城市湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)及應(yīng)對(duì)策略——以武漢市南湖為例

尹然

摘要 以武漢市南湖為研究對(duì)象，通過(guò)為期8個(gè)月（2018年12月—2019年7月）的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，闡明了湖區(qū)內(nèi)葉綠素a（Chl a）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）及高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）的時(shí)空變化特征以及富營(yíng)養(yǎng)化水平。結(jié)果表明，南湖水體黑臭的主要影響指標(biāo)為T(mén)N與SD，流域內(nèi)水體TN平均濃度為4.60 mg/L，SD均值為35.42 cm，TP平均濃度為0.18 mg/L，CODMn 平均濃度為8.77 mg/L，Chl a平均濃度為53.71 μg/L;在時(shí)間尺度上，上覆水綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI呈現(xiàn)出雨季（6—7月）高于旱季（12月—5月）;在空間尺度上，南湖各片區(qū)均處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且三大片區(qū)中綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI民大片區(qū)>洪山片區(qū)>財(cái)大片區(qū)。無(wú)論從時(shí)間尺度上還是空間尺度上，所有采樣點(diǎn)均處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且富營(yíng)養(yǎng)化程度與地區(qū)污染水平呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。生活污水和畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢水等直排入湖等是造成該湖區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出的主要原因。

關(guān)鍵詞 富營(yíng)養(yǎng)化;綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法;南湖

中圖分類號(hào) X824文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）24-0066-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.020

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Evaluation of Eutrophication of Urban Lakes and Coping Strategies—A Case Study of Nanhu Lake of Wuhan City

YIN Ran （Beijing Zhongke Tianhe Environmental Technology Service Co.，Ltd.，Beijing 100085）

Abstract Taking Nanhu Lake in Wuhan City as the research object，the temporal and spatial variation characteristics of chlorophylla （Chl a），total phosphorus （TP），total nitrogen （TN），transparency （SD） and permanganate index （CODMn） and eutrophication level in the lake area were clarified through 8month water quality monitoring from December 2018 to July 2019.The results show that TN and transparency are the main indicators of black odor in Nanhu Lake.The average concentration of TN in the watershed is 4.60 mg/L，the average transparency is 35.42 cm，the average concentration of TP is 0.18 mg/L，the average concentration of CODMn is 8.77 mg/L，and the average concentration of Chl a is 53.71 μg/L; On the time scale，the TLI of the overlying water shows that the rainy season （June-July） is higher than the dry season （December-May）; On the spatial scale，all areas of Nanhu Lake are in eutrophic state，and the comprehensive nutrition state index of the three major areas is TLI Minda Area> Hongshan Area> Caida Area.No matter from time scale or space scale，all sampling points are in the state of eutrophication，and the degree of eutrophication has a certain correlation with the level of regional pollution.The main causes of eutrophication in the lake area are the direct discharge of domestic sewage into the lake and the direct discharge of livestock and poultry wastewater into the lake.

Key words Eutrophication;Comprehensive nutritional status index;Nanhu Lake

湖泊（水庫(kù)）是我國(guó)水資源的重要組成之一，具有防洪排澇、水產(chǎn)養(yǎng)殖、蓄水灌溉、旅游、氣候調(diào)節(jié)和維護(hù)生物多樣性等生態(tài)服務(wù)功能，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1-2]。近年來(lái)，隨著城市工業(yè)的快速發(fā)展，大量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入湖泊（水庫(kù)），導(dǎo)致藍(lán)藻、水華頻繁爆發(fā)，水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[3-6]。《2018年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示[7]，監(jiān)測(cè)全國(guó)水質(zhì)的111個(gè)重要湖泊（水庫(kù)）的總磷、COD和高錳酸鹽指數(shù)中，水質(zhì)為Ⅴ類或劣Ⅴ類的湖泊為18個(gè)，占比16.2%;監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的107個(gè)湖泊（水庫(kù)）中，31個(gè)為富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，占比為29.0%。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)淡水湖泊集中分布的地區(qū)，全國(guó)約2/3的淡水湖泊。位于長(zhǎng)江中下游的大多是淺水湖泊，更容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化[8]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水被排入江湖，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化，藍(lán)藻水華頻繁爆發(fā)，水質(zhì)性缺水日趨嚴(yán)重。日趨嚴(yán)重的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題制約社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家在“十五”期間計(jì)劃治理的三湖中，有二湖（太湖、巢湖）位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)。為降低水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)湖泊生態(tài)功能和水環(huán)境質(zhì)量的影響，需嚴(yán)格控制湖泊中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的排入量[9-12]。

南湖位于湖北省武漢市洪山區(qū)，屬湯遜湖水系，為城郊淺水型湖泊。近年來(lái)由于城市建設(shè)的快速發(fā)展，大量未經(jīng)處理的生活污水直排入河，導(dǎo)致南湖水質(zhì)日益惡化，生態(tài)服務(wù)功能遭受嚴(yán)重破壞[13]。目前，針對(duì)湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的研究較多[14-16]，但針對(duì)城市湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化研究相對(duì)較少。筆者選取武漢南湖作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)南湖水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，揭示湖區(qū)氮、磷等水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化特征與富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，闡明南湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題成因，為城市湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化控制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

南湖位于武漢市洪山區(qū)西南部、武昌區(qū)東南部，南湖流域范圍介于114°20′～114°23′E、30°28′～30°30′N。南湖流域面積約37.44 km2，地勢(shì)西面低，其余三面高，地勢(shì)起伏較大，地面高程18.8～58.7 m，現(xiàn)狀湖泊唯一出口為南湖連通渠。南湖流域水域面積約為7.7 km2，其中湖區(qū)水體面積約為7.5 km2，南湖公園水面面積約為0.2 km2，水深介于1.8～2.6 m。南湖流域氣候?yàn)楸眮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，降雨量充沛，四季分明，雨熱同季，降雨量主要集中在6—8月，年平均氣溫為16～18℃[17]。南湖是典型的淺水型湖泊，但近年來(lái)由于城市建設(shè)擴(kuò)張，南湖周邊商業(yè)與其他類型建設(shè)用地逐漸侵占湖區(qū)，南湖湖區(qū)面積急劇減少，周圍居民區(qū)與學(xué)校眾多，大量未經(jīng)處理的生活污水直排入河，導(dǎo)致南湖水質(zhì)進(jìn)一步惡化，富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生[18]。

1.2 樣品采集與處理 根據(jù)南湖湖區(qū)周邊土地利用現(xiàn)狀的不同，以南湖大道與楚平路為基準(zhǔn)，將南湖湖區(qū)分為三大片區(qū)，即洪山片區(qū)、民大片區(qū)和財(cái)大片區(qū)。

該研究于2018年12月—2019年7月對(duì)南湖進(jìn)行逐月采樣分析，采樣點(diǎn)位包括代表其典型特征的3個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)及33個(gè)單次重點(diǎn)采樣點(diǎn)位，其中單次采樣點(diǎn)位通過(guò)網(wǎng)格布點(diǎn)法進(jìn)行確定，具體采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位是逐月進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，單次重點(diǎn)樣品采集在2019年7月進(jìn)行。

南湖湖區(qū)水體中富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取葉綠素a（Chl a）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）及高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）等5項(xiàng)指標(biāo)。試驗(yàn)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）[19]。其中TP：原水過(guò)硫酸鉀消解，鉬涕抗分光光度法。TN：原水過(guò)硫酸鉀（Alfa Aesar，英國(guó)）消解，紫外分光光度計(jì)比色。SD：利用一個(gè)白色圓盤(pán)沉入水中后，觀察到不能看見(jiàn)它時(shí)的深度即為SD。Chl a：離心過(guò)濾水樣，濾膜低溫干燥后，加入丙酮進(jìn)行研磨，獲取上清液，選用分光光度法測(cè)定Chl a含量。CODMn：水樣加入硫酸使呈酸性后，加入一定量的高錳酸鉀溶液，并在沸水浴中加熱反應(yīng)一定的時(shí)間，剩余的高錳酸鉀，用草酸鈉溶液還原并加入過(guò)量，再用高錳酸鉀溶液回滴過(guò)量的草酸鈉，計(jì)算得出高錳酸鹽指數(shù)值。

1.3 評(píng)價(jià)方法

目前，我國(guó)常用的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法有營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、營(yíng)養(yǎng)度指數(shù)法和評(píng)分法、修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法以及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合指數(shù)法等[20-21]。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法在國(guó)內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣，簡(jiǎn)單易行且評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性較高[22]。因此，該研究選取綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)南湖湖區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度[23-24]。根據(jù)《湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)規(guī)定》（總站生字〔2001〕090號(hào)），選取Chl a、TP、TN、SD及CODMn，5項(xiàng)參數(shù)作為水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià)因子，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算公式為

TLI（）=mj=1Wj× TLI（j） （1）

式中，TLI（）為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI（j）為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

以Chl a作為基數(shù)參考，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為

Wj=r2ij/mj=1r2ij（2）

式中，rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl a的相關(guān)系數(shù);m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

中國(guó)湖泊的Chl a與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij、r2ij和Wj如表1所示。

式中，Chl a單位為mg/m3;SD單位為m;TP、TN及CODMn單位均為mg/L。

采用0 ～ 100的系列數(shù)字對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)和對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)分析，如表2所示，在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)越高，營(yíng)養(yǎng)化程度越嚴(yán)重[25-26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間趨勢(shì)評(píng)價(jià)

2018年12月—2019年7月南湖湖區(qū)水體監(jiān)測(cè)結(jié)果下圖2所示。結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與城市黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，TP與CODMn均達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，TN未達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，SD監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水體為輕度黑臭水體，Chl a含量普遍高于25 μg/L。

研究區(qū)域內(nèi)Chl a平均含量為53.71 μg/L，2018年12月Chl a含量最高為66.57 μg/L，2018年12月—2019年1月Chl a含量呈下降趨勢(shì)并達(dá)到年內(nèi)最低值（37.00 μg/L），2—4月Chl a含量呈上升趨勢(shì)，5—7月Chl a含量變化較為平緩;三大片區(qū)中財(cái)大片區(qū)與南湖水體Chl a含量變化趨勢(shì)相同，洪山片區(qū)和民大片區(qū)Chl a含量隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致且濃度變化不明顯。

（2）南湖湖泊上覆水水質(zhì)呈現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性。三大片區(qū)中洪山片區(qū)與財(cái)大片區(qū)水質(zhì)明顯優(yōu)于民大片區(qū)，其中TN、TP與CODMn3個(gè)指標(biāo)分布規(guī)律中財(cái)大片區(qū)水質(zhì)優(yōu)于洪山片區(qū)。與上述3個(gè)指標(biāo)相反，SD與Chl a 2個(gè)指標(biāo)分布規(guī)律中財(cái)大片區(qū)水質(zhì)比洪山片區(qū)差。

（3）根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2018年12月—2019年7月南湖湖區(qū)水體綜合富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指數(shù)TLI值先下降后升高，最終趨于平緩，說(shuō)明湖區(qū)內(nèi)水體具有一定的自凈能力，尚未完全失去其生態(tài)功能。

（4）綜合富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指數(shù)表明，無(wú)論從時(shí)間尺度上，還是空間尺度上，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)都處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，TLI低值出現(xiàn)在2019年1月（61.55），TLI最高值出現(xiàn)在2019年4月（72.12），均值為68.26，TLI值呈現(xiàn)出雨季高于旱季的特征，降雨量變化以及污水直排入河是造成TLI分布特征的重要原因，同時(shí)也是造成該湖區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出的主要原因之一。

（5）南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的主要原因有生活污水以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢水直排入湖、水土流失、生態(tài)空間被擠占等。為防止水生態(tài)進(jìn)一步惡化，應(yīng)根據(jù)南湖湖區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生原因，采取合理的治理措施，以改善水體水質(zhì)。

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