生態環境保護規劃(2016—2020)[A].淮安：江蘇省環境科學研究院，2016.

[17] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社,2002:271-283.

[18]SUS,ZHIJ,LOUL,etal.Spatio-temporalpatternsandsourceapportionmentofpollutioninQiantangRiver(China)usingneural-basedmodelingandmultivariatestatisticaltechniques[J].Physics&ChemistryoftheEarth,PartsA/B/C,2011,36(9/10/11):379-386.

[19] 徐華山,徐宗學,唐芳芳,等.漳衛南運河流域水質時空變化特征及其污染源識別[J].環境科學,2012,33(2):359-369.

XUHS,XUZX,TANGFF,etal.SpatiotemporalvariationanalysisandidentificationofwaterpollutionsourcesintheZhangweinanRiverBasin[J].ChineseJournalofEnvironmentalScience,2012,33(2):359-369.

[20]SHRESTHAS,KAZAMAF.Assessmentofsurfacewaterqualityusingmultivariatestatisticaltechniques:acasestudyoftheFujiRiverBasin,Japan[J].EnvironmentalModelling&Software,2007,22(4):464-475.

[21]BOYACIOGLUH,BOYACIOGLUH.WaterpollutionsourcesassessmentbymultivariatestatisticalmethodsintheTahtaliBasin,Turkey[J].EnvironmentalGeology,2008,54(2):275-282.□

AnalysisofpollutioncharacteristicsofinflowriversofBaimaLakewestbank

YI Huimin1,2,3, HU Xiaozhen2,3, DAI Dan2,3, WU Minghong1, CHEN Jinhua2,3

1.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 2.Research Center of Lake Eco-Environment, Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on the analysis of the monitoring data from 2015 to 2016, it was found that the inflow rivers in the west bank of Baima Lake was seriously polluted by nitrogen and phosphorus. In order to further understand the pollution characteristics of the inflow rivers of Baima Lake west bank and its impact on the water quality of Baima Lake, eight main inflow rivers were sampled in November, 2016. The concentration and formation of nitrogen and phosphorus were measured. The results showed that the pollution level of the eight inflow rivers was in the order of Hua River> Xun River> Wangliang River> Dadang River> Taoyuan River> Shanyang River> Caoze River> Fengchan River. The eight inflow rivers were seriously polluted by nitrogen. TN ranged from 1.41 to 9.12 mg/L, exceeding the standard level seriously. TDN which accounted for 65.61%-99.30% of TN was the main form of nitrogen in the inflow rivers. The pollution level of phosphorus was comparatively lower, the concentration of TP in Xunhe River exceeded Class Ⅲ of the Environmental Quality Standard for Surface Water by 0.2 fold, while the other seven rivers maintained at the Class Ⅱ-Ⅲ. The TDP accounted for 53.03%-96.70% of TP, which is the main form of phosphorus in the inflow rivers. The eight inflow rivers could be divided into three categories by the cluster analysis, with Hua River alone as one category, Wangliang River and Xun River as the second category, and Dadang River, Fengchan River, Taoyuan River, Shanyang River and Caoze River belonging to the third category. The results of factor analysis showed that the water quality of Huahe River, Wangliang River and Xunhe River was significantly affected by nitrogen pollution, the water quality of Wangliang River and the Xun River was mainly affected by phosphorus pollution, while that of Wangliang River, Dadang River and Shanyang River was affected by organic pollution. With the increase of the distance from the lake inflow, the concentration of TN, ammonia nitrogen, TP and permanganate index in Baima Lake west bank decreased, indicating that the inflow rivers had direct impact on the water quality of the lake, and the input of pollutants of inflow rivers should be the important reason for the decline of the water quality of Baima Lake.

Baima Lake; inflow river; nitrogen and phosphorus nutrients; cluster analysis; factor analysis

儀慧民，胡小貞，代丹,等.白馬湖西岸入湖河流污染特征解析[J].環境工程技術學報,2017,7(6):666-675.

YI H M, HU X Z, DAI D, et al.Analysis of pollution characteristics of inflow rivers of Baima Lake west bank[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):666-675.

2017-04-18

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07510-001)

儀慧民(1990—)，女，碩士，主要研究方向為湖泊水環境，1570812017@qq.com

*通信作者：胡小貞(1975—)，女，副研究員，長期從事湖泊污染控制技術研究，huxz@craes.org.cn

X524

1674-991X(2017)06-0666-10

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.092