南四湖的水环境问题研究

王云倩, 曹霏霏, 顾聪敏, 曹 峰, 杨丽原

(1.济南大学 资源与环境学院,山东 济南 250022; 2.济宁市水利局,山东 济宁 271019)

0 引言

南四湖(34°27′～35°20′N, 116°34′～117°21′E)位于山东省西南部,由南阳湖、昭阳湖、独山湖和微山湖相互连贯而成(图1),属于淮河流域泗水水系,湖泊总面积1 266 km2,南北长126 km,东西宽5～25 km,平均水深1.46 m,是山东省最大的淡水湖泊．南四湖湖盆浅平,北高南低,二级坝位于湖泊中部,将其一分为二,二级坝以北为上级湖,包括南阳湖、独山湖和部分昭阳湖,以南为下级湖,包括部分昭阳湖和微山湖,天然情况下的水流方向为上级湖泄水入下级湖．南四湖流域水系丰富,湖东、西、北3面承接苏、鲁、豫、皖4省32个县(市、区)的来水,直接入湖河流多达53条．南四湖作为山东省重要的水源地、南水北调东线工程重要的输水通道和调蓄枢纽,已经发展成为集蓄洪、灌溉、水产、航运等多功能为一体的水库性湖泊．随着流域内经济的快速发展,城市规模的不断扩大,南四湖水环境不容乐观．

近几十年来,国内学者围绕南四湖表层沉积物中重金属及持久性有机污染物的污染状况、湖泊及入湖河流水质状况、湿地景观及功能变化等方面开展了大量的研究工作．本文系统总结和概括了针对南四湖水环境研究取得的成果,在此基础上提出了今后的研究方向,为南四湖水环境管理和保护提供借鉴．

图1 南四湖湖区及主要入湖河流分布

1 南四湖沉积物中重金属的研究

重金属是环境中最主要的污染物之一,具有易积累、难降解的特性．进入水体的重金属绝大部分被悬浮颗粒物吸附,逐步沉积到底泥中,当水体的pH,Eh等条件发生变化时,沉积物吸附的重金属污染物可能重新释放出来,造成水体的二次污染,危害水体的生态环境,并通过食物链威胁人体健康[1-2]．

1.1 重金属的污染状况

1999年,张祖陆等[3]就开始研究南四湖底泥柱状沉积物中Hg,Pb,As,Cr和Cd的污染,研究表明,自1989年以来,随着区域内经济的快速发展,重金属排放量也呈现快速增长的趋势．随后的十几年里,国内学者对南四湖沉积物中重金属的调查与研究不断深入.2003年,杨丽原等[4]通过分析20个南四湖表层沉积物样品,利用潜在生态危害指数法和地质累积指数法评价了南四湖表层底泥中重金属的污染,结果表明:南四湖底泥中Hg超过了背景值的11倍,达到强生态污染水平,是最主要的重金属污染物,Pb,As次之;重金属对南阳湖底泥的综合污染达到重度风险水平,其他湖区为中度风险．2010年针对南四湖表层沉积物重金属的研究结果表明,Hg,Cd,As和Pb为南四湖主要的重金属污染物,南四湖处于无污染-中度污染水平,各重金属对南四湖底泥的综合污染达到中度风险水平[5]．

2007～2012年南四湖表层沉积物中重金属的质量分数如表1所示.通过对比可以看出,从2007年至今,重金属的含量处于基本不变或下降趋势,As和Cd的下降速度尤为明显．自南水北调东线工程实施以来,政府和各相关部门积极贯彻落实《南水北调东线工程治污规划实施意见》,及时调整南四湖流域的经济发展模式,推广清洁生产和点源综合治理技术,确保企业污染物排放能够达到《山东省南水北调沿线水污染物综合排放标准》的要求,一系列措施的实施对南四湖水环境的改善起到了积极的作用．

表1 不同时期南四湖表层沉积物中重金属的质量分数

1.2 重金属的来源

探究重金属的来源,对减少重金属的输入、改善湖泊水质有重要的作用．先前的研究表明,湖泊底泥中重金属的来源分为自然源和人为源[9-10]．自然源主要包括岩石风化、成土过程等,人为源主要包括工业污染、交通污染、农业污染和生活垃圾．

杨丽原等[4]通过对南四湖沉积物样品的分析得出,济宁市未经处理排放的生活污水和工业废水是湖区重金属的主要来源.安文超和程凤鸣[11-12]对南四湖的主要入湖河流进行了监测,结果表明南四湖众多支流重金属污染严重,特别是西支河、泗河、白马河、梁济运河、老运河和洸府河,支流的汇入对南四湖重金属污染影响较大．刘良与王龙凤等[5,8]利用主成分法分析了南四湖表层沉积物中重金属的来源,结果表明: As,Cd,Pb,Zn等重金属主要来自农业生产中化肥、农药的施用; Hg,Cd,Zn,Pb,Cu等重金属主要来自采矿等工业及交通污染; Ni和Cr则主要来自于母岩的风化及成土作用．

2 南四湖沉积物中持久性有机污染物的研究

持久性有机污染物(POPs)是一类对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质,具有长期残留性、生物积累性、半挥发性和高毒性．随着工农业生产的快速发展,大量有机污染物通过地表径流、大气沉降等途径进入水体[13].由于有机污染物具有疏水亲脂特性,进入水体的有机污染物大部分蓄积在沉积物中,可以通过生物、化学过程重新释放出来[14].因此,通过研究沉积物中的有机污染物,可以评价其对水生生态系统的潜在危害．

2.1 持久性有机污染物的含量和分布

史双昕[15]分析了南四湖沉积物中多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)及二恶英(PCDD/Fs)的含量,结果表明:南四湖表层沉积物中PAHs的质量分数为221.9～2 554 ng/g,属于中等污染水平; PCBs的质量分数为2 412～83 094 pg/g,主要以低氯代PCBs为主,属于中等偏上污染水平; PCDD/Fs的质量分数为67～110 pg/g,属于低污染水平．李红莉等[16]对南四湖表层沉积物中13种有机氯农药进行了分析测定,并利用加拿大和美国保护水生环境沉积物化学品风险评价标准对有机氯农药进行了评价,结果表明,南四湖表层沉积物中有机氯农药的质量分数平均值为5.24 ng/g,低于风险水平低值,处于低生态风险水平．综合来看,南四湖表层沉积物中持久性有机污染物的含量均处于较低水平,尚未对生物造成显著的负面影响．

有机污染物的空间分布受入湖河流、污染源位置、沉积物粒度等因素影响.李红莉等[17]通过采集湖区及入湖口的沉积物样品,分析了有机氯农药和多氯联苯的空间分布,结果表明:有机氯农药中滴滴涕的分布特征为下级湖各点的浓度高于上级湖,六六六的分布与滴滴涕恰好相反,其余有机氯农药的分布特征不明显;多氯联苯的大致分布趋势为湖内各点的浓度高于入湖河口,上级湖各点的浓度高于下级湖．刘哲和孙媛媛等[18-19]探究了南四湖表层沉积物中多环芳烃的分布,结果显示微山岛和二级坝附近多环芳烃的含量高于其他点位,且上级湖的含量高于下级湖的含量．

2.2 持久性有机污染物的来源

持久性有机污染物的来源可以概括为4类:工业、农业、交通和生活．工业污染主要包括焦化厂、煤气化工厂、电器制造厂、化学品制造厂等工厂三废的排放;农业污染是指农业生产中除草剂、杀虫剂的使用;交通污染主要是汽车尾气的排放;人类生活中采暖季节燃料的燃烧,民用燃气等都是有机污染物的来源．

李红莉等[17]指出南四湖表层沉积物中多氯联苯以低氯代为主,主要污染源是造纸过程中产生的废水及焚烧炉排放的废气和废尘．孙媛媛等[19]测试了南四湖表层沉积物中多环芳烃的含量,得出高分子量的多环芳烃与低分子量的多环芳烃的比值大于1,因此判定其来源为煤、石油等化石燃料的不完全燃烧．刘哲等[18]分析了南四湖各湖区及入湖支流的表层沉积物样品,研究得出白马河、城郭河、韩庄运河等入湖口处多环芳烃的含量较高,因此把南四湖表层沉积物中多环芳烃的污染归因于入湖河流,而河流中的多环芳烃主要来自于河流沿线燃煤企业．总体看来,南四湖及其支流流域内工业排放是南四湖表层沉积物中有机污染物的主要来源.只有改进流域内工业企业污染处理技术,减少污染物的排放,才能从源头控制有机污染物的污染．

3 南四湖及入湖河流水质研究

3.1 南四湖水质研究

水体污染是当今水环境面临的主要问题之一,南四湖作为山东省最大的淡水湖泊和南水北调东线工程的重要输水通道,其水质状况备受关注．

1991年,厉军[20]通过对湖区内24个水质监测点的持续监测,发现水体中的高锰酸盐指数、总氮、总磷等严重超标,全湖56%的水域严重污染,44%的水域轻污染或重污染;此外,上级湖中40%的水域达到重富营养化水平,55%的水域中富-富营养交替出现,下级湖中45%的水域中富-富-重富营养化交替出现,55%的水域中富-富营养交替出现．2008年,海洋[21]利用修正的营养状态指数法对南四湖水体的富营养化状况进行了评价,结果表明:南阳湖和独山湖大面积湖区表现为中度富营养化水平,昭阳湖主要处于贫营养和中营养水平,下级湖大部分湖区处于贫营养和中营养状态,微山湖中部和北岸部分湖区出现轻度富营养现象．2012年,舒凤月等[22]利用综合营养状态指数法对南四湖富营养化状态进行了评价,结果表明:南四湖整体处于轻度富营养化状态,南阳湖处于中度富营养化状态,独山湖、昭阳湖和微山湖大部分湖区均处于轻度富营养化状态．

1998年,张祖陆等[23]利用南四湖11个长期监测点多年的监测资料,综合10年水质变化规律,将南四湖水域分为3类水质区:严重污染的支流入湖口区约10%的水域面积水质达不到Ⅴ类水标准;污染较轻的支流入湖口附近约13%的水域面积水质勉强达到Ⅴ类水标准;湖区内77%的水域水质尚好,可以达到地表水Ⅲ类标准．和慧[24]利用网络模型评价了南四湖2006年的水质状况,结果显示:上级湖26%的水质类型为Ⅲ类,30%的水质类型为Ⅳ类,44%的水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类;下级湖48%的水质类型为Ⅲ类,39%的水质类型为Ⅳ类,13%的水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类．2010年,李艳红[25]采用模糊数学方法对南四湖进行了水质评价,结果表明下级湖水质处于Ⅰ类、Ⅱ类,上级湖水质不稳定,大部分在Ⅲ～Ⅴ类之间波动．

综合先前的研究数据可以看出,近年来南四湖水体富营养化状态呈下降趋势,湖泊水质也逐年改善,大部分湖区水质在Ⅲ～Ⅳ类之间,下级湖水质优于上级湖,个别地区污染较为严重,距离稳定达到南水北调调水水质Ⅲ类标准还有一定差距．

3.2 主要入湖河流水质研究

南四湖支流众多,河流生态系统受人类活动影响强烈,人类生产活动产生的污染物主要通过入湖河流进入湖体,因此研究入湖河流水质对整治湖区污染有重要意义．

2006～2007年,南四湖流域22条入湖河流的35个监测断面中,水质达到Ⅳ类标准的占20%,Ⅴ类占20%,劣Ⅴ类占60%,无Ⅰ～Ⅲ类水质断面,这是南四湖水质超标的主要原因[26]．辛颖等[27]通过分析南四湖主要入湖河流23个监测断面的水质监测数据得到,2000～2010年间各监测断面的CODCr和NH3-N浓度平均值总体呈下降趋势,下降率分别达74.4%和93.1%,2010年各监控断面的污染物浓度比2005年下降73.9%,总体上水质有了大幅度改善．2012年武周虎等[28]对南四湖35个入湖河口的监测数据进行分析,研究表明,南四湖入湖河口水质逐年改善,但老运河、洸府河、东鱼河、房庄河、泗河、洙赵新河、白马河、薛城小沙河、新薛河和新万福河污染仍然很严重,应该作为流域治污的重点．

4 南四湖湿地景观格局变化

湿地被誉为“地球之肾”,存在于陆地生态系统和水生生态系统的交错地带,具有巨大的环境功能和经济效益,是人类最重要的生存环境之一．研究湿地景观格局的变化,对湿地的恢复和重建具有一定的指导作用．

南四湖整个湖区作为典型的湖泊湿地,已经被列为国家级湿地保护区,从20世纪80年代以来,由于人类活动的干扰,南四湖湿地景观格局和生态功能发生了很大的变化．主要表现为自然湿地(自然水面、河流、芦苇、荷田)所占面积逐渐减少,破碎程度加剧;人工湿地(养殖水面、水库坑塘、人工水渠)的面积逐年增加,景观破碎化程度不一;优势景观从自然水域、芦苇地与荷田植被变为自然水域和养殖水面景观;非湿地景观中居民点及建筑用地面积呈增加趋势,其他农用地所占面积缩小[29-31]．南四湖湿地景观格局的变化提高了湿地的生产功能,增加了地区的经济效益,但降低了该地区的生物多样性,造成一些物种种群数量的减少甚至消失,降低了生态系统抗干扰的能力,湿地生态系统的大气调节和净化功能呈下降趋势．

5 南四湖水环境研究展望

国内学者针对南四湖水环境开展了大量的研究工作,从目前的研究状况来看,未来对南四湖的研究可能主要体现为4个方面.

5.1 深入对南四湖流域物质运移及入湖通量的研究

研究重点应该放在污染物(重金属、营养盐、有机物等)在支流-湖泊系统的输移,在水-沉积物界面上的迁移、转化机理,如人类活动影响下南四湖流域内污染物的产生、来源定量识别、运移模拟、净化机制及通量估算等．

5.2 开展南四湖湖泊水动力及其生态环境效应的研究

湖泊水动力会提高水体复氧能力,影响水体的热力、光学特性,增强湖泊的垂直混合,影响沉积物中营养盐、重金属等水平、垂直输移及时空分布,影响浮游生物的生长以及优势种群的演替等,因此今后对南四湖水环境的研究中应考虑水动力的影响．

5.3 建立南四湖生态健康评价指标体系

根据南四湖生态系统的实际情况,综合考虑自然、经济、社会因素,选择评价指标,建立南四湖生态系统健康评价指标体系,并结合3S技术、人工神经网络等分析技术,全面准确地对其生态健康进行评价,为湖泊的利用和管理提供科学的决策依据．

5.4 南四湖水体污染修复技术研究

目前国内常用的水体修复方法有物理修复、化学修复和生物修复．物理修复主要包括底泥疏浚、水体深层曝气等;化学修复包括混凝沉淀法、光化学降解法等;生物修复主要是利用培育的生物对水中的污染物进行降解,包括微生物强化技术、水生生物修复等．南四湖流域面积广,不同湖区污染状况不同,应该根据实际情况选择合适的方法进行修复．

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