连云港徐圩新区初秋河湖水 表层水环境特征及影响因素

摘 要：

濒临黄海的连云港徐圩新区河湖水 ，是维系国家东中西区域合作示范区的先导区经济高质量发展和水生态文明建设的关键要素，探究其水环境空间特征和识别关键因子对于区域经济高质量发展具有显著的现实意义。2021年初秋对主城区重要的10条河流和4个湖泊进行实地取样和室内化验分析及多方法评估，发现研究区河湖水 表层水体pH值为7.95～8.72,呈弱碱性；盐度含量为0.4‰～8.9‰,平均值为4.0‰,总体为微咸水状态；河湖表层水质整体处于良好及以上水平，营养水平呈轻度富营养化，其中氨氮和总磷含量分别为0～2.10 mg/L和0.03～0.45 mg/L,整体都达到地表水Ⅲ类水平。主成分分析发现，影响区域河湖水环境的关键因子为盐度、电导率和总溶解性固体含量，透明度、总磷和总氮/总磷比值也对湖泊水环境有一定的影响。区域工业活动对水体硝态氮、TN和CODMn含量增加明显，而区域的种养殖活动则相对提升了磷含量。香河湖和云湖的修复措施，对湖泊营养水平的改善尚待提升，建议改善区域河湖 络的连通性和减少工农业源排放。研究成果可为滨海区域水环境可持续发展及健康河湖构建提供有力的科学依据。

关键词：

徐圩新区;河湖水环境;污染评价;营养评价;水系连通;水质;水环境;高质量发展;

崔键(1980—)，男，研究员，博士，主要从事生态环境修复研究。

*张晗(1981—)，女，高级经济师，硕士研究生，主要从事化工园区环境管理。

*姚东瑞(1966—)，男，研究员，博士，主要从事水生植物资源的研究和开发利用。

基金：

江苏省自然资源厅自然资源发展专项资金(JSZRHYKJ202003);

国家自然科学基金项目(41901155);

引用：

崔键，李金凤，彭颖，等． 滨海地区初秋河湖水 表层水环境特征及影响因素: 以连云港徐圩新区为例［J］. 水利水电技术( 中英 文) ，2022，53( 6) : 132-145.

CUI Jian，LI Jinfeng，PENG Ying，et al． Influencing factors and characteristics of surface water environment of river-lake water network in coastal area in early autumn: a case in the Xuwei New Zone of Lianyungang City［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022， 53( 6) : 132-145.

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0 引 言

河湖水系是自然生态系统的重要组成部分，在调蓄洪水、配置水资源和维持生态平衡等方面发挥重要作用；同时，也是社会经济发展的重要支撑，关乎人民生活和人类健康。人类活动如修路坝闸、工农业生产和自身居住等，改变了水系的连通性和增加了水体营养盐等，进而引起水体富营养化、藻类爆发、动植物死亡、生态系统功能衰减甚至恶化及水质性缺水等。因此，开展河湖水环境调查，对水资源精准评估、全面有序推进河湖长制和水生态保护等具有重要的现实意义。

我国拥有大约1.8万km的漫长海岸线，滨海/沿海地区面积约130多万km2,在国民经济发展中具有独特的竞争优势，成为诸如钢铁和石化等制造业发展的战略重心，也是开放型经济建设的排头兵和绿色发展的示范窗口，然而这些区域仍面临污染物总量排放高的压力,受海陆自然环境与人为环境的影响，区域河湖生态系统较为脆弱。随着我国生态文明建设的深化和经济高质量发展的推进，滨海河湖生态保护与修复已成为社会各界关注的热点，而科学系统的水环境评价是进行河湖生态精准修复和保护的基础。目前，多数研究集中在单一的河流或湖泊，而对河湖交织成 水体环境状况的评价相对较少。在水质评价方面，常用的方法有单因子法、内梅罗指数法、综合营养状态指数(TLI)、城市黑臭水体评价等，每种方法的应用案例较多，并在我国水生态保护与修复中发挥重要作用;然而，这些方法也有自身的局限性，在河湖综合水质评价时，常将多种方法结合起来。如杨婉玲等综合应用单因子法和内梅罗指数法对珠江中下游表层水环境做了评价，得出水环境质量存在较大的区域差别；杜丹丹等和贺康康等应用单因子和TLI法分别对乌梁素海和贵阳市百花湖的水质时空变化做了评价。而将三种以上的方法耦合应用在同一水体场景特别是滨海河湖 络的案例相对较少，这将影响对处于复杂环境的滨海水 河湖水质的精准评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于连云港徐圩新区，位于江苏省北部，东临黄海，西接中原、北扼齐鲁、南达江淮，是新亚欧大陆桥的东桥头堡(见图1)。新区原为盐场，地势总体呈现北高南低、西高东低的趋势。研究区位于中纬度，属暖温带湿润性季风气候，兼有暖温带和北亚热带气候特征，四季分明，年平均气温14 ℃,年平均降雨量894.77 mm, 年均日照时数2 450.2 h, 多年平均高潮位为2.12 m。研究区包括：城市配套功能水系(云湖、香河湖、张圩湖、驳盐河、中心河、复堆河、方洋河、纳潮河)、产业园水系(徐圩湖、驳盐河、中心河、复堆河、西港河、深港河和南复堆河)、东辛农场片水系(烧香支河、驳盐河)。其中，张圩湖为河成湖，与张圩河连通；云湖和香河湖分别于2011年和2021年4月经清淤、脱盐和生态重建等修复措施后，投入使用，与外河无连通；徐圩湖刚开挖初成，且未进行洗盐和湖底隔盐等控盐处理，与中心河连通。

图1 研究区位置及其水系高程和样点分布

1.2 样品的采集和化验分析

2021年初秋(8月30日—9月3日),根据研究区区域内河湖生境的特征和水文特征，选取主城区重要河湖进行水深、透明度、表层(0～20 cm)水体理化和营养盐调查与评估，采样过程严格按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91—2002)有关要求执行。10条河为复堆河、中心河、驳盐河、烧香支河、方洋河、纳潮河、深港河、西港河、张圩河、南复堆河，4个湖泊为云湖、张圩湖、徐圩湖和香河湖。区域共布设采样点48个，并使用GPS记录采样点坐标，其中河和湖泊样点分别为35和13个，详见图1。水温、pH值、电导率(EC)、总溶解性固体(TDS)、盐度、溶解氧(DO)和氧化还原电位(ORP)用YSI EXO-1多参数水质分析仪现场测定；透明度用塞氏盘现场测定，水深用抓斗式采样器现场测定。参考《水和废水监测分析方法(第四版)》,营养盐和叶绿素a(Chl-a)用采水器采集样品，并保存在车载冰箱(4 ℃),带回实验室，用SKALAR公司San++型连续流动分析仪(Contimuous Flow Analyzer, CFA)测定总氮(TN)、硝态氮(NO-3-N)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP);样品经过0.45 μm的水溶性滤膜过滤后，高锰酸钾指数(CODMn),丙酮提取-分光光度法测定Chl-a含量。

1.3 水质评价

1.3.1 污染评价

(1)单因子污染指数是一种描述测量值与标准值之间大小关系的指数，用于对单一污染项目进行评价。该方法较为简单，应用范围广，适用于多种类型污染的评价。

对于水质pH值而言，其评价公式如下

式中，pHj和pHs分别为第j样点的pH值和评价标准的上限值。

对于水质DO而言，其评价公式如下

式中，DOj为实测值；DOs为标准值；DOf为某温度、气压下的饱和溶解氧浓度，计算公式为 DOf=468/(31.6+T)。

对于CODMn、NH3-N、TN和TP,参比地表水III类限值(GB 3838—2002),采用内梅罗污染指数单因子法进行评价，其计算公式为

式中，Pi为i因子单项污染指数；Ci为i因子的测量值(mg/kg);Si为最高允许参考标准值(mg/kg)。

内梅罗污染单因子指数分为4个等级，如表1所列。

(2)综合因子污染指数法。内梅罗综合污染指数是在单因子污染指数评价的基础上，对各单因子进行综合评价的方法，可反映多因子污染的综合情况，计算公式为

式中，P综为所求的内梅罗综合污染指数；Pi平均为各种污染因子单项污染指数的平均值，max (Pi)为单因子污染指数的最大值。内梅罗污染分为5个等级，如表1所列。

1.3.2 黑臭水体评价

根据《水与废水监测分析方法(第四版)》,利用透明度、DO、ORP和NH3-N对黑臭水体分级评价，分级标准如表2所列。

1.3.3 富营养化水平评价

采用综合营养状态指数法，评价区域河湖富营养化水平，该方法是中国环境监测总站进行水体富营养化评价的常用方法，评价指标包括5项：TN、TP、Chl-a、CODMn和透明度，其计算公式为

式中，TLI综为综合营养状态指数；j代表第j个指标；n代表指标个数；wj为指标j对应的权重；TLI(j)为指标j的营养状态指数；rj为指标j与参照指标Chl-a的相关系数。Chl-a与其他评价指标的相关系数rj与权重wj赋值(见表3)。

各指标的营养状态指数TLI(j)计算公式如下

式中，Chl-a为Chl-a的浓度(μg/L);TN、TP和CODMn分别为相应浓度(mg/L);SD为透明度(m)。

当TLI综<30,为贫营养；30≤TLI综<50,为中营养；50≤TLI综<60,为轻度富营养；60≤TLI综<70,为中度富营养；TLI综>70,为重度富营养。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 河湖水 表层水环境概况及变异性

48个采样点的水体理化、营养盐和chl-a含量的统计信息，如表4所列。在监测期，研究区河湖水温均值25.6 ℃,pH值均值为8.4,二者变异系数都小于5%,说明区域河湖水温和酸碱度较均一，异质化程度低。区域河湖平均水深和透明度分别为1.44 m和28.4 cm, 变异系数分别为72.9%和40.7%,异质化程度高。盐度均值3.99‰,变异系数为58.9%,其中河水盐度均值相对较高(4.05‰),而湖水盐度变异系数较高(74.5%),这与湖泊的修复措施和功能有关。徐圩湖建设初期且未对其进行洗盐处理，水体盐度最高(均值7.9‰),而云湖和香河湖是经过人工控盐后进行了生态修复，水体盐度相对较低(均值分别为2.7‰和0.4‰)。区域河湖DO含量均值6.70 mg/L,以湖水的较高(7.49 mg/L),而变异系数为21.3%,与河水的相当(22.6%)。电导率和TDS含量的则相反，其均值都以河水的较高(9.43 mS/cm和6.60 g/L),变异系数则以湖水的较高(都为71.7%)。ORP和CODMn的变异系数相似，分别为21.2%和24.9%,而ORP的以河水的较高(23.8%),CODMn的以湖水的较高(31.5%)。

营养盐方面，区域河湖NH3-N含量较低，平均为0.24 mg/L,但变异系数较大，为148.3%;NO-3-N含量均值为1.03 mg/L,以河水的较高(1.18 mg/L),且变异系数也以河水的较高(55.1%);TN含量均值为1.70 mg/L,变异系数为63.8%,异质化程度较高，其中以河水的TN含量均值和变异系数较高，分别为2.01 mg/L和55%。TP含量均值为0.15 mg/L,以河水的相对较高(0.17 mg/L),而河水和湖水的变异系数都相对较高，分别为60.2%和66.9%。TN/TP值的平均值为15.9,变异系数为107.6%,异质化程度高，其中以河水的相对较高，其均值和变异系数分别为17.6和108.1%。可见，区域河湖营养盐的空间异质性较强，这可能与区域养殖、工业活动及水系连通性有关。

2.2 水体污染评价

区域河湖水体黑臭分级评价结果如图2所示。透明度处于轻度和重度等级的点位，分别有19和1个，都分布在河流点位上，主要位于驳盐河、复堆河、南复堆河和中心河，这可能与采样期间遇降水，周边工地或农田径流带入较多的土壤颗粒导致。DO浓度的最小值为3.05 mg/L,高于轻度黑臭等级限值，而NH3-N的最大值为2.10 mg/L,低于轻度黑臭等级限值，两指标都处于非黑臭等级。ORP值仅有2个点，低于50 mV(轻度限值),位于S13(驳盐河)和S20(复堆河)。可见，区域河流整体上处于轻度黑臭，主要障碍因子是透明度。

图2 区域河湖水体黑臭程度评价(红色虚线代表评价等级限值，下同)

与我国地表水环境质量标准(GB 3838—2002)相比(见图3),发现：超过地表水III级限值的DO、CODMn、NH3-N、TN和TP的点位分别有6、20、2、35和21个，分别占总样点的12.5%、41.7%、4.2%、72.9%和43.8%;超过V类限值的DO、CODMn、NH3-N、TN和TP的点位分别有0、0、1、15和3个，且样点主要位于河流上。可见，区域河流水体整体受TN威胁较大，部分湖泊如云湖水体受TP的威胁。

图3 区域河湖样点中DO、CODMn、NH3-N、TN和TP含量及对应地表水标准比较(GB 3838—2002)

河湖水体pH值、DO、CODMn、NH3-N、TN和TP的内梅罗单污染指数(Pi)和综合污染指数(P综)评价，分别如图4和图5所示。单因子指数评价发现，pH值、DO和NH3-N的Pi值整体处于清洁—尚清洁水平。CODMn、TN和TP的Pi值，处于清洁—尚清洁水平的占比22.9%～58.3%,轻度水平占比29.2%～60.4%,中—重度水平占比0～29.2%,其中TN和TP的中—重度水平点位分别分布在河流和湖泊上。综合指数评价发现，33个样点处于良好状态，占样点总数的68.8%(见图5和表5);8个样点处于中等状态，其中河流和湖泊上各4个，主要位于西港河和云湖。可见，区域河湖水 表层水质总体较好，处于良好状态，多数指数处于清洁—尚清洁水平。此外，区域河湖尤其是河流TN污染及湖泊TP污染应引起足够重视。

图4 区域河湖样点水质内梅罗污染单因子评价

图5 连云港徐圩新区调查河湖表层水质综合污染指数P综值空间分级插值

2.3 水体富营养化评价

基于透明度、TN、TP、CODMn和Chl-a等5因子的富营养化综合评价，发现：初秋区域河湖TLI综值中有31个处于轻度富营养化水平(见图6和表5),占样点总数的64.6%。其中，河流中有26个点位的TLI综值处于轻度富营养化水平，占河流点位总数的74.3%,主要分布在除张圩河外的其他9条河流上；湖泊中有6个点位处于轻度富营养化水平，占湖泊点位总数的46.2%,主要分布在徐圩湖和云湖上。此外，有14个点位处于中营养水平，占样点总数的29.2%;仅有3个点位处于中度富营养化水平，分别位于驳盐河(2个)和中心河(1个)上。可见，区域河湖水体基本处于轻度富营养水平。

图6 连云港徐圩新区调查河湖表层水综合富营状态指数TLI综值空间分级插值

2.4 关键因子分析

对调查的16个水环境因子进行PCA分析，发现区域河湖和河流的第一主成分PCA1的解释度分别为99.98%和99.99%,湖泊的第一主成分和第二主成分的累积解释度为89.63%(见表6),也超过了85%。区域河湖和河流的PCA1中，盐度、EC和TDS具有较高的正载荷(值>0.9);而湖泊的PCA1代表水质指标，其中盐度、EC和TDS有较高的负载荷(绝对值>0.9),PCA2为营养盐指标，其中TP和TN/TP比值分别有较高的正载荷和负载荷(绝对值>0.8)。可见，影响区域河湖水环境的关键因子为盐度、EC和TDS,此外TP和TN/TP比值对区域湖泊水环境的影响也不容忽视。

相关分析(见表7)发现：(1)区域整体上，水深、CODMn、NO-3-N、Chl-a分别都与盐度、EC、TDS间呈极显著正相关(p<0.01),且盐度、EC、TDS间也呈极显著正相关(p<0.01),说明盐度、EC和TDS三者关联密切，且受水深影响较大，这与区域滨海的关系密切；TP分别与水温、pH值和DO间呈极显著负相关(p<0.01),与TN间呈显著正相关(p<0.05),说明TP和TN具有同源性；TN/TP比值分别与NO-3-N和TN呈极显著正相关(p<0.01),而与TP呈极显著负相关(p<0.01),说明NO-3-N对TN/TP比值的影响较大，这与NO-3-N在TN中的占比大有关，进而影响其对区域水体的营养盐限类型(见图7)。(2)湖泊上，水深、CODMn、NO-3-N、Chl-a、盐度、EC、TDS间的关联性，与区域上的情况类似，而TP和TN/TP比值与TN间及TN/TP比值与NO-3-N间都无显著关联(p>0.05),说明湖泊盐度、EC和TDS与水深的关系密切，TP和TN的同源性小，这与四个湖泊之间相对独立，且无水系连通有关。(3)河流上，盐度、EC、TDS间的关联性仍呈极显著正相关(p<0.01),都与ORP间呈极显著正相关(p<0.01)、与CODMn和TN间呈极显著负相关(p<0.01)而与水深无显著相关(p>0.05),说明盐度、EC、TDS三者间相互影响较大，可能是与海的距离关系密切；此外EC和TDS都与水温、Chl-a呈显著正相关(p<0.05),TP分别与pH值和DO呈显著负相关(p<0.05),TN/TP比值与水深、透明度和TP间呈显著负相关(p<0.05)而与NO-3-N和TN间呈显著正相关(p<0.05),说明河流水体初级生产力受EC和TDS的影响，TP受水体酸碱度和溶解氧的影响，进而影响TN/TP比值及营养盐限类型。

图7 区域河湖样点表层水盐度、硝氮占TN的百分比与TN/TP比值及分级(TN/TP≥22.6 TN/TP≤9分别为磷 氮限制状态)

3 结果讨论

3.1 土地利用对河湖水 表层水环境的影响

滨海地区既是海陆作用最强烈的区域，也是高强度人类活动影响的空间单元，其土地利用状态与区域河湖等生态系统健康关系密切,强烈的土地利用尤其是工矿活动加剧了区域生态风险。本研究中，35.4%的样点(S30和S33—S48共17个，见图1)位于建立在老盐田区的工业区上；2个样点(烧香支河S31和S32)受的香河生态园的种养殖影响、2个样点(驳盐河S13和烧香支河S14)受种植业影响。与其他区域相比(见表8),该区域河湖水温、pH值和PpH相对稳定，增幅为-1.8%～0.3%;河湖DO、EC、TDS和TP降幅为-9.9%～-5.7%,水深、透明度、盐度、Chl-a的降幅为-27.3%～-10.8%;而河湖的CODMn、NH3-N、NO-3-N、TN和TN/TP都有大幅提升。这说明工业的活动对水质有一定负面影响，表现在其对水体氮贡献较大，而种养殖等其他非工业活动对水体磷贡献明显，进而影响提升P综和TLI综的值，但未改变其污染等级和营养化程度(见表8)。国内已颁布的工农业废水排放标准(GB 8978—1996、GB 18918—2002、DB43/1752—2020、DB32/4043—2021等),对NH3-N、TN和TP都有确定的限值，而并未对NO-3-N做明确的指示，这也是导致当前河湖水体TN含量频繁超标的原因之一。袁丽君等利用氮同位素释源技术，发现工业废水对滆湖水体NO-3-N的贡献最大，为44.0%,分别是化肥和生活污水的1.3和1.9倍，再次说明工业活动对水体氮的贡献较大。此外，水体硝酸盐过高，也会对水体动物和人体健康造成危害，如肌肉痉挛和恶性肿瘤等。因此，建议关注和加强对水体NO-3-N管控的定量要求和科学研究。

3.2 河湖连通性对河湖水 水环境的影响

随着经济社会的发展，为提高水系的排涝行洪和预防海水倒灌等，滨海区域在河湖水系上建坝修闸、围海造田和裁弯取直等活动，改变了水系天然状态和连通性，进而影响河湖水动力和自净能力及水生态恶化。河湖水系连通对水系物质、能量和信息的畅通传输与交换至关重要,其连通性在健康河湖生态系统中发挥关键作用,近年来业已成为治水的一个新策略并在我国广泛运用。本研究徐圩新区河湖水系之间尚未完全贯通，造成了河流与河流之间水系高程的断崖式割裂，尤以烧香支河和深港河明显(见图1),影响水体交换能力、自净功能和水生生物的自然扩散。由图1也可知，工业区水系(南复堆河、深港河和徐圩湖等)高程相对较高，水环境特别是较高浓度的CODMn、TN和NO-3-N(见图3),将威胁位于东北部低高程河湖(张圩河、复堆河和方洋河等)水环境。此外，虽然当前区域河湖连通性较差，且密布闸坝，但区域距离海洋较近，受台风暴雨的干扰较大，产生的洪水可能会间歇溢出相对低矮的路坝，进入临近高程相对低的水系，这可能是工业活动区P综和TLI综值相对较高的原因之一。本次调研中，发现水生植物特别是浮水和沉水植物资源较为匮乏，在未实施修复措施的河湖中，仅发现了川蔓藻(南复堆河、复堆河和中心河)和菹草(深港河)。可见，区域河湖的生态相对脆弱。

3.3 水体修复措施对湖泊表层水环境的影响

受污染物的长期输入及水生态环境的系统性和复杂性的影响，水生态修复和治理过程具有长期性和弥久性。长期以来，国内水环境治理与修复，多关注城市水体的工程技术方法，治标却较难治本，成果的长效性较差。借鉴国外成功案例，近年来我国水生态环境治理与修复的重点与研究热点，也已转变为以恢复水体自净能力与提升水生态社会服务功能为目标的集成技术。随着海岸带自然资源的价值得到重视，海岸带含河湖生态整治与修复成为行业和学界攻克的重难点和热点。本研究中，云湖是2010年建成的，通过淡水更换、湖底地形塑造、动植物配置等综合技术的实施，已取得初步成效。但由于周边居民和旅客的增加及湖底返盐，云湖的生态健康受到威胁。由图6和图7可知，本研究云湖盐度2.22‰～2.91‰和TLI综分别为和50.3～52.6,处于微咸水和轻度富营养水平。与同时期相比(见表9),DO含量持续降低，降幅最高为22.7%;TP含量有所升高，2021年升至0.17 mg/L,达到湖泊V类水平；P综等级由良好将至中等。香河湖是该区域的备用水源地，于2021年4月建成。本研究发现，湖体盐度和TLI综分别为0.38‰和36.2～44.1,处于淡水和中营养水平。而未经过修复或治理的张圩湖和刚形成的徐圩湖的盐度分别为6.26‰～7.06‰和7.89‰～7.97‰,明显高于云湖和香河湖；其营养水平分别处于中营养(TLI综为45.4～47.8)和轻度富营养水平(TLI综为49.6～54.4),且其TLI综却都较云湖的低。可见，区域湖泊的修复措施虽然改善了水环境，但其长效性仍待进一步验证。

4 结论与建议

(1)徐圩新区主城重要河湖水质总体处于良好及以上水平，属轻度富营养化水体，其中香河湖临近磷限制营养状态，而云湖和张圩湖则处于氮限制营养状态。TN含量为0.18～5.64 mg/L,超过地表水V类限值的点位占比31.2%,河流整体处于V类—劣V类水平，而湖泊处于IV类水平。TP含量为0.03～0.45 mg/L,整体处于地表水III类水平，而驳盐河和云湖则超过了地表水IV类水平。总体上，影响水质的关键因子为EC、TDS和盐度。此外，也要注意透明度、TP和TN/TP比值对湖泊水环境的影响。

(2)徐圩新区土地利用类型、地形及河湖连通性对区域河湖水环境都有一定的影响，尤其是位于较高高程的区域工业活动已对区域水环境产生了一定的影响，表现为水体NO-3-N、TN和CODMn的含量升高。区域的种养殖活动，对区域河湖中磷含量影响较大，表现为驳盐河S13和烧香支河S4样点的TP含量相对较高。未来应对水闸进行合理规划和调度时，应尽量保持每年各季度水量的在时间和空间上的平衡和均匀，有利于大型底栖动物物种的生存和繁衍；同时也应保持一定的河流间连通度，给洄游性鱼类留足生存空间。

(3)云湖和香河湖实施的修复措施，显著降低了水体盐度、EC、TDS含量，但对TN和TP等营养盐未明显的改善。建议将包括水质、底泥和水生动植物等要素纳入到区域日常河湖监测与管理中，有利于河湖水环境保护措施的调整及区域大美河湖的构建。

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水利水电技术（中英文）

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