某城市內(nèi)湖水質(zhì)評(píng)價(jià)及污染成因分析

劉加強(qiáng)，范秀磊，李 昂，馮啟言，楊成方

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州 221111)

城市內(nèi)湖是城市水系的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)微氣候、防洪排澇、改善生態(tài)環(huán)境等功能[1-3]。隨著城市快速發(fā)展，人類活動(dòng)日益頻繁，且城市內(nèi)湖多呈相對(duì)封閉狀態(tài)，水體缺乏流動(dòng)性，水體富營(yíng)養(yǎng)化、水體水質(zhì)季節(jié)性惡化問題越來越突出[4-5]。水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致藻類和其他水生植物過量繁殖，水體透明度下降，溶解氧含量降低，進(jìn)而引起水生生物大量死亡、水質(zhì)惡化、發(fā)腥發(fā)臭，嚴(yán)重影響水域功能的發(fā)揮[6]。因此，分析城市內(nèi)湖水質(zhì)年際變化規(guī)律及水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)變化規(guī)律，有助于揭示水體污染成因，為有效提出正確的水體富營(yíng)養(yǎng)化控制措施提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)改善城市人居環(huán)境和實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7-8]。

1 研究區(qū)域概況

某城市內(nèi)湖位于蘇北某市，距離市中心3 km，該湖集雨面積為59.1 km2，湖區(qū)面積達(dá)11.4 km2。其中，水域面積為3.76 km2，總庫(kù)容為3 330萬m3，興利庫(kù)容為905萬m3，最大水深為5.1 m，平均水深為2.5 m，為典型的城市淺水型湖泊[9-10]。經(jīng)過多年的開發(fā)與保護(hù)，該湖已成為一座以城市防洪為主，結(jié)合城市風(fēng)景、農(nóng)業(yè)灌溉、市區(qū)沖污、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游開發(fā)、度假休閑和餐飲美食等綜合效益功能為一體的風(fēng)景旅游區(qū)[11]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與數(shù)據(jù)

為研究湖區(qū)水質(zhì)的時(shí)間變化特征，將湖區(qū)分為東湖、西湖和小南湖3部分。西湖設(shè)置采樣點(diǎn)4處，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；東湖設(shè)置采樣點(diǎn)4處，分別為Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ；南湖設(shè)置采樣點(diǎn)2處，分別為Ⅸ、Ⅹ。采樣點(diǎn)布置如圖1所示，采樣頻次為每月3～4次。數(shù)據(jù)來源于水庫(kù)管理局提供的水質(zhì)監(jiān)測(cè)專報(bào)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括pH、DO、渾濁度、電導(dǎo)率、CODMn、NH3-N、TN、TP等。重點(diǎn)對(duì)變化幅度較大的CODMn、NH3-N、TN、TP這4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行篩選和整理，統(tǒng)計(jì)出2013年—2018年各指標(biāo)的平均含量。為考查湖區(qū)氮、磷含量的季節(jié)性變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)出2018年8月—2019年7月TN、TP的平均含量，并以6月—9月作為豐水期，3月—5月、10月作為平水期，11月—次年2月作為枯水期進(jìn)行分析。

圖1 采樣點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of Sampling Points

2.2 評(píng)價(jià)方法

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)定量評(píng)價(jià)[12]，并用污染分擔(dān)率研究指標(biāo)體系中各項(xiàng)污染因子的貢獻(xiàn)程度[13]。執(zhí)行的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[14]。

3 結(jié)果與討論

3.1 2013年—2018年整個(gè)湖區(qū)水質(zhì)變化分析

由圖2可知：2013年—2018年整個(gè)湖區(qū)的NH3-N濃度存在波動(dòng)，但變化不大，NH3-N濃度為0.334～0.391 mg/L，變化率為17.1%；CODMn、TN濃度變化表現(xiàn)為先降低后升高，CODMn、TN的濃度分別為3.959～4.983、1.023～1.822 mg/L，變化率分別為25.9%、78.1%；TP濃度變化存在較大波動(dòng)，TP的濃度為0.063～0.117 mg/L，變化率為85.7%。綜上分析，2013年—2018年TN、TP濃度變化率最大，特別是2017年、2018年，CODMn、TN、TP的濃度明顯高于其他年份。

圖2 湖區(qū)水質(zhì)年際變化規(guī)律Fig.2 Interannual Variation of Water Quality in Lake Area

3.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)湖區(qū)各部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。從整個(gè)湖區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)來看，2013年—2018年水質(zhì)表現(xiàn)為由差轉(zhuǎn)好再到惡化，其中，2015為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2017年污染最為嚴(yán)重，2018年次之。

表1 各湖區(qū)與整個(gè)湖區(qū)年均值內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)果Tab.1 Annual Mean Nemero Indexes of Each Lake and Whole Lake Area

將各湖區(qū)與整個(gè)湖區(qū)作為變量，導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行定量相關(guān)性分析，采用雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算Spearman相關(guān)系數(shù)rs(rs>0正相關(guān)，rs<0負(fù)相關(guān)，其絕對(duì)值大小反映變量相關(guān)程度高低)[15]。由表2各湖區(qū)與整個(gè)湖區(qū)相關(guān)性分析結(jié)果可知，P<0.05、rs>0.8，說明各湖區(qū)與整個(gè)湖區(qū)存在正向顯著極強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)rs的大小來看，西湖(1.000)>東湖(0.943)>小南湖(0.829)，說明西湖水質(zhì)與整個(gè)湖區(qū)水質(zhì)的相關(guān)性最強(qiáng)。因此，可以用西湖的水質(zhì)變化情況來反映整個(gè)湖區(qū)的水質(zhì)變化規(guī)律，可使水質(zhì)評(píng)價(jià)工作簡(jiǎn)化，操作性更強(qiáng)。

表2 各湖區(qū)與整個(gè)湖區(qū)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Correlation Analysis between Each Lake and Whole Lake Area

通過污染分擔(dān)率來反映污染構(gòu)成，結(jié)果如表3所示。污染分擔(dān)率為TP>TN>CODMn>NH3-N，且不同年份TP、TN污染分擔(dān)率的和占比為75%～79%，說明TP、TN在整個(gè)污染構(gòu)成體系中污染最為嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠重視。不同年份、不同污染因子的污染指數(shù)均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，2015年、2016年是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，近2年(2017年、2018年)水質(zhì)污染加劇。

表3 水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各因子的污染指數(shù)及分擔(dān)率變化Tab.3 Changes of Pollution Indexes and Share Rates of Each Factor in Water Quality Evaluation Index System

3.3 氮、磷季節(jié)變化分析

氮是生物的重要營(yíng)養(yǎng)元素，在某些情況下也是浮游植物的限制性營(yíng)養(yǎng)元素[16]。磷是水體初級(jí)生產(chǎn)力的限制性營(yíng)養(yǎng)元素，磷的過量輸入是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的直接原因[16]。氮、磷含量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于整個(gè)湖區(qū)的水質(zhì)具有重要影響[16]。各湖區(qū)TN、TP平均濃度月度變化如圖3所示，各湖區(qū)TN、TP年平均濃度如圖4所示。

圖3 湖區(qū)TN、TP平均濃度月度變化Fig.3 Monthly Change of TN and TP in Lake Area

圖4 湖區(qū)TN、TP平均濃度Fig.4 Average Concentration of TN and TP in Lake Area

由圖3可知，西湖、東湖及南湖的TN變化趨勢(shì)非常接近，TP類似。從整個(gè)湖區(qū)來看，TP含量為0.055～0.12 mg/L，全年平均值為0.083 mg/L，2018年8月—10月TP濃度明顯高于其他月份，8月TP濃度最高，達(dá)0.12 mg/L；TN濃度除1月—3月外，其他月份波動(dòng)較大，TN含量為1.471～2.217 mg/L，全年平均值為1.87 mg/L，2019年6月TN濃度達(dá)到最高，達(dá)2.217 mg/L。

由圖4可知，TN、TP的平均濃度分別為西湖>東湖>南湖，西湖在整個(gè)湖區(qū)中污染最為嚴(yán)重，主要原因是西湖上游補(bǔ)水河道補(bǔ)水線路較長(zhǎng)，約40 km，集雨面積達(dá)28 km2，占整個(gè)湖區(qū)集雨面積的52%，且河道兩側(cè)現(xiàn)狀為農(nóng)村和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿線污染未徹底治理(特別是農(nóng)業(yè)面源污染)。

湖區(qū)各期營(yíng)養(yǎng)鹽濃度如表4所示，TN濃度大小為平水期>豐水期>枯水期，總體相差不大。TP濃度大小為豐水期>平水期>枯水期，豐水期濃度明顯高于平水期、枯水期，這說明降雨徑流攜帶污染進(jìn)水水體，對(duì)湖區(qū)污染影響較大。

表4 湖區(qū)各期營(yíng)養(yǎng)鹽濃度Tab.4 Nutrient Salt Concentration of Each Period in Lake Area

湖區(qū)流速分布如圖5所示，該湖1進(jìn)3出，僅1處進(jìn)水點(diǎn)，水量為15萬 m3/d，整個(gè)湖區(qū)流速較大的區(qū)域主要為進(jìn)水口和出水口附近。湖區(qū)大部分面積流速在0.2 cm/s以下，整體水動(dòng)力條件不足，換水周期約為220 d，遠(yuǎn)大于國(guó)際公認(rèn)的湖泊水體水力停留時(shí)間>30 d為富營(yíng)養(yǎng)化潛在發(fā)生區(qū)的值。另外，沉積物是污染物的重要儲(chǔ)蓄積庫(kù)，在一定的環(huán)境條件下，沉積物作為內(nèi)源向上浮水中釋放氮磷，從而對(duì)水體產(chǎn)生污染[16]。相關(guān)研究中，分別將東湖和西湖10個(gè)取樣點(diǎn)同一深度沉積物中TN、TP的含量進(jìn)行平均，結(jié)果如圖6所示。沉積物中TN含量東湖高于西湖，東湖和西湖TN平均含量為0.7～0.89 mg/g；沉積物中TP含量除次表層外，西湖高于東湖，東湖和西湖TP平均含量為0.068～0.11 mg/g[9]。該湖多年來未清淤，沉積物中氮磷的內(nèi)源釋放對(duì)水體水質(zhì)的影響不容忽視。

圖5 湖區(qū)流速分布示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Velocity Distribution in the Lake Area

圖6 不同深度沉積物TN、TP含量對(duì)比[9]Fig.6 Comparison of TN and TP in Different Depths Sediments[9]

4 結(jié)論

(1)通過分析東湖、西湖和南湖與整個(gè)湖區(qū)的相關(guān)關(guān)系，得出各湖區(qū)與整個(gè)湖區(qū)均存在正向顯著極強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。其中，西湖與整個(gè)湖區(qū)的相關(guān)性最強(qiáng)，因此，可以用西湖的水質(zhì)變化情況來反映整個(gè)湖區(qū)的水質(zhì)變化規(guī)律。從水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果來看，2013年—2018年湖區(qū)水質(zhì)整體呈逐漸轉(zhuǎn)好到污染加劇的發(fā)展趨勢(shì)，特別是TP、TN在整個(gè)污染構(gòu)成體系中污染最為嚴(yán)重。

(2)通過分析湖區(qū)氮、磷含量的季節(jié)性變化規(guī)律，得出TN濃度：平水期>豐水期>枯水期，總體相差不大；TP濃度：豐水期>平水期>枯水期，豐水期濃度明顯高于平水期、枯水期，降雨徑流攜帶污染進(jìn)入水體，對(duì)湖區(qū)污染影響較大。

(3)湖區(qū)上游補(bǔ)水線路較長(zhǎng)，沿線污染未徹底治理。另外，湖區(qū)僅1處補(bǔ)水點(diǎn)，整體水動(dòng)力不足，該湖多年來未清淤，沉積物中氮磷的內(nèi)源釋放對(duì)水體水質(zhì)的影響不容忽視。