望虞河西岸河網區沉積物營養鹽和重金屬污染時空分布特征

謝孟星，陳志浩，許 彬，趙 杰，何常清

1.江蘇省城鎮化和城鄉規劃研究中心，江蘇 南京 210000 2.宿遷市供排水管理中心，江蘇 宿遷 223800

太湖流域是全國人口最稠密、經濟最發達、城市化程度最高的地區之一[1-2]，但隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，太湖流域生態破壞嚴重[3-4]。水體富營養化[5-6]及沉積物重金屬污染[7-8]目前已成為影響該區域健康發展的重要因素[9-11]。望虞河作為太湖流域內的重要水道，溝通著長江、太湖兩大水系，在洪澇期擔負由太湖向長江排洪的任務，在其他時段則承擔著由長江向太湖生態補水的任務，是江蘇15條主要入太湖河道之一，在保障太湖(無錫貢湖)供水安全方面發揮著積極作用。望虞河西岸污染是影響望虞河水質的重要因素[12]。該區域水環境具有蘇南平原河網的典型特征，且仍存在污廢水直接排放的現象[12]。過度的人為干擾使其河道生態系統退化、生態功能脆弱，成為太湖流域水環境治理的重點和難點[13]。目前，有關望虞河西岸河網區整體污染狀況的研究相對較少，相關研究主要針對局部區域或單一時段的水體污染狀況[14-15]、重金屬污染狀況[16]，缺少對整個流域水質指標、沉積物營養鹽和重金屬含量時空分布特征的系統性研究，難以為區域水環境管理提供動態參考。

本研究以無錫市望虞河西岸河網區為研究區域，于2018年12月—2019年9月分冬、春、夏、秋4個季節采集底層水、沉積物樣本，分析主要水質指標、沉積物營養鹽和重金屬濃度，揭示各種污染物的時空分布特征，以期為該區域生態環境保護提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區域位于無錫市望虞河西岸，京杭大運河東部，面積約為500 km2。該區域緊鄰太湖貢湖灣，人口密集，經濟發達，具有蘇南平原河網區的典型特征。區域內污染源復雜多樣，生態系統脆弱，生物多樣性低。

在研究區域內選擇了8條代表性的河道，基本覆蓋了整個無錫市。其中：新興塘河流經人類活動密集的市區；芙蓉河、九里河、徐沖橋港位于郊區；夾蠡河沿岸集聚著大量的工業企業；伯瀆港流經無錫城區，上游污染較為嚴重；京杭運河為無錫境內主要航道；望虞河是太湖流域唯一一條由長江直接向太湖引水的骨干河道。在對望虞河、伯瀆港、京杭運河3條骨干河道進行加密監測的情況下，在8條代表性河道和宛山蕩濕地(當地最大的水生態修復工程)共設置了16個采樣點，類型涵蓋工業區、市區、郊區、生態修復區4大類，能夠有代表性地反映該區域污染狀況的空間分布特征。具體位置如圖1所示。

注：1#.新興塘河；2#.九里河；3#.芙蓉河；4#.宛山蕩；5#.徐沖橋港；6#.夾蠡河；7#.伯瀆港上游；8#.伯瀆港中游；9#.伯瀆港下游；10#.京杭運河上游；11#.京杭運河中游；12#.京杭運河下游；13#.望虞河上游；14#.望虞河中游；15#.望虞河下游；16#.望虞河入太湖處。圖1 采樣點位Fig.1 Sampling points

1.2 樣品采集與分析

2018年12月—2019年9月，分冬(12月)、春(3月)、夏(6月)、秋(9月)4個季節采集樣品。其中：沉積物樣本使用彼德遜采泥器采集后，裝入自封袋內，帶回實驗室進行后續處理；底層水樣由分層采水器收集后，轉移至玻璃瓶中，帶回實驗室進行測定。

水體溶解氧(DO)含量使用多參數水質儀現場測定，氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)的測定方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》。沉積物TN的測定采用凱氏定氮法(HJ 717—2014)，TP的測定采用堿熔-鉬銻抗分光光度法(HJ 632—2011)。將沉積物樣品于-80 ℃冷凍干燥后研磨過篩，采用微波消解法(HJ 832—2017)充分消解后定容，使用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定其重金屬含量。試驗的加標回收率為90%～110%。

1.3 沉積物富營養化評價

采用綜合污染指數法進行評價，并以1960年太湖底泥TN、TP實測值的平均值為背景值(TN為0.67 g/kg，TP為0.44 g/kg)。計算公式如下：

CFi=Ci/Ci0

(1)

(2)

式中：CFi為重金屬i的污染系數；Ci0為重金屬i的背景值；Ci為重金屬i的實測值；PLI為某點位多種重金屬元素的綜合污染負荷指數。

1.4 沉積物重金屬生態風險評價

德國科學家MüLLER[17]提出的地累積指數法是一種通過比較重金屬濃度與其地球化學背景值，來定量評價重金屬污染狀況的方法。計算公式如下：

(3)

式中：Igeo為地累積指數；Cn、Bn分別為重金屬元素n的實測濃度值、地球化學背景值；k為修正系數，一般取1.5。

1.5 統計分析

利用SPSS 23.0軟件對主要水質指標、沉積物氮磷及重金屬檢測結果進行Speraman相關性分析和顯著性檢驗。

2 結果與討論

2.1 水體污染狀況時空分布特征

水質指標季節變化情況見表1。其中，NH3-N含量年均值為1.47 mg/L。2018年冬季到2019年秋季，NH3-N平均濃度從2.14 mg/L下降至0.98 mg/L。

TN含量除秋季較高外，其余季節無明顯差異。年均值為4.10 mg/L，是地表水Ⅴ類標準限值的2倍多。

豐水期(6月、9月)TP平均濃度高于枯水期(12月)、平水期(3月)。STEVENSON等[18]認為，吸附在泥沙顆粒表面的磷酸鹽在雨季更容易隨地表徑流進入水體。

CODMn從冬季到夏季逐步降低，秋季有所回升。這與武進港監測數據變化趨勢一致[19]。

受水體熱分層影響，夏秋兩季水體DO含量保持在一個較低的水平。

表1 水質指標季節變化情況Table 1 Quarterly changes of water quality indicators mg/L

水質指標空間分布特征見圖2。16個采樣點中，1#、6#、7#、8#點位的NH3-N含量遠高于其他點位，均超過地表水Ⅴ類標準(2 mg/L)。其中，6#采樣點最高，年平均濃度為4.54 mg/L。

TN的空間分別特征與NH3-N相近(r=0.6，P<0.05)，仍然是1#、6#、7#、8#點位較高。除16#點位的TN年平均濃度(1.93 mg/L)稍低于Ⅴ類水質標準(2 mg/L)外，其余點位均超標嚴重。

TP污染情況較輕，濃度在0.14～0.38 mg/L之間，均未超過Ⅴ類水質標準(0.4 mg/L)。除1#、6#點位較高外，大部分點位的TP年平均濃度低于0.2 mg/L(Ⅲ類水質標準)。

CODMn的空間差異較小，在8.06～9.37 mg/L之間小范圍波動。

除1#、6#、7#這3個氮磷污染較為嚴重的點位的DO含量較低之外，10#點位的DO含量也偏低，其余大部分點位都高于Ⅲ類水質標準(5 mg/L)。

2.2 沉積物營養鹽時空分布特征

沉積物營養鹽季節變化情況見表2。其中，TN含量從冬季的1 008.8 mg/kg下降至夏季的388.6 mg/kg，秋季則回升至1 003.8 mg/kg。研究表明，氮在沉積物-水界面主要通過硝化和反硝化作用的形式進行遷移交換。結合上覆水TN、DO變化情況來看，冬季至夏季，沉積物為氮“源”。其中：冬季至春季，沉積物-水界面處于富氧條件，沉積物中的有機氮通過硝化作用氧化成亞硝酸根、硝酸根，從而進入上覆水；到了夏季，上覆水DO含量急劇下降，河流底部處于厭氧環境，反硝化作用使得硝酸根以N2O或N2等氣體的形式從水系統中分離出來。夏季至秋季，沉積物為氮“匯”。這一時期的水體DO含量變化不大，因此，沉積物TN含量有所增加可能是緣于上覆水TN含量的增加，抑或是水溫、pH等其他環境因子的變化帶來的影響[20-22]。

表2 各季節沉積物氮磷含量Table 2 Statistical of nitrogen and phosphorus content in sediments in each season mg/kg

沉積物TP含量在冬季最低，僅為495.3 mg/kg；在春、夏、秋3季較高，平均濃度分別為863.2、800.5、1 005.8 mg/kg。沉積物TP含量的變化趨勢同上覆水TP含量的變化趨勢一致，因此，沉積物為磷“匯”。

沉積物營養鹽空間分布特征見圖3。除5#、13#、14#、16#點位TP含量相對較低以外，其余點位含量接近。

圖3 各采樣點沉積物氮磷空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of nitrogen and phosphorusin sediments at each sampling point

3#、6#、14#點位的TN含量相對較高，分別為1 044.5、1 280、1 222.3 mg/kg；1#、5#、9#、11#、12#、16#點位的TN含量相對較低。在上覆水TN含量較高的1#、7#、8#點位，其沉積物中的TN含量并沒有明顯高于其他點位。根據采樣期間調研結果，與之相關的兩條河道剛剛進行過清淤，由此可能引發了沉積物TN含量在一定程度上的削減。

2.3 沉積物富營養化狀況評價

采用綜合污染指數法對沉積物富營養化狀況進行評價，結果見表3。

表3 各采樣點沉積物營養鹽風險評價結果Table 3 Results of sediment nutrient risk assessment at each sampling point

評價結果顯示，望虞河西岸河網區沉積物營養鹽污染情況十分嚴重。從全年平均情況來看，18.75%的點位屬于輕度污染，50%的點位屬于中度污染，25%的點位屬于重度污染，僅有6.25%的點位屬于清潔狀態。其中，5#、16#點位的污染情況相對較輕。分析其原因：5#點位屬于“十三五”水專項生態修復項目示范區，前期開展的基底修復工作取得了一定成效；16#點位靠近錫東水源地，周邊環境管理措施較為嚴格，幾乎不存在點源污染和農業面源污染。

2.4 沉積物重金屬時空分布特征

沉積物重金屬季節變化情況見表4。表層沉積物中，Cu、As、Pb、Ni、Zn、Cd、Cr這7種重金屬元素的含量的季節變化較小，均不存在顯著差異(P>0.05)。ZHAO等[23]于2011—2016年對浙江省象山灣沉積物中的重金屬元素進行了長期監測，未發現沉積物重金屬元素含量存在明顯的季節變化趨勢，與本研究結果較為一致。一般而言，影響沉積物重金屬元素含量的因素主要包括外源輸入和重金屬自身的遷移轉化。其中，遷移轉化過程包括重金屬的吸附、絡合及化學沉淀等，這些過程受季節變化的影響較小[24]。這也從側面反映出，該時期不存在重金屬的大量外源輸入。

表4 各季節重金屬濃度統計Table 4 Statistical of heavy metal concentration in each season mg/kg

各點位沉積物重金屬元素空間分布特征見圖4。以江蘇省土壤重金屬含量背景值作為參比，除2#點位外，其余點位的As、Cr年平均濃度均低于背景值。

圖4 各點位沉積物重金屬濃度季節變化情況Fig.4 Seasonal variation of heavy metal concentrationin sediments at each point

Cu和Ni的空間分布特征較為相似(r=0.737，P<0.05)。其中：2#、3#、4#、7#、10#、13#、15#點位沉積物的Cu含量和Ni含量相對較高；6#點位(工業區)沉積物的Cu含量遠高于其他點位，說明工業區沉積物中的Cu可能主要來自附近工業源的排放。

Cd和Zn的空間分布特征也較為相似(r=0.710，P<0.05)。其中：15#點位的Cd含量最高，達到了0.71 mg/kg；其余超標點位的Cd含量在0.17～0.33 mg/kg之間小范圍波動。Zn的污染狀況最為嚴重，所有點位的Zn含量均超過了背景值，同樣也是以15#點位(望虞河)的含量為最高，達到了190.81 mg/kg。

Pb污染狀況相對較輕，有56.25%的點位的Pb含量超過了背景值。其中，Pb污染較為嚴重的點位有3#、7#、10#點位，分別到達了98.25、91.81、148.25 mg/kg。

2.5 沉積物重金屬生態風險評價

以江蘇省土壤重金屬含量背景值作為參比，計算7種重金屬的地累積指數。從表5可以看出：Cd和Zn的污染程度最高，大部分點位屬于偏中度污染；Cu和Pb的污染程度相近，大部分點位屬于輕度污染；As和Cr的污染程度較輕，大部分點位無污染。

表5 重金屬地累積法評價結果Table 5 Evaluation results of heavy metal geoaccumulation method

研究區域內工業污染源相對較少，但農業相對發達，面源污染較嚴重。而研究表明，農業生產中大量施用的化肥(主要是氮肥)、農藥和除草劑都不同程度地含有Zn、Pb、Cd等重金屬，連年施用會造成重金屬在土壤中的累積，并通過地表徑流或其他方式進入水體[25-26]。

3 結論

1)受居民生活和工業企業生產影響，望虞河西岸河網區西北片區的水體污染較為嚴重，具體表現在新興塘河、伯瀆港上中游、夾蠡河氮磷負荷較高。但隨著水體的流動自凈，下游水質狀況明顯得到改善。從時間上看，望虞河西岸河網區水體的冬季NH3-N負荷、秋季TN負荷、豐水期TP負荷較高。

2)沉積物氮磷負荷較高的點位主要分布在兩個片區，分別是九里河、芙蓉河、宛山蕩濕地一帶，以及伯瀆港上中游、夾蠡河一帶。前一片區可能是因長期未進行清淤而導致沉積物氮磷蓄積量過高，后一片區本身的水體氮磷負荷就較為嚴重。從時間上看，沉積物的TN含量會受到上覆水DO的影響，從冬季到夏季逐步下降，秋季則有所回升；沉積物TP含量與上覆水TP含量的變化趨勢一致，即冬季最低，春夏秋季基本持平。

3)研究區域主要受到Cd、Zn兩種重金屬的污染。除15#(望虞河)點位Cd污染最重外，其余點位的Cd污染程度相近；Zn污染嚴重的區域同沉積物氮磷污染嚴重的區域較為一致，可能存在共同的污染源。從時間上看，沉積物中7種重金屬元素含量的季節變化均不明顯。