太浦河金泽水源地大莲湖示范区水系水环境状况调查研究

查阳 王迪芳 曹承进 黄民生 汪星 俞博文 刘畅 都皓辰 李梦茁

摘要： 以大蓮湖为研究对象， 以大莲湖周边水体的水文、水质的调查数据为依据， 研究了大莲湖示范区水系水环境现状以及地表径流污染情况. 结果表明， 金泽水源地水质大部分能够满足地表水Ⅲ类水标准， 但部分指标存在季节性差异， 使得金泽水源地水质总体上不能稳定达标. 大莲湖示范区周围水体多为缓流水体（流速0 ～ 0.03 m/s）， 透明度较低， 水体呈中性偏弱碱性（pH = 6.63 ～ 9.67）， 易生成水华. 各个采样点氮磷营养盐污染较为严重， 且季节性差异明显， 春夏季水质较好（Ⅱ类—Ⅲ类）、秋冬部分水体在某些时间段呈现Ⅴ类水. 大莲湖示范区雨水径流浓度有明显的初期效应， 各下垫面氮磷的平均浓度远高于地表水Ⅴ类标准， 污染较为严重.

关键词： 太湖流域； 金泽水库； 饮用水源地； 水环境污染； 面源污染

中图分类号： X52 文献标志码： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.008

Investigation of the environmental status of water at the Dalian Lake demonstration area in the Jinze water source area of Taipu River

ZHA Yang1，2，3，4， WANG Difang1，2，4， CAO Chengjin1，2，3，4， HUANG Minsheng1，2，3，4， WANG Xing5， YU Bowen1，2，3，4， LIU Chang1，2，3，4， DU Haochen1，2，3，4， LI Mengzhuo1，2，3，4

（1. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration， School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China； 2. Institute of EcoChongming， Shanghai 202162， China； 3. Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste， Shanghai 200241， China； 4. Technology Innovation Center for Land Spatial EcoRestoration in Metropolitan Area （Ministry of Natural Resources）， Shanghai 200062， China； 5. Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）

Abstract： In this paper， we use hydrology and water quality survey data around Dalian Lake to assess the environmental status of the water and surface runoff pollution in the Dalian Lake demonstration area. The results show that the water quality of the Jinze water source can largely satisfy class Ⅲ standards for surface water； however， given seasonal differences for some indicators， the water quality of the Jinze water source fails to meet the standard on a consistent basis. The water body surrounding the Dalian Lake demonstration area is predominantly slow flow （flow rate： 0 - 0.03 m/s）， with low transparency and neutral or slightly alkaline water （pH = 6.63 - 9.67）； these conditions render the area susceptible to forming water bloom. Pollution from nitrogen and phosphorus nutrients at each sampling point was significant， and seasonal differences were noticeable； the water quality in spring and summer is generally better （classⅡ—Ⅲ）， and some water bodies meet class Ⅴ standards in autumn and winter. The concentration of rainwater runoff in the Dalian Lake demonstration area has a noticeable initial effect. The average concentration of nitrogen and phosphorus in the underlying water is higher than the class Ⅴ standard for surface water， and the pollution is likewise more significant.

Keywords： Taihu Lake Basin； Jinze reservoir； drinking water source； water environmental pollution； non-point source pollution

0 引 言

金泽水库是除陈行、青草沙、黄浦江上游之外的上海市第四大饮用水源地， 可为上海市西南五区提供更清洁的原水， 是上海市落实“两江并举、多源互补”的水资源规划格局、实现上海市西南五区集约化供水的重要举措[1]. 目前， 金泽水源地水质大部分能够满足地表水Ⅲ类水标准， 但部分指标在汛期会超标， 使得金泽水源地水质总体上不能稳定达标. 2000年—2016年的监测表明， 取水口附近断面的溶解氧达标率约60%， 氨氮达标率78%， 总磷达标率为86%， 且受季节性影响较大[2]. 因此， 亟须针对金泽水源地水环境现状开展调研， 为金泽水源地水质长期稳定达标提供技术支撑. 为此， “十三五”国家重大水专项选取上海市青浦区金泽水源地典型水体—大莲湖作为示范区， 开展径流污染防控关键技术研发与工程示范. 大莲湖位于上海市青浦区西部青西郊野公园内， 属于淀山湖湖泊群， 北接淀山湖， 向南通过拦路港与黄浦江相连， 水域面积约1.00 km2， 水深2.00 m左右， 属于上海市黄浦江上游水源保护区， 是太浦河金泽水源地的重要水系之一[3]， 其水质的好坏不仅能准确反映金泽水源地整体水质状况， 同时也能间接反映太湖富营养化治理成效. 本文選取金泽水源地大莲湖作为研究对象， 系统地调查其水环境现状及其季节性分布特征， 为金泽水源地径流污染防控关键技术研发与工程示范提供基础数据资料支撑.

1 材料和方法

1.1 研究区域

大莲湖是太浦河金泽水源地重要水系， 根据大莲湖周边污染源分布情况， 采用布点的方式用采水器进行取样. 分别于2018年11月10日、2019年1月24日、2019年4月24日、2019年6月4日分季度对大莲湖周边水体水环境现状展开调查取样， 采样点布设如图1所示.

1.2 分析方法

在现场测定的指标有溶解氧（DO）、温度（T ）、pH值、浊度（NTU）和透明度. 其中DO采用HACH便携式溶氧仪测定； 用pH计测定温度； 浊度采用HACH便携式浊度计测定； 用塞氏盘测定水体透明度. 水样采集后， 立即放入4℃冰箱冷藏备用， 在24 h之内用0.45 μm微孔滤膜过滤后进行测定. 测定分析过滤水中的铵态氮、磷酸盐， 同时测定未过滤水中的总氮（TN）、总磷（TP）、CODCr含量. 其中，铵态氮采用纳氏试剂分光光度法； TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法； 磷酸盐采用钼锑抗分光光度法； TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法； CODCr采用重铬酸钾法， 具体测量方法参照《水和废水监测分析方法（第四版）》[4]. 无特别说明外， 所有试剂均为分析纯， 实验用水为新鲜去离子水. 水体深度和水体流速采用多普勒超声波流量计测定， 多普勒超声波流量计流速测量基于多普勒效应， 探头斜向上发出一束超声波， 超声波在流体中传播， 流体中会含有气泡或者颗粒等杂质（可以认为流体中的杂质和水流的速度一致）， 当超声波接触到流体中的杂质时会使反射的超声波产生多普勒频移Df， 多普勒频移Df正比于流速. 通过测量多普勒频移Df即可测量出流体的流速.

2 结果分析

2.1 大莲湖示范区水环境理化指标

大莲湖示范区水质的基本理化性质和水文特性详见表1.

由表1可知， 大莲湖周围水体水质在冬季明显好于夏季， 冬季的DO含量（9.03 ～ 17.96 mg/L）为一年中最高， 夏季的（0.75 ～ 9.65 mg/L）最低. 春季（22.6 ～ 25.3℃）和秋季（17.2 ～ 20.4℃）的水温基本满足浮游生物生长最适宜生长温度范围（18 ～ 25℃）. pH值为6.63 ～ 9.67， 呈中性偏弱碱性， 为藻类的生长提供了良好的酸碱性条件[5-6].

大莲湖地区水体透明度较低， 春、秋和冬季的透明度分别为0.20 ～ 0.60 m、0.20 ～ 0.75 m和0.30 ～ 0.95 m， 最高为水体深度的50.0%， 水体浊度过高， 影响微生物以及沉水植物的生长. 水流速度同样是影响水体水质的重要因素之一， 大莲湖地区水体流速较低， 春、冬季分别为0 ～ 0.03 m/s和0 ～ 0.02 m/s，属于缓流水体， 容易形成静水区， 尤其是养殖鱼塘附近的沟渠， 水体流动性差， 极易使污染加重. 有研究表明， 当水体流速小于0.22 m/s时， 就会促进浮游植物大幅生长[7]. 从检测结果看， 大莲湖主要水文特征值处于水华爆发的危险范围内， 很容易发生水华.

2.2 大莲湖示范区水体营养盐特征

2.2.1 氮营养盐分布特征

大莲湖地区各个采样点的TN在时间尺度上的变化规律基本一致（见图2）， 秋季和冬季的TN含量（3.81 ～ 6.68 mg/L和2.16 ～ 3.71 mg/L）明显高出其他季节2倍以上， 平均值分别为4.94 mg/L和3.14 mg/L， 均劣于地表水Ⅴ类水标准， 水质较差. 11月份（秋季）和1月份（冬季）处于枯水期， 当地降雨量减少， 水位下降， 动植物残体腐解产生营养盐， 且当地鱼塘虾塘在这段时间会将塘内养殖废水排出， 换水20.0% ～ 30.0%. 据研究[8]， 大莲湖地区鱼类和虾类的TN年排放负荷分别为2.53 kg/hm2和17.64 kg/hm2， 占TN排放总量的31.6%. 高氮养殖废水排放后使周围水体氮含量急剧上升. 而春季（4月）和夏季（6月）雨量充沛， 水位上升， 具有稀释作用， 因此春夏季节的TN含量（均值均为1.39 mg/L）较低. 但是， 当地农业以及养殖业时兴于春夏季节， 雨水径流将氮、磷等污染物大量带入水体， 因此水质仍劣于地表水Ⅲ类水， 均远超公认富营养化阈值（0.20 mg/L）.

在空间尺度上， 各个采样点在相同季节的TN含量差别不大. 其中， 2#采样点的秋季TN含量（6.68 mg/L）高于其他点位， 2#距离居民区较近， 周围有少量农田， 人类活动不断输入外源氮污染； 其次是9#和10#， 采样点为养殖鱼塘区养殖废水排放沟渠， 因此TN负荷较高. 冬季各个采样点的TN含量均较高， 变化幅度不大， 均值为3.14 mg/L， 同样地， 春季和夏季TN含量变化幅度也不大， 均在平均值1.39 mg/L左右波动.

氨氮（NH4+-N）含量时空变化趋势与TN类似（见图3）， 其中秋季NH4+-N含量达0.45 ～ 2.54 mg/L，均值（0.83 mg/L）最高， 冬季、春季和夏季的NH4+-N均值相差不大， 分别为0.53、0.50和0.56 mg/L，四季均属于地表水Ⅲ类水. 9#采样点的NH4+-N浓度在秋季和冬季最高， 分别为2.54 mg/L和1.43 mg/L， 其次是5#采样点， 属于鱼塘养殖排污渠， NH4+-N含量在秋冬季节仍较高， 分别为1.97 mg/L、124 mg/L， 枯水期降雨量减少， 同时鱼塘虾塘排放高氨氮养殖废水， 使周围水体氨氮浓度大幅上升， 其余采样点在各个季节的NH4+-N含量差别不大. 大莲湖周边的居民活动、鱼塘虾塘养殖以及农业种植等（生活污水、鱼虾饲料、农业肥料等）均会造成该区域氨氮浓度过高.

2.2.2 磷营养盐分布特征

在磷营养盐的分布上， 秋冬季节的磷营养盐浓度高于其他季节. 春、夏季的TP浓度分别达到0.03 ～ 0.07 mg/L和0.01 ～ 0.07 mg/L， 均值均为0.07 mg/L， 而秋、冬季均值分别为0.15 mg/L和0.21 mg/L（见图4）. 秋、冬、春和夏季的PO43–含量平均值分别为0.03、0.02、0.01和0.02 mg/L， 春季较低， 秋季较高， 四季变化幅度不大（见图5）. 春、夏季PO43–/TP高于秋、冬季， 可能是因为丰水期降雨量大， 增加了溶磷含量[9]， 同时雨水径流裹挟大量溶解性磷进入水体， 因此四季溶磷含量无较大差别. 冬季大蓮湖地区的TP含量在3#、4#、5#和10#采样点较高（见图4）， 分别为0.24、0.28、0.34和0.24 mg/L，高于其他点位和季节2倍以上， 属于地表水Ⅲ类水. 水体磷污染部分属于Ⅲ类水， 部分采样点水质可达到地表水Ⅱ类水标准， 可能是由于当地农业以及养殖业施肥多为氮肥， 磷肥较少， 但是综合超过国际公认的富营养化阈值（0.02 mg/L）[10]， 磷元素仍是限制大莲湖地区水体富营养化的主要因素.

2.2.3 有机物分布特征

COD是有机物污染的重要表征， 当CODCr含量超过4.00 mg/L时， 表明水体受到有机物污染[11].根据图6， 秋、夏季为当地水体有机物污染高发季节， CODCr平均含量分别为26.24 mg/L和15.64 mg/L，最高值可达44.74 mg/L和44.23 mg/L， 属于Ⅲ类水和Ⅴ类水之间， 水体有机物污染较严重； 而冬、春季的CODCr含量平均值分别为11.68 mg/L和9.86 mg/L， 低于秋、夏季， 表明水体有机物污染状态较不稳定. 在空间尺度分布上， 各个点位季节性差异、空间差异均较大， 3#、4#、5#、6#、7#和9#采样点位于居民生活区以及鱼塘养殖区， 生活污水及鱼塘养殖废水排放均会导致有机物污染.

2.3 大莲湖示范区水体初级生产力分布特征

叶绿素a（Chl-a）作为浮游植物的生物量表征， 是水体初级生产力的良好指标. 大莲湖周围水体Chl-a含量综合较低（见图7）， 春季各个采样点叶绿素含量无明显差异， 秋、冬、夏季分别为14.24 ～ 94.63 mg/m3、17.66 ～ 77.61 mg/m3、0 ～ 24.78 mg/m3， 平均值分别为33.48、29.20和5.95 mg/m3， 秋、冬季无明显差别， 均高于夏季. 夏季为丰水期， 秋、冬季为枯水期， 虽然夏季水温升高， 有利于浮游植物生长[12]， 但是水位上升对Chl-a含量起到一定稀释作用[13]； 藻类适宜生长温度为15.0 ～ 25.0℃， 秋、冬季节大莲湖地区水温分别为17.2 ～ 20.4℃和9.0 ～ 16.8℃， 最高分别可达到20.4℃和16.8℃； 秋、冬季水体pH值分别为7.70 ～ 8.80和7.92 ～ 9.67， 溶解氧含量变化范围分别为4.03 ～ 13.32 mg/L和9.03 ～ 17.96 mg/L， 最高值分别可达13.32 mg/L和17.96 mg/L， 部分超过饱和溶解氧， 能够为藻类生长提供条件[14-15]； 另外， 大量高营养盐养殖废水排放， 能够很大程度上刺激藻类复苏生长. 秋季Chl-a最高的点位（4#、5#、8#、9#）均位于鱼塘养殖区， 较其他低污染负荷点位高出2倍以上. 调研期间， Chl-a含量较2009年大莲湖修复工程后水质（Chl-a含量33.00 ～ 151.00 mg/L）[16]有所降低， 但是仍存在水华爆发危险.

2.4 大莲湖示范区地表径流污染

2.4.1 降雨特征分析

大莲湖为北亚热带季风气候， 雨水充沛， 年平均气温为15.8℃， 年平均降水量为1 149.00 mm， 6月和12月分别为一年中降雨量最多和最少的月份. 其降雨量呈逐年升高趋势， 径流污染负荷高.汛期（6月—9月）降雨集中， 占全年降雨量的67.0%， 为径流污染控制的关键时期. 结合多年降雨情况来看， 95%的降雨量不超过50.00 mm， 最大降雨强度在15.00 mm/h以内， 降雨持续时间不超过24 h （数据来自“十三五”水专项“金泽水源地雨水径流污染防控关键技术研究与工程示范”课题共享平台）.

2.4.2 径流污染时间变化特征分析

雨水径流污染物浓度变化十分复杂， 属于动态变化过程， 受到降雨特征、下垫面材料、功能区划分、人类活动等因素影响[17]， 因此， 分析径流污染物随降雨历时瞬时浓度变化规律对研究地表径流污染具有重要的意义. 大莲湖周边村落居住区的SS、CODCr和TP变化规律相似， 雨水径流浓度有较明显的初期效应， 降雨初期浓度降低较快， 随着降雨时间的推移， 污染物浓度平缓下降， 最后趋于稳定； NH4+-N在降雨初期浓度缓慢增加， 达到峰值后骤降， 之后呈波动性变化， 末期趋于平缓.

区域不同下垫面雨水径流SS的浓度分布表现出一定的差异性， 生态林、村落居民区和耕地稻田SS的污染浓度高于城镇道路、城镇绿化和农村停车场. 这主要由于生态林、村落居民区和耕地稻田都是泥土路面， 土壤吸附了部分悬浮颗粒物. 而城镇道路和农村停车场均为不透水硬质路面， 雨水径流中携带的大量污染物只能积存在地表. 研究区COD的平均浓度（EMCs）分布也表现出一定的差异性，农村区域不同下垫面径流中有机物污染浓度高于金泽镇城区不同下垫面的污染浓度， 这主要受到农村农业生产所产生的废水以及生活污水排放的影响， 雨水径流有机物污染程度较高[18]， 而金泽镇区有机物污染主要来源于干湿沉降以及路面被冲刷的土壤颗粒， 故含量相对较低.

在TN、氨氮、TP、EMC的浓度分布上， 村落居民区、农田的浓度均高于镇区屋顶、停车场和镇区道路等[19]. 这主要由于农村生产生活过程中所产生的生活污水以及肥料等被雨水冲刷后进入降雨径流中， 导致农村地区雨水径流中污染物浓度较高， 而金泽镇区雨水径流中TN、氨氮、TP、EMC的主要来源于干湿沉降以及路面被冲刷的土壤颗粒中携带的氮、磷营养盐， 故含量相对较低.

3 结 论

（1） 通过对大莲湖周边水体中11个典型样点四季的水质变化分析， 可以看出大莲湖示范区周围水体多为缓流水体（流速为0 ～ 0.03 m/s）， 水體呈中性偏弱碱性（pH值为6.63 ～ 9.67）、透明度较低， 易生成水华. 氮磷营养盐污染较严重， 且季节性差异明显， 春、夏季水质较好（Ⅱ类—Ⅲ类）、秋、冬季部分水体在某些时间段呈现Ⅴ类水.

（2） 水体有机物污染状态较不稳定， 在时间分布上， 秋季和夏季为当地水体有机物污染高发季节，在空间尺度分布上， 居民生活区和鱼塘养殖区有机物污染浓度最高. 在初级生产力的分布上， 大莲湖周围水体Chl-a含量综合较低， 秋冬季节Chl-a含量无明显差别， 均高于夏季. 由于大量高营养盐养殖废水排放， 能够在很大程度上刺激藻类复苏生长， 叶绿素a含量最高的点位（4#、5#、8#、9#）均位于鱼塘养殖区， 较其他低污染负荷点位高出2倍以上.

（3） 大莲湖示范区雨水径流污染存在较明显的初期效应， 各下垫面氮、磷的平均浓度均远高于地表水Ⅴ类标准， 污染较严重. 综合而言， 金泽水源地水质大部分能够满足地表水Ⅲ类水标准， 但部分指标在汛期会超标， 水质总体上不能稳定达标， 存在着水华爆发的危险， 磷元素仍是限制大莲湖地区水体富营养化的主要因素. 富营养化的控制， 仍然是大莲湖未来研究工作的重点： 控制外源营养物质的进入， 完善水生生态系统， 促进生态系统的良性循环.

[参 考 文 献]

[ 1 ]上海市政工程， 上海市环境科学研究院， 华东师范大学， 等. “金泽水源地雨水径流污染防控关键技术研究与工程示范”课题实施方案 [R]. 2017： 12.

[ 2 ]徐霞， 王庆， 刘华， 等. 上海大莲湖退渔还湖工程水环境改善效果 [J]. 生态学杂志， 2012， 31（12）： 3167-3173.

[ 3 ]朱浩， 刘兴国， 吴宗凡， 等. 上海市大莲湖生态修复区富营养化评价及氮磷平衡研究 [J]. 水土保持通报， 2013， 33（6）： 157-160.

[ 4 ]国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法 [M]. 4版. 北京： 中国环境科学出版社， 2002.

[ 5 ]RYáNEK D， HOLZINGER A P ？. Influence of substrate and pH on the diversity of the aeroterrestrial alga Klebsormidium（Klebsormidiales， Streptophyta）： A potentially important factor for sympatric speciation [J]. Phycologia， 2016， 55（4）： 347-358.

[ 6 ]TOULOUPAKIS E， CICCHI B， BENAVIDES A M S， et al. Effect of high pH on growth of Synechocystis sp. PCC 6803 cultures and their contamination by golden algae （Poterioochromonas sp.） [J]. Applied Microbiology & Biotechnology， 2016， 100（3）： 1333-1341.

[ 7 ]REAVER N G F， KAPLAN D A， MATTSON R A， et al. Hydrodynamic controls on primary producer communities in spring-fed rivers[J]. Geophysical Research Letters， 2019， 46（9）： 4715-4725.

[ 8 ]沈根祥， 王振旗， 钱晓雍， 等. 上海大莲湖区域农业面源污染特征研究 [J]. 上海农业学报， 2010， 26（1）： 55-59.

[ 9 ]YANG G， BO Z， YU G， et al. Coupled effects of biogeochemical and hydrological processes on C， N， and P export during extreme rainfall events in a purple soil watershed in southwestern China [J]. Journal of Hydrology， 2014， 511（511）： 692-702.

[10]金相灿. 中国湖泊水库环境调查研究： 1980—1985 [M]. 北京： 中国环境科学出版社， 1990.

[11]戴秀丽， 许燕娟， 承燕萍. 中国地表水环境质量标准监测体系现状研究及完善建议 [J]. 环境科学与管理， 2014， 39（12）： 7-10.

[12]RENDINA F， BOUCHET P J， APPOLLONI L， et al. Physiological response of the coralline alga Corallina officinalis L. to both predicted long-term increases in temperature and short-term heatwave events [J]. Marine Environmental Research， 2019， 150： 104764-104778.

[13]HE W， LUO J， XING L， et al. Effects of temperature-control curtain on algae biomass and dissolved oxygen in a large stratified reservoir： Sanbanxi Reservoir case study [J]. Journal of Environmental Management， 2019， 248： 109250-109258.

[14]羅宜富， 李磊， 李秋华， 等. 阿哈水库叶绿素a时空分布特征及其与藻类、环境因子的关系 [J]. 环境科学， 2017， 38（10）： 167-175.

[15]张洁， 杨娟. 三峡库区汛期浮游藻类与水质特征研究 [J]. 生态科学， 2017， 36（1）： 55-63.

[16]朱浩， 张拥军， 裴恩乐， 等. 大莲湖生态修复工程对浮游植物群落结构的影响 [J]. 环境工程学报， 2011， 5（10）： 2391-2395.

[17]毕军鹏， 程军蕊， 王侃. 城市低影响开发对雨水径流氮污染物的控制效应—以宁波海绵城市试点区域为例 [J]. 宁波大学学报（理工版）， 2020， 33（6）： 70-78.

[18]崔超， 刘申， 翟丽梅， 等. 兴山县香溪河流域农业源氮磷排放估算及时空特征分析 [J]. 农业环境科学学报， 2015， 34（5）： 937-946.

[19]LI S， WANG X， QIAO B， et al. First flush characteristics of rainfall runoff from a paddy field in the Taihu Lake watershed， China [J]. Environmental Science & Pollution Research， 2017， 24（9）： 1-16.

（责任编辑： 张 晶）