南京玄武湖富營(yíng)養(yǎng)化及重金屬污染現(xiàn)狀

趙大勇,馬 婷,曾 巾,燕文明,徐于楠,姜翠玲

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210008)

南京玄武湖是典型的城市淺水湖泊,湖面面積3.68km2左右,平均水深1.14m,最大水深2.31m.湖面被4個(gè)小島劃分為北湖、東南湖和西南湖3部分.玄武湖匯水主要來(lái)自紫金山北麓雨水以及流域內(nèi)工業(yè)廢水和生活污水[1-2].20世紀(jì)80年代末,玄武湖水質(zhì)已處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),90年代死魚(yú)現(xiàn)象頻頻發(fā)生.2005年7月,玄武湖暴發(fā)藍(lán)藻水華,湖面被藍(lán)藻覆蓋.后來(lái)藻類死亡,整個(gè)湖泊散發(fā)出難聞的臭味,給南京市的城市景觀造成了嚴(yán)重的不良影響[3].

除富營(yíng)養(yǎng)化外,玄武湖還面臨重金屬污染的問(wèn)題[4].在此之前,已有關(guān)于玄武湖沉積物中重金屬含量分布的研究報(bào)道[1,4].鄒麗敏等[2]應(yīng)用ICP-MS的方法檢測(cè)了玄武湖沉積物中Zn,Cd和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù),發(fā)現(xiàn)其分別是南京土壤環(huán)境背景值的1.08～2.91倍、51.70～89.80倍和1.33～4.11倍.這表明南京玄武湖沉積物中Zn的污染程度較輕,Cd和Ni的污染程度較重,且Zn,Cd和Ni檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值均出現(xiàn)在東南湖沉積物中.

湖泊底泥疏浚是指通過(guò)挖除湖泊底泥的方式清除沉積物中所含的污染物,減少沉積物中污染物向水體的釋放,從而達(dá)到改善水質(zhì)的效果.為了改變玄武湖的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),相關(guān)部門(mén)曾多次在玄武湖開(kāi)展底泥清淤疏浚工作.最近的一次清淤工作自2007年開(kāi)始,清淤范圍包括北湖、東南湖和西南湖3個(gè)湖區(qū),相關(guān)工作現(xiàn)已基本結(jié)束.但關(guān)于底泥疏浚對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊治理方面的積極作用卻尚未得到證實(shí)[5-6].因此,本文對(duì)此次清淤后玄武湖不同湖區(qū)水體及沉積物中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽以及重金屬質(zhì)量濃度的分布規(guī)律進(jìn)行分析,相關(guān)結(jié)果可為檢驗(yàn)玄武湖生態(tài)工程治理效果提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7].

1 采樣與指標(biāo)測(cè)定方法

1.1 樣品采集

2010年4月,在玄武湖的北湖區(qū)、東南湖區(qū)和西南湖區(qū)已完成清淤工作的區(qū)域中設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)(S1～S6,圖1).用采水器采集水面下0.5m處的水樣,將采集的水樣放入冰箱4℃保存.另外,用彼得遜采泥器,在各個(gè)采樣點(diǎn)采集表層3cm的沉積物樣品200g,將采集回來(lái)的沉積物樣品放入冰箱-20℃保存,供后續(xù)分析使用.

1.2 常規(guī)理化指標(biāo)測(cè)定方法

采樣點(diǎn)水體的pH用pH計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定.沉積物pH參照ISO 10390—2005《土壤質(zhì)量pH的測(cè)定》方法進(jìn)行.水樣和凍干后沉積物樣品的總氮(TN)、總磷(TP)的測(cè)定參照過(guò)硫酸鉀氧化 紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法進(jìn)行[8].沉積物樣品經(jīng)凍干后,按照GB9834—88《土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定方法》進(jìn)行有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定.

1.3 重金屬含量的測(cè)定方法

水樣中重金屬含量的測(cè)定方法:取10mL已過(guò)濾雜質(zhì)的水樣置于50mL的離心管中;加入100μL的HNO3,在電熱板上80℃消解6 h,冷卻后測(cè)定.

沉積物中重金屬含量的測(cè)定:沉積物樣品經(jīng)凍干后,混合均勻,裝入聚乙烯塑料袋,置于干燥器中保存?zhèn)溆?準(zhǔn)確稱取2g凍干樣品,轉(zhuǎn)移至已清洗好的離心管中.在離心管中加入15mL的HCl(1∶1)和5mLHNO3,輕微震蕩離心管,使樣品與消解液混合均勻.將裝好樣品和消解液的離心管放在加熱板上80℃消解6h,并不時(shí)震蕩離心管混勻.待離心管冷卻后,過(guò)濾收集濾液,定容至50mL.

用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Thermo iCAP 6300,Thermo Fisher Scientific,USA)進(jìn)行重金屬元素的測(cè)定,以混合標(biāo)準(zhǔn)溶液建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,逐個(gè)分析各個(gè)樣品中Cr,Cu,Ni,Pb和Zn 5種重金屬的含量,每個(gè)樣品測(cè)定3次,記錄重金屬元素含量與標(biāo)準(zhǔn)偏差.

圖1 玄武湖采樣點(diǎn)位置分布Fig.1 Location of sampling sites in Xuanwu Lake

2 測(cè)定結(jié)果及分析

2.1 水體及沉積物的理化參數(shù)

玄武湖水體及沉積物的理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表1所示.從表1可以看出,西南湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化程度最低,北湖湖區(qū)沉積物中的有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)重偏高,而東南湖區(qū)的湖水TN和TP的質(zhì)量濃度過(guò)高.依據(jù)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),北湖湖區(qū)水體處于中度富營(yíng)養(yǎng)化到嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),東南湖區(qū)處于嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),而水質(zhì)相對(duì)較好的西南湖區(qū)則處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),只是TN的質(zhì)量濃度略微偏高.梅卓華等[9]研究了2006年4月—2007年3月期間,南京玄武湖水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量的動(dòng)態(tài)變化.結(jié)果顯示:玄武湖TN質(zhì)量濃度一直保持在較高水平,年平均值為1.69 mg/L,低于本研究中各采樣點(diǎn)TN的質(zhì)量濃度平均值(1.91mg/L).TP的質(zhì)量濃度范圍為0.04～0.33mg/L,與本研究檢測(cè)到的質(zhì)量濃度范圍基本一致.上述研究結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)清淤修復(fù),玄武湖水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度并未出現(xiàn)明顯下降.朱敏等[10]的研究結(jié)果也顯示,玄武湖1998年清淤后沉積物中TP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降,但其后又呈現(xiàn)上升趨勢(shì),TN在清淤后呈明顯上升趨勢(shì).

表1 水體及沉積物理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 1 Measured results of physicochemical parameters in water and sediment samples

2.2 水體中重金屬質(zhì)量濃度

各采樣點(diǎn)水樣中重金屬質(zhì)量濃度的測(cè)定結(jié)果如表2所示,各采樣點(diǎn)水體中的重金屬質(zhì)量濃度相對(duì)都比較低,只有Cr和Zn元素的質(zhì)量濃度高于檢測(cè)限,其余重金屬元素均未檢出,這說(shuō)明Ni,Cu,Pb等元素在玄武湖水體中的質(zhì)量濃度比較低.

由于玄武湖的補(bǔ)給水源主要是雨水和污水處理廠的中水,因此重金屬的來(lái)源主要是污水處理廠的中水以及化肥農(nóng)藥的流失.檢測(cè)結(jié)果顯示,位于東南湖的兩個(gè)采樣點(diǎn)S3和S4水體中重金屬污染最嚴(yán)重,這可能是因?yàn)樾浜|南方向靠近花卉公園、情侶園等處,有污水處理廠的中水回流影響.

2.3 沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

排入水體的重金屬污染物,由于各種物理化學(xué)過(guò)程,會(huì)由水相轉(zhuǎn)入固相,并逐步轉(zhuǎn)移至沉積物中[11].因此,水環(huán)境中的重金屬離子在水相中含量甚微,絕大部分會(huì)結(jié)合于沉積物顆粒中.

表2 玄武湖水體中重金屬的質(zhì)量濃度Table2 Concentrations of heavy metals in water of Xuanwu Lake mg/L

表3 玄武湖沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Concentrations of heavy metals in sediments of Xuanwu Lake 10-6

玄武湖各個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中重金屬元素的檢測(cè)結(jié)果如表3所示.玄武湖沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序?yàn)閆n,Cr,Cu,Pb,Ni.李曉晨等[4]的研究結(jié)果表明,玄武湖沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的排列順序?yàn)镕e,Mn,Ba,Zn,Ni,Cd.該研究結(jié)果與本文研究結(jié)果一致.總體上看,西南湖區(qū)沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低.根據(jù)南京市土壤環(huán)境背景值[12],Cr,Ni,Pb均沒(méi)有超標(biāo),但是Zn存在超標(biāo)現(xiàn)象.張立等[1]的研究結(jié)果表明,玄武湖沉積物中大部分采樣點(diǎn)的Cr,Pb和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)背景值,處于輕微污染狀態(tài).這說(shuō)明本次清淤之后,玄武湖沉積物中Cr和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低,污染狀況有所緩解.

2.4 沉積物中重金屬污染評(píng)價(jià)

為了定量南京玄武湖沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用地累積指數(shù)法對(duì)重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[13-15].地球化學(xué)背景參考值,選定南京土壤環(huán)境中重金屬元素的背景值作為計(jì)算依據(jù)[10],取Cr,Cu,Ni,Pb,Zn金屬背景參考值分別為59mg/kg,32.2mg/kg,35.80mg/kg,24.8mg/kg和61.50mg/kg.

地累積指數(shù)(Igeo)的計(jì)算公式為

式中:cn——實(shí)測(cè)重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù);βn——當(dāng)?shù)爻练e物重金屬的背景值;1.5——考慮到成巖作用可能引起背景值波動(dòng)而設(shè)定的常數(shù).

計(jì)算出玄武湖6個(gè)采樣點(diǎn)的地累積指數(shù)并根據(jù)表4得出分級(jí)結(jié)果,如表5所示.

表5結(jié)果表明,玄武湖沉積物的6個(gè)采樣點(diǎn)中,根據(jù)采樣點(diǎn)S2和S4的Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算出的 I geo處于0～1之間,說(shuō)明這2個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中的Zn處于輕度污染程度,其余金屬污染程度均為清潔.鄒麗敏等[2]應(yīng)用地累積指數(shù)法對(duì)南京玄武湖沉積物中Cd,Ni和Zn3種重金屬的污染程度進(jìn)行了評(píng)價(jià),在北湖、東南湖和西南湖3個(gè)湖區(qū)中,依據(jù)3種金屬濃度計(jì)算出的地累積指數(shù)均有大于0的值出現(xiàn),污染程度大小順序?yàn)镃d,Ni,Zn,且東南湖的污染程度最為嚴(yán)重.

表4 地累積指數(shù)與重金屬污染程度的關(guān)系Table4 Relationship between geo-accumulation index and heavy metal pollution

表5 地累積指數(shù)與污染級(jí)別Table5 Geo-accumulation indices and pollution grades

玄武湖的重金屬污染與匯入的污水量和滯留時(shí)間有較大關(guān)系.唐家山溝、紫金山溝和崗子村流入的污水進(jìn)入東南湖區(qū),其匯入水量為總量的42%;南十里長(zhǎng)溝、老季亭和香料廠的污水流入北湖區(qū),匯入水量占總水量的39%.而北湖的平橋閘和東南湖區(qū)的武廟閘的出湖水量分別占出湖總量的55%和23%[16].此外,西南湖區(qū)有西家大塘匯入,但沒(méi)有出口,只能從僅有的與東南湖區(qū)相連的水道流經(jīng)東南湖區(qū)后,再經(jīng)武廟閘流出.可見(jiàn),東南湖區(qū)接納的污水量較其他2個(gè)湖區(qū)多,出湖水量較北湖少,其污水的滯留時(shí)間自然也較其他湖區(qū)長(zhǎng),所以導(dǎo)致東南湖區(qū)重金屬污染和生物毒性也較其他湖區(qū)嚴(yán)重.

3 結(jié) 論

a.在玄武湖的3個(gè)湖區(qū)中,西南湖區(qū)相比較而言營(yíng)養(yǎng)狀況最好,北湖湖區(qū)沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量偏高,而東南湖區(qū)湖水中TN和TP含量過(guò)高.與清淤前的數(shù)據(jù)相比,玄武湖水體中營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度未見(jiàn)明顯下降.

b.水體中重金屬除S3和S4采樣點(diǎn)的Cr超標(biāo)外(達(dá)不到Ⅴ類地表水的標(biāo)準(zhǔn)),其余各采樣點(diǎn)的重金屬的質(zhì)量濃度均可達(dá)Ⅰ類或Ⅱ類地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn).清淤之后,玄武湖沉積物中Cr和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低,污染狀況有所緩解.

c.根據(jù)地累積指數(shù)法,在玄武湖6個(gè)采樣點(diǎn)中,采樣點(diǎn)S2和S4沉積物中Zn的地累積指數(shù)處于0～1之間,說(shuō)明這2個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中Zn處于輕度污染程度,其余金屬污染程度均為清潔.

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