南湖水体中悬浮物的时空分布特征及环境效应

赵丽，蔚静雯，邢健宇，王书航*，蔡青，郑朔方，姜霞

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，中国环境科学研究院 2.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，中国环境科学研究院 3.长江生态环保集团有限公司

悬浮物是指水体中各种不同分散度的悬浮颗粒物，其粒径变化范围较大，既有小于0.2 μm的颗粒状胶体，也有mm级的浮游植物、鱼卵、浮游动物、粪便颗粒和海洋雪花等[1]。水体中悬浮物浓度是评价水环境质量的重要参数，其可影响水体透明度、浑浊度、水体颜色等光学性质，决定太阳光在水下的分布和浮游植物对光照的利用情况，从而影响水体的初级生产力[2-5]。此外，水体中悬浮物浓度也是衡量水质污染程度的基本指标之一[6]，可以作为污染物的指示剂。李正阳等[7]研究指出，各种营养盐和污染物以水体中悬浮物为载体，容易引起蓝藻水华暴发等严重生态危害。因此，对水体中悬浮物浓度的研究，有助于河流、湖泊和水库等水体的生态环境保护。

南湖(120°76′E，30°76′N)位于浙江省嘉兴市东南部，水域面积约0.42 km2。南湖由运河各渠汇流而成，上承长水塘和海盐塘，下泄于平湖塘和长纤塘，四周地势低平，河港纵横。南湖是中国共产党召开第一次全国代表大会的会址，是著名的红色教育基地。近年来南湖水体氮、磷浓度和化学需氧量等水质指标呈下降趋势，但水质感官指标——水体透明度和悬浮物浓度却并未改善，因此，对悬浮物浓度的研究成为南湖水环境治理的重点。笔者在详细调查的基础上，对南湖及周边水体中悬浮物时空分布特征、组成、来源进行分析，对悬浮物浓度居高不下的原因进行探讨，并提出下一步控制的建议，以期为南湖水环境治理提供数据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 水样采集

针对南湖及周边水体分布特征，在南湖主要入湖河流主干道、入湖河口、河流交叉口及东北部姚家荡共布设56个月际采样点〔图1(a)〕，分别于2018年8月(丰水期)、2019年1月(枯水期)采集水样；在南湖湖区布设50个加密采样点〔图1(b)〕，于2018年10月采集水样；在南湖湖区布设3个月际采样点，于2018年8月—2019年7月每月采集1次水样。用有机玻璃采水器采集各采样点表层0.5 m处水样，同时测定水深、溶解氧(DO)浓度、pH、氧化还原电位等水质理化参数，将采集的水样低温保存并送至实验室，48 h内进行相关指标的测定。

图1 南湖及周边水体采样点分布示意Fig.1 Distribution of sampling points in Nanhu Lake and its surrounding waters

1.2 检测指标与方法

水体中总悬浮物(TSS)浓度采用GB 11901—89《水质 悬浮物的测定 重量法》测定，将一定体积的水样通过0.45 μm的滤膜，TSS浓度等于截留在滤膜上并于103～105 ℃烘干至恒质量的固体物质质量与过滤水样的体积之比；无机悬浮物(ISS)浓度的测定采用烧失量法[8]，取已烘干含悬浮颗粒物的滤膜放入马弗炉中，于550 ℃下煅烧6 h至恒质量后称量，ISS浓度等于悬浮物在煅烧后剩余的质量与过滤水样的体积之比；有机悬浮物(OSS)浓度等于TSS浓度与ISS浓度之差。水体中总氮(TN)浓度采用GB 11894—89《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定，水体中总磷(TP)浓度采用GB 11893—89《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测定；悬浮物中TN浓度采用大进样量元素分析仪(Vario MACRO cube，德国)测定，悬浮物中TP浓度采用钼锑抗分光光度法测定，悬浮物粒径采用激光粒度仪(Marlvern Mastersizer 2000，英国)测定；水体透明度采用塞氏盘测定，水深采用水深测定仪测定，水体DO浓度、pH和氧化还原电位采用便携式多参数水质测量仪测定。所有指标均进行3次平行测定，取平均值(误差<5%)。相关性分析采用皮尔逊(Pearson)相关系数法，空间分布采用克里格插值法(Kriging)。试验数据采用Excel 2010、Origin 2018和SPSS 19.0软件进行统计检验、绘图与分析。

2 结果与分析

2.1 南湖水体主要水质指标状况

2018年10月南湖水体主要水质指标状况如表1所示。由表1可知，南湖水深为1.00～3.75 m，平均值为3.00 m；水体透明度为10.00～46.00 cm，平均值为24.85 cm，整体偏低；水体DO浓度为2.06～9.96 mgL，平均值为5.92 mgL，局部区域DO浓度偏低；pH为7.03～8.55，平均值为7.47，呈中性；氧化还原电位为46.5～179.0 mV，平均值为130.2 mV，具有氧化性；悬浮物中值粒径为4.49～13.63 μm，平均值为8.01 μm；水体中TN、TP浓度平均值分别为4.32、0.25 mgL，均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质标准，处于较高营养盐水平。

表1 2018年10月南湖水体主要水质指标状况

图2 南湖水体中TSS浓度月际变化Fig.2 Monthly variation of TSS concentrations in Nanhu Lake

2.2 南湖水体中TSS浓度月变化特征

2018年8月—2019年7月南湖水体中TSS浓度月际变化如图2所示。由图2可知，各月南湖水体中TSS浓度呈波动变化且无明显月际变化，3个采样点TSS浓度为24.00～47.60 mgL，平均值为37.58 mgL，整体较高。5月、9月和10月TSS平均浓度均大于40 mgL，处于一年中较高水平，这可能是因为这3个月是南湖的旅游旺季，游客众多，游船载客游览活动频繁，对水体扰动作用较强，引起底泥再悬浮，加之南湖中没有水生植物，无法对悬浮底泥起到过滤、消浪和抑制上浮作用，从而造成水体TSS浓度较高；其余月份TSS平均浓度为28～41 mgL，其中3月最低，平均值仅为28.67 mgL。

2.3 南湖水体中TSS浓度空间变化特征

2018年10月南湖水体中TSS浓度空间分布如图3所示。由图3可知，南湖水体中TSS浓度为29.20～75.20 mgL，平均值为38.95 mgL。TSS浓度空间分布差异性显著，高值主要集中在西南、东南入湖河口及其航道区域，在湖体南部和出湖口较低。入湖河口水体中TSS浓度整体较高，说明入湖河流对南湖水体中TSS的贡献较大；另外，南湖水体TSS浓度还受船舶活动的影响，航道区域TSS浓度明显高于周边水体。

2.4 南湖及周边水体中TSS浓度时空变化特征

图4 南湖及周边水体中TSS浓度的空间分布Fig.4 Spatial distribution of TSS concentrations in Nanhu Lake and its surrounding waters

南湖及周边水体中TSS浓度空间分布特征如图4所示。由图4可知，南湖及周边水体中TSS浓度为10.00～230.67 mgL，平均值为59.08 mgL，其中2019年1月的平均值为54.88 mgL，2018年8月的平均值为64.30 mgL，差异不显著(P>0.05)。空间分布上，西部的杭州塘、北部的苏州塘和长纤塘、东部的平湖塘TSS浓度均高于南湖，且多个区域水体中TSS浓度大于80 mgL。究其原因，主要是西部、北部外环河网是京杭运河主航道，承担着重要的航运任务，每天众多船只穿梭于此运送煤炭、水泥、石膏等物资[9]，对区域水体扰动十分强烈，扰动引起的底泥再悬浮严重影响水体中TSS浓度。除嘉善塘和平湖塘外，南部和东部区域水体中TSS浓度与南湖水体相差不大，为20～60 mgL，且2019年1月TSS浓度低于2018年8月，这是由于该区域航运活动相对较少，对水体的扰动强度相对低；东北部区域的姚家荡是一个封闭型水体，水体流动性较差，受人类干扰较小，TSS浓度最低。综上，南湖及周边水体中TSS浓度整体处于高水平，主要影响因素是航运造成的水体扰动。

3 讨论

3.1 水体中悬浮物的组成与粒径分布

水体中悬浮物的来源有外源性和内源性2种，外源性来源主要包括地表径流带入到水体的细颗粒泥沙、腐屑以及投饵网箱的残体等，内源性来源主要包括浮游生物及其死后的残体、风浪作用下底泥的再悬浮、水生植物腐烂后的残体[10]。由于南湖与周边京杭运河相通，而京杭运河水体中悬浮物浓度远高于南湖，因此南湖水体中悬浮物受外源河流输入影响较大，南湖水体中悬浮物内源性来源主要以船舶扰动引起的底泥再悬浮为主。

图5 南湖及周边水体中OSS、ISS与TSS浓度的相关关系Fig.5 Correlation between OSS, ISS and TSS concentration in Nanhu Lake and its surrounding waters

从组成上看，南湖及周边水体中悬浮物以ISS为主，其浓度为2.80～210.00 mgL，平均值为41.19 mgL，在TSS中占比高达73.44%；而OSS浓度仅为4.00～37.00 mgL，平均值为11.71 mgL；南湖水体中悬浮物也以ISS为主，其在TSS中占比为55.42%～79.25%，平均值为66.80%。南湖及周边水体中OSS、ISS与TSS浓度相关关系多元回归曲线(图5)表明，OSS、ISS浓度均与TSS浓度呈显著正相关(P<0.01)，但ISS浓度的相关系数(R)更大，进一步说明南湖及周边水体中悬浮物浓度空间分布主要是由ISS浓度决定的。

为了进一步探讨南湖水体中悬浮物的特征，对南湖及周边水体中悬浮物的中值粒径进行了统计，结果如图6所示。由图6可知，南湖周边水体中粒径为10～50 μm和大于50 μm悬浮物占比均值分别达38.60%和29.83%；粒径为0～10 μm悬浮物占比均值为31.57%。而南湖水体中粒径为0～10 μm悬浮物占比为45.24%～83.73%，均值为58.94%；粒径为10～50 μm和大于50 μm悬浮物占比的均值相对较小，分别为20.59%和20.47%。这说明狭窄河道携带悬浮物来到宽阔的湖体时，大粒径悬浮物沉降下来，但粒径小于10 μm的悬浮物很难通过重力而沉降，因此南湖水体中悬浮物主要以细小且不易沉降的颗粒物为主。

图6 南湖及周边水体中不同粒径悬浮物占比Fig.6 Proportions of different particle size of suspended solids in Nanhu Lake and its surrounding waters

3.2 水体中悬浮物浓度与TN、TP浓度关系

悬浮物是多种营养盐与污染物吸附的载体，尤其是氮、磷营养盐，而氮、磷是导致水体富营养化的主要因素。南湖及周边水体中TSS浓度与TN、TP浓度的相关关系如图7所示。由图7可知，南湖及周边水体中TSS浓度与TN、TP浓度呈显著正相关(P<0.01)，相关系数(R2)分别为0.65和0.70，其中与TP浓度的相关性更好。

图7 南湖及周边水体中TSS浓度与 TN、TP浓度的相关关系Fig.7 Correlation between TSS, TN and TP concentrations in Nanhu Lake and its surrounding waters

悬浮物具有吸附性，可与水体中的污染物相互作用成为其载体，在很大程度上决定着污染物在环境中的迁移转化和循环归宿[11-13]，这可能是导致南湖及周边水体中TN、TP浓度高的重要原因之一。对南湖及周边水体悬浮物中氮、磷浓度进行了测定，结果如图8所示。由图8可知，南湖及周边水体悬浮物中TN、TP浓度平均值分别为1 617.10、1 415.58 mgkg，均高于杭嘉湖平原区表层土壤环境背景值(TN为1 460 mgkg，TP为763 mgkg)[14]，说明悬浮物中TN、TP均有富集，且TP的富集更为严重。另外，通过计算可知，水体中颗粒态氮和颗粒态磷浓度分别占水体中TN和TP浓度的5.30%～17.66%和42.77%～84.85%，均值分别为10.01%和63.35%，进一步说明悬浮物中TP富集程度较TN高。

注：图中曲线为各采样点数据的正态分布 曲线；横线为各采样点数据的平均值。图8 南湖及周边水体悬浮物中TN、TP浓度Fig.8 TN and TP concentrations in suspended solids in Nanhu Lake and its surrounding waters

与国内其他湖泊水体中TSS浓度进行对比(表2)，发现南湖水体中TSS浓度平均值既高于城市湖泊(武汉东湖和无锡蠡湖)，又高于天然湖泊(鄱阳湖、梁子湖和洪湖)，且与典型富营养化浅水湖泊太湖、巢湖相近，但与太湖、巢湖不同的是，富营养化湖泊中影响水质的主要因素是藻类等有机污染物，而南湖主要受外部河道输入无机物的影响较大。

表2 南湖与国内其他湖泊水体中TSS浓度对比

Table 2 Comparison of TSS concentrations between Nanhu Lake and some other lakes in China mgL

表2 南湖与国内其他湖泊水体中TSS浓度对比

湖泊名称浓度平均值东湖[15]13.80～23.7618.72蠡湖[8]1.00～78.0017.35鄱阳湖[16]5.00～72.0023.87梁子湖[15]2.83～26.8512.41洪湖[15]2.24～25.6610.98太湖[17]11.08～85.4034.31巢湖[18]17.80～67.5342.76南湖29.20～75.2038.95

4 结论与建议

4.1 结论

4.2 建议

南湖水体中悬浮物呈现浓度高、颗粒细和以无机物为主的特点，悬浮物主要受河道输入，尤其是京杭运河等航运河道输入的影响，同时湖体游船扰动引起的底泥再悬浮也不可忽视。因此，对水体中悬浮物浓度控制应该从清水廊道构建、河口强化净化及湖体生境改善着手，具体可结合悬浮物的空间分布，通过水量优化调控措施，从悬浮物浓度较低的河道引水，并对水体进行预处理，减少源头水体进入河道的浓度，同时在河道中构建多级拦截与净化系统，提高水体透明度，增强水体自净能力，恢复清水通道功能。针对湖内底泥再悬浮问题，可通过局部精确环保疏浚，在易受游船航行扰动影响范围进行底泥的清理，将底泥上层易受扰动的小颗粒浮泥清除，减少底泥的再悬浮；建议同时开展南湖及周边水体生态系统恢复和重建，通过水生植物恢复，加强草型生态系统的培植，构建水下森林，对水中悬浮颗粒物起到拦截作用；另外，可采用水质应急净化工程，如利用超磁分离沉淀技术，进行快速除磷降浊，并增强水体流动性，为湖内沉水植物恢复创造条件。