金毅麟，李建華

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引 言

自然河流具有由物理、水文、化學(xué)和生物完整性構(gòu)成的生態(tài)完整性，不僅支撐了有多種多樣的物種構(gòu)成的和諧的水生態(tài)系統(tǒng)，也可以發(fā)揮巨大的滯洪、水體凈化和景觀功能。因此，最大限度地減輕對(duì)河流原有環(huán)境的擾動(dòng)，維系河流的自然屬性不僅可以維系河流生態(tài)系統(tǒng)的彈性，為構(gòu)建山水林田湖生命共同體提供重要的基礎(chǔ)保障，也有利于人類對(duì)河流各種生態(tài)服務(wù)功能的可持續(xù)利用，促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展[1]。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程深入，我國(guó)許多城市的河流均出現(xiàn)了嚴(yán)重的水質(zhì)污染和生態(tài)退化問(wèn)題[2]。

2015年4月國(guó)家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》發(fā)布后，各地都采取了大量的河流整治措施，但整治前缺乏系統(tǒng)評(píng)價(jià)，難以精準(zhǔn)施策，整治后不重視效果評(píng)估，影響績(jī)效考核，加之，學(xué)科壁壘等客觀原因，生態(tài)治理理念多數(shù)仍停留在景觀層面。許多黑臭治理工程只關(guān)注化學(xué)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)，隊(duì)河岸采用“硬質(zhì)化”的措施等傾向也普遍存在。由于各地方在制定綜合整治方案時(shí)忽視有效的學(xué)科交叉，也不重視全方位的診斷和評(píng)估，使得我國(guó)現(xiàn)階段的河流生態(tài)整治表現(xiàn)出千篇一律的 “清淤+水質(zhì)改善+景觀”的治理模式，河流治理重眼前輕長(zhǎng)遠(yuǎn)，重單項(xiàng)輕系統(tǒng)等問(wèn)題普遍存在的結(jié)果，也導(dǎo)致了前期投入成本高，后期維護(hù)困難，可持續(xù)性低，長(zhǎng)期效益較差等問(wèn)題的發(fā)生[3]。

蘇州市吳江區(qū)為了創(chuàng)建江南水鄉(xiāng)的標(biāo)桿，于2017年，專門設(shè)立了治理黑臭水體工作組辦公室，并發(fā)布了整治村鎮(zhèn)級(jí)黑臭河道的通知，并著力編制河流整治實(shí)施方案，其中桃源鎮(zhèn)問(wèn)津河被列為重點(diǎn)整治對(duì)象。長(zhǎng)期以來(lái)由于周邊印染紡織工業(yè)的快速發(fā)展，問(wèn)津河成為工業(yè)廢水和居民生活污水的受納水體，呈現(xiàn)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化，而且黑臭底泥淤積嚴(yán)重，水面飄滿了浮萍，仿佛草地。每年春季到秋季經(jīng)過(guò)河畔的村民都會(huì)嗅到從河水中散發(fā)出的刺鼻的臭味，因此，沿岸居民反映強(qiáng)烈。但河岸及河畔仍然保留了較好的自然岸坡和植被。

項(xiàng)目組依據(jù)“堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)”的原則，對(duì)整治前的問(wèn)津河的水環(huán)境和生態(tài)現(xiàn)狀開(kāi)展了調(diào)查和分析評(píng)估，旨在查明河水的污染程度和污染路徑以及生態(tài)本底的現(xiàn)狀，為有的放矢地實(shí)施保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)綜合效益的最大預(yù)期。

1 研究區(qū)域概況及采樣布點(diǎn)

吳江區(qū)桃源鎮(zhèn)位于吳江區(qū)西南部，東鄰吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn)，北靠震澤鎮(zhèn)，西南部與浙江省湖州市相連，東南部與浙江省嘉興市接壤。全鎮(zhèn)地處太湖流域下游地區(qū)的杭嘉湖片區(qū)中的浦南地區(qū)，是典型的江南水網(wǎng)地區(qū)中的低洼圩區(qū)。

問(wèn)津河位于桃源鎮(zhèn)杏花村，是朝陽(yáng)聯(lián)圩的一條村級(jí)河道。南起東方大道，東至浜底，全長(zhǎng)1.28 km，通過(guò)西側(cè)的雄壯河和東側(cè)的雄衛(wèi)河與南側(cè)的桃源河以及北側(cè)的朝陽(yáng)河相連通，其中桃源河為朝陽(yáng)聯(lián)圩的外河。納入本次整治范圍的是問(wèn)津河其中一段(圖1中東方大道至華盛大道的陰影區(qū)域)，長(zhǎng)約400 m。東方大道以北河段西側(cè)有水泥路，兩側(cè)砼駁岸欄桿破損嚴(yán)重，長(zhǎng)約20 m。其余河段沿線沒(méi)有成型道路，大多為林地，還有部分住宅、商鋪和工廠(加力加染色砂洗有限責(zé)任公司、吳江明升服裝有限公司等)集中分布在東方大道南側(cè)。河道沿岸的排水口共有4個(gè)，長(zhǎng)期以來(lái)受納南側(cè)的企業(yè)排水和西側(cè)的居民生活污水，底泥淤積嚴(yán)重，黑臭問(wèn)題凸顯。

圖1 吳江區(qū)桃源鎮(zhèn)水系示意圖

2 樣品的采集

對(duì)問(wèn)津河浜沿河流走向每隔50 m左右設(shè)置一個(gè)采樣斷面，共10個(gè)采樣斷面，分布如圖2所示。

圖2 問(wèn)津河現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查布點(diǎn)示意圖

乘坐橡膠筏子在各斷面使用柱狀采樣器采集沉積物樣品，采樣深度0～30 cm，主要是底泥和腐殖質(zhì)沉積物。采集好后裝入聚乙烯塑封袋內(nèi)密封好；使用聚乙烯瓶采集水樣；采集各斷面的水生植物，采集好后裝入聚乙烯塑封袋內(nèi)密封好。所有樣品裝入有冰袋的保溫箱保存帶回位于太浦河河畔的實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行鑒定分析，重金屬等指標(biāo)帶回同濟(jì)大學(xué)，在國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)分析。

3 樣品的處理與分析

①對(duì)水生及陸生植被的觀測(cè)記錄及部分物種的鑒定工作在現(xiàn)場(chǎng)完成；②使用哈希(HACH)的多功能參數(shù)儀對(duì)水樣的理化參數(shù)進(jìn)行測(cè)定并記錄；③沉積物樣品在室溫條件下自然風(fēng)干后，用瑪瑙研缽研細(xì)，過(guò)120目尼龍篩，消解后用ICP-aes進(jìn)行分析檢測(cè)；④對(duì)水樣中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)定采用紫外分光光度法完成。

4 評(píng)價(jià)方法

以問(wèn)津河待整治段的河岸植被緩沖帶為對(duì)象, 采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)分析法, 建立河岸植被緩沖帶完整性評(píng)價(jià)體系, 并對(duì)問(wèn)津河岸植物緩沖帶實(shí)施了評(píng)價(jià)。

4.1 多指標(biāo)評(píng)價(jià)分析法

以可操作性、定量和定性為原則, 選取植被種類、植被層次、植被帶寬度、植被覆蓋率、植被連續(xù)性5個(gè)調(diào)查指標(biāo)用來(lái)對(duì)河岸帶植被完整性進(jìn)行表征[4]。構(gòu)建河岸植被緩沖帶評(píng)價(jià)體系, 將每個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為滿分10分, 2.5分為間距劃分其完整性等級(jí), 分別是:完整 (10～7.5) 、基本完整 (7.5～5) 、較不完整 (5～2.5) 、不完整 (2.5～0)。完整性評(píng)價(jià)體系滿分為50分, 定義：50～37.5分表示河岸帶植被完整性高；37.5～25分表示河岸帶植被基本完整；25～12.5分表示河岸帶植被較不完整；12.5～0分表示河岸帶植被不完整。

對(duì)于重金屬污染，本文采用污染負(fù)荷指數(shù)法 (Pollution Load Index)、地積累指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法3種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.2 地積累指數(shù)法

從環(huán)境地球化學(xué)的角度出發(fā)評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的污染，除必須考慮到人為污染因素，環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還應(yīng)考慮到由于自然造巖運(yùn)動(dòng)可能會(huì)引起背景值變動(dòng)的因素(常數(shù))。地積累指數(shù)法注意到了此因素彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足[5]。地積累指數(shù)是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 沉積物地積累指數(shù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算公式：

(1)

4.3 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法是Tomlinson等人[6]從事重金屬污染水平的分級(jí)研究中提出來(lái)的一種評(píng)價(jià)方法。該指數(shù)由評(píng)價(jià)區(qū)域所包含的多種重金屬成分共同構(gòu)成，它能直觀地反映各個(gè)重金屬對(duì)污染的貢獻(xiàn)程度，以及重金屬在時(shí)間、空間上的變化趨勢(shì)，應(yīng)用比較方便。污染負(fù)荷指數(shù)等級(jí)見(jiàn)表2。

表2 污染負(fù)荷指數(shù)等級(jí)

計(jì)算公式如下：

首先根據(jù)某一點(diǎn)的實(shí)測(cè)重金屬含量，進(jìn)行最高污染系數(shù)(CF)的計(jì)算：

某一點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)(PLI)為：

式中：PLI為某一點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)；n為評(píng)價(jià)元素的個(gè)數(shù)。

某一區(qū)域 (流域)的污染負(fù)荷指數(shù) (PLIzone)為 ：

污染負(fù)荷指數(shù)一般分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。

4.4 生態(tài)危害指數(shù)法

生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學(xué)家Hankanson根據(jù)重金屬的性質(zhì)和環(huán)境行為特點(diǎn)提出的[7],是一種定量地計(jì)算土壤或沉積物中重金屬生態(tài)危害的方法。該方法最初是為了評(píng)價(jià)表層沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，目前也廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。為了使區(qū)域質(zhì)量評(píng)價(jià)更具有代表性和可比性，Hakanson從重金屬的生物毒性角度出發(fā)建議對(duì)重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)。

計(jì)算公式如下：

表3 潛在生態(tài)危害系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表4 重金屬背景值和生態(tài)毒性響應(yīng)系數(shù)

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

5.1 問(wèn)津河河岸帶植被生態(tài)完整性評(píng)價(jià)

問(wèn)津河水體及河岸帶共計(jì)鑒定出28科49屬52種維管植物，植物資源比較豐富，其中水生植物及坡岸帶的灌木植物的物種多樣性優(yōu)勢(shì)明顯。

依據(jù)河岸帶斷面植被完整性調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5)對(duì)問(wèn)津河河岸帶植被調(diào)查結(jié)果及完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)(表6)。

第一，改造低洼地，采用填埋或疏通水路的方法消滅死水，使螺沒(méi)有適宜的生存環(huán)境，也可以采用石塊堆積的方法，隔離牲畜接觸死水，避免牲畜接觸囊蚴滋生的水。第二，采取化學(xué)方法滅螺，可在每年5—6月螺類開(kāi)始活動(dòng)的時(shí)間，選用1∶50 000的硫酸銅、氨水、貝螺殺或血防67在沼澤地噴灑滅螺，也可在草地上小范圍內(nèi)的死水內(nèi)用生石灰、草木灰等方法滅螺及囊蚴[3]。

由完整性評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，60%的斷面，約占66%河岸線長(zhǎng)度的河岸帶植被生態(tài)完整性為完整或基本完整，40%的斷面，約占34%的河岸線長(zhǎng)度的河岸帶植被生態(tài)完整性為不完整或較不完整。其中靠近東方大道工廠排污口的S1～S5區(qū)間為不完整河段，靠近華盛大道公路并有居民居住的S8～S9為較完整河段，S6～S7以及S10為完整河段。在完整河段，陸上部分有喬灌草立體植被，濱水區(qū)有從挺水向沉水植物的過(guò)渡;在基本完整河段，僅有單側(cè)河岸植被結(jié)構(gòu)完整，無(wú)挺水-沉水植物過(guò)渡區(qū)間；在不完整河段，河岸帶植物結(jié)構(gòu)遭到破壞，僅有稀疏的草本植物，無(wú)水生植物。

5.2 問(wèn)津河水體水質(zhì)測(cè)定

由表7可知河段水體pH均在6～9范圍內(nèi)，各點(diǎn)位溶解氧含量除S2外普遍較低，在S4、S5和S7處略有回升，S2可能是由于采樣處有新鮮活水匯入，而S4、S5和S7處水生植物比較茂密，光合作用使得為水體補(bǔ)充了溶解氧[8]。水體氮磷含量均較高，營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，浮萍占據(jù)了水面大量面積。按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)判定問(wèn)津河浜為劣Ⅴ類水體。

表5 河岸帶斷面植被完整性調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 問(wèn)津河河岸帶植被調(diào)查結(jié)果及完整性評(píng)價(jià)

表7 問(wèn)津河各點(diǎn)位水質(zhì)測(cè)定結(jié)果

5.3 問(wèn)津河不同河段沉積物中重金屬含量測(cè)定

由表8可知采樣點(diǎn)位沉積物中重金屬含量不均勻并且存在波動(dòng)，其中砷含量在33.83～67.52 mg/kg，鎘含量在1.225～2.062 mg/kg，鉻含量在279.23～373.23 mg/kg，汞含量在0.41～1.33 mg/kg，鎳含量在168.75～275.61 mg/kg，鉛含量在467.32～597.06 mg/kg，鋅含量在436.9～837.4 mg/kg。S1～S5河段沉積物中重金屬含量普遍高于S6～S9以及S10河段，按照《土壤環(huán)

表8 河段沉積物中重金屬測(cè)定值 mg/kg

境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB15618-1995，S1～S5河段沉積物中除鉻和汞外，其余各類重金屬含量全都超過(guò)了3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，鉻和汞的含量也超過(guò)了2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；S6～S10河段沉積物各類重金屬含量均超過(guò)了2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

5.4 不同河段沉積物中重金屬地積累指數(shù)分析

由表9、表10可知，問(wèn)津河沉積物As、Cd,地積累指數(shù)在1～2之間，Cd全河段地積累指數(shù)為2，Hg、Ni、Pb地積累指數(shù)最高為3，而Pb則在4～5之間。由圖3可以看出，問(wèn)津河浜重金屬積累指數(shù)普遍在中度污染水平，而Pb和Zn的地積累指數(shù)明顯高于其他重金屬，污染程度比較嚴(yán)重。S1～S5河段沉積物重金屬地積累指數(shù)也明顯高于S6～S9以及S10河段。

5.5 重金屬污染指數(shù)及污染狀況

由表11可以看出問(wèn)津河的流域PLI值達(dá)到了5.42，屬于“極強(qiáng)污染”級(jí)別。各點(diǎn)位也均處于極強(qiáng)污染的程度。由圖4可以看出各點(diǎn)PLI值以S5為明顯分界線，上游PLI值較高，下游顯著降低，并且在除S2及S6點(diǎn)外，總體呈現(xiàn)從上游到下游PLI值逐漸減少的趨勢(shì)。

表9 各點(diǎn)位地積累指數(shù)

表10 各點(diǎn)位地積累指數(shù)分級(jí)情況

圖3 各重金屬在各點(diǎn)位地積累指數(shù)

表11 不同點(diǎn)位重金屬污染指數(shù)

5.6 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由表12和圖5可知，問(wèn)津河浜全河段沉積物均處于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極強(qiáng)的程度，而S1～S5河段的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于S6～S9以及S10河段。其中汞、鉛、鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是砷和鎳，鋅和鉻的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小。

6 結(jié)果與討論

(1)依據(jù)河岸帶植物完整性評(píng)價(jià)結(jié)果，問(wèn)津河待整治河段可以劃分為3類不同的類型：①不完整河段(S1～S5斷面)；②較完整河段(S8～S9斷面)；③完整河段(S6～S7及S10斷面)。

表12 不同重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

圖4 各點(diǎn)位污染負(fù)荷指數(shù)

圖5 各點(diǎn)位潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

在完整河段，陸上部分有喬灌草立體植被，不僅發(fā)揮了攔截面源污染的緩沖帶作用，也發(fā)揮了較好的遮陰和抑制藻類生長(zhǎng)的作用[9]。濱水區(qū)有從挺水向沉水植物的過(guò)渡,對(duì)于凈化水質(zhì)提升透明度也發(fā)揮了重要作用[10]。

(2)問(wèn)津河待整治河段水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，60%點(diǎn)位水體中溶解氧含量低于2.0 mg/L，氮磷含量均嚴(yán)重超標(biāo)，為劣Ⅴ類水體。

(3)不同評(píng)價(jià)結(jié)果一致表明河道底泥中重金屬元素含量偏高，污染較嚴(yán)重。地積累指數(shù)分析結(jié)果表明，問(wèn)津河底泥積累了高于本底值數(shù)倍的外源性重金屬[12]，其中鉛、鋅、鎳積累數(shù)值最高，受污染程度最為嚴(yán)重，鎘與汞積累程度相對(duì)較輕；污染負(fù)荷指數(shù)則顯示出，各斷面重金屬污染總負(fù)荷均達(dá)到了“極強(qiáng)污染”的級(jí)別，意味著重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)問(wèn)津河目前的自凈能力；依據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)判斷，問(wèn)津河沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為極強(qiáng)，其中鎘、鉛、汞的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高。

(4)綜合分析各河段植物完整性與污染程度結(jié)果表明，植物缺失的不完整河段污染程度最高，較完整的河段次之，完整性最高的河段污染程度最低。主要是因?yàn)橹参锿暾栽u(píng)級(jí)最低的河段被渠化且狹窄，混凝土護(hù)岸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該河段已完全喪失自凈能力[11]，加之該處河段靠近排污口，黑臭底泥淤積嚴(yán)重，夏季可以觀察到明顯的甲烷氣泡上浮的現(xiàn)象。較為完整的河段雖然南岸由于有居民居住已建成直立護(hù)岸擋墻，但北岸保留了自然河岸，河岸植被形成了較好的緩沖帶，該河段的水生植物也發(fā)揮著一定的凈化作用。完整性最高的河段出現(xiàn)了南北兩個(gè)分支，不僅保留了較好的自然狀態(tài)，多樣性的河岸地貌特征也保留了喬灌草植物結(jié)構(gòu)的相對(duì)完整，既營(yíng)造了多種多樣的水生生物棲息地，與桃源鎮(zhèn)其他水系之間較好的橫向連通性也使得該河段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好于其他河段[13]，可以有效地發(fā)揮控制面源污染和凈化水質(zhì)的作用[14,15]。因此，需要在后續(xù)整治工程中加在重點(diǎn)保護(hù)，避免工程措施對(duì)河岸生態(tài)完整性的損傷。