江苏省太湖流域总磷时空变化

陈 禹,黄体斌,陆嘉昂,夏 霆,徐 宁

(1.南京工业大学 环境科学与工程学院,江苏 南京 211800;2.江苏省环境科学研究院 江苏省环境工程重点实验室,江苏 南京 210036;3.南京工业大学 城市建设学院,江苏 南京 211800)

21世纪以来,太湖流域的城镇化不断扩大,城市用水量不断增加。与此同时,周边居民不断增加以及流域内的工厂不断扩大,水资源的利用与开发却无所遏制,加上居民生活污染、工厂生产污染等,造成流域内水资源污染严重且复杂。同时,在各种点源与面源污染的相互作用下,流域生态环境遭到了破坏,流域内水质发生恶化、生态平衡被破坏[1-2]。流域人口聚集,水系繁杂、河网纵横交错,发生污染的范围很大,污染过程也非常复杂,导致整个流域环境恶化[3]。尤其是发生在21世纪初的太湖蓝藻事件,给人们敲响了警钟,因此保护流域的生态水质刻不容缓。

1 流域概况

太湖流域是以黄浦江为主要排水河道的一个支流水系,太湖是流域的中心。太湖流域地处长江三角洲的南缘,大多以平原为主(2/3),剩下的1/3分别为山区丘陵和河湖水面(各占一半),流域总面积达36 900 km2[4],其中,位于江苏省行政范围的面积占53%。东北地势低,西南地势高,中间地势略低,四周地势略高,总体呈碟子状[5]。

太湖流域湖泊星罗棋布,大小湖泊共有189个,江河湖海交错相连,自古以来自然条件就非常好,其中心的太湖面积达2 445 km2,是我国第三大淡水湖。流域内包含总长12万km的河道,其分布密度约3.24 km/km2,因此,太湖流域也是中国河道密度最大的流域;流域内错综复杂的河流水系,纵横交叉,既存在平原性河道,也存在山溪性河道[6]。太湖流域水域宽广,因此渔业、水利等事业相当发达,又由于地理位置的优势,且阳光、水资源丰富,其农业资源开发、河道运输和社会经济发展也十分繁荣[7]。

江苏省太湖流域的气候是属于北亚热带季风气候,气候特点为四季分明,雨水较为丰沛,热量充裕;年平均气温约15.1～16.3 ℃,极端天气中,最高气温达41.2 ℃,最低气温达-17.0 ℃,冬季平均气温最低,夏季平均气温最高;降水量上,流域年平均降雨量能够达到1 178 mm,流域降水按照空间分布呈由西南向东北逐步递减,受季风强弱变化的影响,每年降水变化幅度较大,在夏季(6月—8月)降水量最多,冬季(12月—次年2月)降水量最少[8-9]。

2 研究意义

现如今,随着国家不断重视,全国重点河湖的水质以及其生态环境已经有了较为可观的改善,但太湖流域的水质状况依旧不容乐观[10]。虽然当地政府以及居民已经重视保护太湖,并且政府也投入了大量资金来减缓污染程度、提高水质,但是一些复杂且严重的污染问题依然存在,没有得到根本性的解决。据2018年出版的《中国环境状况公报》显示,太湖流域整体水质呈Ⅳ类,且总磷(TP)的污染程度已经严重超过地表水环境质量标准[11]。因此,要大力、全面、准确地开展太湖流域的水质调查,分析和评价总磷污染物[12]。

3 材料与方法

3.1 采样点选取原则

采样点的选取遵循以下原则:①采样点要离湖、河边有一定距离;②采样点不能离湖、河边太远,防止其他河流交汇影响;③在重点保护的湖、河选取;④一些河流汇合处,污染排放口附近等设置采样点;⑤对于面积较大的湖泊，采样点设置在湖心区域。

3.2 采样点分布

流域总磷时空变化调查范围覆盖太湖流域江苏省区域,共布设点位201个[13]。镇江范围内,河流污染总体特征:周边工厂分布广泛,化学污染排放较多;种植业较发达,春耕时期氮、磷污染物排放较多。常州、无锡范围内,河流污染总体特征:工业污染较多;养殖业兴旺,导致河流微生物种类较多,营养超标[14]。宜兴范围内,河流污染总体特征:化工企业分布广,化学污染物的排放浓度高;种植业发达,但大多数是传统农业,且许多耕地靠近河流,污染排放大[15]。苏州范围内,河流污染总体特征:苏州化学工业发达,化工污染生物是排放量最大的污染物;水产养殖业发达,污染不能及时治理,影响河流水质[16]。

3.3 环境功能分区

根据《江苏省太湖流域水生态环境功能区划》,江苏省太湖流域水生态环境功能分区总共划分为49个,其中陆域43个,水域6个,分为4级,其中生态Ⅰ级区5个,指水生生态系统保持自然状态,具有健康生态功能以及良好生态功能,需要广泛保护的区域;生态Ⅱ级区10个,指水生生态系统保持较好的生态状态,生态功能比较健康,需要重点保护的区域;生态Ⅲ级区20个,指水生生态系统维持一般生态状态,部分地区生态功能受到威胁,需要修复的地区;生态Ⅳ级区14个,指水生生态系统维持不良生态状态,能发挥有限生态功能,需要综合修复的区域。

江苏省太湖流域地处长江中下游,上游来水沿江而流,因此流域所受到的污染压力非常大。水生态功能区划是水环境管理从水质目标管理到水生态健康管理拓展的基本管理单元,可以确定江苏省太湖流域的水生态保护状况,作为水质管理目标的依据。

3.4 采样时间

枯水期(12月—次年2月)，也称为枯水季，指的是流域内地表水枯竭，主要依靠地下水补给水源的时期；丰水期(5月—9月)，指江河水流主要依靠降雨等补给，一般为雨季或者春季气温持续升高时期；其余时间为平水期，也叫中水期，指流域内河流湖泊处于正常水位的时期。为了能够更客观地分析江苏省太湖流域水体中总磷的污染程度，在3个分水期分别采样一次。

3.5 研究方法

水质中TP质量浓度(以P计)的测量方法按照GB 11893—1989钼酸铵分光光度法进行测量[17];评价方法采用单因子污染指数法,该评价方法表示单项污染物对水质污染影响的程度, 计算方法见式(1)。

(1)

式中:Pi为单项污染指标的污染指数;ρi为单项污染指标的实测质量浓度;Si为2002年国家公布的地表水环境质量标准的总磷Ⅲ类水标准质量浓度(0.20 mg/L)。

将TP质量浓度测得值与GB 3838—2002《地表水环境质量标准》(见表1)进行比较,然后确定地表水污染类别。采样点在湖、库的,按照湖、库的环境质量标准。

表1 《地表水环境质量标准》中TP质量浓度标准

4 结果与讨论

4.1 时间变化

磷元素是重要的营养物质,但磷浓度过高会导致水体富营养化,因此，TP浓度是控制水体富营养化的首要因素。

太湖流域江苏省范围的201个采样点在平水期、枯水期和丰水期监测的TP质量浓度见图1。由图1可得:在平水期,TP质量浓度为0.02～0.39 mg/L,平均值为0.21 mg/L,平均值显示达Ⅳ类水质标准,其中33%的采样点为Ⅳ类水质,40%的采样点水质达Ⅲ类水质,没有Ⅰ类水质;在枯水期,TP质量浓度为0.01～0.38 mg/L,平均值为0.12 mg/L,平均值显示达Ⅲ类水质标准,其中43%的采样点为Ⅲ类水质,劣于Ⅲ类水质的采样点占8%;在丰水期,TP质量浓度为0.01～0.36 mg/L,平均值为0.10 mg/L,平均值显示达Ⅱ类水质标准,其中45%的采样点为Ⅱ类水质,劣于Ⅲ类水质的采样点占10%。TP质量浓度最高值出现在平水期(0.39 mg/L);而TP质量浓度最低值(0.01 mg/L)在丰水期和枯水期均出现过。总体来看,流域内TP质量浓度波动性比较大,各区位平水期TP质量浓度大,丰水期TP质量浓度较小。这是由于平水期为春季,正是流域农业种植、养殖的最重要时期,农业种植中农药与化肥的施用以及水产养殖业饵料的投放,使得流域内TP的污染浓度显著增加;而流域5月—10月处于汛期,长时间雨量积累使得流域内水位上涨,水量增加使得TP被稀释,TP质量浓度下降。流域3个时期按TP污染由大到小排序为平水期、枯水期、丰水期。

注:1英里=1 609.344 m。图1 太湖流域3个时期总磷分布Fig.1 Distribution of total phosphorus in three periods in Taihu Basin

4.2 空间变化

4.2.1 根据采样点评价

3个时期TP质量浓度空间分布如图1所示。由图1可知:流域内湖泊和河流受到的TP污染程度比较高。作为流域中心，太湖在丰水期和枯水期的TP质量浓度相较于其他湖泊和河流都低,说明其水质更优,有个别采样点呈Ⅰ类水质,也侧面说明近些年来对太湖TP的治理是有效的,但太湖湖岸边的TP质量浓度仍比较高,还需要进一步控制TP污染物的排放量。流域内长荡湖、滆湖、阳澄湖以及澄湖等,TP的污染程度过高,亟须治理。流域内整体TP浓度过高,主要是由于人类活动和底泥的释放对TP的浓度有着很大影响。

4.2.2 根据功能分区评价

按照功能分区,TP质量浓度3个时期空间分布如图2所示,流域内3个时期都有Ⅴ类水质。

图2 太湖流域功能分区3个时期总磷的空间分布Fig.2 Spatial distribution of total phosphorus in three periods in the functional subregion of Taihu Basin

由图2可知：各功能区3个时期TP质量浓度存在差异,尤其是平水期,只有Ⅰ-02的水质为Ⅰ类水质,该功能区为大溪水库和沙湖水库,水库水质比较好,保护较为完善,而其余地区均受到不同程度的TP污染。在枯水期和丰水期,整体太湖流域的TP污染程度较小,个别功能区TP污染超标较为严重。丰水期的Ⅰ类水质较多,主要分布于流域西端以及太湖的东岸,但与枯水期相比，丰水期的Ⅳ类水质功能区增加了许多。Ⅲ-03地区常年受到TP的严重污染,该地区是京杭大运河流经流域的入河口。由于上游污染水流入流域内,外水汇入量处于逐渐递增阶段,致使TP浓度上升,整个水期都处于TP的高污染状态,需要密切关注该地区TP的排放[18]。由图2还可以发现:流域TP浓度总体上呈由西北至东南先增大后减小的趋势,流域中部TP浓度一直比较高。这是由于一方面流域处于长江中下游地区,上游含磷污染水流入该流域中;另一方面,流域中部经济较发达,周边人口较密集,且流域耕地较广,平水期大量的农业污染排放致使TP污染非常严重。冬季和春季,水体在相对稳定的环境下沉降作用增强,营养物被水中生物消耗,故而南部水域开始好转,进而进入下一个水期循环周期[19]。总的来看,TP浓度是随着时间推移(从丰小期到枯水期，再到平水期)在逐级增加,Ⅲ-05与Ⅳ-13的水质在平水期TP浓度较大,通过查询资料可知,这两个区域农田密布,养殖业兴旺,春季施肥量过高,投放饲料过多,排放进河流的水含磷物质较多,导致该区域在平水期TP浓度陡然上升,需要重点关注,控制区域的污染排放。

5 治理对策与建议

江苏省太湖流域的水质持续向好,水体的水质由2007年Ⅴ类改善为2017年Ⅳ类,综合营养盐状态指数由中度改善为轻度,但是对TP的污染程度依旧不能掉以轻心,尤其是在平水期,TP的浓度仍较高。

2007年太湖蓝藻事件中,TP污染程度高是蓝藻暴发的主要因素之一。要降低太湖的TP浓度,重点应放在治理流域上,特别是在一些重点河流上。通过对太湖流域TP浓度的时空分析,可以发现太湖的磷元素主要来源:太湖周边的工业发展增加了污染物总量;由于城镇化的建设,使得生活污染集中排入太湖,导致水质被进一步污染恶化;现如今的农业生产依然需要大量肥料,肥料含有大量的磷营养物质，因此增加了含磷污染物的排放。由空间分析可知,太湖西北岸的TP浓度依然较高。一方面是百渎港、沙塘港和殷村港等区域主要以纺织印染、化工企业以及农业为主,并且居民较多,人为干扰也非常大,所产生的污染直接或间接排入了水中,使得污染物浓度较高;另一方面是由于该区域地理位置较为特殊,受风力影响最大,水生植被较少,常年的盛行风使湖泊底泥沉积物的再悬浮和水体透明度降低,并带来了污染。因此,要继续严格控制排放入太湖的TP污染物,周边大型工厂企业尽快搬离,大力建设生活污水处理工程,推进新型农药、肥料的使用,并且控制其使用量[20]。

流域内丹金溧漕河、望虞河、梁溪河、伯渎港以及吴淞江这5处TP污染最为严重,需要重点控制这几个区域TP污染物的排放。其中丹金溧漕河、望虞河和伯渎港的TP污染来源主要是农村面源的污染,这也是太湖富营养化的主要原因,因此要着重对水产养殖业的污染进行全方位的监控,严格执行流域内养殖水排放标准;大力兴建农村基础设施,严防生活污水以及农业污水排放进大小湖泊中;优化管理畜禽以及水产养殖,加大对畜禽废弃物再回收利用[21]。梁溪河和吴淞江的主要污染源是工业污染。因此在开发水资源的同时,要兼顾生产、生活的供需平衡,要促进节水先行,优先考虑发展节水型产业,大力发展和利用污水、废水回用等相关技术,提高中水回用水平,减少废水排放。一些企业需要开发水循环利用技术,以减少水资源的浪费。

当然,还需要大力宣传环保理念,提高人口素质,培养生活在太湖流域居民的环境观、资源观以及消费观,意识到环境与人类是共存的。

6 结语

江苏省太湖流域TP的污染程度在丰水期、平水期和枯水期3个时期都比较高,按TP污染程度由大到小排序为丰水期、枯水期、平水期，因此要重点关注平水期总磷的排放。在空间上,流域TP浓度总体趋势呈由西北至东南先增加后减小,流域中部TP浓度一直较高。流域中心太湖相较于过去已经有了明显的改善,但西北岸的TP污染程度依旧需要进行治理。要控制江苏省太湖流域TP的污染量,就必须加强对农村面源污染的控制,完善农村污染防治措施;增加投入,提高农村废水的处理率。