周宇昊，胡碧云，劉倩文，楊登堯，劉君俠，劉瓊玉

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430056)

武漢市后官湖與三角湖污染現狀及兩湖連通后水環(huán)境風險淺析

周宇昊，胡碧云，劉倩文，楊登堯，劉君俠，劉瓊玉

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430056)

摘要：探討了后官湖地區(qū)代表性湖泊的污染現狀及湖泊連通后水環(huán)境的風險分析。結合武漢市環(huán)保局公布的環(huán)境質量狀況，并進行實地采樣監(jiān)測，探討了三角湖與后官湖等兩個代表性湖泊化學需氧量、溶解氧、總磷、總氮、高錳酸鹽指數等主要水質指標的污染狀況，根據污染現狀計算了后官湖的環(huán)境容量，并采取內梅羅評價指數法評價了水質污染等級。結果表明：后官湖水質狀況總體良好，而三角湖水質則長期處于劣Ⅴ類，遠未達到《地表水環(huán)境質量標準(GB 3838-2002)》規(guī)定的Ⅲ類水質標準。而環(huán)境容量計算結果和水污染指數評價結果表明，兩湖連通后綜合污染程度較嚴重，可能對水環(huán)境質量良好的后官湖水質造成威脅；但如果有第三方活水引入，增加兩湖水的流動性，增強水體自凈功能，且同時進行截污清淤，將對兩湖水質環(huán)境有較大的改善。

關鍵詞：后官湖；湖泊污染現狀調查；水環(huán)境風險分析

收稿日期：2015-09-16

作者簡介：周宇昊(1994—)，男，湖北武漢人，江漢大學化學與環(huán)境工程學院大學生。

通訊作者：劉瓊玉(1971—)，女，教授，博士，主要從事環(huán)境污染控制化學研究。

中圖分類號：X502

文獻標識碼：A

文章編號：：1674-9944(2015)10-0233-05

1引言

武漢一直以來擁有豐富的水資源，兩江交匯、湖泊星羅棋布，享有“江城”和“百湖之市”的美譽。因水而興的武漢擁有豐富水資源的同時，面臨著水域面積日益減少、水環(huán)境污染、水系連通性弱化等眾多威脅，使武漢市處于“優(yōu)于水而憂于水”的尷尬境地。中法合建可持續(xù)生態(tài)新城項目已選址蔡甸后官湖地區(qū)，這一“法式”生態(tài)城有望成為中法兩國乃至世界的可持續(xù)發(fā)展的示范城，習近平主席在近期訪法的外交中多次提及《中法共建生態(tài)城》的項目。同時，武漢市政府在2013年提出了《武漢2049遠景發(fā)展戰(zhàn)略》，根據武漢市2049規(guī)劃構想，武漢市將依托現有河流及規(guī)劃水系連通河道，構建“四橫七縱”的河道一級結構，而后官湖水體連通正在此構想之中。但根據武漢市目前的湖泊水質條件來看，構建后官湖水體連通體系對于“中法共建生態(tài)城”有可能構成潛在威脅。

中法合建可持續(xù)生態(tài)新城項目已選址蔡甸后官湖地區(qū)，這一“法式”生態(tài)城有望成為中法兩國乃至世界的可持續(xù)發(fā)展示范城[1]。后官湖區(qū)域地處武漢西南，規(guī)劃面積約300 km2，其中后官湖是武漢市三環(huán)線和外環(huán)線之間水體面積最大、水質最優(yōu)的湖泊。為修建高標準的110 km的后官湖環(huán)湖綠道，蔡甸區(qū)投資13億元，2014年底已全面完成連通。原有的白蓮湖、知音湖、高湖、后官湖的37 km2湖域水面連成一體，今日后官湖，比當初長大了近3倍[2]。

《武漢2049遠景發(fā)展戰(zhàn)略》中提出的河湖連通規(guī)劃將會對后官湖的水質帶來怎樣的影響，是非常值得研究探討的問題。目前還未見后官湖河湖連通后的水質風險評價的相關研究報導。本研究擬通過對后官湖地區(qū)代表性湖泊(后官湖、三角湖)開展污染源調查和污染物現狀分析，獲得后官湖地區(qū)代表性湖泊的污染特征數據，結合武漢市出臺的后官湖生態(tài)綠楔規(guī)劃及后官湖中法生態(tài)城建設規(guī)劃，評價后官湖地區(qū)代表性湖泊染負荷與環(huán)境風險，提出防治對策，為后官湖生態(tài)綠楔和中法生態(tài)城建設提供基礎數據。

2實驗方法

2.1　主要試劑

抗壞血酸(優(yōu)級純，東莞市喬科化學有限公司)、鉬酸鹽(特級純，江蘇琨蒂金屬有限公司)、無水二價硫酸錳(優(yōu)級純，北京盛達化工有限公司)、碘酸鉀(優(yōu)級純，武漢市偉琪博星生物科技有限公司)、硫代硫酸鈉(優(yōu)級純，北京精求化工有限責任公司)、草酸鈉(優(yōu)級純，東莞市喬科化學有限公司)、丙酮(99%，深圳市三品科技有限公司)、高錳酸鉀(分析純，北京世紀奧科生物技術有限公司)、磷酸二氫鉀(優(yōu)級純，上海榕柏生物技術有限公司)、焦磷酸鈉(分析純，上海埃彼化學試劑有限公司)、十二烷基硫酸鈉(分析純，東莞喬科化學有限公司)、酒石酸銻鉀(分析純，北京金匯太亞化學試劑有限公司)、硫酸(優(yōu)級純，湖南奧馳生物科技有限公司)、氫氧化鈉(優(yōu)級純，廣州市萊潤實驗儀器有限公司)。

2.2　主要儀器

分光光度計(ZH388，北京中慧天誠科技有限公司)、紫外分光光度計(UV-2102PC，上海洪富儀器儀表有限公司)、高速離心機(SH01D，上海知信實驗儀器技術有限公司)。

2.3　水質分析方法

化學需氧量(BOD)測定采用重鉻酸鹽法[3]；溶解氧(DO)測定采用碘量法[4]；總氮(TN)測定采用紫外分光光度法[5]；總磷(TP)測定采用鉬酸銨分光光度法[6]；高錳酸鹽指數采用高錳酸鹽氧化還原滴定法[7]。

3后官湖和三角湖水污染狀況分析

后官湖位于武漢市蔡甸區(qū)境內，與武漢經濟技術開發(fā)區(qū)接壤，北面經琴斷口與漢江相連，東南貫穿三角湖、通南太子湖、北太子湖與長江相通，湖泊水系水面面積37.3 km2，蓄水量4 252萬m3，規(guī)劃的水質功能類別Ⅲ類。三角湖位于武漢經濟技術開發(fā)區(qū)內，連通南太子湖、北太子湖與長江相通，湖泊水面面積2.391 km2，蓄水量達621萬m3，規(guī)劃的水質功能類別為Ⅲ類。

根據武漢市環(huán)保局官方公布數據，對近4年三角湖狀況與后官湖現狀進行了分析，結果列于表1。

表1　后官湖和三角湖近4年的水環(huán)境質量狀況

注：數據來源于武漢市環(huán)保局官網[8]

表2　后官湖和三角湖近幾年主要水體指標污染現狀　單位：mg/L

注：1.數據來源于武漢市環(huán)保局和武漢市環(huán)保局官網[8]，污染物濃度由超標倍數計算；2.“-”表示數據未獲得

由表1可見，近4年三角湖的水質一直處于劣Ⅴ類，呈中度富營養(yǎng)化，遠未達到Ⅲ類水體的水環(huán)境質量要求。后官湖的水質在2011～2013年一直穩(wěn)定在Ⅲ類，水質狀況良好，達到《地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)》中規(guī)定的Ⅲ類水體標準限值的要求，2014年后官湖的水質狀況由Ⅲ類降低至Ⅳ類。

由表2可見，三角湖的主要水質指標污染嚴重，總磷、BOD、COD等指標近4年均未達標，尤其是總磷，超標倍數高達3.52～4.76倍，表明其可能受到生活污水的污染。后官湖近期主要水質指標基本符合Ⅲ類水體標準限值的要求，只有化學需氧量超標0.05倍。后官湖目前水體規(guī)劃是Ⅲ類水質，主要用水是漁業(yè)生產。通過對后官湖對周邊環(huán)境的實地調查，后官湖漁業(yè)生產主要是魚類自然生長，并未在水體中投加魚飼料；后官湖周邊分布大量居民小區(qū)，存在部分居民區(qū)的排污口，對湖泊水質具有潛在影響。

4后官湖水質現狀監(jiān)測

為了進一步掌握后官湖的水質狀況，本研究于2015年8月實地采集了后官湖5個代表性點位的水樣，對TN、TP、COD、DO、高錳酸鹽指數等主要水環(huán)境指標進行了分析。采樣布點如圖1所示，分析結果列于表3。

由表3可知，本研究的5個采樣點的TN、TP、COD、DO和高錳酸鹽指數的監(jiān)測濃度均達到《地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)》中規(guī)定的Ⅲ類水體標準限值的要求，表明研究期間后官湖水質狀況良好。

表3　后官湖主要監(jiān)測指標監(jiān)測結果　單位：mg/L

5重點指標環(huán)境容量的估算

由表3的監(jiān)測數據表明，后官湖水質目前達到了Ⅲ類水體標準，以監(jiān)測得到后官湖TN、TP、COD和高錳酸鹽指數濃度的平均值為計算依據，在不考慮湖泊自凈作用的條件下，對后官湖主要污染物的環(huán)境容納量進行計算，并估算在后官湖不超過標準的條件下可容納的三角湖湖水量，從而對湖泊連通的可行性進行評價。

5.1　環(huán)境容量計算方法

水環(huán)境容量計算公式如下：

(1)

式中：C為環(huán)境容納量(kg)；ch為水體水質指標濃度的標準值(mg/L)，見表4；ci為水體某水質指標的實際濃度(mg/L)；V為水體體積(m3)。

湖泊水環(huán)境質量標準基本項目標準限值如表4 所示。

表4　湖泊水環(huán)境質量標準基本項目標準限值[9]　單位：mg/L

5.2　后官湖主要水質指標的環(huán)境容量估算

根據式(1)和表3中監(jiān)測得到的主要水質指標現狀，計算得到后官湖主要水質指標的環(huán)境容量，結果如表5所示。

表5　主要水質指標的環(huán)境容量計算值　單位：kg

由表5可知，在不考慮水體自凈作用的條件下，后官湖TN、TP、COD和高錳酸鹽指數等主要水質指標的環(huán)境容量為正值，在383～85 040 kg范圍，可見后官湖主要污染物具有一定的環(huán)境容量。

5.3　后官湖可接納三角湖最大的水量估算

三角湖水質超過Ⅲ類水體環(huán)境質量標準，后官湖具有一定的環(huán)境容量，為了了解兩湖聯通對后官湖水質的潛在影響，以2014年三角湖水質狀況為基準(表2)，根據公式(2)，以Ⅲ類水體的TP、COD和高錳酸鹽指數的標準限值及后官湖和三角湖的污染現狀估算得到后官湖可接納三角湖的水量列于表6。.

可接納的三角湖水量計算，以總磷為例：

式中：Q后：后官湖水體總量(萬m3)；Q三：可接納三角湖的水量(萬m3)；C后，TP：后官湖總磷的濃度(mg/L)；C三，TP：三角湖總磷的濃度(mg/L)；C標，TP：地表水Ⅲ類水體總磷的標準限值(mg/L)。

表6　后官湖可接納三角湖水量估算　單位：m3

由表6可知，以TP、COD和高錳酸鹽指數的環(huán)境容量及污染現狀估算得到后官湖可接納三角湖的水量分別為217.43×104m3、759.29×104m3和3 412.10×104m3。以計算得到的可接納三角湖水量的最小值作為后官湖的可接納三角湖的最大水量，即217.43×104m3，占三角湖總蓄水量的35.01%?？梢妰珊B通對三角湖水質有一定作用，由于后官湖整體水質狀況良好及其本身存在一定的自凈能力，因此該方案具有一定可行性，但是聯通后對后官湖水質的影響是不可忽視的，因此必須要采取一些必要的措施，如定期底泥疏浚等，否則會導致后官湖的水質下降。

6綜合污染指數評價及聯通后水環(huán)境風險評估

6.1　綜合污染指數評價模型

湖泊的污染程度主要取決于污染物的種類以及濃度等，而這些不同的污染物具有各自不同的量綱，因此一般不便于進行比較和評價，綜合污染指數評價法就是一種可以將各不同量綱轉換為同一種量綱的評價方法[10]。綜合指數法包括疊加型指數、均值型指數、加權均值型參數和均方根型指數。其中內梅羅(N.L.Nemerrow)河水污染指數法是均方根型指數中較為經典的方法，它最大的特點就是結合水質的用途，將其分類來進行計算，在其計算公式中不僅考慮到了各種參數的平均污染狀況而且考慮到了個別水質指標污染程度大的影響[11]，所以在此我們選定評價方法為內梅羅污染指數評價法。將使用的地表水分為以下三類。

(1) 人類直接接觸用水(j=1)。包括飲用水有用用水和食品制造用水等；

(2) 間接接觸用水(j=2)。包括養(yǎng)魚、農業(yè)用水等；

(3) 非接觸用水(j=3)。包括工業(yè)冷卻水、航運等。

每類用水都可求出分類的水質指數Ij[12]：

(3)

式中：Ci為水質項目i的實測值；Sij為水質項目i在不同水的用途j時的標準值；max(Ci/Sij)為水的各種指標Ci/Sij中的最大值；∑(Ci/Sij)/n為水的各種指標Ci/Sij中的平均值。

由Ij可求出總水質指數I：

I=W1I1+W2I2+W3I3

(4)

式中：W1、W2、W3為水體不同用途所占的權重，W1+W2+W3=1.0。

該指數在地表水評價中的應用也是將水質分為三種用途用分類水質指數計算，求出總水質指數。

根據計算結果和地表水污染的實際情況，將地表水的污染分為三級，并以此進行污染程度分區(qū)。

(1)I>1，說明綜合污染程度較重；

(2)I=0.5～1，說明該水域遭到污染，需要治理；

(3)I<0.5，說明該水域基本沒有遭到污染[12]。

6.2　三角湖、后官湖污染等級評價

假設后官湖和三角湖完全連通，且忽略水體自凈作用，估算出連通后主要水質指標的濃度如表7所示，并根據式(3)計算得到的水質污染指數評價結果如表8所示。

表7　連通后主要水質指標濃度估算值

表8　各類別水質污染指數評價

由表7得到后官湖與三角湖假設完全連通后的主要水質指標濃度估算值，并與(GB 3838-2002)規(guī)定的Ⅲ類水體標準限值作比較，很明顯部分指標超過國家規(guī)定標準，說明風險評價的必要性。

將水質指標濃度估算值與相應類別水體各指標的標準限值相比代入公式(3)，得到各類用水的水質指數，列于表8。根據目前后官湖水體的使用功能，分別將W1、W2、W3的取值為0、0.7、0.3，因此計算的水質指數：I=1.027?？梢?，I>1，說明綜合污染程度較重。由綜合污染指數評價結果(表8)可知后官湖和三角湖連通后，后官湖各項水質指標升高，對水體環(huán)境質量造成潛在威脅，連通后后官湖的綜合污染程度較重。

6.3　湖泊聯通對后官湖水質的影響和風險分析

6.3.1水環(huán)境風險分析

后官湖作為Ⅲ類水體保護目標，水質長期達標；三角湖作為Ⅲ類水體保護目標，水質長期超標；利用現狀分析數據及相關評價模型評價預測兩湖聯通后三角湖可能對后官湖水質造成的潛在影響與風險。

本文將兩湖連通后對后官湖的影響進行了兩個方面的分析與評價。一方面，計算出在不影響后官湖水體環(huán)境質量的前提下，三角湖能引進后官湖的最大水量為三角湖的35.01%，說明后官湖可以容納一部分三角湖的湖水，但對其本身的負擔比較大，且不采取相應措施，對后官湖存在較嚴重威脅。

但由于實際情況下，兩湖水的連通是不能做到局部混合的。因此從另一方面分析，在假設兩湖連通的條件下，采用內梅羅綜合污染指數評價模型進行評價，計算出的內梅羅指數達到了1.027，表明兩湖連通后綜合污染嚴重。

后官湖與三角湖的連通，對于整個后官湖而言，湖泊的連通改變了后官湖和三角湖的自然狀態(tài)，打破原本的水體生態(tài)系統(tǒng)平衡，生態(tài)系統(tǒng)結構功能發(fā)生了改變。由于后官湖作為Ⅲ類水體保護目標，水質長期達標，然而近幾年水質狀況卻呈現局部下降的趨勢，而三角湖作為Ⅲ類水體保護目標，水質長期超標，且受到人類活動影響頻率較高，因為其生態(tài)系統(tǒng)相對較小，所以連通完成后其組成成分、結構功能會發(fā)生較大變化，連通后將沖淡三角湖內水藻，稀釋總磷、總氮濃度，因為高密度浮游植物群落而產生的毒性作用隨之減少，同時流動的雨水會加速水體循環(huán)，對三角湖系統(tǒng)健康有著積極作用，促進后官湖與三角湖間的水質交換[13]。因此，兩湖連通首先破壞的是兩湖自身的存在的一定平衡，且在后官湖近年水質狀況有局部下降趨勢的背景下，兩湖連通勢必會導致后官湖水質下降。

6.3.2降低聯通后水環(huán)境風險的建議

湖泊連通的目的在于改善整體湖泊水質，而通過風險評價分析得到湖泊連通將對后官湖水質產生影響。在生態(tài)系統(tǒng)范圍上，借助水體流動性和外界作用力，來實現湖泊與湖泊間的水交換促進湖水流動，從而改善湖水水質，提高水體活力和自凈能力，為恢復湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康創(chuàng)造條件，同時湖泊連通對湖泊水環(huán)境中污染物等的分布產生影響[13]。因此可在湖泊連通的同時，對三角湖進行額外的大量引水，增加兩湖水的流動性，在降低了污染物濃度的同時提高了水體自凈能力，并采取截污清淤、生態(tài)修復、對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行長期監(jiān)測與研究，加強治污效果，可盡可能將湖泊連通對后官湖的影響降到最小。

7結論

(1)水環(huán)境現狀分析結果表明，三角湖水體污染嚴重，水體長期處于劣Ⅴ類；后官湖水體環(huán)境質量總體較好，基本達到GB3838-2002中規(guī)定的Ⅲ類水體標準限值。

(2)水環(huán)境容量計算結果表明，后官湖與三角湖連通后，在不影響后官湖水體環(huán)境質量的前提下，三角湖能引進后官湖的最大水量為三角湖的35.01%，表明聯通后對后官湖不造成影響的條件下，由于后官湖整體水質狀況良好及其本身存在一定的自凈能力，因此該方案具有一定可行性，但是聯通后對后官湖水質的影響是不可忽視的，因此必須要采取一些必要的措施，如定期底泥疏浚等，否則會導致后官湖的水質下降，同時對三角湖水質的改善作用也將不大。

(3)根據各污染分子的綜合指數評價結果，在假設兩湖連通的條件下，內梅羅指數達到了1.027，表明兩湖連通后綜合污染嚴重，兩湖連通將對后官湖造成一定威脅。

(4)理論估算得到兩湖連通后對后官湖水體危害較大，但如果有第三方活水引入，增加兩湖水的流動性，提高水體自凈能力，且同時進行截污清淤，將對兩湖水質環(huán)境有較大的改善。

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