架橋前后湯遜湖水體水質富營養化狀況對比

楊書香，王延枝，潘祖亭，曹軍衛，鄧麗娟，金衛華，唐紅楓，涂 毅，張 慧，馮倩倩，穆 婷，蔣懷方，董 翠

（武漢東湖學院，湖北 武漢 430212）

1 引言

湯遜湖位于武漢市郊，總面積36.6km2，包括內湯遜湖和外湯遜湖，蓄水容量11477萬m3，屬跨區湖泊，是武漢市后備飲用水源地、市內最大的原生態湖泊。近年來，由于湯遜湖周邊地區的迅速開發，大量污水得不到有效處理便排入湖中，加上湖內魚類養殖所投放的大量飼料，使得湖水水質在短時間內迅速惡化。通過查閱往年的記錄與歷時半年的實地考察，發現該湖尚未發生過大規模水華現象［1］。目前對湯遜湖架橋后水質進行檢測并與架橋前數據對比，發現湯遜湖水質較架橋前有一定改善，屬于輕度富營養化。

至今，架橋后湯遜湖富營養化方面的研究成果還未見報道。作者通過對湯遜湖沿岸及周邊地區生態環境歷時半年的考察，并于2010年12月上旬至2011年3月間對湯遜湖11個采樣點的物理、化學及生物指標進行了定量檢測，結合架橋前的檢測結果，對湯遜湖富營養化情況進行分析，得到了一定量的第一手資料，希望能為改善與治理湯遜湖的水質提供幫助。

研究區域地理位置為30°24′58.31″N～30°25′48.71″N，114°21′41.08″E～114°21′41.08″E，地貌屬鄂東南丘陵經江漢平原向大別山南麓低山丘陵過渡地帶，中間低平，北部多山。地形屬于殘丘性河湖沖積平原，地勢平坦低洼。氣候屬北亞熱帶季風濕潤氣候，常年雨量充沛、雨熱同季，降水多集中在6～8月［2］。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

湯遜湖分內湯遜湖和外湯遜湖兩部分。整個湖泊70%以上屬于江夏區，剩余部分在東湖高新技術開發區和洪山區境內。共設11個采樣點，使用Google Earth軟件進行采樣點定位［3］。采樣點情況見表1，采樣點分布見圖1。本次采樣與富營養化分析主要集中在枯水期（12月）進行，采樣在月中進行。水樣用有機玻璃瓶采取500mL。采樣距水面0.5m的表層水樣，采樣用的所有器皿都按嚴格的清洗程序處理，所有水樣帶回實驗室放入冰箱，在4℃下低溫保存.，樣同時現場測定透明度。

表1 考察采樣點的基本情況

2.2 樣品分析方法

湯遜湖兼有灌溉、旅游、水產養殖等多種經濟功能。根據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），選擇透明度、pH值、化學耗氧量、總磷、總氮含量幾項作為評價指標。選取綜合營養狀態指數法評價湖泊富營養化程度。pH值采用雷磁PHS-3D精密pH計直接測定，透明度采用塞式盤法在采樣點直接測定，總磷（TP）采用國標鉬酸銨分光光度法（GB11893-89），總氮（TN）采用國標堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，細菌總量采用平板菌落計數法，COD采用酸性高錳酸鉀法GB11892-89，Chl.a采用國標丙酮提取可見分光光度法。各指標檢測分析方法選用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）［3］中規定的《地表水環境質量標準基本項目分析方法》進行測試，其中透明度現場實測。

3 結果與分析

3.1 現場觀察結果

以內湯遜湖為例，西岸為大面積的田地與未開墾自然荒地，人口相對稀少，東岸除少量田地與自然荒地外，其余面積為學校、高密度住宅區與工廠，人口相對密集；湖內除了東岸，其余面積均為漁場。湖水普遍顯黃綠色，西岸淺水處可見大量水綿生長，水面邊界處有白色泡沫與死魚尸體，并伴有腥臭味；東岸附近水面有大量小團藻類漂浮物，近岸湖水比較混濁，靠近湖中處混濁度降低。

3.2 樣點檢測結果

對于11個采樣點在架橋前、后7項檢測指標數據見表2、表3。

表2 架橋前采樣點的檢測結果

表3 架橋后采樣點的檢測結果

圖1 架橋后采樣點總氮與總磷的變化比較

3.2.1 各指標總情況

比較表2和表3以及圖2～4可發現架橋后湯遜湖水質檢測各指標平均值降低。其中COD、TN、細菌總量、Chl.a均值降低最為明顯。這說明架橋后湯遜湖水質變好，橋梁建設并沒有影響湯遜湖的水體狀況。

圖2 架橋前采樣點總氮與總磷的變化比較

圖3 架橋前采樣點細菌總量與COD的變化比較

圖4 架橋后采樣點細菌總量與COD的變化比較

3.2.2 透明度（SD）和pH值

由表3可知架橋后各采樣點透明度變化范圍為0.22～0.88m，變化范圍較大，最低點出現在K點，次低點出現在A點，最高點出現在H點，次高點出現在I點。架橋前的數據表2顯示透明度最低的是F點，環境為密集居民區。這說明人口密集的區域湖水的透明度普遍偏低。而架橋前透明度均值為58.27cm，架橋后透明度均值為60.69cm，可見架橋不影響湖水的透明度，湖水的透明度與是否架橋無關。pH變化范圍為8.32～8.70，均值8.52，變化范圍不大，整體呈微堿性。而架橋前pH值變化于7.75～8.94，平均值為8.39，可見架橋前后湯遜湖水質pH變化不大，說明架橋對水質pH幾乎沒有影響。

3.2.3 總氮（TN）和總磷（TP）

由表3可知架橋后各采樣點總氮濃度的變化范圍為1.957～4.004mg／L，計算其均值為2.583mg／L?？偭诐舛鹊淖兓秶鸀?.04～0.44mg／L，均值為0.216mg／L。而由表2架橋前的數據可知各采樣點TN濃度變化范圍為1.840～3.945mg／L，計算其均值為2.847mg／L。TP濃度變化范圍為0.04～0.92mg／L，均質為0.29mg／L。可見架橋后總氮和總磷濃度變低。圖3為架橋前總磷和總氮變化的比較，圖1為架橋后總磷總氮變化的比較，對比圖1和圖2，進一步直觀說明架橋后總磷和總氮平均濃度的降低。從空間差異來看，無論是架橋前還是架橋后，漁場與高密度住宅區水域的TN含量普遍高于其它水域；高密度住宅區、漁場和農田附近水域采樣點TP濃度明顯高于其他區域的采樣點。此結果進一步說明架橋對總氮和總磷濃度基本沒有影響。

3.2.4 細菌總量和COD

分析表3及圖4可知，架橋后E、F、K3處細菌總量明顯高于其他地點，而這3處主要為人口密集區，主要排放各種生活污水。而同樣分析表1及圖3可知，架橋前高密度居住區附近水域的CFU／L COD明顯大于其它水域。從影響細菌總量與COD值的因素來看，生活污水對水體的有機物質污染貢獻最為突出，可推測生活污水在排放前沒有進行有效的處理，此結果與架橋并無很大關系，且整體細菌總量在架橋后有所減少。說明水質的好壞與環境和污水處理有很大的關系，而與架橋沒有直接的關系。

3.2.5 葉綠素（Chl.a）

架橋后數據（表3）顯示采樣區域葉綠素值含量變化很大，從2.66到40.48不等，計算所得其均值為12.62mg／m3。架橋前數據（表2）顯示所有采樣區域的葉綠素含量普遍偏高，均值達到19.05mg／m3。這說明架橋后綠葉素含量降低，湯遜湖水質得到更好的處理。

3.3 葉綠素（Chl.a）與透明度（SD）的相關性分析

從圖5和圖6各采樣點葉綠素a含量與透明度變化的曲線來看，無論是架橋前還是架橋后，其間沒有明顯的相關性。表明藻類在湖水中的含量還不是很高，目前影響湯遜湖水體透明度的主要因素不是浮游植物，而是存在著其他各種眾多復雜的影響因素。

圖5 架橋前各采樣點葉綠素（Chl.a）與透明度（SD）的變化比較

3.4 典型湖泊總氮、總磷含量與葉綠素a的相關分析

氮磷是造成水體富營養化的主要元素。根據典型湖泊湯遜湖架橋后總磷、總氮含量與葉綠素a的相關數據分析可知總磷、總氮含量與葉綠素a呈顯著正相關關系，且總磷與葉綠素a的相關性更顯著。而由架橋前檢測結果同樣顯示總磷和葉綠素a的相關性更顯著。氮磷比值（N／P）同樣對藻類生長有重要影響，當N／P小于7時，氮是可能的限制性營養鹽，N／P大于7時，磷是可能的限制性營養鹽［6］。

3.5 富營養化情況

架橋前、后湯遜湖富營養化評價結果見表4。

表4 架橋前、后湯遜湖富營養化評價結果

根據表4中得出的葉綠素a（Chl.a）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）、高錳酸鹽指數（CODMn）5項指標，計算各項指標平均值，從而計算出各項目營養狀態指數。把以上結果代入綜合營養狀態指數計算公式，得出綜合營養狀態指數，并進行分級。綜合營養狀態指數為：

式中TLI（∑）為綜合營養狀態指數；wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI（j）為第j種參數的營養狀態指數。以chl.a作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為：

式中rij為第j種參數與基準參數chl.a的相關系數；m為選出的主要參數數目（3～4個）。各項目營養狀態指數計算公式為：

從表4架橋前湯遜湖綜合營養指數為70，屬于中度富營養型水質；架橋后的數據可知，湯遜湖目前（架橋后）綜合營養狀態指數為57，屬于輕度富營養型水質。由表4可看出湯遜湖由架橋前的中度富營養化變成架橋后的輕度度富營養化。其主要原因是2010年9月30日，武漢市政府對該地區所有涉污的新建項目實施區域限批，并成立湯遜湖水環境整治工作領導小組，全面啟動湯遜湖周邊水環境整治。同時說明架橋對湯遜湖水質并無很大影響。

4 湯遜湖水體水質富營養化分析

4.1 水質富營養化現狀分析

4.1.1 營養鹽問題

圖7為根據實地考察結果總結出的湯遜湖營養鹽來源與去路模型。根據架橋前的研究顯示湯遜湖水體的營養鹽主要來自水產養殖場和高密度居住區。而架橋后的數據檢測顯示湯遜湖水質經政府整頓后營養鹽含量降低，但主要還是來自水產養殖和高密度居住、工業區。政府調查資料顯示湯遜湖攔網養魚的面積達1027hm2，占湖水面積的41%左右，漁民為了提高產量，每年向湖中投放5000t含氮含磷的魚飼料，這是水產養殖對湖水造成污染的主要原因。

從水產養殖對水體富營養化的作用來看，主要存在兩方面的影響。投放入水中的魚餌和飼料含有大量的氮磷成分，而未攝食部分和魚類糞便進入水體，沉積到水體底層，造成了嚴重的水域環境污染。日本的網箱養殖場固態廢物的沉積率為每天5kg／m2。以餌料和魚苗形式人為輸入海水網箱養魚系統中的N有27%～28%通過魚的收獲而回收，23%積累于沉積物中［7］。如果按飼料利用率50%來計算，每年將有大約2500t飼料沉積到湖底。底質中有機物富集的效應之一便是其中的異養有機體耗氧增加，對沉積物進行分解，釋放N、P等無機營養物，刺激水生植物和藻類的生長。寧豐收等對大洪湖水庫網箱養殖區底泥中所含的氮磷量進行分析，通過模擬溶出實驗發現底泥的氮、磷釋放對水體富營養化貢獻較大［8］。養殖區魚類糞便逐漸在湖底沉積，所含的氮和磷在適宜的條件下會重新釋放到水里，造成二次污染，加劇水體的富營養化過程。在對鮭魚網箱養殖區下部沉積的N、P、C的研究結果表明，每年只有約10%的有機物可得到分解，大部分仍沉積于底泥中并不斷向水體中釋放［9］。因此水產養殖對水體富營養化將會造成一個長期性的影響。由于它表現出的滯后性，倘若等到水體富營養化程度達到嚴重程度時再進行治理將收效甚微，并且代價巨大。

圖7 湯遜湖營養鹽來源與去路模型

湯遜湖沿岸有高密度居住區，調查估計，住在湯遜湖邊的人數在50萬人以上，其中絕大多數分布在內湯遜湖東岸。大量未經有效處理的高濃度生活污水直接排入湖中使得湖水眾多指標急劇升高，尤其是氮、磷、COD與細菌總量，架橋前后的數據顯示均有上述特點。但是數據顯示：架橋后湯遜湖周邊水質經整治后，各項指標平均水平均低于整治前，說明整治有一定的效應。

湯遜湖沿岸有一定數量的工廠，工業廢水的排入也導致了氮、磷含量的增加，富營養化的水體中很多氮磷也是來時工廠排出的廢水。鋼鐵、化工、制藥、造紙等行業的工業廢水對湖泊中氮磷含量的增加有重要影響。架橋前后其養殖水域面積、居民區密集程度并幾乎沒有變化，工廠有一定數目的增加，然而架橋后其氮磷含量有一定程度的降低。這說明架橋對水質沒有影響，且經過政府整治后水質有一定的改善。

4.1.2 面源污染問題

與其它影響因素相比，面源污染的因素在湯遜湖影響并不顯著，但是這仍然是造成湖水富營養化的原因之一。氮是動植物的主要化學元素，氮肥是我國農業的主要化學肥料。研究發現，氮在水體中的富集是水質富營養化的重要因素。由于雨水沖刷，造成農田、果園等農業種植的高濃度營養鹽隨地表徑流進入湖中，提升了水體的營養水平，造成或加劇水體的營養化程度。這種典型的面源污染，與降雨量密切相關，又受降雨強度、植被覆蓋度、作物種類與耕作制度、土壤特性和坡度等諸多因素影響［10］。在對蘇南地區的研究發現，化肥的利用率隨著化肥用量的增加而降低，蘇南地區水旱輪作系統的平均施氮量超過500kg／hm的情況下，其利用率卻只有30%左右，剩余部分就流失到水體和大氣環境之中［11］。這些面源污染問題和架橋完全無關，但是可以通過政府對環境的整治來減少這些問題。

4.1.3 現場考察情況

根據現場考察情況來看，目前還沒有明顯的大規模水華現象，且架橋后水體情況比架橋前更好。影響造成水華的藻類生長的限制性因素由總氮和總磷比例不合適的影響外，可能還存在溫度與水流等影響。大部分的硅藻、一些藍藻和所有隱藻在30℃以下不能持續生長。王志紅等研究了溫度與營養值對綠藻、硅藻水華態勢的影響，結果表明在在中等以上的營養狀態下，水溫高時的藻生物量較大［12］。此外，湯遜湖所處的地理位置四季有風，并且常有強風，這在增加水面擾動的同時，有助于提高湖水曝氣量，這對抑制水華起到了很大作用。而一旦氣候發生變化，這種狀況將難以控制。因此，政府環境整治小組在治理湯遜湖水質時應考慮到這些問題并采取適當的措施防止氣候大幅度改變的發生。

4.1.4 富營養化情況的空間差異

以內湯遜湖為例，經調查可知東西兩岸的產業結構不同。東岸以工業及地產業為主，而西岸主要為農業。這種沿岸區域經濟結構上的差異很大程度上影響到湯遜湖局部富營養化情況的差異。

4.2 富營養化防治對策分析

4.2.1 外源性防治

湖泊水質的富營養化是一個非常復雜的過程，要降低或者防止水質的富營養化首先要找到污染源。從污染源降低氮磷等營養鹽的排入，然后采取一定的措施降低水質的富營養化程度，最終提高水質和富營養化程度。大量的調查研究表明，外界營養物質的輸入是絕大多數水體富營養化的根本原因［13］，從長遠來看，要想從根本上控制湯遜湖水體的富營養化，首先應著重減少或者截斷外部營養物質的輸入，控制外源性營養物質應從控制人為污染和地面雨水徑流著手。

（1）工業廢水處理。工業廢水是水源重要的污染源。面對工業生產所帶來的不可避免的環境污染，我們應該采取預防與整治結合的保護措施。不僅要從源頭上減少工業污染物的排放，更要在生產中不斷完善廢棄物的處理方案，如廢水的循環利用、廢氣的回收等［14］。

（2）生活污水處理。湯遜湖沿岸大片的居民區導致大量生活污水的排入，這對湯遜湖水質有重大的影響。對于生活污水，可以采取禁磷洗滌劑的使用、污水中間處理站的建設等方式進行處理防治。

（3）水產養殖污染處理。湯遜湖周邊水產養殖面積廣，其對水中氮磷含量影響巨大，因此防治水產養殖對湖水的污染尤為重要。應優化養殖模式，實施健康養殖工程。健康養殖是指根據養殖對象生長、繁殖的規律及其生理特點和生態習性，選擇科學的養殖模式，通過對全過程的規范管理，增強養殖群體的體質，控制病原體的發生或繁衍，使養殖對象在安全、高效，人工控制的理想生態環境中健康、快速生長，從而達到優質、高產的目的。其方法有自然養殖法、休藥期養殖法、人工生態養殖法、多品種立體養殖法等［15］。

4.2.2 內源性控制

主要措施有底泥疏浚與封閉和營養鹽固定等［16］。由于底泥對環境的作用具有累積性和滯后性，因此，一要阻止沉積物中污染物的釋放，如底質封閉等；二要清除污染沉積物，如對底泥進行疏浚。此外，營養鹽固定可起到凈化水質的作用，投加藥劑可控制水中營養鹽遷移，但要綜合考慮成本和由此造成的生態影響，慎重采用。

4.2.3 生物方法處理

水生植物修復技術。利用適合湯遜湖環境的水生植物及其共生的微環境，來去除水體中的污染物質。水生植物在其生長期間可有效吸收與富集水中和底質中的營養鹽，起著“營養泵”和“營養庫”的作用。合理構建并維持水生植物的生物量，可轉移出氮、磷等營養鹽，各類漂浮植物、浮葉植物、挺水植物和沉水植物等水生植被的恢復和重建可有效分配水體營養鹽，避免單一優勢種的過度滋生，保持水體凈化能力。微生態水環境修復技術［17］，通過設置生態基培養系統，分階段投入生物酶和微生物促生劑，進行微生物培養與馴化，進而篩選適合菌種發揮凈化效能的水質、水文、溫度等條件，促進水體微生物的繁殖和有機物循環降解能力，從而強化低泥中有機物的削減，產生生物膜和有機固形物，作為魚類的食物，形成完善的生態鏈，從而達到水體水質改善的目標。

4.2.4 其他方法

對湯遜湖中已經污染的河段還可以采取其他物理法、化學法來治理。如污水分流、換水稀釋、深層排水、深水曝氣技術等。

4.2.5 思想政治教育及法律維護

提高湯遜湖周邊居民、工人保護水環境的意識，并制定相應法律，用法律武器保障湯遜湖水質。目前，通過一系列措施的實施，湯遜湖水質在架橋后已經逐漸好轉，盡管湯遜湖尚未“痊愈”，但其水質惡化的勢頭已基本得到控制。隨著整治工作的進一步深入，人們有理由期待，湯遜湖終有一天能重歸“原生態”。

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