δ15N和δ18O在太湖污染源解析中的应用

祝 鹏,祝 飞,

（1.南昌大学建筑工程学院,南昌 330031；2.南昌市南隔堤堤防工程管理处,南昌 330052)



δ15N和δ18O在太湖污染源解析中的应用

祝 鹏1,祝 飞2,

（1.南昌大学建筑工程学院,南昌 330031；2.南昌市南隔堤堤防工程管理处,南昌 330052)

摘 要：通过对太湖污染源的概化、比较,选择农业污水、工业污水、生活污水、雨水作为太湖水体污染源,测定污染源及16个水样δ15N和δ18O值,结合同位素质量守恒模型进行数值分析,确定各污染源来源比例。结果表明:太湖整体工农业污染占主要比重,生活污水和雨水来源比例均较低；其中,入湖支流水样工业污染来源比例平均高于农业污染来源,相对开阔湖区水样工业污染来源比例低于农业污染来源,而相对封闭湖区水样工业污染来源比例则高于农业污染来源。可见,在合理划分湖泊水体污染源组成的基础上,利用同位素与数值模型对污染源来源比例的量化研究可为湖泊污染源治理轻重缓急的选择提供参考依据,是揭示湖泊水体污染来源及其污染程度的重要手段。

关键词：同位素；δ15N；δ18O；污染源；质量守恒；太湖

1 研究背景

同位素技术在科学技术领域的应用已经非常普遍,许多行业将其作为重要的研究手段和工具。水文地质方面,利用同位素“示踪剂”特性可以揭示地表水和地下水流系统形成和运移机理［1-2］；考古学方面,应用同位素半衰期特征可进行年代的测定［3］；生态学方面,应用同位素可研究各种生物群之间能量流动、营养级和食物网结构［4-6］。伴随着同位素技术的发展,同位素技术的应用已逐步从原型观测、实验室试验研究,向试验与数理模型、试验与数值分析相结合的理论研究方向深入［7-10］。童海滨等［7］利用氢氧稳定同位素技术结合瑞利分馏原理和水力学基本定律,建立了运动水体中氢氧稳定同位素组成变化的微分方程模型,为其定量计算和精确模拟提供了确定性的数学基础。王永森等［8］基于瑞利分馏原理和质量守恒定律,研究了开放系统和封闭系统降水的氢氧稳定同位素与云团水汽之间的数值关系,并导出其微分方程,发现它们之间并非简单的线性关系。在利用氮氧同位素技术对生物食物来源贡献比例的研究中, Phillips等［9-10］在充分比较欧几里得距离模型和质量守恒模型后,认为质量守恒模型在来源贡献率的应用中研究结论与试验结果更加接近。

目前,利用同位素技术进行源解析研究正在环境领域深入开展。如通过对机动车尾气、土壤风沙尘、煤烟尘等各类碳同位素的测定,对大气中PM10贡献源情况进行解析［11］；利用铅同位素易于测定等优点,解析土壤中铅的主要贡献源和识别其它潜在污染源［12-14］。但是,在水环境领域利用同位素技术结合数值分析确定湖泊水体各种污染源来源贡献率的研究并不多［15］,主要是因为湖泊水体污染源影响因素众多,容易受季节、气候、地理区域、人文因素的影响,水体污染源种类的合理确定相对复杂。本文通过太湖水体环境的调查分析,综合湖泊污染源传统划分方法,对污染源类别进行概化和选择,确定太湖水体污染源划分方法和种类,采用同位素质量守恒模型对湖区水体污染源来源贡献比例进行分析研究,为太湖水环境污染等级的评估和污染治理提供可靠依据,从而提高湖泊水体污染源治理效率。

2 理论基础与计算方法

2.1 同位素污染源解析基本原理

自然界中稳定同位素组成的变化很微小,通常采用δ值反映这一特征。δ值表达式为δ＝（Rsample/Rstand-1)×1 000,其中Rsample和Rstand代表样品和标准样品同位素丰度的相对变化。湖泊污染物中不同污染源某些稳定同位素δ值存在差异,如图1所示［16］,化肥中富18O而贫15N,因此δ15N处于较低值,而工业污水、生活污水（人畜废物)等δ15N值较高。当化肥在农业生产中大量施用后随被其污染的水体一并流入湖泊会造成湖泊水体中δ15N值降低,而受工业污水、生活污水（人畜废物)污染的水体流入湖泊会使得湖泊水体中δ15N呈升高趋势。湖泊水体δ15N值的变化程度反映了不同δ15N值污染源水体的汇入情况, δ15N值高的污染源汇入量多,则湖泊水体δ15N值呈现高值,否则水体δ15N值会降低。可见,同位素δ15N值的变化对湖泊水体污染源汇入量大小具有指示作用。δ18O在不同污染物之间也存在差异,在湖泊水体污染状况研究中具有与δ15N相似的性质。因此,通过测定工业、农业废水以及生活污水等污染源及湖泊水样中稳定同位素δ15N,δ18O值的变化情况,建立污染源及湖泊水样稳定同位素δ值之间的模型及数值关系,可有效判断湖泊污染源来源比例。

图1 各来源δ15N,δ18O同位素变化范围[16]Fig.1 Schematic diagram of typical ranges of δ15N and δ18O from various sources[16]

2.2 计算方法

以采用氧同位素δ18O值对2种污染源贡献比例进行定量测定为例。如A,B为混合水样的2污染源头,测定2个源头水样以及混合水样中氧的同位素δ18O值,根据同位素质量守恒关系［17］对于湖泊水体污染物来源贡献比例的计算作如下变化:

式中:δ108O,δA18O,δB18O分别为混合水样及源A、源B中氧元素的同位素δ18O值m0,mA,mB分别为对应元素的质量。显然,水样中元素质量可表示为m＝cV,其中c表示水样中18O浓度,V表示水样体积。则式（1)变为

即

令fA＝VA/ V0,fB＝VB/ V0并视其为来源在混合水样中的贡献份额,则

根据式（4)可计算出唯一的fA和fB, fA和fB即湖泊水体来源贡献比例。

对于来自A,B,C 3个源头的混合水样则测定2种元素的同位素,如δ018O,δ0

15N。贡献比例计算式如下:

式中:c0′,cA′,cB′,cC′分别为混合水样及源A,B,C 的15N浓度。

由上述可知,k个来源贡献比例的计算需要定量测定k-1种同位素。当来源数量k比较大时,为获得唯一解,所测定的同位素种类也较多,工作量会很大。但考虑相关物理意义,有0≤fk≤1的约束条件且所有fk之和为1。当k≥j＋1（其中j为同位素种数)时可以对其离散化求解,即在0～1（100%)之间按0.01步长离散,解出允许误差范围内所有fk值,并对其进行概率统计,分析fk值在0～1之间的出现频率。根据所求解的频率分布情况分析混合水样的来源贡献比例。这样既可以减少样品稳定同位素测定工作的投入,又可以获得各种污染来源的贡献比例［18］。

3 结果与讨论

3.1 太湖污染源的选择

在来源的量化分析计算中,各种来源的识别是量化分析计算过程中重要的基础环节。自然界中污染物来源种类很多,而且有的来源相互之间还存在内在联系,将其完全独立地区分开来非常困难。而在计算分析过程中,如果选择的来源组合不完全相同又往往导致来源贡献率结论存在差异。

太湖湖泊系统污染源众多且各污染源之间存在千丝万缕的联系,分类复杂。不同文献资料对湖泊各种污染源的区分、定义,以及概念内涵和外延的解释存在较大差异。传统上主要将其分为内源、外源、大气沉降等,当然也有专家按陆源、生物来源等对湖泊污染来源进行分类。内源主要指湖底沉积物释放的污染物,也有学者认为这是水中污染物沉降后再次悬浮溶解,可认为不是湖泊系统污染源。大气沉降主要考虑湖区大气降雨带入湖泊的污染物,也可认为是外源的范畴。外源包括沿岸工业、农业、生活污水等的汇入。

本文综合分析外源、内源等污染物源的概念,结合对太湖污染源实际情况的调查分析和目前湖泊污染源解析的可操作性,对其进行概化和比较,选择如下几类主要的污染物来源作为太湖水体污染物来源比例研究的端源:农业来源,指沿岸农业生产产生的污水对太湖的污染；工业来源,指工业生产产生的污水对太湖的污染；生活污水来源,指人类生活活动产生的污染物对太湖的污染；大气沉降来源（雨水来源),指大气中污染物沉降物对太湖水体的污染,主要考虑湖区降雨汇入湖泊造成水体污染的情况。

3.2 太湖水样来源比例分析

2011年5月对上述太湖污染源及湖区水体进行采样,采样点如图2,其中采样点1—5位于入湖支流,采样点6—16均位于湖区。农业污染源水样分别采自西、北及南部沿岸田间水,工业污染源水样采自太湖沿岸2个工业园区水样,生活污染源水样采自苏州及湖州对太湖有一定影响的城市生活污水排放口。水样采集后,野外现场进行分离过滤,带回实验室测定湖区各水样和污染源水样稳定同位素δ18O和δ15N 值,如图3所示。太湖地区农业污染源δ18O值相对较高,而δ15N值相对较低,工业污染源δ15N相对较高,大气沉降来源（雨水来源)同位素明显贫δ15N而富δ18O ,而生活污水恰恰相反,贫δ18O富δ15N。各污染源δ18O ,δ15N值区别明显。湖区水样δ18O值均小于太湖农业污水来源δ18O值的上限,大于生活污水来源δ18O值下限。水样δ15N值分布在一个较狭窄的范围内,其下限也在农业污水来源δ15N的上限之上,且远大于雨水来源的δ15N值。

图2 太湖采样点位置图(2011年5月)Fig.2 Layout of sampling points in Taihu Lake (May,2011)

图3 太湖水样及端源δ15N,δ18O同位素变化范围Fig.3 Ranges of δ15N and δ18O in different samples in Taihu Lake

图4 采样点5水样各污染源来源贡献率分布Fig.4 Contribution ratios of different pollution sources from water sample at sampling point No.5

在Matlab实验条件下采用同位素质量守恒模型对太湖16个采样点水样进行来源比例的计算分析。图4为经同位素质量守恒模型离散化求解得到的太湖苕溪水系入湖支流水样（水样5)的所有污染来源比例分布情况。图4中横坐标表示来源贡献比例fk值,纵坐标表示fk出现频率相对大小。如图4 （a)所示,按上述模型计算得到水样5农业来源可能贡献比例fk介于10%～47%之间,统计参数μ±σ ＝33.1%±7.0%,当fk＝35%时出现的频率最高；工业来源可能贡献比例fk介于36%～73%之间,统计参数μ±σ＝58.6%±7.1%,当fk＝59%时出现的频率最高。分析认为入湖支流采样点5水样中各污染源贡献比例工业来源比例最大,其次为农业来源、生活污水、雨水。图5为采样点16处水样所有污染来源比例分布情况,各污染源贡献比例中农业来源比例最大,其次为工业来源、生活污水、雨水来源。很明显,入湖支流水样工业污染来源比重高于湖区水样,而农业来源比重却低于湖区水样。

图5 采样点16水样各污染源来源贡献率分布Fig.5 Contribution ratios of different pollution sources from water sample at sampling point No.16

图6 太湖采样点水样各污染源来源平均贡献率Fig.6 Average contribution ratios of different pollution sources from water samples in Taihu Lake

综合分析太湖16个采样点水样,各水样来源贡献比例平均值如图6所示。太湖入湖支流水样（水样1—5)工业来源比重明显高于其他来源,可见湖区水体工业来源污染物通过入湖支流输入量占重要比重,具有明显的点源输入特征。太湖湖区采样点6—10以及15,16处水样农业污染来源比例较工业来源比例高。湖区采样点11—14处水样则呈相反情况,工业污染来源比重高于农业污染来源比重。从湖区采样点水域环境分布情况来看,水样6—10以及水样15,16的采样点位于湖区较开阔的水域,水域面积相对较大。采样点11—14主要位于西山及东山之间及胥口湾一线相对狭窄水域,属近岸采样点。湖区开阔水域水样农业污染来源比例高于工业来源比例可能是由于开阔湖区水域面积相对大,湖岸线长,沿岸面源性农业生产污染物随入湖水体汇入量大,从而提高湖区水体农业污染来源比重,同时也稀释了工业污染所占比重。狭窄湖区水样,受岸边点源性工业污染源影响大,因此工业污染来源比重情况与入湖支流相似,占主要比重。

4 结 论

本文通过运用同位素技术结合数值模型对太湖污染源来源比例的计算分析,得到了各污染来源对太湖水体污染贡献比例。太湖16个采样点水样污染物来源主要是沿岸工农业生产输入为主,生活污水和大气沉降（雨水来源)所带来的污染物在所有污染源中所占比例较低,不是污染物主要来源。采自入湖支流的水样工业污染来源比例高而农业污染来源比例低,相对狭窄水域与入湖支流水样污染源来源比重呈相似的情况；工业来源比重大,开阔湖区水样正好呈相反的情况,工业污染来源比例低而农业污染来源比例高。虽然污染源来源比例是根据方程解的频率分布情况分析确定,但从分析结果看,通过对湖泊水体污染来源组成的合理划分,利用同位素对湖泊污染源来源比例的量化研究可以有效揭示湖泊水体污染来源及其污染程度,能够作为湖泊污染源治理轻重缓急选择的参考依据。

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（编辑:赵卫兵)

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Application of δ15N and δ18O in Identification of Pollution Sources in Taihu Lake

ZHU Peng1,ZHU Fei2
（1.School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031,China；2.Nangedi Embankment Works Project Management Office in Nanchang , Nanchang 330052,China)

Abstract:Through summarization and comparison of the pollution sources of Taihu Lake, we determined four sources: industry, agriculture, sewage, and rain. Sixteen samples from both lake area and tributary area were collected, and δ15N and δ18O in these samples were measured. The contribution ratio of pollution sources was analyzed based on the stable isotope technique in association with the model of isotope conservation of mass. Results show that pollutions from industry and agriculture are more serious than those from sewage and rain. As for the samples into the lake from tributary area, the proportion of industrial pollution is basically higher than that of agricultural pollution, and the result of samples from relatively closed lake area is similar, whereas for samples from relatively broad lake area, the result is reverse. On the basis of rationally classifying water pollution resources, quantitative study using isotope technique and numerical model could provide reference for the harnessing of pollution sources of lake. It is also an important approach of determining pollution sources for lake water and pollution conditions.

Key words:isotope；δ15N；δ18O；pollution sources；conservation of mass；Taihu Lake

通讯作者：祝 飞（1979-),男,江西南昌人,工程师,研究方向是水资源与水务管理,（电话)0791-85215002（电子信箱)1263821680@ qq.com。

作者简介：祝 鹏（1977-),男,江西南昌人,讲师,研究方向是水环境与水资源,（电话)0791-86705243（电子信箱)ncuzhupeng@163.com。

收稿日期：2014-10-09;修回日期：2014-11-03

doi:10.11988/ ckyyb.20140857 2016,33（02):19-23

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)02-0019-05