環太湖水體污染現狀分析

柳后起，方正，孟巖，袁自嬌

1. 中國科學技術大學蘇州高等研究院，江蘇 蘇州 215123；2. 安徽師范大學生態與環境學院，安徽 蕪湖 241000

近幾十年來，由于城市化進程和經濟迅速發展，大量污染物流入水體，而相應的環保力度和治理技術未能得到同步發展，從而引發一系列的水環境問題，嚴重破壞了健康的生態環境。

太湖是中國第三大淡水湖泊，屬于典型的草型湖泊。太湖流域是中國城市化和工業化發展速度最快的區域之一，在區域經濟和社會發展中具有重要的戰略地位。2007年太湖藍藻大暴發，給太湖流域造成了嚴重的經濟損失和社會影響。水危機后，采取了一系列措施對太湖進行整治，如嚴格管控化工企業的污染排放、面源污染物控制、引江濟太、重點區域的清淤等，取得一定成效（王鳳，2007）。2009—2015期間，太湖水質有逐年改善趨勢，但太湖生態自凈能力仍比較有限，TP和TN的自凈率分別只有48%和42%，未利用的氮、磷等污染物去向和可能引發的水污染問題仍需關注（翟淑華等，2014；于東升等，2017）。

太湖水環境問題仍比較突出，富營養化引起的環境問題沒有得到徹底解決，尤其是北部的梅梁湖、竺山湖和西部沿岸是太湖污染較嚴重的區域。目前有關太湖流域的研究，多集中于水體沉積物重金屬或局部區域水體污染的研究（Bian et al.，2017；Rajeshkumar et al.，2018；朱偉等，2017）。本研究對環太湖沿岸水體進行了綜合采樣和分析評價，以全面了解環太湖水體的當前富營養化狀態、水體污染現狀和空間分布特征等概況。并基于重金屬水質基準限值，對水體重金屬的水生生物的潛在生態毒理危害進行了評估，從而為水質安全的評價和制定太湖污染防控對策提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

圖1 采樣點位置示意圖Fig. 1 Regions and Sampling Sites around Lake Taihu

參照相關文獻（王穎雪等，2015；楊陳等，2016），對太湖湖區進行區域劃分（圖 1），主要分為東部沿岸（S1—S4）、東太湖（S5—S8）、南部沿岸（S9—S10）、西部沿岸（S12—S14）和北部沿岸（S16—S25）。本次對環太湖重點水域和重要出入湖河流進行了樣品采集。北部太湖一直為太湖重點關注水域，因此在該區域的竺山灣、梅梁灣和貢湖灣進行了樣點布置；另外在太湖重要出入湖河流（如大浦河、太滆運河、合溪河、苕溪河、梁溪河、胥江運河、滸光運河、太浦河等）附近進行了樣品采集。于2018年11月，采用手持式GPS定位，采用水質采集器對太湖沿岸水體（離岸1.5 m，深度0—20 cm）進行采集，共獲得水樣25個，每個點采集水樣2份，體積各2 L。水樣用干凈的聚四氟乙烯瓶盛裝，帶回實驗室后及時分析。

1.2 樣品分析

采樣時現場測試了pH值、透明度（SD）等指標。采用國標法對樣品總有機碳（TOC）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、COD進行分析。采用離子色譜儀（DIONEX，ICS-2000）對氟化物、氯化物、硝酸根和硫酸根進行定量分析。另取經0.45 μm膜過濾后的水樣，加入優級純硝酸，使樣品酸度為2%，然后用ICP-MS（Thermo，XSERIES 2）對溶解態重金屬元素進行分析。實驗所用藥品為分析純或以上純度，實驗用水為超純水（MILLPORE，Milli-Q，18.2 MΩ.cm），重金屬分析涉及容器經10%硝酸（V/V）浸泡24 h，然后用超純水潤洗5次。樣品重復測試，誤差控制在±10%以內；設置樣品空白和質量控制樣品各3份，標線線性指數R2＞0.999，重金屬回收率為87%—108%。

1.3 富營養化評價

本研究選擇綜合營養指數對環太湖水體富營養化狀態進行評價（王鳳，2007；王明翠等，2002），計算公式為：

式中，TLI（∑）表示綜合營養狀態指數；TLIi為第i種參數的營養狀態指數；Wi為第i種參數的富營養狀態指數的相關權重；m為參與富營養化評價參數的個數；第i種參數的歸一化相關權重，計算公式為：

式中，ri為第i種參數與基準參數chla的相關系數。當 TLI(∑)＜30時，表示水體貧營養；30≤TLI(∑)≤50，中營養；50＜TLI(∑)≤60，輕度富營養；60＜TLI(∑)≤70，中度富營養；TLI(∑)＞70，重度富營養。本研究選擇TP、TN、COD和透明度作為湖泊富營養化評定指標。

1.4 污染評價

采用單因子評價法和內梅羅綜合污染指數法，依據《地表水環境質量標準》，選擇了COD、氨氮、TP、TN、Cu、Zn、Se、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、Fe、Mn、Co、Ni、氟化物（F?）、硫酸鹽（SO42?）、氯化物（Cl?）、硝酸鹽（NO3?）20項水質指標，對水體污染程度進行綜合評價。本研究評價標準采用國家《地表水環境質量標準（GB 3838—2002）》Ⅲ類標準限值作為參考標準，其中，硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、鐵、錳、鈷、鎳限值參考“集中式生活飲用水地表水源地項目標準限值”（國家環保總局等，GB 3838—2002）。

1.4.1 單因子評價法

單因子污染指數可較簡便地對單個水質因子進行污染評價，計算公式為：

式中，Pi為單因子污染指數；Ci為水質指標i的實測濃度；Si為相應的水質標準。Pi＜1，水體未受污染；Pi=1，水體處于臨界狀態；Pi＞1，水體已受到污染。

1.4.2 內梅羅綜合指數評價

內梅羅綜合污染指數法綜合考慮了各污染物的污染水平，并能突出個別污染物的最大污染貢獻（Nemerow，1991），計算公式為：

式中，Pmax、Pave分別為Pi中最大值和所有Pi的算術平均值。

內梅羅綜合污染指數將水質污染狀況劃分為 6個等級：IP＜0.5，清潔；0.5＜IP＜1.0，尚清潔；1.0＜IP＜2.0，輕度污染；2.0＜IP＜5.0，中度污染；5.0＜IP＜10.0，重度污染；IP＞10.0，嚴重污染。

2 結果與分析

2.1 水體污染特征

由表1可知，環太湖水體pH值為 (7.60±0.22)，水體呈中性偏弱堿性。透明度為 (29.24±12.67) cm。總有機碳質量濃度為 (24.82±2.48) mg·L?1，變異系數為0.10，有機物總量空間分布比較均勻。多數水質指標未超出相應標準限值，為Ⅲ類或更好類別地表水。重金屬除Hg濃度為Ⅳ類地表水質外，其他重金屬含量均較低，處于Ⅰ類地表水限值范圍，Mn、Fe、Co和Ni濃度也均未超出集中式生活飲用水地表水源地標準限值。氨氮含量為(0.32±0.12) mg·L?1，總體處于Ⅱ類地表水標準，占采樣點的88%，氨氮變異系數為0.38，含量存在一定的空間差異。COD為Ⅲ地表水，TP和TN污染仍較嚴重，分別為Ⅴ類和劣Ⅴ類地表水。

表1 水質因子濃度與單因子污染指數Table 1 Concentrations and single pollution index of water quality factors

2.2 單因子污染指數分析

單因子污染指數結果（表1）。多數水質參數顯示未污染，但TN、TP和總Hg已達到較嚴重的污染程度，TP單因子污染指數為 (2.25±1.39)，范圍為0.96—8.23；TN單因子污染指數為 (2.91±0.94)，范圍為 1.55—5.27；總 Hg單因子污染指數為(3.43±1.71)，范圍為1.59—6.99，這3個水質指標的單因子污染指數均超出1，顯示嚴重污染。

2.3 內梅羅綜合污染指數

內梅羅綜合污染指數為 (2.78±1.20)，范圍為1.24—5.89，顯示水質總體呈中度污染狀態。由圖2可知，研究區水質輕度污染占采樣點36%，中度污染占60%，重度污染為4%。污染程度為：北部沿岸＞東部沿岸＞西部沿岸＞南部沿岸＞東太湖。北部的竺山灣、梅梁灣和貢湖灣均已達到中度污染。東部沿岸為太湖的主要出水區，可能攜帶湖體污染物流出湖區，導致污染程度偏重（鄭一等，2001）。西部沿岸和南部沿岸水質處于臨界中度污染。東太湖水質最好，為輕度污染，這應該與本區域分布有大量沉水植物、挺水植物以及近年采取的生態治理措施有關。位于北部沿岸竺山灣的 S17號采樣點（P=4.99）和貢湖灣的S21號采樣點（P=4.83）已接近重度污染，位于梅梁灣水域的 S20號采樣點（P=5.89）已處于重度污染狀態。

圖2 內梅羅綜合污染指數Fig. 2 Regional distribution of Nemero comprehensive pollution index

2.4 綜合富營養指數

環太湖水體綜合營養狀態指數（TLI）平均數值為 69.3，顯示中度富營養化，與 2001年研究結果（TLI=61.1）相比，富營養化程度有所加重（王明翠等，2002）。TP、TN、COD和透明度的單個營養指數（TLI）平均值依次為(57.1±7.2)、(71.9±5.0)、(72.0±9.0) 和 (76.7±8.2)，變異系數分別為 0.13、0.07、0.13和0.11，顯示各湖區單個指標富營養化分布較為均勻，各指標對綜合富營養指數的貢獻率分別為21.1%、25.3%、26.0%和27.7%。由圖3可知，各區域水體已達到中度或重度富營養化，且存在明顯的空間差異，依次為西部沿岸 (TLI=71.2)＞北部沿岸 (TLI=70.3)＞南部沿岸 (TLI=69.4)＞東太湖 (TLI=68.4)＞東部沿岸 (TLI=66.0)。分析可知，西部沿岸的透明度較差（TLI=83.3），這導致綜合富營養化程度偏重。北部沿岸的梅梁灣富營養化程度最高（TLI=74.9），竺山灣次之（TLI=72.6），貢湖灣相對最低（TLI=67.4）。因貢湖灣采樣點較多，所以導致北部綜合富營養化程度偏低。東太湖 TP、TN、COD和透明度的營養指數平均值依次為56.2、72.0、66.3和 69.8，與 2006年研究相比（TP-69.4、TN-74.3、COD-63.2和SD-65.4），TN、TP指數有所下降，COD和透明度富營養化程度有所加劇，綜合富營養化指數也明顯上升（TLI=64.1）（白秀玲等，2006）。

2.5 重金屬分布特征

圖3 各湖區綜合營養指數Fig. 3 Comprehensive nutrition index in Lake Taihu

圖4 溶解性重金屬含量分布特征Fig. 4 Regional distribution characteristics of dissolved metals in surface water

由表1可知，環太湖水體重金屬（Hg除外）含量均較低，但不同區域及重金屬之間的含量存在較大差異，濃度順序為：Fe＞Ni＞Se＞Cu＞Zn＞As＞Cr＞Hg＞Co＞Pb＞Cd。本文對重金屬（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Se、Hg、Ni）在各區域的分布進行了總結（圖 4）。由圖可知，重金屬總量由高到低順序為北部沿岸、西部沿岸、東部沿岸、南部沿岸、東太湖。北部太湖冶金、化工和紡織污染較嚴重，污染突出，導致北部沿岸重金屬含量相對最高，尤其是北部的竺山灣，這與之前研究較為一致（燕姝雯等，2011）。東太湖重金屬濃度最低。Cd、Pb、Hg、As、Zn和Se濃度變異系數均高于0.50，As和Pb分別為1.35和0.96，顯示明顯的空間分布差異。西部沿岸水體的Cr、Pb和Zn含量最高，北部的As、Hg、Se含量最高；Cr、Cu和Ni濃度分布較為均勻，變異系數分別為0.17、0.26和0.36。

參照重金屬相關水質基準，結果顯示北部的竺山灣、梅梁灣和貢湖灣部分區域水體（S17、S20、S21、S23、S24和S25采樣點）的Hg含量已超出中國淡水水生生物Hg慢性基準數值（LTHC5：0.467 μg·L?1）（張瑞卿等，2012），這些區域的 Hg 已對水生生物具有一定的潛在危害。Cd、Pb和Zn含量較低，均未超出水生生物慢性或急性基準數值，處于安全范圍（趙芊淵等，2015；吳豐昌等，2011；閆振廣等，2009；孔祥臻等，2011；EPA，2009）。

2.6 主要污染因子區域分布特征與污染源分析

基于單因子污染指數，對各因子的污染負荷進行了分析，結果顯示，各因子對水體污染的貢獻存在明顯差異，污染貢獻較大的因子為總汞(29.58%)＞TN (25.09%)＞TP (19.38%)＞COD (6.60%)，它們的累積污染貢獻率達80.65%。可見，總Hg、TN、TP和 COD是環太湖水體的主要污染驅動因子，因此，本文對TN、TP、總Hg和COD的空間分布特征進行了概括（圖5）。

由表 1可知，COD 質量濃度為 (15.29±6.50)mg·L?1，范圍為 7.52—41.36 mg·L?1。總體來看，環太湖 COD濃度處于Ⅲ類地表水范圍，以Ⅰ類和Ⅱ類水質為主，分別占總采樣點的56%和32%。COD含量變異系數為0.43，存在明顯的空間差異，北部湖灣含量最高，西部沿岸次之，兩區域都為Ⅲ類地表水，東部沿岸、東太湖和南部沿岸為Ⅰ類地表水。北部沿岸的梅梁灣 COD平均質量濃度為 26.32 mg·L?1，已達到Ⅳ地表水標準，S20號采樣點COD質量濃度為41.36 mg·L?1，為劣Ⅴ類地表水。

TN 質量濃度為 (2.91±0.94) mg·L?1，范圍為1.55—5.27 mg·L?1，總體屬于劣Ⅴ類地表水，占采樣點的92%，8%為Ⅴ類地表水。TN濃度變異系數為0.32，空間分布較均勻，顯示明顯的面源污染特征。TN濃度表現為北部沿岸＞東部沿岸＞西部沿岸＞南部沿岸＞東太湖。東部沿岸的呂浦港采樣點（S1）、北部貢湖灣（S21）、竺山灣（S16和S17）的TN濃度均高于 4.0 mg·L?1，張曉晴等（2011）在 2005—2007期間的研究也發現類似分布特征，竺山灣水體TN明顯高于其他湖區，雖然東太湖 TN濃度相對較低 (2.46±0.74) mg·L?1，但比 2006 年（1.61 mg·L?1）有明顯增加（白秀玲等，2006）。有研究表明，2015年太湖西岸年平均入湖TN濃度為4.54 mg·L?1，嚴重超標，COD濃度也高于GB 3838—2002中Ⅲ類地表水限值，其余各指標在Ⅲ類地表水范圍（于東升等，2017）。由此可見，近年來太湖水質趨于變好。

圖5 主要污染因子區域分布特征Fig. 5 Distribution characteristics of main pollution factors

TP 質量濃度為 (0.11±0.07) mg·L?1，范圍為0.05—0.41 mg·L?1，總體處于Ⅴ類地表水范圍。變異系數為0.62，空間差異明顯，以Ⅳ和Ⅴ類地表水為主，都占總采樣點的44%。東部沿岸為0.10 mg·L?1，已臨界Ⅴ類地表水限值，太湖南部、西部、北部和東太湖都達Ⅴ類地表水，南部相對最嚴重。東太湖水體 TP 質量濃度為 (0.11±0.02) mg·L?1，與 2006 年研究結果（TP=0.103 mg·L?1）比較接近（白秀玲等，2006），表明東太湖區域近年TP濃度控制較好，這應該與本水域分布有大量水生植物有關。北部湖灣中，梅梁灣TP質量濃度最高（0.22 mg·L?1），屬于劣Ⅴ類地表水，梅梁灣S20號采樣點TP質量濃度達到了0.41 mg·L?1，該處磷污染最嚴重。有研究表明，梅梁灣、竺山灣是太湖污水的主要入湖區，入湖的磷占輸入量的75%（鄭一等，2001）。竺山灣和貢湖灣TP濃度處于Ⅳ類地表水，貢湖灣TP污染相對最輕。

總 Hg 質量濃度為 (0.34±0.17) μg·L?1，范圍為0.16—0.70 μg·L?1，變異系數為 0.50，存在一定的空間差異。總體來看，所有采樣點Hg質量濃度處于Ⅳ地表水范圍，空間分布為北部沿岸＞西部沿岸＞東太湖＞東部沿岸＞南部沿岸，北部沿岸Hg濃度均值達到0.52 mg·L?1，多個采樣點污染較為嚴重。

有研究表明，總氮超標是太湖流域較為普遍的問題，主要受上游污水、點源和面源污染的影響。總磷濃度在 6—9月豐水期也會出現濃度明顯偏高現象，說明總磷受到較大的農業面源影響（韓梅等，2014；呂學研等，2016；王大春等，2015）。由于太湖的主要入湖河流分布于西部，大量化工處理污水流入湖體，另有沿岸農業、養殖等面源污染，導致西部污染仍比較嚴重。北部灣區相對封閉，與外太湖水體交換有限，污染物不斷沉積，導致污染加重。因此，需要對北部進行人工生態干預，提高其自凈能力，同時結合工程手段，以減輕該區域的本底污染負荷。西部區域面積廣闊，需要針對面源污染和入湖水體污染特征展開深入研究，如沿岸農業污染、地表徑流污染的截留工程建設，從而為太湖水質治理制定科學有效的方案。

3 結論

本研究對環太湖水體污染現狀進行了綜合評價。結果顯示，目前太湖為中度富營養化；單因子污染指數顯示TN、TP和Hg污染較為嚴重，TN為劣V類地表水，TP為Ⅴ類地表水，Hg為Ⅳ類地表水，其他水質指標未超出Ⅲ類地表水限值。內梅羅綜合污染指數結果顯示，環太湖水質總體呈中度污染，占采樣點74.36%；輕度污染、重度和嚴重污染分別占采樣點的17.95%、5.13%和2.56%。TN、TP、Hg和COD是主要污染驅動因子，累積污染貢獻率占80.65%。總體來看，太湖北部污染最嚴重，尤其是Hg，明顯高于其他區域。北部沿岸多處水域Hg濃度已超出我國淡水水生生物Hg慢性基準限值。

目前太湖污染還沒得到明顯改善，尤其是北部三大湖灣和西部湖區，近年藍藻水華仍較嚴重。因此，應該從各湖區污染特征和周邊生態環境情況出發，制定科學的治污措施和生態規劃，注重加強對水生植被的保護與重建，尤其是加強沉水植物和挺水植物的生態恢復，做好長期監督管理，促進太湖生態系統的良性發展。