太湖入湖河流氮磷时空分布特征

李丛杨,史宸菲①,方家琪，张世伟，汪 旋,辛 悦,刘华基,刘金娥,王国祥

(1.南京师范大学环境学院,江苏 南京 210023;2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心/江苏省环境演变与生态建设重点实验室/江苏省水土环境生态修复工程实验室,江苏 南京 210023;3.美国马里兰大学帕克分校地理科学系,美国 马里兰州 大学公园 20741)

太湖位于长江三角洲南部，是我国第三大淡水湖泊，在地区社会经济发展中发挥着重要的作用[1]。从20世纪80年代起，随着当地工农业的迅速发展，太湖部分水域开始出现蓝藻水华。进入21世纪，太湖富营养化日趋严重[2-4]，逐渐成为影响当地社会经济可持续发展的突出问题。太湖流域河道众多，河网复杂，包括大港河、乌溪河、太滆运河、武进港、梁溪河、望虞运河等15条主要入湖河流，上述河流污染物对太湖污染物总量的贡献高达80%[5]，因此，开展入湖河流水环境的研究与治理工作对太湖水环境质量的综合改善具有重要意义。

梁溪河位于无锡境内，西起梅梁湾，东至京杭运河，是太湖的一条重要入湖河流，也是连接太湖、城区水系和运河的天然纽带[6]。早期梁溪河的两岸为工业污染区，部分支流的闸控常年处于关闭状态，水体自然流通性差，黑臭现象严重。为修复梁溪河水环境，2007年当地政府启用了梅梁湖泵站，从太湖向梁溪河调水引流[7]，一定程度上提高了水体的流动性，改善了梁溪河的黑臭问题。但是每逢蓝藻爆发季节，在主导风向作用下，太湖湖区的水华蓝藻仍会汇聚到梅梁湾，调水引流则顺势将梅梁湾高浓度的藻类颗粒物带入梁溪河，对生态环境产生巨大的压力。目前，对于太湖入湖河流的研究主要集中在西部和北部的武进港、望虞河等[8-10]，关注点也主要放在主干河道。梁溪河流域支流由于地理环境因素不同，上、下游各支流的氮磷营养盐输出强度差异较大。尽管已有一些关于梁溪河流域水环境状况的研究[6,11-12]，但多集中在主干河道，对梁溪河支流的污染状况的差异性及营养盐输出的研究较少，而支流水体的氮磷污染也是流域水污染控制的重要内容。

笔者选取梁溪河为研究对象，进行了为期1 a的水质监测，结合水文和水环境特点，揭示了梁溪河氮磷等水质指标的时空分布特征，并对类似支流的污染控制提出了建议，以期为典型入湖河流水环境的综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

无锡市地处江苏省南部，年平均气温15.6 ℃，年降水量约1 500 mm，且集中在6—9月。梁溪河被誉为无锡的“母亲河”，其在改善市区水环境和防洪排涝方面发挥着重要作用[13]。梁溪河沿线有诸多支流，其中大成浜、吴大成浜、钱家桥浜等为断头浜，水体流速较慢，污染物易堆积；线泾浜、小渲河、西新河、东新河、庙东浜等为闸控，常年处于关闭状态。此外，老城区也存在生活污水管道渗漏、养殖业等农业面源污染问题。受上述因素影响，梁溪河干流水质一直较差。为缓解河道污染状况，当地部门每天都会以0.12 m·s-1流速、20 m3·s-1的流量从梅梁湾向梁溪河主干河道调水引流，夏季的调水量会随着藻类的爆发而有所增加。

2 数据来源与研究方法

2.1 采样点布设

为掌握梁溪河水环境状况，获取氮、磷浓度的时空变化特征，共设置11个采样点(图1)：在主干流设置梅梁湖泵站闸前(0号)、梅梁湖泵站(1号)、鸿桥(4号)、蠡桥(9号)和京杭大运河交汇口(10号)取样点，在北部支流设置了大渲河下游(2号)、张巷浜(3号)、大成浜(6号)和吴大成浜(7号)取样点，在南部支流设置了线泾浜(5号)和钱家桥浜(8号)取样点。从2017年12月至2018年12月采集水样进行分析检测。

2.2 分析测定方法

在预设点采集水面以下0.5 m处的水样，测定溶解性总氮(DTN)和溶解性总磷(DTP)之前将原水通过0.45 μm孔径的微孔滤膜过滤，主要指标均按照国家标准方法测定[14]。其中，TN和DTN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP和DTP浓度采用过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH4+-N浓度采用纳氏试剂比色法，NO3--N浓度采用紫外分光光度法测定。

2.3 数据处理

表格和图采用Origin 9.0软件制作，相关性分析采用SPSS 22.0 软件完成。

3 结果与讨论

3.1 梁溪河流域氮素时空分布特征

梁溪河干流和支流TN、DTN、NH4+-N、NO3--N平均浓度的年变化如图2所示。梁溪河干流ρ(TN)为0.57～2.86 mg·L-1，均值为1.70 mg·L-1；支流ρ(TN)为2.42～5.63 mg·L-1，均值为3.89 mg·L-1。干流与支流ρ(TN)和ρ(DTN)年变化趋势相近，ρ(TN)从2017年12月至2018年8月2次先增长后下降，在春季和夏季出现2个峰值，9月后下降，冬季又小幅回升。这可能是因为春季水体流量低、流速小，植物生长缓慢，水中反硝化作用弱，大部分氮滞留于水中，引起氮浓度的升高[15]；而夏季又达到峰值，可能与梅梁湾6月调水引入的大量蓝藻有关。至9月间又出现了大幅度下降，可能是此时梁溪河具有较大的降水量及水流速度，对水体具有强烈的稀释作用所致[16-18]；此外，夏季动植物新陈代谢速度快，对氮的利用速率高，两者共同作用导致氮浓度下降。次年冬季进入枯水期，气温的降低使蓝藻腐败死亡，释放出的营养盐又使得氮浓度回升[19]。

干流ρ(DTN)的年变化范围为0.49～2.50 mg·L-1，均值为1.31 mg·L-1；支流ρ(DTN)的年变化范围为2.12～5.39 mg·L-1，均值为3.16 mg·L-1，所表现的季节规律均与TN相似，且占TN浓度的80%，说明梁溪河TN主要以溶解态的形式存在。干流ρ(NH4+-N)的年变化范围为0.10～0.75 mg·L-1，均值为0.38 mg·L-1；支流ρ(NH4+-N)的年变化范围为1.12～3.35 mg·L-1，均值为2.29 mg·L-1。干流ρ(NO3--N)的年变化范围为0.02～0.53 mg·L-1，均值为0.15 mg·L-1；支流ρ(NO3--N)的年变化范围为0.32～2.33 mg·L-1，均值为0.97 mg·L-1。支流NH4+-N和NO3--N浓度的变化幅度较小，但与TN有着相似的变化规律。

各采样点TN、NH4+-N、NO3--N浓度空间变化如图3所示。在6月蓝藻爆发时节，梁溪河的干流沿线(0、1、4、9号点)TN浓度随河流流向呈不断上升的趋势，可能与蓝藻更易在下游支流堆积以及与下游支流的TN输入有关。在监测期间，5、6、8号点所在支流污染严重，个别点位ρ(TN)最高值已接近10 mg·L-1。这是由于多数支流为断头浜，水体长期处于不流动或流动较慢的状态，水中的蓝藻以及其他流经的漂浮物在此处大量堆积，故TN浓度居高不下；加之两岸多为硬质河岸，对污染物的滞留效果差，使其易被降水、风等带入河道，进而影响河道水质；同时8号点周围还受到水产养殖废水污染的影响; 5号点位非断头浜，但受到与其连通的黑臭河道庙东浜水质的影响，污染状况也比较严重。梁溪河干流9号点至10号点TN浓度下降，说明河道本身具有一定的自净效果，此外，与运河之间的流通也会在污染物浓度稀释方面发挥一定作用。ρ(NH4+-N)与ρ(TN)表现出相似的空间变化规律，5和6号点ρ(NH4+-N)较高，且常年处于劣Ⅴ类水质(Ⅴ类水质浓度限值为2 mg·L-1)。ρ(NO3--N)空间上分布较均匀，集中在0.5～1.5 mg·L-1。郝禹[11]在利用氮氧同位素对梁溪河NO3--N的来源识别中发现，粪肥污水和土壤源是梁溪河地表水中硝酸盐氮的主要污染源。

3.2 梁溪河流域磷时空分布特征

梁溪河干流水体ρ(TP)为0.05～0.39 mg·L-1，均值为0.18 mg·L-1；支流水体ρ(TP)为0.07～0.52 mg·L-1，均值为0.27 mg·L-1。从时间分布来看，TP浓度冬季低、夏季高(图4)。从2017年12月至2018年4月ρ(TP)一直较低，之后与ρ(TN)表现出相似的变化规律：6月随着蓝藻输入ρ(TP)猛增达到最高值，8—9月由于水流量及动植物利用的增加出现一定的回落[19]，11月又再次回升。

总体上，TP浓度的变化与蓝藻的生长衰亡时间相符合。6—8月随着蓝藻大量的繁殖与腐败堆积，水体呈厌氧状态，会促进沉积物中磷的内源释放[20]；另一方面，固化于沉积物当中的磷也会在受到风浪等外力的搅动下以溶解态形式释放于水体中，水中的藻类等其他水生植物为了满足生长需要，会不断吸收水中的磷酸盐，加速底泥中磷的释放[21]。此外，夏季温度的升高提高了微生物的分解速率，磷浓度增加，同时藻类在合适的温度下生长加速，其生长降解会显著改变pH值、DO等水环境条件，从而诱导沉积物释放更多的磷[22]，两者共同作用导致水体中磷浓度上升。梁溪河水体中ρ(DTP)的年变化趋势与ρ(TP)也基本一致，其中干流ρ(DTP)为0.01～0.30 mg·L-1，均值为0.11 mg·L-1；支流ρ(DTP)为0.04～0.43 mg·L-1，均值为0.19 mg·L-1，且ρ(DTP)占ρ(TP)的65%左右，表明颗粒物对TP的贡献同样不容小视。

由图5可知，TP的空间变化趋势与TN相近，在6月蓝藻爆发后，TP浓度沿着河流干流的流向递增，表明蓝藻易聚积在断头浜并在高温下腐败分解，消耗水中溶解氧，产生大量营养物质及藻毒素，从而影响到下游水质；不同环境条件下的支流水质有着差异，在5、6号点等支流污染较严重，个别点位ρ(TP)已达0.65 mg·L-1，为劣Ⅴ类水(Ⅴ类水质限值为0.4 mg·L-1)。

3.3 不同形态氮磷浓度相关性分析

监测期间梁溪河流域水体各形态氮、磷浓度存在一定的相关性(表1)。ρ(TN)与ρ(TP)呈极显著正相关(P<0.01，r=0.478)，这表明梁溪河水体在氮磷输入的途径和形式上一致，梅梁湾调入的蓝藻给水体带来的大量氮磷污染物，而流通性差的支流为蓝藻及其他污染物的腐烂分解提供了场所。ρ(NH4+-N)与ρ(TN)也呈极显著正相关(P<0.01，r=0.878)，且ρ(NH4+-N)很高，说明NH4+-N为TN中无机态的主要存在形式。

表1 梁溪河流域不同形态氮磷浓度的Pearson相关性分析Table 1 Pearson correlation analysis of different forms of nitrogen and phosphorus in Liangxi River

3.4 梁溪河流域支流营养盐输出通量分析

梁溪河的支流营养盐输入会影响干流的总体负荷，为进一步验证“氮磷在空间上沿干流流向呈升高趋势,与支流营养盐的输入有关”的结论，需结合支流的水质和水流量来定量计算其污染贡献。计算公式为营养盐通量= 营养盐浓度×流量×换算系数[23]。

根据滨湖区水利局提供的水文资料，监测期间梁溪河2、3、5、6、7、8号点位支流夏季的平均流量分别为12.4、5.0、6.0、4.5、2.6、4.1 m3·s-1，计算得到各支流6月TN的营养盐输出通量分别为22.5、9.2、46.1、42.9、9.2和14.5 g·s-1,TP分别为3.2、1.2、3.7、2.6、1.0和1.3 g·s-1。5号点位由于支流氮磷营养盐浓度高，营养盐输出也最大，约占6条支流总输出的30%; 7号点位由于支流流量最小，营养盐输出也最小，占总输出的10%不到；而2号点位由于支流流量最大，也具有一定的营养盐输入，但是干流1号至4号点位之间河道较宽、流速较快，营养盐不易堆积，同时夏季降雨也具有一定稀释作用，因此对下游水质影响并不大。6月梁溪河6条支流TN输出总和为144.7 g·s-1；TP为13.3 g·s-1，可见支流输入是干流氮、磷的重要来源，尤其5、6号点位所在支流对下游水质具有重要的影响。

3.5 梁溪河流域氮磷营养盐控制策略与建议

梁溪河具有污染源复杂、支流众多等特点，支流与干流水质差异较大，因而应对干、支流分别进行更有针对性的治理。干流的调控重点应以污染物入河总量控制为核心，减少入河污染负荷，提高水环境容量。余茂蕾等[6]在对梁溪河流域水体的研究表明，通过梅梁湖泵调水引流对河流水质有一定改善作用，但也引入了大量的蓝藻颗粒物，河道受营养盐的冲击随调水量的增加而增大，故应合理控制调水量，在不同时期加大不同风向上的调水力度，从源头上控制蓝藻颗粒。支流水质的提升重点应放在点源、非点源污染的综合控制与提高水体流动性上。陈诗文等[24]对太湖流域西苕溪支流的研究表明，污染源和土地利用类型的多样性是影响西苕溪支流营养盐的重要因素。应加强排污口管控，合理封闭入河排污口，全面控制工业污水、生活污水、畜牧养殖场污水。此外，针对支流水体流动较差、水体交换力较弱的特点，应增设合适的补水源，并通过河道曝气充氧、挂设生物绳填料、水生植物栽种等治理技术增强水体循环，提高河道生态环境自我修复能力。总之，在今后的河流修复与整治中，应采取干流和支流共同调控、水污染控制和水生态修复相结合的综合修复策略。

4 结论

(1)梁溪河流域氮磷污染不容乐观，支流污染较干流污染严重，大多支流为劣V类水。其中，干流ρ(TN)为0.57～2.86 mg·L-1，支流为2.42～5.63 mg·L-1，且主要以NH4+-N的形式存在；干流ρ(TP)为0.05～0.39 mg·L-1，支流为0.07～0.52 mg·L-1，以DTP为主要存在形式。

(2)TN、TP的季节性变化规律有一定的差异，TN浓度在春季和夏季出现双峰值；TP浓度则表现出冬季低、夏季高的趋势。空间上，氮磷浓度的空间分布格局较为相似，在夏季都是沿干流流向呈不断上升的趋势，反映出蓝藻易在断头浜聚积从而影响到下游水质；不同环境条件下支流水质有明显差异，个别支流的氮磷污染状况尤为严重。

(3)在今后的河流修复与整治中，应采取干流和支流共同调控、水污染控制和水生态修复相结合的综合修复策略。