蠡湖水體懸浮物的時空變化及其影響因素

王書航 ,姜 霞 *,王雯雯 ,胡佳晨 ,2,張 博 ,2,李佳璐 ,趙 麗 (.中國環(huán)境科學研究院,環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 0002；2.東北林業(yè)大學林學院,黑龍江 哈爾濱 50040 )

水中懸浮物含量是衡量水污染程度的指標之一,在湖泊內(nèi)源釋放和水環(huán)境變化中扮演重要的角色[1-2].研究表明,懸浮物濃度的增加是引起湖水透明度(SD)降低和光學衰減系數(shù)增大的主要原因,水體中懸浮物的存在,會影響湖水水色,增加對光輻射的衰減,從而降低水體 SD,進而改變水下光照強度分布,影響湖區(qū)浮游植物光合作用及初級生產(chǎn)力水平[3-5].另外,在一定條件下,由風生流引起湖泊底部沉積物的擾動使沉積物處于再懸浮狀態(tài),這種再懸浮狀態(tài)會強烈影響營養(yǎng)鹽在沉積物-水界面間的再分配,部分營養(yǎng)元素可從沉積物中向上層水體釋放,使水體營養(yǎng)負荷增加,加劇水體富營養(yǎng)化[6-8].因此, 研究水體懸浮物濃度的分布特征及其影響因素,對于提高水體 SD,改善水生態(tài)系統(tǒng),控制水體富營養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實意義.

通過近10年的環(huán)境綜合整治,蠡湖水體整體已經(jīng)處于地表水質(zhì)標準[9]的IV類水平,其部分區(qū)域已經(jīng)符合III類水質(zhì)的條件,但代表感觀指標的SD和懸浮物沒有顯著改善[9-10].本研究通過現(xiàn)場調(diào)查和歷史監(jiān)測資料的分析,研究了蠡湖水體懸浮物的空間分布、季節(jié)變化以及影響因素,探討了導致懸浮物濃度居高不下的主要原因和有效的應對措施,旨在能夠為蠡湖水生態(tài)深度優(yōu)化調(diào)控以及淺水湖泊富營養(yǎng)化防治提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

蠡 湖 位 于 太 湖 北 部 (120.22°E～120.29°E,31.48°N～31.55°N),東 西 長 約 6km,南 北 寬0.3～1.8km,湖區(qū)面積約 8.6km2,其中水面面積7.82km2.經(jīng)梁溪河閘、五里湖閘與梅梁湖相通,通過曹王涇、長廣溪等分別與京杭大運河、貢湖相連接,湖周圍還有一些小河及斷頭浜,是一個既相對獨立又與太湖相通的水體(圖1).

圖1 蠡湖采樣點分布示意Fig.1 Sampling points and location of Lihu Lake

為方便討論,以蠡堤、寶界橋和蠡湖大橋為邊界將蠡湖劃分為4個區(qū)域(圖1),分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū),各個區(qū)域的特征見表1.

表1 蠡湖各區(qū)域特征統(tǒng)計Table 1 Statistical characteristics of each region in Lihu Lake

1.2 樣品采集及處理

在蠡湖及其出/入湖河口共布置56個采樣點,分別于2012～2013年秋季(10月)、冬季(1月)、春季(4月)和夏季(7月)對蠡湖水體懸浮物濃度進行了調(diào)查,采樣期間天氣晴朗,無風或者微風,且風力無明顯變化.用GPS進行定位導航,采樣點位置見圖1.每個樣點用測繩和回聲測深儀測定水體深度;用多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定水溫、pH值和溶解氧.用容積為 2.5L有機玻璃采水器采集表層0.5m水體,取0.5L水樣用0.45μm微孔濾膜過濾藻類,用于提取和測定ρ(Chl.a);取0.5L水樣用GF/C微孔濾膜過濾懸浮物質(zhì),用于分析懸浮物.同時取0.5L 水樣用于測定水體中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(DTN)(DTN為溶解性總氮)、ρ(DTP)(DTP為溶解性總磷)等水質(zhì)參數(shù).水樣放入 2～8℃保溫箱中保存,并在48h內(nèi)進行水樣分析測試.

ρ(TSS)(TSS為總懸浮物)、ρ(ISS)(ISS為無機懸浮物)ρ(OSS)(OSS為有機懸浮物)采用稱重法測定[12];ρ(Chl.a)的測定采用丙酮提取分光光度法;ρ(TN)和ρ(DTN)的測定采用堿性過硫酸鉀氧化-分光光度法;顆粒態(tài)氮ρ(PN)=ρ(TN)-ρ(DTN);ρ(TP)和ρ(DTP)測定采用過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法;顆粒態(tài)磷ρ(PP) =ρ(TP)-ρ(DTP).具體分析測定方法詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[13]和《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》[14].

1.3 數(shù)據(jù)處理

蠡湖水體懸浮物濃度的歷史數(shù)據(jù)參考了相關文獻[15-18].所有實測指標的分析均做3次平行,試驗結果均以 3次樣品分析的平均值表示(3次分析結果的誤差范圍＜5%),相關分析采用皮爾遜(Pearson)相關系數(shù)法,顯著性檢驗采用獨立樣本t檢驗,空間插值采用普通克里格插值法(Kriging).試驗數(shù)據(jù)采用Excel2010、Origine8.0、Suffer10.0以及SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計檢驗、繪圖和分析.

2 結果及分析

2.1 懸浮物空間分布特征

根據(jù)2012年10月到2013年7月底觀測資料,各采樣點水體 ρ(TSS)在不同季節(jié)的變化范圍在 1.00～78.00mg/L之間,平均為17.35mg/L,總體上呈現(xiàn)東蠡湖大于西蠡湖,沿岸區(qū)高于湖心區(qū)的分布趨勢,且各湖區(qū)ρ(TSS)平均值的高低順序為A區(qū)＜C區(qū)＜B區(qū)＜D區(qū),見圖2.

不同季節(jié)蠡湖水體ρ(TSS)的空間分布特征也不相同.春季ρ(TSS)的低值區(qū)主要分布在蠡湖東北部已開展的生態(tài)修復工程區(qū)內(nèi)(即退漁還湖的渤公島附近區(qū)域)以及西蠡湖南部長廣溪濕地內(nèi),這主要是因為在這 2個區(qū)域內(nèi)已經(jīng)建立了水生植物較為完整的生態(tài)系統(tǒng),水生植物對水體起著過濾、凈化、消浪和抑制底泥上浮的作用,有效降低了水體中的ρ(TSS),同時在春季藻類還沒有大量生長,這也是水體中ρ(TSS)較低的原因之一.夏季水體ρ(TSS)高值區(qū)主要集中在蠡湖東出口區(qū)域,而在水生植物生長較好的東蠡湖以及 C區(qū)南部長廣溪濕地區(qū)域內(nèi)水體ρ(TSS)相對較低,在調(diào)查時發(fā)現(xiàn)在東出口處的河口處均有大量的藻類生長,水質(zhì)感官較為渾濁.秋季水體ρ(TSS)整體偏高,平均值達 27.76mg/L,最高值(78.00mg/L)出現(xiàn)在D區(qū).

2.2 懸浮物的季節(jié)變化特征

蠡湖水體懸浮物濃度的季節(jié)變化較為明顯,全湖ρ(TSS)平均值的季節(jié)變化的總趨勢是:冬季＜春季＜夏季＜秋季,且冬季顯著低于其他季節(jié)(P＜0.01),見圖 3.

圖3 蠡湖水體懸浮物的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of SS in water of Lihu Lake

蠡湖水體ρ(TSS)在春季、夏季、秋季和冬季 分 別 為 (15.23±4.00),(21.98±9.74), (27.76±12.20),(4.38±3.57)mg/L,冬季水體中ρ(TSS)最低,A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)ρ(TSS)的平均值分別為6.09,2.92,3.56,6.00mg/L,且各分區(qū)之間不存在顯著性差異.其中,ρ(OSS)在春季、夏季、秋季和冬季分別為(7.42±1.69),(11.33±6.60), (15.70±9.14),(2.10±0.74) mg/L,占ρ(TSS)的比例分別為 49%、52%、57%和48%.蠡湖水體懸浮物季節(jié)變化差異可能與蠡湖的地理位置、湖區(qū)風速的季節(jié)變化、藻類生長繁殖季節(jié)變化和沉水植物的季節(jié)性生長、死亡存在關系.蠡湖典型的亞熱帶季風氣候特點導致其冬季受大陸冷氣團侵襲,盛行偏北風且風力較小,底泥很難懸浮;同時,冬季魚類活動減弱,加之較低的水溫致使水體中懸浮顆粒物的溶解度降低,有利于水體中的懸浮顆粒物沉積.春、夏季,蠡湖流域盛行東南風,強度較大,湖底的底泥在風浪的擾動下極易懸浮起來,尤其是夏季,藻類大量生長繁殖也導致水體中懸浮物濃度增大.秋季,由于浮游植物和水生植物大量死亡而產(chǎn)生的殘體開始腐解而產(chǎn)生絮狀懸浮物,同時由于水生植物過濾、消浪、抑制底泥上浮的作用的消失,稍大的風浪就會把底泥擾動起來,進而導致水體中的懸浮物濃度顯著增加.

2.3 懸浮物的年際變化特征

1998～2012 年蠡湖水體ρ(TSS)在 17.35～38.88mg/L之間,平均為 27.76mg/L,年際變化呈現(xiàn)不穩(wěn)定的波動趨勢,如圖4所示.

圖4 蠡湖水體ρ(TSS)的年際變化Fig.4 Interannual variability of ρ(TSS) in water of Lihu Lake

20世紀90年代,蠡湖水生植物幾乎絕跡,生態(tài)系統(tǒng)由“草型清水穩(wěn)態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸逍蜐崴€(wěn)態(tài)”,水體富營養(yǎng)化嚴重,1998～2003年,全湖水體ρ(TSS)的平均值為 27.22mg/L.2003年以來,無錫市政府開始取締沿湖水產(chǎn)養(yǎng)殖,遷移沿湖居民,消除入湖污染源;中央和地方政府聯(lián)合對蠡湖實施了“重污染水體底泥環(huán)保疏浚與生態(tài)重建工程”,包括退漁還湖、環(huán)保疏浚、植被重建以及對周邊污染河道進行閘控或封堵[11].工程實施后,蠡湖水體中氮、磷和CODMn等指標的濃度顯著下降,但是水體ρ(TSS)并未得到有效降低,2004～2007年,全湖ρ(TSS)在 22.28～38.88mg/L 之間,平均值為 32.96mg/L,較治理之前升高了 21%,可能是因為工程實施過程中沉積物被擾動或者是漂浮植物死亡的殘體產(chǎn)生的絮狀懸浮物.2007年以來,根據(jù)蠡湖和太湖水質(zhì)狀況,對蠡湖與梅梁灣及周邊的一些入湖河流實施閘控,保持蠡湖常年高水位,防止周邊污水流入、滲入,使得蠡湖水質(zhì)得到了改善和維持,尤其 2010年以后,夏季浮葉植物菱大量種植,加之岸邊水深較淺的區(qū)域出現(xiàn)少量沉水植物,使得水體中ρ(TSS)有所下降,2008～2012年平均值為26.35mg/L.本次調(diào)查水體中ρ(TSS)僅僅達到 17.35mg/L,顯著低于多年平均水平,一方面可能是蠡湖水質(zhì)在逐漸變好,另外一方面還可能與本次調(diào)查采樣點的設置著重關注生態(tài)修復區(qū)有關.但是同時也可以看到,夏季和秋季蠡湖水體中ρ(TSS)依然很高,部分區(qū)域(D區(qū))水體ρ(TSS)的平均值仍然在40mg/L以上.因此,有必要深入探討蠡湖水體懸浮物的影響因素,并采取有針對性的治理措施降低水體懸浮物濃度.

3 討論

3.1 水體中懸浮物與氮、磷的關系

水體懸浮物是懸浮于水體中的浮游生物和無生命顆粒物的總稱.水體的ρ(TSS)不僅與營養(yǎng)水平成正相關,也與水體中ρ(TP)成正相關,是反映水體營養(yǎng)狀態(tài)的一個參考指標[18-19].以寡營養(yǎng)為主的美國和阿根廷65個湖泊中,ρ(TSS)平均僅為 1.00mg/L[21];以富營養(yǎng)為類型為主的歐洲 86個淺水湖泊,ρ(TSS)平均為 7.3mg/L[22];而丹麥 15個高度富營養(yǎng)化的淺水湖泊的ρ(TSS)的平均值更高達 22mg/L[23].本次研究中,蠡湖水體中ρ(TSS)年均值為 17.35mg/L,并且夏季和秋季ρ(TSS)基本都在25mg/L以上,與丹麥15個高度富營養(yǎng)化湖泊以及杭州西湖夏季ρ(TSS)(25.02mg/L)相當[24],但夏季ρ(TSS)低于富營養(yǎng)化較為嚴重的太湖(32.32mg/L)[12]和巢湖(43.62mg/L)[25].

本次研究中,蠡湖水體中ρ(PN)、ρ(PP)分別在0.01～2.54mg/L和0.01～ 0.19mg/L之間,平均值分別為 0.35,0.04mg/L,占ρ(TN)和ρ(TP)的比例分別為 22%和 59%.通過線性方程進行擬合發(fā)現(xiàn),ρ(TSS)與ρ(PN)、ρ(TN)、ρ(PP)、ρ(TP)均具有顯著正相關關系(P＜0.01),見圖5.

圖5 蠡湖水體ρ(TSS)與氮、磷的相關關系Fig.5 Relationship between ρ(TSS) and nitrogen,phosphorus in water of Lihu Lake

與ρ(PN)相比,ρ(PP)與ρ(TSS)具有相對較好的相關性,結合ρ(PN)、ρ(PP)占ρ(TN)、ρ(TP)的比例,說明蠡湖目前仍處于藻型生態(tài)系統(tǒng),加之風浪的擾動使得水體中的懸浮物濃度較高而SD較低,進而導致水體中氮、磷維持一個較高水平,尤其是總磷,受水體中懸浮物的影響更大.孫小靜等[26]的研究結果表明,在風浪擾動作用下,由沉積物釋放到水體中的氮磷營養(yǎng)鹽會長時間停留在水體,使得水質(zhì)改善非常緩慢.另外,自然湖泊,尤其是淺水湖泊,會一直受到不同程度的擾動,很少處于完全靜置的理想狀態(tài),因此沉積物中的營養(yǎng)鹽也在持續(xù)不斷的通過再懸浮和擴散通量向水體中釋放,為浮游植物提供源源不斷的營養(yǎng)補給.因此,在蠡湖深度生態(tài)修復過程中應采取相應措施控制水體中懸浮物的含量.

3.2 水體中懸浮物的影響因素

水體中懸浮物的來源有外源性和內(nèi)源性兩種.外源性來源主要包括地表徑流帶入到水體的細顆粒泥沙、腐屑以及投餌網(wǎng)箱的殘體等,內(nèi)源性來源主要包括浮游生物及其死后的殘體、風浪作用下底泥的再懸浮、水生植物腐爛后的殘體

[24].由于蠡湖與周邊河流基本上以閘控的方式隔絕,外源河流輸入的顆粒物可以忽略不計,因此水體中懸浮物主要以風浪擾動引起的沉積物再懸浮物、浮游生物、水生植物腐爛后的殘體為主.將懸浮物置于550 ℃的馬福爐中灼燒6h,殘留部分為無機顆粒物,主要是碎屑礦物、粘土礦物等,燒失部分為有機顆粒物,主要是浮游植物、浮游動物殘體.蠡湖全湖水體中ρ(OSS)和ρ(ISS)所占ρ(TSS)的比例平均值相差不大,分別為 51.52%和48.48%,但是懸浮物的組成在空間上存在一定的差異性,A區(qū)和B區(qū)水體中主要以ISS為主,ρ(ISS)分別占ρ(TSS)的52%和59%;而對于污染相對嚴重的 C區(qū)和 D 區(qū),OSS占優(yōu)勢,ρ(OSS)分別占ρ(TSS)的 53%和 60%.同時從季節(jié)性變化可以看出,ρ(OSS)占ρ(TSS)的比例在秋季(57%)、夏季(52%)高于春季(49%)和冬季(48%).相關性分析表明,水體中ρ(Chl.a)與ρ(TSS)呈顯著正相關(圖6a),從而印證了蠡湖仍然是一個典型的富營養(yǎng)化湖泊,藻類浮游植物作為 OSS的重要組成部分,對水體懸浮物等感官指標影響較大.

從蠡湖水體中懸浮物的組成來看,有機組分和無機組分的比例幾乎相當,這與太湖的情況有所不同,在太湖有機懸浮物的比例一般只能占到30%左右[12].可能是由于水體中有機顆粒物主要是由浮游植物和水生植物及其殘體組成,雖然蠡湖水體中藻類生物量較前幾年顯著下降,但仍然是典型富營養(yǎng)化湖泊,夏季浮游植物生長迅速,水體中ρ(Chl.a)較高,部分點位的ρ(Chl.a)仍可達到80mg/m3.而太湖湖底平坦、湖面開闊、水深較淺,懸浮物的最大值一般發(fā)生在無機泥沙較易懸浮的湖心區(qū).

蠡湖水深較淺,平均水深僅為 2.25m(吳淞水位 3.38m時),最大水深(6.2m)在退漁還湖區(qū)的中部,而此區(qū)域的ρ(TSS)在各個季節(jié)相對較低,基本都在10mg/L以下(圖2),說明水深是影響蠡湖懸浮物的重要因素,但從水體ρ(TSS)與水深的相關性分析可以看出,提高水體深度并不能降低ρ(TSS) (圖6b),可能是因為蠡湖水深主要集中在1.5～3.5m 之間,此范圍內(nèi)水體懸浮物主要受其他因素,如風浪、藻類生物量、魚類活動及水生植被分布的影響,而受水深的影響較小.

圖6 蠡湖水體ρ(TSS)與ρ(Chl.a)、水深的相關關系Fig.6 Relationship between ρ(TSS) and ρ(Chl.a), water depth in water of Lihu Lake

水動力擾動可促使底泥再懸浮,增加水體懸浮顆粒物濃度,是淺水湖泊沉積物懸浮和營養(yǎng)鹽釋放的主要驅(qū)動力之一.蠡湖近幾十年來大量沉積的死亡藻體,混合無機黏土礦物,在湖底形成一層密度很小且呈半流體狀態(tài)的高有機質(zhì)污泥.雖然經(jīng)過疏挖,但除退漁還湖區(qū)較少外,湖底沉積物表面往往被一層污泥所覆蓋.這種污泥,在風浪、魚類、游船擾動,尤其夏季東南風的作用下,極易發(fā)生再懸浮.太湖的研究結果表明,在大風浪擾動下,太湖懸浮物含量增加近 200倍[27].而 Sheng等

[28]在淺水湖泊與海灣中的研究也發(fā)現(xiàn),沉積物的懸浮主要是由于風浪的作用,其貢獻可以達到70%以上.同時也有研究表明,淺水湖泊中 50%以上的懸浮質(zhì)是由底棲魚類擾動產(chǎn)生的[29],而減少底棲魚類的密度可以有效降低水體中懸浮物的濃度.本次研究中,水體中ρ(ISS)占ρ(TSS)的比例為 48.48%.因此,要降低水體中的ρ(TSS),應采取相應措施控制底泥的再懸浮作用.

從蠡湖水體懸浮物的空間分布、季節(jié)變化及與氮磷、葉綠素 a的相關分析中可以看出,要改善水質(zhì)、降低水體中懸浮物的含量,可從減少沉積物的再懸浮、抑制浮游藻類生長和水生植物死亡殘體的打撈入手,通過循環(huán)換水或者人工濕地的方式,降低水體中的無機顆粒物及藻類顆粒物濃度,或者通過降低風浪、游船等的擾動、調(diào)整魚類群落結構來減少沉積物的再懸浮量.同時結合懸浮物的空間分布可以看出,退漁還湖區(qū)經(jīng)過綜合治理后,已經(jīng)出現(xiàn)了相當面積的沉水植物,而有沉水植物分布的區(qū)域,懸浮物含量都低于其他區(qū)域.主要因為沉水植物的出現(xiàn)不但可通過植株對無機懸浮顆粒物的阻擋沉降及吸附作用,減少水體的無機懸浮顆粒物,又會與浮游植物競爭營養(yǎng)鹽和光能,因而進一步抑制藻類的生長,起到改善水質(zhì)并有效降低水體中懸浮物的效果[30-31].因此,沉水植物的恢復與重建是蠡湖水體懸浮物控制的關鍵措施之一.

4 結論

4.1 蠡湖水體ρ(TSS)的變化范圍在 1.00～78.00mg/L之間,平均值為 17.35mg/L,總體上呈現(xiàn)東蠡湖大于西蠡湖,沿岸區(qū)高于湖心區(qū)的分布趨勢;年際上,治理前后蠡湖水體ρ(TSS)未得到有效的降低,一直維持在較高水平.

4.2ρ(TSS)在春季、夏季、秋季和冬季分別為(15.23±4.00), (21.98±9.74), (27.76±12.20), (4.38±3.57) mg/L,冬季顯著低于其他季節(jié).

4.3 全湖ρ(OSS)和ρ(ISS)占ρ(TSS)的比例相差不大,但是在空間上存在一定的差異性,A區(qū)和B區(qū)主要以ISS為主,C區(qū)和D區(qū)主要以OSS為主.

4.4 水體中ρ(TSS)與ρ(PN)、ρ(TN)、ρ(PP)、ρ(TP)均具有顯著正相關關系(P＜0.01),可以作為判斷水體營養(yǎng)水平的一個參考指標,且浮游藻類增殖、水生植物的殘體以及底泥的再懸浮是影響水體ρ(TSS)的主要因素.

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