許志波 楊儀 卞莉

摘要 在太湖漁洋山水源地建立水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，于2018年4月—2019年3月進(jìn)行為期1年的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）與環(huán)境因子（溫度、pH、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、葉綠素a、藍(lán)綠藻）監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻次為每4 h 1次。篩選檢出率較高的3種VOCs（二氯甲烷、苯乙烯、萘），并分析這3種VOCs與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，2018年4月—2019年3月研究水域內(nèi)苯乙烯、萘濃度呈現(xiàn)逐月降低的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)基本一致，二氯甲烷濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。二氯甲烷與環(huán)境因子沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，苯乙烯與pH表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，萘與水溫、電導(dǎo)率表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，萘與溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，苯乙烯與萘表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性。水體降溫和底泥固定（沉水植物生態(tài)修復(fù)）將是有效降低湖泊水體VOCs濃度的方法。

關(guān)鍵詞 揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）;萘;苯乙烯;二氯甲烷;環(huán)境因子;太湖

中圖分類號(hào) X524 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）05-0078-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.021

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract An automatic water quality monitoring system was established in the YuYangMountain water source area of Taihu Lake to monitor volatile organic compounds （VOCs） and environmental factors（temperature， pH， conductivity， turbidity， dissolved oxygen， ammonia nitrogen， total nitrogen， total phosphorus， permanganate index， total organic carbon， chlorophyll a， bluegreen algae） for a period of one year from April 2018 to March 2019， and the monitoring frequency was 1 time every 4 hours.Three kinds of VOCs with high detection rate were screened： dichloromethane， styrene and naphthalene， and the correlation between these three kinds of VOCs and environmental factors was analyzed.The results showed that from April 2018 to March 2019， the concentration of styrene and naphthalene in the study waters showed a monthly decreasing trend， and the variation trend was basically the same， while the concentration of dichloromethane showed a trend of first increasing and then decreasing.There was no strong correlation between dichloromethane and environmental factors;styrene and pH showed a strong positive correlation;naphthalene showed a strong positive correlation with water temperature and electrical conductivity;naphthalene showed a strong negative correlation with dissolved oxygen and permanpermanate index;styrene and naphthalene showed a strong positive correlation. Water cooling and sediment fixation （submerged plant ecological restoration） are the effective methods to reduce VOCs concentration in lake water.

Key words Volatile organic compounds （VOCs）;Naphthalene;Styrene;Dichloromethane;Environmental factors;Taihu Lake

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），美國(guó)ASTM D3960—98標(biāo)準(zhǔn)將其定義為任何能參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物;美國(guó)聯(lián)邦環(huán)保署（EPA）將其定義為除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物。世界衛(wèi)生組織對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物定義為熔點(diǎn)低于室溫而沸點(diǎn)在50～260 ℃的有機(jī)化合物。目前隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的VOCs在地表水（河流、湖泊、水源地）被檢出。含有VOCs的飲用水?dāng)z入人體后，具有致畸形、致突變、致癌變的潛在危害性，還可對(duì)肝臟、腎臟、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)造成損害[1-4]。

飲用水水源地VOCs含量的檢測(cè)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[5-9]，但VOCs與環(huán)境因子的關(guān)系目前還鮮有報(bào)道，筆者選取太湖典型水源地為研究區(qū)域，采用連續(xù)在線監(jiān)測(cè)方法解析VOCs和環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，為水源地VOCs的治理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于太湖漁洋山水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)水域（圖1），VOCs和環(huán)境因子連續(xù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）位于水源地湖濱——江蘇省太湖野外水質(zhì)與藍(lán)藻綜合觀測(cè)站（31.230 659°N、120.368 971°E）。

1.2 研究方法

1.2.1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括采水單元、預(yù)處理單元、配水單元、控制單元、配電單元、數(shù)據(jù)采集和通訊單元、自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器等。自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溫度（WT）、pH、電導(dǎo)率（EC）、濁度（TUB）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總有機(jī)碳（TOC）、葉綠素a（Chl.a）、藍(lán)綠藻（BGA）和水中54種揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）。

1.2.2 監(jiān)測(cè)方法。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)頻率為每4 h 1次，每隔4 h控制單元發(fā)出采水指令，潛水泵將太湖原水抽至預(yù)處理單元，沉降30 min后，再將水由配水單元分配至各個(gè)儀器進(jìn)行水質(zhì)分析，最終分析結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)采集和通訊單元上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)方法及參考標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.2.3 在線GC-MS檢測(cè)儀。儀器型號(hào)為便攜式HAPSITE氣相色譜/質(zhì)譜儀（Inficon公司），經(jīng)過(guò)改造后實(shí)現(xiàn)VOCs在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。主要部件包括吹掃系統(tǒng)、GC-MS主機(jī)、真空泵、采樣杯等（圖2）。分析過(guò)程為：水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中配水單元將水樣通過(guò)水管引入采樣杯中，多余的水通過(guò)溢流口排出，無(wú)需對(duì)水樣進(jìn)行其他預(yù)處理或過(guò)濾，采樣頻次為每4 h 1次。之后通入氮?dú)?，?dāng)?shù)獨(dú)鈿馀萆仙龝r(shí)，一部分VOCs被氮?dú)獯得搹乃噢D(zhuǎn)入氣相，儀器內(nèi)置采樣泵會(huì)把吹掃出來(lái)的VOCs富集到儀器的濃縮管里，然后經(jīng)過(guò)高溫解析進(jìn)入氣相色譜（GC）進(jìn)行分離分析，最后通過(guò)質(zhì)譜監(jiān)測(cè)器（MS）檢測(cè)[12]。檢測(cè)條件及具體方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析方法。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2018年4月1日—2019年3月31日連續(xù)運(yùn)行1年，揮發(fā)性有機(jī)物共檢出36種，分別為1，1-二氯乙烯、二氯甲烷、反1，2-二氯乙烯、1，1-二氯乙烷、順1，2-二氯乙烯、溴氯甲烷、2，2-二氯丙烷、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、苯、二溴甲烷、1，2-二氯丙烷、一溴二氯甲烷、三氯乙烯、順式-1，3-二氯-1-丙烯、1，3-二氯丙烷、乙苯、間二甲苯 & 對(duì)二甲苯、三溴甲烷、苯乙烯、鄰二甲苯、對(duì)稱四氯乙烷、1，2，3-三氯丙烷、（1-甲基乙基）-苯（異丙苯）、溴苯、特-丁基苯、1，2，4-三甲基苯、（1-甲基丙基）-苯（仲-丁苯）、1-甲基-4-（1-甲基乙基）-苯（對(duì)-異丙苯）、鄰二氯苯、丁基苯、1，2-二溴-3-氯丙烷、1，2，3-三氯苯、萘、1，2，4-三氯苯、1，1，2，3，4，4-六氯-1，3-丁二烯，這36種揮發(fā)性有機(jī)物均未超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值。選擇其中檢出率較高的3種典型揮發(fā)性有機(jī)物（二氯甲烷、苯乙烯、萘），采用SPSS 17.0軟件中的皮爾森相關(guān)系數(shù)分析方法，分析二氯甲烷、苯乙烯、萘和WT、pH、DO、EC、TUB、CODMn、NH3-N、TP、TN、TOC、Chl.a、BGA之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 二氯甲烷、苯乙烯、萘濃度逐月變化

從圖3可以看出，2018年4月—2019年3月研究水域內(nèi)苯乙烯、萘濃度呈現(xiàn)逐月降低的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)基本一致;二氯甲烷濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。苯乙烯月均值為0.030～0.118 μg/L，萘濃度月均值為0.614～8.835 μg/L，二氯甲烷月均值為0.076～0.418 μg/L。

2.2 二氯甲烷、苯乙烯、萘與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系

從表2可以看出，二氯甲烷、苯乙烯、萘3種不同揮發(fā)性有機(jī)物在水中的濃度與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)出不同的特征。二氯甲烷與環(huán)境因子沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，苯乙烯與pH表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，萘與WT、EC表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，萘與DO、CODMn表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，苯乙烯與萘表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性。

選取P在0.01水平上顯著相關(guān)且絕對(duì)值較大的r值做出散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，見(jiàn)圖4。從圖4a可以看出，水體中萘濃度與WT呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，WT越低，水體中萘濃度越低且波動(dòng)范圍較窄;WT越高，水體中萘濃度越高且波動(dòng)范圍較大。說(shuō)明水體中萘濃度在低水溫（5～10 ℃）時(shí)，受WT影響較大，水體中萘濃度在高水溫（20～30 ℃）時(shí)，受WT的影響較小。從圖4b可以看出，水體中萘濃度與DO呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因?yàn)镈O與WT是存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此可以推導(dǎo)出此結(jié)論。從圖4d可以看出，水體中萘濃度與EC總體呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，因EC與WT存在正相關(guān)關(guān)系（WT越大，水的電離度越大，即EC越大），所以可以推導(dǎo)出此結(jié)論。圖中的大部分散點(diǎn)較為集中，少部分散點(diǎn)分布于左側(cè)，說(shuō)明在較低的EC情況下，受其他因素影響，萘濃度存在升高的可能。從圖4e可以看出，水體中萘濃度與CODMn呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)CODMn處于較低濃度（<4 mg/L）時(shí)，萘濃度波動(dòng)范圍較大，當(dāng)CODMn處于較高濃度（>5 mg/L）時(shí)，萘濃度波動(dòng)較低，即水體中CODMn濃度越高，萘濃度越低。CODMn是反映水體有機(jī)污染物含量的指標(biāo)且萘可被酸性高錳酸鉀氧化，按常理CODMn應(yīng)與萘呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，因此二者的負(fù)相關(guān)關(guān)系原因有待進(jìn)一步研究。從圖4c可以看出，水體中苯乙烯濃度與pH呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)pH較大（>8.5）時(shí)，水體中苯乙烯濃度越大。從圖4f可以看出，水體中苯乙烯濃度與萘呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，因該水源地附近?？坑猩倭繚O船，其VOCs主要來(lái)源為漁船發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒柴油所產(chǎn)生的污染物，而苯乙烯和萘均為柴油燃燒的主要產(chǎn)物[13]，且二者均為苯系物，因此二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

2.3 二氯甲烷、苯乙烯、萘等揮發(fā)性有機(jī)污染物含量影響因素分析

研究區(qū)域位于漁洋山風(fēng)景名勝區(qū)，無(wú)大型入湖河道，水位較淺且湖流較緩，主要水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)條件為風(fēng)浪擾動(dòng)，因此水體中的揮發(fā)性有機(jī)污染物的可能來(lái)源為漁船柴油機(jī)高溫燃燒和沉積物解析釋放。

漁船柴油機(jī)高溫燃燒已經(jīng)被證實(shí)是太湖漁洋山水源地?fù)]發(fā)性有機(jī)物及多環(huán)芳烴的主要來(lái)源[14]，柴油機(jī)燃燒產(chǎn)物會(huì)造成局部大氣VOCs濃度升高，氣態(tài)相和顆粒相的VOCs經(jīng)大氣沉降或降雨沖刷進(jìn)入水體中，造成局部水體中VOCs濃度升高。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，漁洋山水源地遠(yuǎn)離太湖主要航道，周邊小型漁船活動(dòng)頻繁，因此小型柴油機(jī)高溫燃燒的產(chǎn)物為該區(qū)域揮發(fā)性有機(jī)物的主要來(lái)源之一。

沉積物解析釋放是指有機(jī)污染物會(huì)被沉積物吸附而固定下來(lái)，在適當(dāng)?shù)臈l件下又會(huì)釋放到水體中，成為二次污染源[15]。沉積物的吸附-解析處于動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，在風(fēng)浪作用下，沉積物的再懸浮不僅解析沉積物中的VOCs，同時(shí)也會(huì)吸附水體中的VOCs;在靜風(fēng)條件下，水體中濁度較小，沉積物中的VOCs可以通過(guò)靜態(tài)釋放的作用由沉積物-水界面向水體中補(bǔ)充VOCs。由于取水口處水位較淺，風(fēng)浪的增大會(huì)引起沉積物的再懸浮、濁度增大[16]，室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明[17]，在其他條件不變的情況下，沉積物的再懸浮過(guò)程會(huì)增加上覆水中的多環(huán)芳烴（包含萘）濃度。而根據(jù)表2二氯甲烷、苯乙烯、萘3種揮發(fā)性有機(jī)物與濁度（TUB）均沒(méi)有體現(xiàn)顯著的相關(guān)性，說(shuō)明原位條件下，風(fēng)浪引起的沉積物再懸浮并沒(méi)有影響到水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘的濃度變化，其影響因素可能是多方面的。比如，水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘均與WT呈現(xiàn)正相關(guān)性（表2）。水溫的升高不僅會(huì)有效降低懸浮沉積物對(duì)多環(huán)芳烴（包括萘）的吸附能力[18]，也會(huì)加快沉積物中多環(huán)芳烴的解析速率，從而使水體中多環(huán)芳烴的濃度增加。相反，水溫的降低不僅會(huì)有效增大懸浮沉積物對(duì)多環(huán)芳烴（包括萘）的吸附能力，也會(huì)降低沉積物中多環(huán)芳烴的解析速率，從而使水體中多環(huán)芳烴的濃度降低。例如，2018年10月—2019年3月研究區(qū)域內(nèi)為枯水期，但是水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘濃度均表現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)（圖3）。使水體中VOCs濃度降低的因素主要包括自然降解速率增加、揮發(fā)速率增強(qiáng)、外源輸入減少（漁船活動(dòng)減弱）、內(nèi)源輸入減少（沉積物解析速率降低）。自然降解速率和揮發(fā)速率在短時(shí)期內(nèi)基本不會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，而且據(jù)實(shí)際觀測(cè)，在此期間該水域漁船活動(dòng)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的降低，因此內(nèi)源輸入的減少或許是水體中VOCs濃度減少的主要影響因素。在此期間季節(jié)變化是由秋季進(jìn)入冬季，WT逐漸降低，導(dǎo)致水體中VOCs濃度表現(xiàn)降低趨勢(shì)。

沉積物是湖泊污染物的重要“源”和“匯”，沉積物中的VOCs在WT升高時(shí)，配合較強(qiáng)的水動(dòng)力，源源不斷地向水體中釋放VOCs。目前湖泊水污染治理多采用底泥疏浚的方法，雖然該方法可以直接去除富含污染物的沉積物，但是疏浚過(guò)后松散的底泥更易懸浮，為污染物的釋放提供有利的條件。通過(guò)該研究結(jié)果，筆者認(rèn)為水體降溫和底泥固定是2種降低水體VOCs含量行之有效的方法。水體降溫可以采用鋪設(shè)水面浮球以及提高太湖水位的方法，鋪設(shè)水面浮球可以有效降低太陽(yáng)光直射水面，從而降低水溫。提高太湖水位可以增加陽(yáng)光在水中的射程，從而有效降低沉積物-水界面的水溫。底泥固定可以實(shí)行沉水植物生態(tài)修復(fù)，有效固定底泥，降低水動(dòng)力對(duì)底泥的擾動(dòng)，從而減弱沉積物向水體中釋放VOCs的效應(yīng)。

3 結(jié)論

該研究通過(guò)分析太湖漁洋山水源地水體中二氯甲烷、苯乙烯、萘3種揮發(fā)性有機(jī)物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）2018年4月—2019年3月，研究水域內(nèi)苯乙烯、萘濃度呈現(xiàn)逐月降低的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)基本一致;二氯甲烷濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

（2）二氯甲烷與環(huán)境因子沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，苯乙烯與pH表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，萘與水溫、電導(dǎo)率表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，萘與溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，苯乙烯與萘表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性。

（3）水體降溫和底泥固定（沉水植物生態(tài)修復(fù)）將是有效降低湖泊水體VOCs濃度的方法。

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