城市湖泊流域面源污染的源-匯效應研究 ——以武漢市東湖為例

姜慶虎，劉艷芳*，黃浦江，葉青青

1. 武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079；2. 武漢大學地理信息系統教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079

城市湖泊具有給水、排水、微氣候調節等生態服務功能以及水上運動、水產養殖、休閑等多種經濟、文化價值[1]。然而，隨著城市化的高速發展，點源污染控制得到不斷完善的同時，多數城市湖泊受面源污染的影響，水體污染物濃度嚴重超標，湖泊生態系統急劇退化變得異常脆弱，嚴重影響著其各項功能的發揮[2]。如何認識并有效控制城市面源污染成為我國迫切需要解決的重要議題。早在1980年美國的學者們就得出，129種重點污染物中約有50種在城市徑流中出現[3-4]。美國國家環保署把城市地表徑流列為導致全美河流湖泊污染的第3大污染源[5]。城市下墊面的利用方式影響到地表污染物的負荷狀況，對徑流水質的影響較大。Basnyat等[6]、Tong等[7]和Ren等[8]的研究結果表明土地利用類型面積大小與河流水質存在顯著相關性。Gromaire等[9]、Legret等[10]和Sansalone等[11]指出屋面、庭院和道路雨水徑流中含有大量固體懸浮物、碳氫化合物和重金屬等。土地利用方式的變化改變了自然水文過程，是影響受納水體水質的主要因素之一[12]，因此，通過恰當的土地利用管理措施可以提高流域水環境質量[13]。此外，相關研究表明城市湖泊水質狀態受氣候的影響，季節性變化顯著[14]。水生生態系統中的淺水植被、藻類和微生物的生長、繁殖對污染物有一定的吸收作用，代謝過程的吸收速率受溫度影響，呈現季節性波動[15]。湖泊水質受降雨強度、降雨量、降雨次數和間隔的不同有相當大的差異，而降雨隨季節亦呈現出一定的規律性[16]。可見探明湖泊水質的季節變化規律有助于更好的把握和分析城市面源污染的影響。

城市化對水體面源污染影響的研究，學者們分別從“源”、“過程”、“匯”的角度對問題進行了描述[17]。其研究主要針對城市不透水面和綠地徑流的污染監測，多為設點截流采樣[18-19]，容易忽視徑流過程的路徑狀況，忽視源-過程-匯的整體關系，使污染源和受納目標水質監測結果產生差異，造成城市面源污染對湖泊水質的影響失真。本研究立足于剖析土地利用方式與污染負荷之間的內在聯系這一基本出發點[20]，選取典型城市湖泊武漢市東湖為研究對象，通過Arcgis水文分析劃定流域范圍，通過建立了地類——湖泊水質關系模型，旨在明確流域內土地利用類型與水質狀態的相關關系，并發現城市水體污染的來源及季節變化規律，進一步提出城市化背景下的湖泊面源污染防治和控制措施。對于城市湖泊資源的可持續利用與保護具有重要的指導意義。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

1.1.1 研究區概況

武漢東湖現為中國最大的城中湖，主體水體范圍為30°31′-30°36′N，114°21′-114°28′E，水域面積達33 km2，由郭鄭湖、湯菱湖、鷹窩湖、水果湖和廟湖5個子湖構成。本次研究中得到東湖流域的精確范圍，流域面積為12967.77 hm2。東湖流域區屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，多年平均氣溫15.8～17.8 ℃，年平均降水量為1150～1450 mm，降水集中于每年6-8月。流域總體上地勢平坦，南岸多丘陵，東岸、西岸為崗狀平原，西北岸為沖積平原。

1.1.2 流域劃分

運用武漢市主城區DEM數據，在ArcGIS水文分析模塊下，進行水流方向、匯流累積量、流域盆地和集水區域的劃分，得到武漢市東湖流域匯水單元，結合湖泊水域劃分為郭鄭湖流域、湯菱湖流域、鷹窩湖流域、水果湖流域和廟湖流域5個匯水流域（圖1），并統計各流域匯水面積。

圖1 武漢市東湖流域劃分示意圖（2010年） Fig.1 East Lake watershed divide schematic diagram in 2010

1.1.3 土地利用分類

利用envi4.8對該區30 m分辨率的TM影像進行解譯，并結合已有的武漢市中心區主要干道交通網絡數據，利用Arcgis9.3生成了東湖流域土地利用類型圖(圖2)。主要包括綠地、建設用地、農田、湖泊水面、坑塘水面5種類型。賦予各地類流域屬性，并統計面積。

圖2 武漢市東湖流域土地利用類型圖（2010年） Fig.2 East Lake watershed land use map in 2010

1.1.4 水質監測數據

本研究水質類別和營養狀態數據來自湖北省環境質量月報，其統計數據均按照地表水環境質量標準(GB383822002)方法測定，涵蓋2004-2012年共9年數據（除2005、2006年部分月份數據缺失外，其余年份數據齊全），測點涵蓋東湖所有子湖。其數據主要包括水質監測類別、超標項目、營養狀態指數和營養狀態級別四種。其中，郭鄭湖、湯菱湖、鷹窩湖和水果湖分月份水質級主要為Ⅳ類和Ⅴ類，污染程度較高的廟湖（2009年6月以前為東湖子湖）多數月份水質級別為劣Ⅴ類；超標項目指標選定總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生物需氧量（BOD5）、石油類和化學需氧量（COD）五類。

1.2 研究方法

1.2.1 水質監測數據處理方法

現有的水質監測統計數據顯示，除水體營養狀態指數為定量值外，其余指標如污染物超標項目等為定性描述，沒有具體公布監測值，對于定量化分析水質數據帶來很多不便。為了便于準確分析，將定性類指標進行量化賦值，從而達到定量化評價的目的。

超標項目中，一種污染物超標，則賦值為1，污染物不超標，賦值為0。量化公式如下：

式中：Ci為某超標項目在湖泊水質富營養化中出現的概率，其值為[0，1]，越接近1，表明該湖泊9年間遭受該類污染的風險越大。wi為某種水質超標項目超標出現值，ni為湖泊水質監測的統計次數，i為超標項目。

對于水質類別，現有的統計數據顯示，湖泊污染水質類別在Ⅲ類至劣Ⅴ類之間，分別賦值3-6。量化公式如下：

式中：Dj為湖泊水質類別指數，結合現狀，其值位于[3，6]之間，該值越大，表明研究期內湖泊水質受污染程度越高。dj為湖泊水質的類別值，nj為湖泊水質監測的統計次數，j為東湖各子湖。

1.2.2 用地類型與水質關系建模

雨水徑流沖刷地表，攜帶大量積累的污染物，在各地類表面流走，并不斷被各地類吸收、再析出，最終匯入受納目標。根據研究區現狀，雨水一部分進入排水管道匯入污水處理廠，在發生強降雨時，受城市排水系統承載力限制，超出部分在地表匯集形成徑流，直接排入受納水體，導致水體污染。本文建立一個用地類型與湖泊污染模型，用來描述土地利用對湖泊水質的影響關系，模型公式如下：

式中，LC表示湖泊水質狀態，Si為第i種土地利用類型的面積，αi為該用地類型對湖泊水質的影響，αi值為負，表明此土地利用類型上滯留、吸附污染物大于自身所釋放的污染物，αi的值為正，則意義相反，其值大小表示影響的關系權重，σ為某種污染物影響的常數項。

本研究運用Excel(2010)和SPSS軟件對所有數據的進行整理與統計分析，得到模型各參數結果。

2 結果與分析

2.1 城市湖泊的水質特征

2.1.1 水質狀態及主要污染因子

表1 東湖水質狀態及主要污染因子 Table 1 East Lake water quality status and major pollution factor

如表1所示，水質類別指數、營養狀態指數和超標項目三者表現出很好的一致性，各子湖水體的污染程度由重到輕依次為廟湖＞水果湖＞郭鄭湖＞鷹窩湖＞湯菱湖，其特征主要表現為：污染越高的湖泊通常水域面積較小，水體形狀規則，污染程度越低的湖泊水域面積較大，水體形狀接近自然的不規則形狀，擁有良好的景觀空間連通性。就水質類別而言，廟湖的水質類別指數為6，表現為劣Ⅴ級，污染最嚴重；其余4個子湖的水質類別指數位于Ⅳ-Ⅴ級之間，其中水果湖、郭鄭湖水質偏Ⅴ級，鷹窩湖和湯菱湖水質偏Ⅳ級。對于營養狀態，廟湖的營養狀態指數為69.60，為中度富營養；水果湖、郭鄭湖、鷹窩湖和湯菱湖4個子湖的營養狀態指數依次為56.7、52.99、50.18和50.05，均為輕度富營養狀態。在污染超標項目中，污染程度最嚴重的廟湖，其主要影響因子TN、TP、CODMn、BOD5、石油類和COD均明顯高于其他4湖；鷹窩湖的TP、CODMn、BOD5和石油類的污染風險相對最低；TN和COD污染風險最低的湖泊為湯菱湖。

2.1.2 各水體水質季節動態分析

表2 東湖水質營養狀態指數季節動態 Table 2 East Lake water quality trophic state index season dynamic

本文以近5年東湖水質富營養狀態為例，按照春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月，冬季1-2、12月的劃分，將月份數據平均轉換為季節數據，分析湖泊水質的季節性變化，結果如表2和圖3所示。可以看出，東湖水質污染程度的季節變化大致表現為：秋季＞夏季＞冬季＞春季。春季富營養狀態最低，隨著季節的更替逐漸上升，到秋季富營養狀態達到最高，冬季又有所降低。結合武漢市的污染現狀和氣象資料分析，秋、夏兩季降雨頻繁，沖刷侵蝕力度較大，面源污染引起湖泊水質惡化嚴重。夏季由于雨量最大，能夠稀釋降低污染物濃度，加之高溫能夠加快藻類、微生物的繁殖速度，消耗水體中的污染物，使得污染得到緩解。冬、春兩季水質較好主要是由于降水量和降水頻率都較小，污染物能夠被城市排水和污水處理系統有效處理，污染程度相對降低。

圖3 東湖水質富營養狀態季節變化圖 Fig.3 East Lake water quality eutrophication status seasonal variation

2.2 用地與湖泊水質關系分析

2.2.1 土地利用現狀分析

如圖2和表3所示，武漢市東湖流域總面積12967.77 hm2，其中建設用地面積最大，為4826.75 hm2，占全流域的37.22%，主要分布于東湖的西部和西南部，該區為城市中心，城市化程度較高；其次為湖泊水面3456.25 hm2，約占流域面積的1/4；綠地和農田面積相當，分別為2362.13 hm2和2268.99 hm2，占流域面積的18%左右，主要分布于東湖流域的東部和東南部，該區為城市近城區和郊區，城市化率較低；坑塘水面面積最小，僅有55.31 hm2，不足流域總面積的1%，呈零星分布。

從流域角度分析，各子湖流域面積由大到小依次為鷹窩湖流域＞郭鄭湖流域＞湯菱湖流域＞廟湖流域＞水果湖流域。按照用地類型細分，水果湖流域建設用地所占比例高達94.12%，其交通和排水系統較為完善，周邊污水及雨天初期雨污水被送至沙湖污水處理廠處理，不再入湖；其次為廟湖流域占71.27%，該區餐館、學校等污染源眾多；鷹窩湖流域建設用地比例最小，為24.76%，其中旅游用地占很大比重。鷹窩湖流域農田所占比例為30.57%，其次為湯菱湖流域，占14.45%，其余3個流域農田所占比例不大；其中，城區和近郊區農田多為經濟效益較高的菜地，遠城區的農田多為旱地和水田。同農田一樣，鷹窩湖流域綠地所占比例最高，占其流域面積的26.32%，其次為郭鄭湖和廟湖流域，面積分別占各自流域的16.51%和12.91%，湯菱湖和水果湖流域綠地所占比例較小；各流域的綠地多為公園、旅游景區和校園內的草地和林地。5個子流域內，除水果湖流域無坑塘水面外，其余4個流域坑塘水面面積所占比例均較小，不足1%。

2.2.2 用地類型和水質關系分析

運用SPSS統計分析軟件，對用地數據和水質數據進行回歸分析，得到各土地利用類型單位面積與湖泊水質、營養狀態、超標污染物的關系。關系表達式如表4所示，其中，方程通過顯著性檢驗，其相關系數R為1，置信區間為95%，樣本數為5。

表3 2010年武漢市東湖流域土地利用類型面積 Table 3 East Lake basin land use types area (proportional) in 2010 hm2

表4 東湖流域用地類型和水質回歸分析關系 Table 4 Regression analysis between land use types and water quality indices in East lake basin

對于水質類別和營養狀態指數，地類——湖泊污染模型的回歸分析結果顯示，導致水體惡化和富營養化的主要污染源是農田和建設用地，坑塘水面和綠地則能夠有效的滯留吸收污染物，起到保護湖泊水體的效果。建設用地中的居住、交通和商業用地積累的大量污染物，如生活垃圾、大氣沉降物、建材廢料等，農田土壤中富集各種化學農藥、肥料等，受到雨水沖刷，隨地表徑流進入湖泊，造成湖泊污染。相反，坑塘水面和湖泊一樣，能夠匯集雨水，起到有效的截流效果，減少地表雨水徑流的入湖量，從而顯著改善湖泊水質；綠地中的林地、草地由于植被覆蓋，能夠減少雨水勢能，降低雨水沖刷侵蝕力度和運載力，使污染物質沉降，同時由于植被對N、P、重金屬物質等污染物的吸收，綠地同樣起到保護湖泊水體的功能。

具體到地類對不同超標項目的污染權重系數，農田是造成湖泊中各種污染物超標的主要污染源，其單位面積的污染程度高于其他用地類型。其中，TN和CODMn超標系數最大，其次為石油類和BOD5，TP和COD的污染相對較小，但仍超過建設用地2～3倍。建設用地面源污染導致湖泊水質的CODMn超標程度最高，其次為總氮和石油類，其余污染物影響相對較小。上述兩類用地的面源污染表明湖泊污染的主要來源為農田化肥、有機磷農藥、城市生活垃圾、工業粉塵以及汽車尾氣沉降物，其中的TP、TN、可被氧化的有機物和亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等還原性無機物污染超過湖泊水質指標限制，水體平衡被打破，可造成水體富營養化，藻類浮游生物大量繁殖導致引發水華，嚴重可造成水生生物的死亡，進而使水體處于厭氧狀態，出現發黑、發臭等現象。

在地類對湖泊水質的保護作用中，坑塘水面和綠地對污染物呈現負相關，在吸收、截留徑流攜帶的污染物方面具有積極作用。其中坑塘水面的保護效率最明顯，它是污染物進入湖泊的預前“匯”，降雨初期能夠有效節流污水，但考慮到坑塘的匯水容量，在發生強降雨時，坑塘的保護作用受到限制。綠地的保護效果也相當明顯，單位面積的綠地能夠完全吸收、截留同等面積的建設用地面源污染，加上其在流域內布局較廣，總面積占相當比例，是流域內起主要作用的湖泊保護用地。

3 討論

3.1 污染的不確定性

面源污染是由降雨徑流產生，具有一定的不確定性，其特征主要表現為：發生區域的隨機性、排放途徑及排放污染物的不確定性以及污染負荷空間分布的差異性[21]。從污染的來源分析，隨著東湖周圍人口密度和建筑密度的逐漸增大，受人為的影響城市地表積累了大量污染物，有來自交通、農、漁、建筑等行業以及生活垃圾中的重金屬污染、無機物和有機物污染，其中的污染物來源復雜，分布隨機，不同污染物導致徑流水質受匯水面性質影響而呈現出不同的變化。從徑流過程分析，由于東湖流域排污系統為雨污合流制，部分雨水進入城市排污系統，混合點源污染物如居民生活污水、工業污水等經污水處理廠處理達標后排入湖泊，在暴雨發生時，過量雨水攜帶點源污染物從排水系統中溢出，匯入湖泊造成污染，在研究面源污染的源-匯效應時，如何區分點源污染的貢獻值是將來值得深入研究的問題。從匯水湖泊自身分析，由于湖泊面積和初始屬性的不同致使其自凈化能力的差異，受氣候因素的影響，用地類型與水質的關系更加復雜，加之各湖泊間存在很大的景觀連通性，湖水間可以流通交換，勢必影響流域內面源污染的源-匯關系。綜上所述，流域內土地利用帶來的城市湖泊環境的面源污染是一個復雜的系統問題，未來的研究需要從不確定性入手，繼續剖析和完善，從而更好的了解面源污染的演化實質。

3.2 污染防治和控制

人類活動在提高社會生產力的同時，強烈地改變了城市的土地利用類型，使地表的水文特征、徑流方式發生改變，帶來了嚴重的面源污染環境問題。本研究通過分析流域內土地利用與湖泊水質數據的關系，找出城市用地面源污染的來源，并據此提出相應的防治和控制措施：首先，合理規劃城市土地利用類型，保護和維持現有的坑塘，盡可能的增加社區綠地；其次，加強水環境保護的宣傳和教育，提高公眾環保意識，同時加強道路衛生管理，從源頭減少面源污染；再次，完善城市排污系統，采用雨污分流式的排水管道，防止點源污染的重現；最后，改善湖泊水動力條件，充分發揮水體的自然凈化能力。總之，對流域土地利用變化的水文影響進行準確評價，科學規劃用地結構和布局，協調湖泊生態與城市發展，同時加強公眾的環境意識，采取行政措施和工程、生物等技術措施從源頭、過程和匯三個方面對面源污染進行控制和治理，從而改善城市湖泊環境，使其生態功能、經濟和文化價值得到更好的發揮。

4 結論

本文選取國內最大的城中湖東湖作為研究對象，運用遙感和GIS技術，劃定流域作為研究區，通過數據的定量化轉換，建立了地類——湖泊水質關系模型，對該區的土地利用及其水文過程響應進行了分析和研究，得到如下結論：

（1）武漢市東湖受人類活動的影響，水質惡化和富營養化現象嚴重，各流域污染程度由高到低依次為廟湖＞水果湖＞郭鄭湖＞鷹窩湖＞湯菱湖。

（2）湖泊水質污染程度受降水、溫度等氣候因素的影響，呈現季節性的波動規律，秋季污染程度最高，其次為夏季，冬、春兩季的污染程度相對較低。

（3）流域內的土地利用與湖泊水質存在很大的相關性，農田、建設用地是面源污染源，綠地和坑塘水面是面源污染的匯，因此可以通過合理的規劃城市用地方式改善湖泊污染的現狀。

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