太湖典型水源地揮發性有機物與環境因子的關系

許志波 楊儀 卞莉

摘要 在太湖漁洋山水源地建立水質自動監測系統，于2018年4月—2019年3月進行為期1年的揮發性有機物（VOCs）與環境因子（溫度、pH、電導率、濁度、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數、總有機碳、葉綠素a、藍綠藻）監測，監測頻次為每4 h 1次。篩選檢出率較高的3種VOCs（二氯甲烷、苯乙烯、萘），并分析這3種VOCs與環境因子的相關關系。結果表明，2018年4月—2019年3月研究水域內苯乙烯、萘濃度呈現逐月降低的趨勢，變化趨勢基本一致，二氯甲烷濃度呈現先上升后下降的趨勢。二氯甲烷與環境因子沒有表現出較強的相關性，苯乙烯與pH表現出較強的正相關性，萘與水溫、電導率表現出較強的正相關性，萘與溶解氧、高錳酸鹽指數表現出較強的負相關性，苯乙烯與萘表現出較強的正相關性。水體降溫和底泥固定（沉水植物生態修復）將是有效降低湖泊水體VOCs濃度的方法。

關鍵詞 揮發性有機物（VOCs）;萘;苯乙烯;二氯甲烷;環境因子;太湖

中圖分類號 X524 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）05-0078-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.021

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract An automatic water quality monitoring system was established in the YuYangMountain water source area of Taihu Lake to monitor volatile organic compounds （VOCs） and environmental factors（temperature， pH， conductivity， turbidity， dissolved oxygen， ammonia nitrogen， total nitrogen， total phosphorus， permanganate index， total organic carbon， chlorophyll a， bluegreen algae） for a period of one year from April 2018 to March 2019， and the monitoring frequency was 1 time every 4 hours.Three kinds of VOCs with high detection rate were screened： dichloromethane， styrene and naphthalene， and the correlation between these three kinds of VOCs and environmental factors was analyzed.The results showed that from April 2018 to March 2019， the concentration of styrene and naphthalene in the study waters showed a monthly decreasing trend， and the variation trend was basically the same， while the concentration of dichloromethane showed a trend of first increasing and then decreasing.There was no strong correlation between dichloromethane and environmental factors;styrene and pH showed a strong positive correlation;naphthalene showed a strong positive correlation with water temperature and electrical conductivity;naphthalene showed a strong negative correlation with dissolved oxygen and permanpermanate index;styrene and naphthalene showed a strong positive correlation. Water cooling and sediment fixation （submerged plant ecological restoration） are the effective methods to reduce VOCs concentration in lake water.

Key words Volatile organic compounds （VOCs）;Naphthalene;Styrene;Dichloromethane;Environmental factors;Taihu Lake

揮發性有機化合物（VOCs），美國ASTM D3960—98標準將其定義為任何能參加大氣光化學反應的有機化合物;美國聯邦環保署（EPA）將其定義為除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參加大氣光化學反應的碳化合物。世界衛生組織對揮發性有機化合物定義為熔點低于室溫而沸點在50～260 ℃的有機化合物。目前隨著檢測技術的發展，越來越多的VOCs在地表水（河流、湖泊、水源地）被檢出。含有VOCs的飲用水攝入人體后，具有致畸形、致突變、致癌變的潛在危害性，還可對肝臟、腎臟、免疫系統、神經系統、生殖系統造成損害[1-4]。

飲用水水源地VOCs含量的檢測已經成為研究熱點[5-9]，但VOCs與環境因子的關系目前還鮮有報道，筆者選取太湖典型水源地為研究區域，采用連續在線監測方法解析VOCs和環境因子的相關關系，為水源地VOCs的治理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于太湖漁洋山水源地二級保護區水域（圖1），VOCs和環境因子連續在線監測系統（水質自動監測系統）位于水源地湖濱——江蘇省太湖野外水質與藍藻綜合觀測站（31.230 659°N、120.368 971°E）。

1.2 研究方法

1.2.1 水質自動監測系統。該系統主要包括采水單元、預處理單元、配水單元、控制單元、配電單元、數據采集和通訊單元、自動監測儀器等。自動監測儀器監測指標包括溫度（WT）、pH、電導率（EC）、濁度（TUB）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總有機碳（TOC）、葉綠素a（Chl.a）、藍綠藻（BGA）和水中54種揮發性有機物（VOCs）。

1.2.2 監測方法。該系統監測頻率為每4 h 1次，每隔4 h控制單元發出采水指令，潛水泵將太湖原水抽至預處理單元，沉降30 min后，再將水由配水單元分配至各個儀器進行水質分析，最終分析結果通過數據采集和通訊單元上傳至網絡數據監控平臺。監測指標、監測方法及參考標準如表1所示。

1.2.3 在線GC-MS檢測儀。儀器型號為便攜式HAPSITE氣相色譜/質譜儀（Inficon公司），經過改造后實現VOCs在線連續監測。主要部件包括吹掃系統、GC-MS主機、真空泵、采樣杯等（圖2）。分析過程為：水質自動監測系統中配水單元將水樣通過水管引入采樣杯中，多余的水通過溢流口排出，無需對水樣進行其他預處理或過濾，采樣頻次為每4 h 1次。之后通入氮氣，當氮氣氣泡上升時，一部分VOCs被氮氣吹脫從水相轉入氣相，儀器內置采樣泵會把吹掃出來的VOCs富集到儀器的濃縮管里，然后經過高溫解析進入氣相色譜（GC）進行分離分析，最后通過質譜監測器（MS）檢測[12]。檢測條件及具體方法見參考文獻[12]。

1.2.4 數據分析方法。水質自動監測系統在2018年4月1日—2019年3月31日連續運行1年，揮發性有機物共檢出36種，分別為1，1-二氯乙烯、二氯甲烷、反1，2-二氯乙烯、1，1-二氯乙烷、順1，2-二氯乙烯、溴氯甲烷、2，2-二氯丙烷、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、苯、二溴甲烷、1，2-二氯丙烷、一溴二氯甲烷、三氯乙烯、順式-1，3-二氯-1-丙烯、1，3-二氯丙烷、乙苯、間二甲苯 & 對二甲苯、三溴甲烷、苯乙烯、鄰二甲苯、對稱四氯乙烷、1，2，3-三氯丙烷、（1-甲基乙基）-苯（異丙苯）、溴苯、特-丁基苯、1，2，4-三甲基苯、（1-甲基丙基）-苯（仲-丁苯）、1-甲基-4-（1-甲基乙基）-苯（對-異丙苯）、鄰二氯苯、丁基苯、1，2-二溴-3-氯丙烷、1，2，3-三氯苯、萘、1，2，4-三氯苯、1，1，2，3，4，4-六氯-1，3-丁二烯，這36種揮發性有機物均未超出《地表水環境質量標準GB 3838—2002》規定的標準限值。選擇其中檢出率較高的3種典型揮發性有機物（二氯甲烷、苯乙烯、萘），采用SPSS 17.0軟件中的皮爾森相關系數分析方法，分析二氯甲烷、苯乙烯、萘和WT、pH、DO、EC、TUB、CODMn、NH3-N、TP、TN、TOC、Chl.a、BGA之間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 二氯甲烷、苯乙烯、萘濃度逐月變化

從圖3可以看出，2018年4月—2019年3月研究水域內苯乙烯、萘濃度呈現逐月降低的趨勢，變化趨勢基本一致;二氯甲烷濃度呈現先上升后下降的趨勢。苯乙烯月均值為0.030～0.118 μg/L，萘濃度月均值為0.614～8.835 μg/L，二氯甲烷月均值為0.076～0.418 μg/L。

2.2 二氯甲烷、苯乙烯、萘與環境因子相關關系

從表2可以看出，二氯甲烷、苯乙烯、萘3種不同揮發性有機物在水中的濃度與環境因子相關關系表現出不同的特征。二氯甲烷與環境因子沒有表現出較強的相關性，苯乙烯與pH表現出較強的正相關性，萘與WT、EC表現出較強的正相關性，萘與DO、CODMn表現出較強的負相關性，苯乙烯與萘表現出較強的正相關性。

選取P在0.01水平上顯著相關且絕對值較大的r值做出散點圖并進行線性擬合，見圖4。從圖4a可以看出，水體中萘濃度與WT呈現較強的正相關關系，WT越低，水體中萘濃度越低且波動范圍較窄;WT越高，水體中萘濃度越高且波動范圍較大。說明水體中萘濃度在低水溫（5～10 ℃）時，受WT影響較大，水體中萘濃度在高水溫（20～30 ℃）時，受WT的影響較小。從圖4b可以看出，水體中萘濃度與DO呈現較強的負相關關系，因為DO與WT是存在負相關關系，因此可以推導出此結論。從圖4d可以看出，水體中萘濃度與EC總體呈現較強的正相關關系，因EC與WT存在正相關關系（WT越大，水的電離度越大，即EC越大），所以可以推導出此結論。圖中的大部分散點較為集中，少部分散點分布于左側，說明在較低的EC情況下，受其他因素影響，萘濃度存在升高的可能。從圖4e可以看出，水體中萘濃度與CODMn呈現負相關關系，當CODMn處于較低濃度（<4 mg/L）時，萘濃度波動范圍較大，當CODMn處于較高濃度（>5 mg/L）時，萘濃度波動較低，即水體中CODMn濃度越高，萘濃度越低。CODMn是反映水體有機污染物含量的指標且萘可被酸性高錳酸鉀氧化，按常理CODMn應與萘呈現正相關關系，因此二者的負相關關系原因有待進一步研究。從圖4c可以看出，水體中苯乙烯濃度與pH呈現正相關關系，當pH較大（>8.5）時，水體中苯乙烯濃度越大。從圖4f可以看出，水體中苯乙烯濃度與萘呈現正相關關系，因該水源地附近停靠有少量漁船，其VOCs主要來源為漁船發動機燃燒柴油所產生的污染物，而苯乙烯和萘均為柴油燃燒的主要產物[13]，且二者均為苯系物，因此二者呈現正相關關系。

2.3 二氯甲烷、苯乙烯、萘等揮發性有機污染物含量影響因素分析

研究區域位于漁洋山風景名勝區，無大型入湖河道，水位較淺且湖流較緩，主要水動力驅動條件為風浪擾動，因此水體中的揮發性有機污染物的可能來源為漁船柴油機高溫燃燒和沉積物解析釋放。

漁船柴油機高溫燃燒已經被證實是太湖漁洋山水源地揮發性有機物及多環芳烴的主要來源[14]，柴油機燃燒產物會造成局部大氣VOCs濃度升高，氣態相和顆粒相的VOCs經大氣沉降或降雨沖刷進入水體中，造成局部水體中VOCs濃度升高。實地調查發現，漁洋山水源地遠離太湖主要航道，周邊小型漁船活動頻繁，因此小型柴油機高溫燃燒的產物為該區域揮發性有機物的主要來源之一。

沉積物解析釋放是指有機污染物會被沉積物吸附而固定下來，在適當的條件下又會釋放到水體中，成為二次污染源[15]。沉積物的吸附-解析處于動態平衡的過程，在風浪作用下，沉積物的再懸浮不僅解析沉積物中的VOCs，同時也會吸附水體中的VOCs;在靜風條件下，水體中濁度較小，沉積物中的VOCs可以通過靜態釋放的作用由沉積物-水界面向水體中補充VOCs。由于取水口處水位較淺，風浪的增大會引起沉積物的再懸浮、濁度增大[16]，室內模擬試驗表明[17]，在其他條件不變的情況下，沉積物的再懸浮過程會增加上覆水中的多環芳烴（包含萘）濃度。而根據表2二氯甲烷、苯乙烯、萘3種揮發性有機物與濁度（TUB）均沒有體現顯著的相關性，說明原位條件下，風浪引起的沉積物再懸浮并沒有影響到水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘的濃度變化，其影響因素可能是多方面的。比如，水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘均與WT呈現正相關性（表2）。水溫的升高不僅會有效降低懸浮沉積物對多環芳烴（包括萘）的吸附能力[18]，也會加快沉積物中多環芳烴的解析速率，從而使水體中多環芳烴的濃度增加。相反，水溫的降低不僅會有效增大懸浮沉積物對多環芳烴（包括萘）的吸附能力，也會降低沉積物中多環芳烴的解析速率，從而使水體中多環芳烴的濃度降低。例如，2018年10月—2019年3月研究區域內為枯水期，但是水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘濃度均表現明顯降低趨勢（圖3）。使水體中VOCs濃度降低的因素主要包括自然降解速率增加、揮發速率增強、外源輸入減少（漁船活動減弱）、內源輸入減少（沉積物解析速率降低）。自然降解速率和揮發速率在短時期內基本不會發生較大的波動，而且據實際觀測，在此期間該水域漁船活動并沒有出現明顯的降低，因此內源輸入的減少或許是水體中VOCs濃度減少的主要影響因素。在此期間季節變化是由秋季進入冬季，WT逐漸降低，導致水體中VOCs濃度表現降低趨勢。

沉積物是湖泊污染物的重要“源”和“匯”，沉積物中的VOCs在WT升高時，配合較強的水動力，源源不斷地向水體中釋放VOCs。目前湖泊水污染治理多采用底泥疏浚的方法，雖然該方法可以直接去除富含污染物的沉積物，但是疏浚過后松散的底泥更易懸浮，為污染物的釋放提供有利的條件。通過該研究結果，筆者認為水體降溫和底泥固定是2種降低水體VOCs含量行之有效的方法。水體降溫可以采用鋪設水面浮球以及提高太湖水位的方法，鋪設水面浮球可以有效降低太陽光直射水面，從而降低水溫。提高太湖水位可以增加陽光在水中的射程，從而有效降低沉積物-水界面的水溫。底泥固定可以實行沉水植物生態修復，有效固定底泥，降低水動力對底泥的擾動，從而減弱沉積物向水體中釋放VOCs的效應。

3 結論

該研究通過分析太湖漁洋山水源地水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘3種揮發性有機物與環境因子的相關關系，得出以下結論：

（1）2018年4月—2019年3月，研究水域內苯乙烯、萘濃度呈現逐月降低的趨勢，變化趨勢基本一致;二氯甲烷濃度呈現先上升后下降的趨勢。

（2）二氯甲烷與環境因子沒有表現出較強的相關性，苯乙烯與pH表現出較強的正相關性，萘與水溫、電導率表現出較強的正相關性，萘與溶解氧、高錳酸鹽指數表現出較強的負相關性，苯乙烯與萘表現出較強的正相關性。

（3）水體降溫和底泥固定（沉水植物生態修復）將是有效降低湖泊水體VOCs濃度的方法。

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