东城市化对地表水体的影响：中国京杭大运河富营养化和重金属污染现状外文翻译资料

东城市化对地表水体的影响：中国京杭大运河富营养化和重金属污染现状

原文作者：Yu S, Yu GB, Liu Y, Li GL, Feng S, Wu SC, Wong MH

单位：Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen, China

摘要：

快速的城市化通过水体富营养化和污染导致了水质量的下降，但是对于水质变化对城市化水平或进程的规律缺乏研究。在过去的三十年里，中国是世界上城市化最快的国家，其城市的发展是多元化的水平。九个沿着京杭大运河（近似1500多年）多样化水平发展的城镇和城市被选中揭示地表水水质和城市化程度之间的直接联系。京杭大运河部分城市区域的地表水质量主要是由于富营养化的氮、磷和金属受损的。尽管存留的大多数的金属浓度根据中国国家环境对于地表水的标准（GB3838-2002）是允许的，但是根据国家对于有毒污染物的推荐水质量准则（US EPA 2006），大多数运河水域城市的金属对于水生群落可能会有不可接受的影响。金属在城市运河的载荷被发现与本地工业活动有关的。在这个研究中，城市化水平与水质量参数以下列的降序显著相关，电解质gt;养分gt;金属。这项研究表明，为了京杭大运河的可持续城市化发展的目标，重大减灾战略是必须的。

关键词：地表水质量 城市化进程 富营养化 金属应力 京杭大运河

引言

在20世纪，城市化已成为不可逆转的全球变化（人口基金 2007）。尽管从发达和发展中国家得到的经验已经证明城市化在消除贫穷、经济发展和现代化中起了重要作用。但是城市化，尤其是目前城市化迅速的发展中国家，已经被发现对本地、区域以及全球的环境质量强加了负面影响（IHDP 2005）。稀缺和污染之间的强烈冲突已经使得水资源成为可持续城市化进程的关键限制因素（Bao and Fang 2007），水安全在某些区域成为了政治问题（OECD,2005）。作为城市化进程中正在使用的实验室（Normile，2008），在过去三十年中国正经历着快速的经济发展和城市化。由于缺乏环境卫生和水处理设施分布的不均匀，像大多数发展中国家（Cohen，2006；SID，2008），中国的快速城市化导致了地表水中水体富营养化、水质下降。城市化使得中国的发展出现了多样性，也使应用空时替代方法研究城市化进程成为可能。通过对由中国城市化水质量和数量消耗的个案研究，可以为其它由快速城市化导致的有相似环境问题的发展中国家提供参考。

城市化改变自然生态系统和不可逆转的生物循环，在多个维度上影响人类住区（(Kaye et al., 2006; Grimm et al., 2008)。大量对于城乡样带的研究已经确定了城市化对地表水质量的影响。(Callender and Rice, 2000; Brett et al., 2005;Schoonover et al., 2005; Tsegaye et al., 2006; Alberti et al.,2007; Foster and Cui, 2008; Wang et al., 2008; Li et al.,2009b），从而揭示了城市化带来的污染物是河道和沉积物中污染的载荷的主要组成部分。

地表水作为一种污染物的接受体，是从城市化的汇水区和流域的地表径流冲刷和带来的。城市地表径流已经表现为接收地表水源污染的无点源污染的主要来源之一。地表径流为接收水体带来了微粒、营养物质、重金属、碳氢化合物和其他有毒物质，导致了泥沙淤积、水体富营养化和水质量、水生环境和公共卫生的退化(US EPA, 1995;Lopes and Bender, 1998; Buffleben et al., 2002; Choe et al.,2002; Vaze and Chiew, 2002; Aacute;lvarez‐Rogel et al., 2006;Fulkerson et al., 2007; Huang et al., 2007a,b; Gan et al.,2008; Rosenzweig et al., 2008; Kang et al., 2009)。

另一方面，城市化水平的量化对于地表水质量基于进程的研究是很重要的。很少定量研究使用土地利用/覆盖的变化，例如不透水覆盖作为城市化的指标（Hahs and McDonnell, 2006）。不透水覆盖与地表水中城市化带来的污染物载荷（Xian et al., 2007）和城市水文学（DeGasperi et al., 2009）密切相关。众所周知，土地利用/覆盖变化（或者不透水覆盖）通过地表径流的流量和通路与城市水文学相联系。但是土地利用/覆盖变化的变量不可能自行确定城市地表径流中污染物的种类、数量和它们在接收水体中的载荷，从而表明水体的质量。因此，土地利用/福噶变化的变量不是城市化与地表水质量关系的理想指标。我们认为经济宪法（或者产业结构）和人口比起土地利用/覆盖变化更适合表明城市化对地表水质量的影响，因为污染物是由于经济发展和生活消费造成的。王等人（2008）发现在上海，人均国民生产总值（GDP）与地表水综合污染指数非线性相关。在这项研究中，我们选择了一系列京杭大运河南线独立的城市化区域（三个农村乡镇，两个发展中城市和四个发达城市）来代表城市化梯度的分水岭。城市化梯度由地方经济数据和城市化人口量化。我们假设（1）城市化水平与京杭大运河城市化区域地表水质量有关，（2）地表水质量可能具有当地的经济成分或产业结构的特征。

研究地区

京杭大运河的南段，世界上最长的古运河（1794公里，始建于公元前5世纪，完成于隋朝（581-618公元）贯穿长江三角洲，北边与长江相连，南边与钱塘江相连。沿着它的路径，京杭大运河南段连接了许多湿地和溪流，保持了当地水网的水文，并且有从长江和钱塘江两端通过船闸的补充。流动方向随着当地的水网络而与天然河流系统不同。这个特征也使得我们能够在没有上游或下游的影响下，探索城市化对于运河城市区域水质量的影响。除了支持驳船交通，运河灌溉了超过942248公顷的农业土地、生产水产品和迁徙水禽和鱼类的生态廊道。由于其宏伟的历史、灿烂的文化和独特的生态系统，运河正在申请世界文化遗产。运河南段贯穿多个城市，是用作在中国最大的城市群长江三角洲中城市间煤炭和建筑材料驳船交通的水路。运河也作为城市和农村汇水区流出的接收体，河岸在城市区域是混凝土。城市区域的水质量严重退化，就像杭州（Chen et al., 2004）的城市区域那样。运河城市区域的水质量已经成为对于城市环境质量和可能对城市居民和驳船交通水手造成危害的重要问题。污染的城市区域也被认为是通过航道网对周边流域和影响郊区水产品生产的无点源污染。

受上海发展的影响，在运河南段分水岭的经济发展模式相当类似。运河沿线九个独立的城市化区域被选，一个农业流域作为小城市的农业流域的控件。两个城市地区之间的最短距离超过15公里，以消除两个邻近城市流域的互动影响。九个城市化区域的集合代表了城市化人口从4652到2060600的渐变的城市化（区域内人口城市化率从8.3%到93.2%），人均GDP水平从2993美元到22044美元，2007年根据当地市政府的年鉴。总的来说，所调查的城市化区域居住着超过1000万人口。

方法

在地表水水质和水的现场测量样本采集

多参数水质量探空仪（YSI, 6600‐V2,Yellow Springs, OH, USA）被用来测量现场地表水质量。测量参数包括温度、pH值、电导率、溶解氧、盐度和氯含量、铵盐和硝酸盐。多参数水质量探空仪在每个参数测定根据相应的标准校准。水样本由塑料桶（直径30cm深30cm）在城市运河中心用运河水洗三次后收集30cm深的水。经过运河水清洗三次后，探空仪戴上防护罩后浸入充满水的塑料桶用来测量八个参数。这个方法避免了由于驳船交通尾流引起的对探空仪稳定性的影响。水样品也被装进用收集的地表水洗三次的300ml装的酸洗聚乙烯瓶。样品在现场被浓度为1%的酸（浓缩HCL 3ml）酸化，用-20℃的车载冰箱运回实验室。采样点的数目由城区运河长度确定。一般来说，500m长度的区间最少需要对每一个城市流域的四个采样点，以满足统计需求（表1）。调查在2008年5月20日至6月9日进行。

地表水的实验测量

渗透样品中氮磷的总量浓度在用硫酸钾（K2S2O8, Cat. 169–11891, Wako Pure Chemical Industries,Ltd., Japan）高压灭菌分解后用可见分光光度计确定（(UV 2450, Shimadzu Corp.,Kyoto,Japan)，依次使用了酸性比色法、对磷钼酸盐/锑进行抗坏血酸还原，对硝酸盐使用UV分光度法。分析了化学需氧量，使用快速化学需氧量分析仪和160℃的铬还原分解。

溶解活性磷、溶解总有机碳、溶解金属的浓度由水样滤液测量（通过0.45微米膜盘式过滤机）。溶解活性磷用比色法的酸性钼酸盐/锑测定，溶解活性炭用对磷钼酸盐/锑进行抗坏血酸还原测定，使用溶剂活性炭分析仪。溶解的铁 (dFe)，锌 (dMn) 铝(dAl) 和锌 (dZn) 采用火焰原子吸收光谱进行分析，而溶解铜 (dCu)

(dPb) 铅、 镉 (dCd) 和铬 (dCr)用石墨炉原子吸收分光光度计分析，溶解态的汞 (dHg) 和砷 (dAs)采用原子荧光分光光度计测定。

用于分析的每个元素的独立标准从国家研究中心购买了我国注册参考材料。在实验分析中每10个样本一个副本和一个检查标准被包含，每个城市流域至少一个副本被设置用来质量控制和保证。恢复率从79%到116%。

统计分析

对于所有水质量的测量参数的单变量的正态分布使用柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫方法测定。除了 dAl 和 TN，因为参数不能满足的假设的参数分析，也就是，正态分布。对于水质量的非正态分布进行了变量的无参数方差分析。为了减少调查变量的维度进行了主成分分析，使用双标图通过城市化水平测试分离。化学需氧量在主成分分析中被排除，因为根据无参数方差分析结果中微不足道的相关性。

从地方市政年鉴收集了人口和经济数据，由无参数单向方差分析选定。显著地相关数据纳入城市化数据集。也就是，无农业人口，人口城市化率，GDP及其部分和人均GDP。总GDP由三哥部分组成也就是第一产业GDP(包括农业、林业、畜牧业和渔业)，第二产业GDP（包括采矿业、制造业、建筑业和能源工业）和第三产业GDP（包括服务业）。对于九个基于城市化水平的城市集团应用主成分分析法。

对地表水质量和城市化数据集进行典型相关分析，表明了从一个数据集到另一个数据集的主要因素，也就是地表水质量和城市化水平的互动关系。统计软件使用SASreg; 9.1 for Windows。

结果

调查城镇和城市的城市化

调查的城镇和城市由人口和 2007 年的经济数据组使用 PCA图 2)方法被分成三个集团。大规模 (LC) 城市群是一个省会城市;中等规模 (MC) 城市群有三个城市;

和小规模城市 (SC) -镇 (镇)由两个小城市和农村的三座城市组成。人口，无农业人口和总人口还有GDP由其特征向量确定，组成了分离的主要载荷，前两个组成部分解释了99.8%的变化。

地表水质量

地表水的pH值在7到8之间，根据中国国家对于地表水质量的环保标准在标准范围内。在大多数城市节做低于 5 毫克 l minus; 1 III 类阈值的中国标准。在第 III 类一级，地表水适当的净化后的饮用水资源。

电导率和盐度还有氯离子浓度呈相似的趋势。内陆城市的值比起分别于长江和钱塘江相连的SC-1和LC要高。EC盐度和氯离子浓度的值与其在农村流域的相当。所有城市流域的氯离子浓度都达到了饮用水的要求。类似地，比起运河其他流域，SC-1和LC有相当低的铵态氮和硝酸盐浓度，与农业流域相当，MC-1的硝酸盐和Town-1的铵态氮是例外。铵态氮的最高浓度在SC-2中达到，而硝酸盐的最大浓度在MC-3中达到。通过中国标准分类，除了SC-1和LC，运河城市流域的铵态氮浓度超出了第三类饮用水的阈值。只有MC-3有较高的硝酸盐浓度，超出了饮用水资源的阈值。

在LC和SC-1中的地表水，与农业流域相当，比起运河其他城市流域，有显著较低的总氮浓度。总磷浓度主要是活性磷，但是在调查的运河流域中活性磷有较大的变化。然而，所调查的运河城市流域和农业流域的化学需氧量、总氮总磷浓度均超出了中国标准的第三类阈值。

地表水中溶解的铁和铝在所调查的运河流域显示了相似的趋势，两种金属的最低浓度均在MC-1中观察到。锌的浓度在运河流域从北到南增加，除了LC。LC有雨SC-1和农业流域相当的锌浓度。在所调查的运河流域中包括农业流域，铁的浓度都超出了饮用水资源的阈值。而在三个运河流域中，锌的浓度达到了饮用水资源的标准。

SC-2中溶解铜含量比起其他运河流域显著要高。三个城镇和LC比起其他城市有相对较高的锌浓度。在Town-3中铬浓度比起其他运河城市流域显著要高，超出了地表水三类的阈值。在MC-2、MC-3和SC-2检测到微量浓度的汞。在所调查的运河流域包括农业流域地表水中铅和铬的浓度没有显著的差异。根据中国标准分类，微量金属达到了第一类阈值，所有流域中锌达到了第二类水的阈值。

所有调查运河流域中dCr6 达到了第 II 类水的标准除了 Town‐3 节 (表二)。dAs 的所有表面水样品都低于检测阈值。

连续浓度标准表示水中优先有毒

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