2021, Vol. 42
2. 清华大学环境学院, 北京 100084
, ZHANG Tao1 , CHEN Tan1
, WANG Hong-tao2 , JIN Xi2 , ZHENG Kai-xuan2 , LI Zhong-lei2 , YANG Ting1 , JIN Jun1
2. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
随着我国城市化进程的加快, 城市河道污染问题日渐突出, 严重制约了城市的社会经济发展和生态环境建设[1].大量外源碳氮磷类污染物的输入, 远超过河道自净能力, 将引发水体黑臭和富营养化, 水体中累积的污染物可沉积为河道底泥的重要组分[2, 3].水环境中的碳氮磷类污染物通常由人类活动排放, 如农业生产、农副产品加工、生活污水和某些工业过程等[4~6].当水体水质变化时, 底泥既有可能作为“汇”接纳水体中的污染物[7], 也有可能成为“源”释放污染物, 显著影响水体水质[5, 8~10].分析底泥中碳氮磷类污染物的分布特征, 不仅可以间接反映水体污染状况[11], 还能预测不同情景下水质的变化, 对保障河道水环境质量具有重要意义[12].
湖泊、海洋和江河入海口等水环境中污染物分布特征的相关研究已取得系统进展[13~15].如巢湖东部近城市湖湾底泥总氮(TN)和总磷(TP)含量水平整体较高, 平均含量分别达到3245.36 mg·kg-1和535.29 mg·kg-1, 且底泥氨氮和磷酸盐释放能力较强, 已成为水体氮磷营养盐的污染源[16]; 珠江口水域底泥中营养盐含量分布表现为由口门向口外递减, 且氨氮、硝态氮和磷酸盐由底泥向水体释放, 而亚硝态氮由水体向底泥迁移[17, 18].城市河道有别于天然水体, 由于水量补给受人工控制, 往往流速缓慢, 自净能力较差, 兼顾雨水受纳, 水质与底泥的关系更密切[19, 20].2012年重庆梁滩河底泥TN含量范围为2~5 g·kg-1[21]; 经截污治理和人工湿地处理后, 2014年底泥TN含量范围在2.63~8.12 g·kg-1之间[22], 治理效果不明显.城市河道往往水量受控, 环境容量有限, 要想改善水质, 应该协同考虑河道底泥, 尤其是底泥污染物总量.
苏州地处长江下游平原, 河网纵横交错, 水域面积约占总面积的42%, 古城区域水域面积也占其总面积的16.9%, 是我国水域面积比例最大的城市之一.苏州城市发展迅速, 人均水资源占有量少, 列入国家水质型缺水城市[23], 虽然近年来实施了节水、减排、控源和截污等系列工程, 水环境质量逐步改善, 但总体上水质状况依然严峻[24].古城区域主要分布环城河和主支流系统, 河道周边建筑密集, 水流缓慢.在外源输入(包括城市点源污染和降雨径流非点源污染[25])和内源释放的共同作用下, 碳氮磷类污染物负荷高, 蓝藻水华和水体黑臭现象频发, 主干河道也大多数为Ⅴ类水质[26], 古城区域水体治理仍需加强.
本研究于2019年春季在苏州古城区域20个代表性断面现场采样并测量了泥深, 分析了河道底泥和水体中碳氮磷类污染物的含量和总量分布特征, 评价了苏州古城区域水环境污染现状, 预测了换水、引水、降雨和疏浚情景下水质的变化, 以全面揭示苏州古城区域河道底泥和水质的污染状况, 以期为苏州古城区域河道水环境污染的控制和治理提供理论技术参考.
1 材料与方法 1.1 研究区域与样品采集苏州地势平坦, 地处长江三角洲中部, 是典型的平原河网城市, 四季分明, 属亚热带季风海洋气候[27], 雨量充沛, 年平均降雨约1 100~1 400 mm, 年平均降水日约130 d[28].本研究选取的古城区域位于苏州市中心区, 占地面积约14.2 km2, 河道总长度约48.65 km, 平均水深约3.5 m[29], 水流路径为北进南出, 东进西出, 干将河为中间河流[20, 29].
在苏州古城区域内, 每年春季气温回升, 蓝藻开始暴发, 结合水文条件、河道情况、周边布局及支流汇水等实际情况, 选取20个代表性断面(图 1).环城河点位包括S1、S2、S3、S4、S5和S6; 古城北部河道点位包括S7、S8、S9、S10和S11; 干将河点位包括S12、S13和S14; 古城南部河道点位包括S15、S16、S17、S18、S19和S20.利用标杆标记测量河道底泥深度.
|
图 1 苏州古城区域河道代表性断面位置示意 Fig. 1 Location representative sections in the ancient town rivers of Suzhou |
以多点混合法采样, 同一个采样点采集5~6个平行样, 现场混匀为1个样品, 每个采样点的范围约为2 m×2 m.水样(水面下约20 cm)采集使用1 L聚乙烯瓶, 取样前润洗3~4次.底泥样品采集利用活塞式柱状底泥采样器采集河道底部0~20 cm的泥样, 放入聚乙烯密封袋中现场混匀, 冰袋低温保存.
1.2 分析方法样品采集后冷藏运输, 依照相应标准分析方法检测各指标, 底泥样品在(105±5)℃烘干至恒重后1~5℃冷藏备用, 水样以0.45 μm滤膜过滤后1~5℃冷藏保存待检.底泥监测指标包括：总有机碳(TOC, GB/T 19145-2003)、TN(LY/T 1228-2015)、氨氮(HJ 634-2012)、TP(HJ 632-2011)及有效磷(NY/T 1121.7-2006).水体监测指标包括：TOC(GB/T 19145-2003)、生化需氧量(BOD5, HJ 505-2009)、化学需氧量(COD, HJ 828-2017)、TN(HJ 636-2012)、氨氮(HJ 536-2009)、凯氏氮(GB 11891-89)、TP(GB11893-89)及磷酸盐[GB/T 5750.5-2006(7)].
1.3 污染物总量根据20个采样点的底泥深度, 结合地图标识的河长和河宽, 估算苏州古城区域河道底泥总体积.进一步测量各采样点河道底泥的密度, 综合污染物含量, 即可估算苏州古城区域河道底泥总质量和污染物总量.
根据苏州古城区域平均水深3.5 m[29], 估算苏州古城区域河道水体总体积, 结合污染物含量, 可估算苏州古城区域河道水体中的污染物总量.
1.4 底泥污染和水质状况评价方法 1.4.1 底泥污染采用单因子指数法和内梅罗污染指数法评价底泥污染状况.单因子指数法一般以标准限值作为参比值, 方法表达式参考文献[30].鉴于我国尚未颁布河流底泥污染物评价标准, 本文参考加拿大安大略省环境和能源部(1992年)制定的环境质量评价指南标准[31]中安全级的营养水平, TOC、TN和TP含量限值分别为10 000、550和600 mg·kg-1.内梅罗污染指数法可以较全面地反映各种污染物的综合污染状况, 计算方法参考文献[30], 评价等级见表 1.
|
表 1 底泥和水体污染程度等级 Table 1 Pollution level of sediment and water |
1.4.2 河道水质
采用综合污染指数法评价河道水质, 计算公式参考文献[32].根据文献[33]和[34], 以地表水Ⅲ类水质标准为基准, BOD5、COD、TN和TP的浓度限值分别为4、20、1.0和0.2 mg·L-1, 评价等级见表 1.
1.5 换水、引水、降雨和疏浚情景下水体TN和TP浓度变化的预测方法污染物在固液两相的分配系数反映了污染物在两相间的迁移能力, 是描述污染物在水环境中行为的重要参数, 直接计算天然水体条件下污染物的固液分配系数更能反映实际迁移能力[35].同一时间内采于同一河流的底泥和水体污染物分配系数可估算为一段时间内该条河流的质量基准[36].根据同一采样点底泥和水体中TN和TP含量, 计算底泥-水的氮磷分配系数, 视为该河段的常量, 从而预测换水、引水、降雨和疏浚情境下底泥氮磷释放后水质的变化.设定不同情景下水中氮磷浓度的初始值(见2.7节), 通过底泥-水分配系数估算出底泥释放后水中的氮磷含量.
2 结果与讨论 2.1 底泥总量苏州古城区域河道底泥深度在22~1 025 mm之间, 平均值为266 mm; 密度范围为1.206~1.759 g·mL-1, 平均为1.431 g·mL-1; 含水率在24%~80%之间, 均值为51%(图 2).苏州古城区域河道底泥总质量约为5.2×105 t, 河道沿程底泥质量约为1.1×104 t·km-1.苏州古城区域河道底泥含水率高于太湖底泥(均值44.3%)[37], 可能是苏州古城区域河道底泥有机物含量大于太湖底泥.S16的含水率最高, 该点位底泥的TOC含量也相对较高(7%).古城区域南部河道底泥深度明显高于北部, 南部河道较宽, 水流缓慢.深度最大值在S2, 位于干将河和东环城河交叉口, 可能与入河口河道变宽有关, 水流变缓, 大量有机碎屑沉积, 该点底泥的有机物含量也是最高的.深度最小值出现在S3, 河水流至该点附近河宽变窄, 流速加快, 悬浮物不易沉积.
|
图 2 苏州古城区域河道底泥的深度、密度和含水率 Fig. 2 Depth, density, and moisture content of the sediments in the ancient town rivers of Suzhou |
底泥是复杂的多介质多界面系统, 有机物过量会造成水体黑臭, 也会影响氮磷等污染物的吸附解吸过程[38].有机物含量高, 不仅会造成底泥中污染物进一步富集, 一旦环境条件变化还利于微生物生长繁殖, 分解有机物, 使其他污染物的释放速度加快[38, 39].苏州古城区域河道底泥TOC所占质量分数在0.4%~10.6%之间, 均值为3.4%(表 2), 远远超过加拿大安大略省环境和能源部(1992年)制定的安全级营养水平(1%)[31], 整体从上游向下游递减[图 3(a)].相比于四川邛海底泥TOC含量范围1 479~15 197 mg·kg-1, 平均8 725 mg·kg-1(所占质量分数约8.7%)[40], 和北京北运河底泥TOC在1.2%~7.8%之间, 均值4.1%[41], 苏州古城区域河道底泥TOC含量范围较广, 空间差异性更大(差异系数为74%), 若能及时提供疏浚顺序, 可以更好地治理水环境.TOC浓度最高值出现在S2, 也是底泥最深点, 入水口河道变宽, 河流流速降低, 大量有机碎屑逐渐沉降堆积.此外, S17位于公园下游, 公园内分布大量树木草丛, 枯落物可能随地表径流汇入河道, 导致底泥有机质含量较高.TOC浓度最低值出现在S4和S5, 均位于南环城河, 河道相对变窄, 河流流速增加, 有机碎屑不易沉降, 因而有机质含量相对较低.
|
|
表 2 苏州古城区域河道底泥中碳氮磷类污染物的含量 Table 2 Concentration of carbon, nitrogen, and phosphorus bearing pollutants in the sediments of the ancient town rivers of Suzhou |
|
图 3 苏州古城区域河道底泥和水中碳氮磷类污染物含量分布 Fig. 3 Concentration distribution of carbon, nitrogen, and phosphorus bearing pollutants of the sediments and waters of the ancient town rivers of Suzhou |
氮是底泥中主要的营养元素之一, 能够反映河道营养状况及受污染程度.苏州古城区域河道底泥TN含量在437~4 690 mg·kg-1之间, 均值2 074 mg·kg-1, 是环太湖7条主要河流底泥TN平均含量(约1303.49 mg·kg-1)的1.5倍[42].TN含量分布规律与TOC相似[图 3(b)], 呈现上游向下游递减趋势.根据美国环境保护署(USEPA)提出的底泥TN污染评价标准[43], 有8个点为重度污染, 分别是S2、S7、S8、S10、S15、S16、S18和S19. S2、S8和S16处在环城河和主干河道, 河面相对较宽, 水流流速降低, 污染物易沉积.剩余5个点位于支流河道, S7、S10、S15和S19均临近住宅小区, 不排除周围有排污口的可能性, 也可能有雨水排放口, 降水初期径流中的污染物在附近沉积.S18位于近静止河段, 水流停滞, 污染严重.底泥氨氮含量范围为15.8~325.0 mg·kg-1, 平均140 mg·kg-1(表 2).氨氮是判定水体是否黑臭的重要指标, 底泥离子交换态氮对水体影响最大, 是可转化态氮中最易释放的氮形态, 且该形态氨氮占比较高[44].苏州古城区域河道底泥氨氮约占TN的3%~18%, 占比相对较低, 但考虑到总量, 仍有引起水体黑臭和富营养化的可能性.
底泥中有机质的来源不同, C/N值(TOC/TN)会有明显差异, 因此常用C/N判断有机质的类型及来源.一般认为, 当C/N>10时, 河道底泥中的有机质以外源输入为主; 当C/N < 10时, 以内源有机质为主; C/N≈10时, 内源与外源有机质大体平衡[45].苏州古城区域河道底泥C/N在0.68~4.02之间波动, 均小于10, 平均值为1.75, 说明底泥有机质以内源贡献为主, 可能是过去长期外源输入使底泥积累的营养物质较多所致.
磷是导致水体富营养化的重要营养物质之一[46], 苏州古城区河道底泥TP含量范围在523~3 560 mg·kg-1, 均值1 765 mg·kg-1(表 2), 略高于成都市内数条河道底泥TP含量的均值(1 132.41 mg·kg-1)[47].相比USEPA底泥污染评价标准[43], 90%以上采样点的底泥样品属于重度污染, 居民区附近支流河道的TP含量尤其高, 说明生活污水有可能经过排污口直接排放至河道, 导致含磷污染物沉积.有效磷是指可被植物吸收利用的磷的总称, 包括容易被某些化学试剂提取的磷及溶液中的磷酸盐[48].底泥有效磷主要以易被藻类吸收利用的磷为主, 与河水中磷酸盐含量相关.苏州古城区域河道底泥有效磷含量范围为17.4~95.3 mg·kg-1, 均值57.2 mg·kg-1(表 2), 有效磷[图 3(e)]和TP[图 3(d)]的分布规律相似, 但与底泥中碳氮类污染物含量分布没有明显相似性.
苏州古城区域底泥N/P值(TN/TP)为0.18~3.22, 远小于N/P=16(Redfield比, C∶N∶P=106∶16∶1[49]), 说明磷主要来源于周边环境外源的输入.结合采样点周边情况, 磷的来源可能是居民生活污染物和地表径流的汇入.与巢湖及其入湖河流底泥N/P值(0.7~3.17)相似, 底泥中的磷也受外源输入的影响, 主要是周边磷矿区及含磷地层的开采, 植被的破坏及地表径流的冲刷也会带入大量外源含磷污染物[50].
2.2.2 水体中碳氮磷类污染物的分布特征苏州古城区域河道水体TOC浓度在4.1~11.2 mg·L-1之间, 均值为7.8 mg·L-1; COD浓度在9~22 mg·L-1之间, 均值为13 mg·L-1; BOD5浓度在nd(未检出)~5.3 mg·L-1之间, 均值为0.6 mg·L-1(表 3). 95%水样中COD和BOD5浓度达到地表水Ⅲ类水质标准(GB 3838-2002).
|
|
表 3 苏州古城区域河道水体中碳氮磷类污染物浓度/mg·L-1 Table 3 Concentrations of carbon, nitrogen, and phosphorus bearing pollutants in the waters of the ancient town rivers of Suzhou/mg·L-1 |
苏州古城区域河道水体TN浓度范围为1.6~3.4 mg·L-1, 均值2.5 mg·L-1(表 3), 根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002), 所有采样点的TP浓度均属劣Ⅴ类水平, 可能因为苏州古城区域是苏州市餐饮旅游的主要集中区域, 不排除有偷排现象, 且河道水源补给少、流速慢, 又兼顾接纳排污功能.水体氨氮浓度范围在0.204~1.530 mg·L-1之间, 均值0.643 mg·L-1(表 3), 处于地表水Ⅲ类水平, 约占TN的13%~48%.水体中凯氏氮的浓度可视为氨氮和有机氮的总和, 苏州古城区域凯氏氮浓度范围在0.8~3.0 mg·L-1之间, 均值1.3 mg·L-1(表 3), 约占TN的28%~97%, 有机氮含量很高.然而, 有机物和氨氮浓度过高会造成水体富营养化, 导致水中溶解氧下降, 致使水生生物大量死亡, 还会造成水体黑臭现象, 严重影响环境和居民身体健康[51].S4的凯氏氮占比最高(97%), 位于3个居民区的水流交汇处, 且处在南环城河, 河面宽, 水流慢.古城区域居民区老旧, 可能不具备充足的雨水管道, 导致污染物浓度高的初期径流直接混入河水[25].
苏州古城区域河道水体TP浓度范围为0.10~0.38 mg·L-1, 均值为0.18 mg·L-1(表 3), 根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002), 70%的采样点属地表Ⅲ类水质.磷酸盐浓度范围为0.03~0.26 mg·L-1, 均值为0.09 mg·L-1, 占TP的19%~72%(表 3).磷酸盐浓度最高点仍为S18, 因为附近河道水流极其缓慢接近静止.S7和S16的磷酸盐占比也超过了50%, 均位于居民区附近.苏州古城区域内的居民区普遍老旧, 房屋建设年代久远, 布局密集、凌乱, 居民生活污水未接纳管网, 直接排入河道, 污染源分散[25, 52].
2.2.3 底泥和水体中碳氮磷类污染物总量根据污染物含量, 估算底泥中TOC、TN、氨氮、TP和有效磷的总量分别约为25706、791、90、531和17 t, 沿程总量分别约为528.4、16.3、1.8、10.9和0.3 t·km-1; 水中TOC、BOD5、COD、TN、氨氮、凯氏氮、TP和磷酸盐的总量分别约为26.1、1.9、52.9、8.7、1.9、5.6、0.6和0.2 t, 沿程总量分别约为0.5、39.1、1.1、0.2、39.1、0.2、12.3和4.1 kg·km-1.巢湖近年来一直处于较高的富营养水平, 全湖底泥TP储量为0.98×105 t, 单位体积TP储量约是苏州古城区域河道底泥的0.8~1倍, 说明河道底泥污染较严重[53].无锡薛家浜疏浚约1.5 m泥深后, TN和TP含量分别消减了46%和36%(约32.6 kg·km-1和6 kg·km-1)[54], 疏浚对改善水环境作用明显, 苏州古城区域河道治理应该考虑疏浚.底泥中污染物总量约为水中污染物总量的85~985倍, 即使底泥作为“汇”吸附水体中的污染物, 仍不排除环境条件(如pH、温度和溶解氧等)变化对水环境造成巨大威胁的情况, 故疏浚底泥对改善水环境质量具有重要的现实意义.
底泥和水体中TOC、TN和TP总量的空间分布如图 4所示, 相对古城区域内河道, 环城河沿程碳氮磷类污染物总量更高.苏州古城区域河道底泥和水中碳氮磷类污染物沿程平均负荷量的计算结果见表 4, 环城河碳氮磷类污染物平均负荷量最高, 其次为古城区域北部和干将河, 古城区域南部河道碳氮磷类污染物的平均负荷量最小, 水环境综合治理推荐顺序为：环城河、古城区域北部、干将河和古城区域南部.
|
图 4 苏州古城区域河道底泥和水中碳氮磷类污染物的沿程总量分布 Fig. 4 Distribution of total carbon, nitrogen, and phosphorus bearing pollutants of the sediments and waters of the ancient town rivers of Suzhou |
|
|
表 4 苏州古城区域河道底泥和水体中碳氮磷类污染物的平均负荷量/t·km-1 Table 4 Average loads of carbon, nitrogen, and phosphorus in the sediments and waters of the ancient town rivers of Suzhou/t·km-1 |
2.2.4 底泥和水体中碳氮磷污染物相关性分析
底泥和水体中碳氮磷类污染物含量的相关性分析(表 5)可以反映碳氮磷类污染物在两种介质中的分配关系.底泥TOC含量与底泥TN、氨氮显著正相关, 且分布规律相似, 说明底泥碳氮类污染物同源, 以内源输入为主, 可能是过去长期外源输入使底泥积累的污染物较多所致.底泥TN含量和氨氮呈显著正相关, 底泥氨氮占比很低, 可能淤积底泥的有机碎屑中有机氮含量较高.底泥TP含量和有效磷也呈显著正相关, 但与底泥深度呈显著负相关, 说明表层底泥含磷污染物可能以外源输入为主, 表层底泥可能是含磷污染物的“汇”.
|
|
表 5 苏州古城区域底泥和水体中碳氮磷类污染物含量相关性分析1) Table 5 Correlation analysis for the concentrations of carbon, nitrogen, and phosphorus bearing pollutants in the sediments and waters of the ancient town rivers of Suzhou |
水体TOC浓度与水体中氮磷类污染物呈显著正相关, 说明有机物直接影响氮磷类污染物的吸附解吸过程[38], 且水体中碳氮磷类污染物同源.水体TN浓度和氨氮呈显著正相关, 水体TP浓度和磷酸盐也呈显著正相关.
底泥TP含量与水体BOD5和COD呈显著正相关, 底泥有效磷与水体TOC、TN、氨氮和磷酸盐也呈显著正相关, 且底泥含磷类污染物与水中碳氮磷类污染物分布规律相似, 表明底泥和水体中含磷类污染物同源, 以外源输入为主.
2.3 底泥污染和水质状况评价底泥内梅罗污染指数评价结果显示[图 5(a)], 苏州古城区域河道底泥相对于加拿大安大略省环境和能源部(1992年)制定的环境质量评价指南标准中安全级的营养水平[31], 内梅罗污染指数介于0.3~2.6之间, 没有点处于重污染状态, 70%采样点处于轻度污染和中度污染, 15%的点处在尚清洁的警戒状态, 亟待治理.
|
图 5 苏州古城区域河道污染等级评价结果 Fig. 5 Evaluation results of pollutants in the ancient town rivers of Suzhou |
水质综合污染指数评价结果显示[图 5(b)], 苏州古城区域河道水质相对于地表水Ⅲ类水质标准(GB 3838-2002), 综合污染指数介于0.7~1.8之间, 所有采样点均处于污染状态, 甚至50%处于重度污染, 说明苏州古城区域河道水质污染普遍严重.相比于2013年苏州古城区域水质标准被确定为地表水Ⅳ类水标准[26], 水质进一步恶化.
2.4 不同情境下底泥氮磷的释放预测各河段底泥-水的氮磷分配系数见图 6(a).模拟不同情境下, 底泥TN和TP向水体中的释放情况, 原苏州古城区域河道水体TN浓度为1.6~3.4 mg·L-1, TP浓度0.10~0.38 mg·L-1.情景①模拟将苏州古城区域河道全部置换成地表水Ⅲ类水(TN=1.0 mg·L-1和TP=0.2 mg·L-1), 可以短时间改变水质, 经过长时间底泥释放污染物后, TN和TP浓度降低, 但仍处于地表水Ⅴ类水质标准[泥水平衡状态时水质状况如图 6(b)所示].情景②模拟将长江水引入苏州古城区域河道(以长江水置换苏州古城区域河水的一半, 长江水TN=1.6 mg·L-1和TP=0.10 mg·L-1[55]), 计算泥水平衡后水体污染物浓度发现[图 6(b)], 在河道水量不变, 流速依然缓慢的条件下, 引水对河道水质的改善效果不明显.情景③模拟降雨时, 降雨径流与苏州古城区域河水混合(以初期径流置换苏州古城区域河水的一半), 由于苏州城区降雨径流的污染物浓度高(TN＝3 mg·L-1和TP＝1 mg·L-1[56]), 会导致降雨后河道水质急剧恶化, TN浓度范围为1.73~3.46 mg·L-1, TP浓度仍为0.10~0.38 mg·L-1.当降雨初期河道水体污染物浓度突然增加时, 底泥作为“汇”会适当受纳部分污染物, 具有一定环境容量.在不同情境下预测的苏州古城区域河道水质情况, 与采样水质相比, TN浓度稍有起伏, TP几乎不变.
|
图 6 不同情境下苏州古城区域水质特征 Fig. 6 Water parameters for the ancient town rivers of Suzhou under different scenarios |
根据苏州古城区域河道碳氮磷类污染物的平均负荷量, 设计底泥疏浚顺序为环城河、古城北部河道、干将河、古城南部河道, 假定各河段依次彻底疏浚.相比原河道, 换水情境水体TN总量减少0.2 t, TP总量增加0.1 t, 按照上述顺序疏浚后, 水体TN总量分别减少3.21、4.14、4.23和4.78 t, TP总量分别增加0.24、0.24、0.24和0.26 t[图 6(c)].相比原河道, 引水情景水体TN总量减少0.1 t, TP总量减少0.01 t, 按顺序疏浚后, 水体TN总量分别减少1.6、2.07、5.12和2.39 t, TP总量分别增加0.11、0.11、0.11和0.10 t[图 6(d)].底泥氮以内源污染为主, 故疏浚会大幅度降低水环境中的TN总量; 然而底泥磷以外源输入为主, 在泥水体系中起受纳作用, 故疏浚后, 水环境中的TP总量增加.
3 结论(1) 苏州古城区域河道底泥TOC、TN和氨氮的平均含量分别为3.4%、2 074 mg·kg-1和140.2 mg·kg-1, 以内源输入为主.TP和有效磷的平均含量为1 765 mg·kg-1和57.2 mg·kg-1, 以外源输入为主.根据内梅罗污染指数评价法, 70%采样点的底泥属轻度污染和中度污染.
(2) 苏州古城区域河道属地表水劣Ⅴ类水质, TN为主要污染物.水体TOC、BOD5、COD、TN、氨氮、凯氏氮、TP和磷酸盐的平均浓度分别为7.8、0.6、13.1、2.5、0.643、1.3、0.18和0.09 mg·L-1.水中含磷污染物浓度分布规律与底泥磷相似, 且呈正相关, 说明具有相同的排放源且均为外源输入.根据综合污染指数评价法, 50%采样点的水体属重度污染.
(3) 苏州古城区域河道底泥总量约为5.2×105 t, 沿程平均约1.1×104 t·km-1.底泥TOC、TN、氨氮、TP和有效磷的总量分别约为25 706、791、90、531和17 t; 水中TOC、BOD5、COD、TN、氨氮、凯氏氮、TP和磷酸盐的总量分别约为26.1、1.9、52.9、8.7、1.9、5.6、0.6和0.2 t.结合苏州古城区域河道碳氮磷类污染物的平均负荷量, 推荐疏浚顺序为：环城河、古城北部河道、干将河、古城南部河道.
(4) 降雨径流会使水质显著恶化, 换水和引水情境下水中TN总量均减少0.2 t, 完全疏浚后水中TN总量分别进一步减少4.58和2.19 t.底泥磷以外源输入为主, 可受纳部分水体中的磷, 故疏浚后, 水体中的TP总量可能增加.
| [1] |
张家泉, 胡天鹏, 邢新丽, 等. 大冶湖表层沉积物-水中多环芳烃的分布、来源及风险评价[J]. 环境科学, 2017, 38(1): 170-179. Zhang J Q, Hu T P, Xing X L, et al. Distribution, sources and risk assessment of the PAHs in the surface sediments and water from the Daye Lake[J]. Environmental Science, 2017, 38(1): 170-179. DOI:10.3969/j.issn.1673-288X.2017.01.052 |
| [2] | Carreira R S, Wagener A L R, Readman J W, et al. Changes in the sedimentary organic carbon pool of a fertilized tropical estuary, Guanabara Bay, Brazil: an elemental, isotopic and molecular marker approach[J]. Marine Chemistry, 2002, 79(3-4): 207-227. DOI:10.1016/S0304-4203(02)00065-8 |
| [3] | Hupfer M, Lewandowski J. Retention and early diagenetic transformation of phosphorus in Lake Arendsee (Germany)-consequences for management strategies[J]. Archiv Für Hydrobiologie, 2005, 164(2): 143-167. DOI:10.1127/0003-9136/2005/0164-0143 |
| [4] | Carpenter S R, Caraco N F, Correll D L, et al. Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen[J]. Ecological Applications, 1998, 8(3): 559-568. DOI:10.1890/1051-0761(1998)008[0559:NPOSWW]2.0.CO;2 |
| [5] | Liu S M, Zhang J, Chen H T, et al. Nutrients in the Changjiang and its tributaries[J]. Biogeochemistry, 2003, 62(1): 1-18. DOI:10.1023/A:1021162214304 |
| [6] | Bowes M J, Hilton J, Irons G P, et al. The relative contribution of sewage and diffuse phosphorus sources in the River Avon catchment, southern England: implications for nutrient management[J]. Science of the Total Environment, 2005, 344(1-3): 67-81. DOI:10.1016/j.scitotenv.2005.02.006 |
| [7] | Furumai H, Kondo T, Ohgaki S. Phosphorus exchange kinetics and exchangeable phosphorus forms in sediments[J]. Water Research, 1989, 23(6): 685-691. DOI:10.1016/0043-1354(89)90200-5 |
| [8] | Wang S R, Jin X C, Zhao H C, et al. Phosphorus fractions and its release in the sediments from the shallow lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River area in China[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2006, 273(1-3): 109-116. |
| [9] | Wetzel R G. Limnology: lake and river ecosystems[M]. (3rd ed). San Diego: Academic Press, 2001. |
| [10] |
胡昕怡, 高冰丽, 陈坦, 等. 截污调水后滇池表层沉积物中16种PAHs的分布特征[J]. 环境科学, 2019, 40(8): 3501-3508. Hu X Y, Gao B L, Chen T, et al. Distribution of 16 polycyclic aromatic hydrocarbons in Dianchi Lake surface sediments after the integrated water environment control project[J]. Environmental Science, 2019, 40(8): 3501-3508. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2019.08.045 |
| [11] |
张嘉雯, 魏健, 刘利, 等. 衡水湖沉积物营养盐形态分布特征及污染评价[J]. 环境科学, 2020, 41(12): 5389-5399. Zhang J W, Wei J, Liu L, et al. Distribution characteristics and pollution assessment of nutrients in sediments of Hengshui Lake[J]. Environmental Science, 2020, 41(12): 5389-5399. |
| [12] | Kim L H, Choi E, Stenstrom M K. Sediment characteristics, phosphorus types and phosphorus release rates between river and lake sediments[J]. Chemosphere, 2003, 50(1): 53-61. DOI:10.1016/S0045-6535(02)00310-7 |
| [13] | Gonsiorczyk T, Casper P, Koschel R. Phosphorus-binding forms in the sediment of an oligotrophic and an eutrophic hardwater lake of the Baltic Lake District (Germany)[J]. Water Science and Technology, 1998, 37(3): 51-58. DOI:10.2166/wst.1998.0173 |
| [14] | Havens K E, Fukushima T, Xie P, et al. Nutrient dynamics and the eutrophication of shallow lakes Kasumigaura (Japan), Donghu (PR China), and Okeechobee (USA)[J]. Environmental Pollution, 2001, 111(2): 263-272. DOI:10.1016/S0269-7491(00)00074-9 |
| [15] | Kaiserli A, Voutsa D, Samara C. Phosphorus fractionation in lake sediments-Lakes Volvi and Koronia, N. Greece[J]. Chemosphere, 2002, 46(8): 1147-1155. DOI:10.1016/S0045-6535(01)00242-9 |
| [16] |
李运奔, 匡帅, 王臻宇, 等. 东巢湖沉积物水界面氮、磷、氧迁移特征及意义[J]. 湖泊科学, 2020, 32(3): 688-700. Li Y B, Kuang S, Wang Z Y, et al. Characteristics and significance of nitrogen, phosphorus and oxygen transportation at the sediment-water interface in east Lake Chaohu[J]. Journal of Lake Sciences, 2020, 32(3): 688-700. |
| [17] |
施玉珍, 陈树鸿, 赵辉, 等. 珠江口海域沉积物-水界面营养盐释放特征研究[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2020, 39(3): 517-524. Shi Y Z, Chen S H, Zhao H, et al. Release characteristics of nutrients at the sediment-water interface of the Pearl River Estuary[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2020, 39(3): 517-524. |
| [18] |
曾丹娜, 牛丽霞, 陶伟, 等. 夏季珠江口水域营养盐分布特征及其富营养化评价[J]. 广东海洋大学学报, 2020, 40(3): 73-82. Zeng D N, Niu L X, Tao W, et al. Nutrient dynamics in Pearl River estuary and their eutrophication evaluation[J]. Journal of Guangdong Ocean University, 2020, 40(3): 73-82. |
| [19] | Gershenfeld N, Krikorian R, Cohen D. The internet of things[J]. Scientific American, 2004, 291(4): 76-81. DOI:10.1038/scientificamerican1004-76 |
| [20] |
廖轶鹏, 周钰林, 范子武, 等. 夏季引流条件下苏州古城区河网水质变化研究[J]. 水利水运工程学报, 2019(5): 18-26. Liao Y P, Zhou Y L, Fan Z W, et al. Study on water quality changes of river work in Suzhou ancient city under summer drainage conditions[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(5): 18-26. |
| [21] |
宋厚燃, 马利民, 闵真真. 梁滩河沉积物中氮磷垂直分布研究[J]. 环境污染与防治, 2012, 34(6): 42-45, 50. Song H R, Ma L M, Min Z Z. Study on the vertical distribution of nitrogen and phosphorus in the sediments of Liangtanhe River[J]. Environmental Pollution and Control, 2012, 34(6): 42-45, 50. DOI:10.3969/j.issn.1001-3865.2012.06.010 |
| [22] |
刘欢, 孔维苇, 王晓锋, 等. 重庆梁滩河表层沉积物氮形态时空特征及影响因素[J]. 水土保持学报, 2019, 33(6): 332-341. Liu H, Kong W W, Wang X F, et al. Temporal and spatial characteristics and influencing factors of nitrogen morphology in surface sediments of Liangtan River, Chongqing[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(6): 332-341. |
| [23] | 官剑颖. 苏州水资源可持续利用初探[J]. 水利建设与管理, 2010, 30(5): 76-77. DOI:10.3969/j.issn.1005-4774.2010.05.026 |
| [24] |
季永兴, 刘水芹. 苏州河水环境治理20年回顾与展望[J]. 水资源保护, 2020, 36(1): 25-30, 51. Ji Y X, Liu S Q. Review and prospect of Suzhou Creek water environment treatment in 20 years[J]. Water Resources Protection, 2020, 36(1): 25-30, 51. |
| [25] |
李义禄, 张玉虎, 贾海峰, 等. 苏州古城区水体污染时空分异特征及污染源解析[J]. 环境科学学报, 2014, 34(4): 1032-1044. Li Y L, Zhang Y H, Jia H F, et al. Spatio-temporal characteristics and source identification of water pollutants in ancient town of Suzhou[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(4): 1032-1044. |
| [26] |
付江波, 赵文信, 胡红勇, 等. 苏州市古城区河道水质时空变化分析与评价[J]. 水利科技与经济, 2019, 25(2): 22-27. Fu J B, Zhao W X, Hu H Y, et al. Spatiotemporal variation and assessment of water quality in rivers of Suzhou ancient city[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2019, 25(2): 22-27. |
| [27] |
李淮, 吴玮, 田永静, 等. 苏州市古城区降雨径流颗粒物粒径分布及污染物赋存形态[J]. 环境科学, 2016, 37(2): 565-572. Li H, Wu W, Tian Y J, et al. Particle size distribution and pollutant speciation analyses of stormwater runoff in the ancient town of Suzhou[J]. Environmental Science, 2016, 37(2): 565-572. |
| [28] |
王旭婷, 吴玮, 李淮. 苏州古城各功能区路面降雨径流分析[J]. 江苏水利, 2019(7): 9-14. Wang X T, Wu W, Li H. Analysis of pavement rainfall runoff in various functional areas of Suzhou Ancient City[J]. Jiangsu Water Resources, 2019(7): 9-14. |
| [29] |
石莎, 范子武, 乌景秀. 苏州古城区水系演变规律及水动力改善研究[J]. 人民长江, 2017, 48(9): 20-24. Shi S, Fan Z W, Wu J X. Study on structure and evolution of river network in Suzhou ancient city[J]. Yangtze River, 2017, 48(9): 20-24. |
| [30] |
HJ/T 166-2004, 土壤环境监测技术规范[S]. HJ/T 166-2004, Technical specification for soil environmental monitoring[S]. |
| [31] | Calmano W, Forstner U. Sediment and toxic substances: environmental effects and ecotoxity[M]. Berlin: Springer, 1995. |
| [32] | 彭文启, 张祥伟. 现代水环境质量评价理论与方法[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005. |
| [33] | 国务院. 水污染防治行动计划[Z]. 2015-04-02. |
| [34] | 江苏省人民政府. 江苏省水污染防治工作方案[Z]. 2015-12-28. |
| [35] |
蓝家程, 孙玉川, 肖时珍. 多环芳烃在岩溶地下河表层沉积物-水相的分配[J]. 环境科学, 2015, 36(11): 4081-4087. Lan J C, Sun Y C, Xiao S Z. Water-sediment partition of polycyclic aromatic hydrocarbons in karst underground river[J]. Environmental Science, 2015, 36(11): 4081-4087. |
| [36] |
霍文毅, 陈静生. 我国部分河流重金属水-固分配系数及在河流质量基准研究中的应用[J]. 环境科学, 1997, 18(4): 10-13. Huo W Y, Chen J S. Water-solid distribution coefficient of heavy metals in some rivers in China and its application in the study of river quality datum[J]. Environmental Science, 1997, 18(4): 10-13. |
| [37] | Wu T F, Qin B Q, Brookes J D, et al. Spatial distribution of sediment nitrogen and phosphorus in Lake Taihu from a hydrodynamics-induced transport perspective[J]. Science of the Total Environment, 2019, 650: 1554-1565. |
| [38] |
赵力, 蒋慧, 董艳, 等. 南通市区河流底泥营养物质污染特征及环境风险分析[J]. 中国环境监测, 2014, 30(4): 16-20. Zhao L, Jiang H, Dong Y, et al. The research of nutrients contamination characteristics in sediments in Nantong urban rivers and assessment of environmental risks[J]. Environmental Monitoring in China, 2014, 30(4): 16-20. |
| [39] |
范成新, 杨龙元, 张路. 太湖底泥及其间隙水中氮磷垂直分布及相互关系分析[J]. 湖泊科学, 2000, 12(4): 359-366. Fan C X, Yang L Y, Zhang L. The vertical distributions of nitrogen and phosphorus in the sediment and interstitial water in Taihu Lake and their interrelations[J]. Journal of Lake Sciences, 2000, 12(4): 359-366. |
| [40] |
郜志云, 赵翠平, 孙运海, 等. 邛海表层沉积物营养盐分布特征及污染评价[J]. 环境污染与防治, 2016, 38(5): 95-99, 104. Gao Z Y, Zhao C P, Sun Y H, et al. Distribution characteristics and pollution assessment on nutrient elements of surface sediment in Qionghai Lake[J]. Environmental Pollution and Control, 2016, 38(5): 95-99, 104. |
| [41] |
张晓娇. 北运河底泥污染特征及内源污染控制技术研究[D]. 大连: 大连海洋大学, 2018. Zhang X J. The characteristics of pollutants in sediment and the research of in-situ controlling in Beiyun River, China[D]. Dalian: Dalian Ocean University, 2018. |
| [42] |
卢少勇, 焦伟, 王强, 等. 环太湖河流水质时空分布特征[J]. 环境科学研究, 2011, 24(11): 1220-1225. Lu S Y, Jiao W, Wang Q, et al. Spatial-temporal distribution characteristics of water quality of rivers around Taihu Lake[J]. Research of Environmental Sciences, 2011, 24(11): 1220-1225. |
| [43] |
王佩, 卢少勇, 王殿武, 等. 太湖湖滨带底泥氮、磷、有机质分布与污染评价[J]. 中国环境科学, 2012, 32(4): 703-709. Wang P, Lu S Y, Wang D W, et al. Nitrogen, phosphorous and organic matter spatial distribution characteristics and their pollution status evaluation of sediments nutrients in lakeside zones of Taihu Lake[J]. China Environmental Science, 2012, 32(4): 703-709. |
| [44] |
张亚楠, 马启敏, 岳宗恺, 等. 东昌湖表层沉积物中氮的赋存形态[J]. 环境化学, 2013, 32(3): 459-465. Zhang Y N, Ma Q M, Yue Z K, et al. Study of nitrogen forms in the sediments from Dongchang Lake[J]. Environmental Chemistry, 2013, 32(3): 459-465. |
| [45] |
金鑫, 单保庆, 李思敏, 等. 北方典型干旱缺水型河流氮磷时空分布特征与富营养化评价[J]. 环境工程学报, 2016, 10(7): 3538-3544. Jin X, Shan B Q, Li S M, et al. Temporal and spatial variation of nitrogen and phosphorus and eutrophication assessment in typical arid river in northern China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(7): 3538-3544. |
| [46] | SanClements M D, Fernandez I J, Norton S A. Soil and sediment phosphorus fractions in a forested watershed at Acadia National Park, ME, USA[J]. Forest Ecology and Management, 2009, 258(10): 2318-2325. |
| [47] |
丁瑶, 欧阳莉莉, 石清, 等. 特大城市河流表层沉积物磷形态分布及有效性: 以成都市为例[J]. 环境科学, 2019, 40(1): 219-227. Ding Y, Ouyang L L, Shi Q, et al. Distribution and bioavability of phosphorus in surface sediments in megalopolis: a case study of Chengdu[J]. Environmental Science, 2019, 40(1): 219-227. |
| [48] |
周健民, 沈仁芳. 土壤学大辞典[M]. 北京: 科学出版社, 2013. Zhou J M, Shen R F. Dictionary of soil science[M]. Beijing: Science Press, 2013. |
| [49] | Giblin A E, Hopkinson C S, Tucker J. Benthic metabolism and nutrient cycling in Boston Harbor, Massachusetts[J]. Estuaries, 1997, 20(2): 346-364. |
| [50] |
苗慧, 沈峥, 蒋豫, 等. 巢湖表层沉积物氮、磷、有机质的分布及污染评价[J]. 生态环境学报, 2017, 26(12): 2120-2125. Miao H, Shen Z, Jiang Y, et al. Distribution characteristics and pollution assessment of nitrogen, phosphorus and organic matter in surface sediments of Chaohu Lake[J]. Ecology and Environment Sciences, 2017, 26(12): 2120-2125. |
| [51] | Ni Z K, Wang S R, Wu Y, et al. Response of phosphorus fractionation in lake sediments to anthropogenic activities in China[J]. Science of the Total Environment, 2020, 699. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.134242 |
| [52] | 姜伟, 黄明. 苏州市城区河道黑臭成因分析及对策研究[J]. 中国水运, 2012, 12(10): 123-124. |
| [53] |
王艳平, 徐伟伟, 胡维平. 巢湖沉积物氮磷分布及污染评价[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 699-711. Wang Y P, Xu W W, Hu W P. Distribution of nitrogen and phosphorus in Lake Chaohu sediments and pollution evalution[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 699-711. |
| [54] |
郭赟, 黄晓峰, 李海妮, 等. 城市河道环保疏浚与水利疏浚效果研究——以无锡市梁塘河薛家浜为例[J]. 环境工程技术学报, 2020, 10(3): 400-405. Guo Y, Huang X F, Li H N, et al. Study on the effect of urban river environmental dredging and hydraulic dredging: taking Xuejiabang, Liangtang River of Wuxi as an example[J]. Journal of Environmental Engineering Technology, 2020, 10(3): 400-405. |
| [55] |
彭福利, 何立环, 于洋, 等. 三峡库区长江干流及主要支流氮磷叶绿素变化趋势[J]. 中国科学: 技术科学, 2017, 47(8): 845-855. Peng F L, He L H, Yu Y, et al. Studies on the total nitrogen, total phosphorus and chlorophyll a variations in the mainstream and main tributaries of the Yangtze River before and after the impoundment in the Three Gorges Project area[J]. Scientia Sinica Technologica, 2017, 47(8): 845-855. |
| [56] |
吴蓓, 汪翙, 黄玮, 等. 苏州城区不同功能区地表径流污染特征[J]. 水资源保护, 2007, 23(2): 57-59, 63. Wu B, Wang H, Huang W, et al. Contamination characteristics of surface runoff in different functional districts of Suzhou City[J]. Water Resources Protection, 2007, 23(2): 57-59, 63. |