開封城市湖泊水污染現狀研究

(河南大學環境與規劃學院，河南 開封 475004)

0 引言

人們用于日常生活和工業、農業等活動的主要水源來自于地表水，故地表水資源是各個水利部門和相關工作者的重點研究和保護對象[1]。我國水資源豐富，地區分布差異大，導致不同地區對于地表水資源的利用方式大相徑庭，這使得我國的地表水水質狀況不容樂觀。在全國，高于Ⅳ類水標準的斷面有62%，屬于劣Ⅴ類水質的斷面有近30%，這說明了我國水質改善工作仍需加強[2]。水污染物可以通過多種途徑進入人體，破壞人體免疫系統，損害人體健康。目前國內的地表水研究大多是針對大型河流或湖泊的水體污染情況、評價方法及其治理措施所展開的，對于小型城市湖泊的污染問題關注相對較少。

作為城市重要的地表水資源，城市湖泊有著維護生物多樣性、補充地下水、調節徑流等一系列生態功能，并對城市有著重要作用[3]。隨著城市經濟的迅猛發展，城市湖泊水污染問題也不斷加劇。以南京市玄武湖為例，城市中穿湖隧道等改變城市地貌的工程，影響了湖泊沉積物的結構，改變了水體的自我凈化模式。再加之采用城市垃圾回填，加劇了水質的惡化，導致了水污染事故出現[4]。武漢市的東湖，排入了大量城市污水，又由于水產養殖等人類活動，導致氮磷濃度升高，使得東湖變成了一個富營養化的湖泊[5]，水生動植物種類減少，湖泊面積減小，水生態環境變得十分脆弱。針對此類城市湖泊水污染問題，2018年提出的《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》[6]進一步明確了攻堅戰階段的治理目標是：2019年底之前，大幅度提高地級城市建成區的黑臭水體消除比例，2020年底之前將消除比例控制在90%以上。

開封城區內湖泊眾多，河流縱橫，但近年來城市湖泊污染程度日益加重。2018年，開封入圍我國首批黑臭水體治理示范城市[7]。本文以開封城市湖泊作為研究對象，科學規范評估城市水體受污染情況，期望能為規范治理城市污染水體提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

開封市位于中原地區，淮河流域，緊鄰黃河，位于河南中東部，占地6444km2。屬于溫帶大陸性季風氣候，具有四季分明、雨量適中、氣候溫和的特點。年均氣溫為14.52℃，年均降水量為627.5mm，且夏季7、8月份為降水集中區[8]。開封市境內五湖四河環繞分布，素有“北方水城”之稱[9]。

1.2 樣品采集

2018年10—11月，選擇開封市區內具有代表性的5個湖泊(龍亭湖、鐵塔湖、金明池、包公湖和汴西湖)進行水樣采集。綜合考慮實際情況與環境差異，采取均勻布點，多點取樣，同時避開污染源和死水區，確保采樣點能代表湖泊整體的水質情況。

利用采水器于水面下0.5m處采集約500mL水樣，將水樣放置于采樣瓶中，現場測定溶解氧含量，然后帶回實驗室，當天測定水樣的pH和懸浮物含量，剩余樣品放到溫度為0℃～4℃的冰箱中保存，以備分析。

1.3 樣品處理與分析

參考《GB3838-2002地表水環境質量標準》，選取其中的七個指標進行測定，即pH、溶解氧(DO)、懸浮物、總磷(TP)、總磷(TN)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(COD)。其中，pH使用pHS-3c型pH計，采用玻璃電極法(GB6920-86)測定；DO利用電化學探頭法(GB11913-89)，通過德國Pyro Science FireSting O2光纖式氧氣測量儀進行測量；懸浮物采用重量法(GB11901-89)測定；總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定；總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)測定；NH3-N和COD使用連華科技5B-6C型多參數水質分析儀，分別利用納氏試劑比色法(GB7479-87)和高錳酸鉀法(GB11892-89)測定。

1.4 水質評價方法

合理的水質評價可以判斷出水質的主要污染因子，并進行類型判斷，目前常采用綜合污染指數法、神經網絡法、內梅羅綜合污染指數法和主成分分析法等方法對水質進行評價[10]。綜合污染指數法計算簡便，能整體反映水質情況[11]，而單因子指數法可直觀體現出造成水質污染的主要因子[12]，相比較而言，內梅羅綜合污染指數法的運算簡便[13]。但它們均不能全面反映水體狀況。本文采用綜合污染指數評價法和內梅羅綜合污染指數法兩種方法對水質的污染程度進行評價，可以較為全面地評價水質情況。

1.4.1 綜合污染指數法

綜合污染指數法通過結合河流或湖泊水質的綜合污染指數和污染因子的貢獻率來進行污染狀況的判別并甄選主要的污染因子[14]。綜合污染指數是基于各因子污染指數來綜合評價湖泊水質狀況。

溶解氧指數計算公式為：

式中：DOi為第i種水質指標的溶解氧濃度；DOf為飽和溶解氧濃度；DOs為溶解氧的水質評價標準；T為水溫。

pH指數計算公式如下：

式中：pHsm為水質標準中規定的pH上下限值的平均值；Ds為水質標準中規定的pH上下限值差值的一半；pHsu為水質標準中規定的上限值；pHsd為水質標準中規定的下限值。

其他因子指數的計算如下：

式中：Ci為第i種水質指標的實測濃度(mg/L)；Si為第i種水質指標的評價標準(mg/L)。

某一污染物在全部污染物中的貢獻率：

綜合污染指數：

式中：n為評測點的總數。

綜合污染指數法對水質的分級如表1所示[15]。

表1 水質綜合評價指數

1.4.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法的應用范圍廣，能夠兼顧極值和平均值，是國內外計算污染指數的常用方法[16]。運用內梅羅綜合污染指數法分級評價水質狀況的計算公式如下：

式中：PI為綜合污染指數(綜合反映各污染物對水體作用的差異);Pi,max為環境中各項污染指數中的最大值。

按照綜合污染指數PI值水質狀況分級依據進行分級，分級依據見表2。

表2 綜合污染指數PI值水質狀況分級依據

2 結果與分析

2.1 開封城市湖泊水質理化性質

從圖1可看出，城市湖泊水體SS平均質量濃度范圍在9.00～25.40 mg/L，包公湖的SS濃度平均值最高，金明池SS濃度最低；5個湖泊不僅濃度差異較大，還有著顯著的空間特征。汴西湖和龍亭湖SS質量濃度分布相對分散，而包公湖、鐵塔湖和金明池分布相對集中。水中的SS來自外源和內源兩大途徑，其中外源性SS主要是由地表徑流帶入的細顆粒物，內源性SS主要是水生生物的殘體、風的擾動造成的底泥再懸浮[17]。由于開封市區內的湖泊與河流不相通，因此水中的SS主要以內源性為主。考慮到包公湖的周邊環境，其SS還有汽車尾氣與揚塵帶來的外源性SS。即包公湖周邊繁忙的交通和水生生物的殘體、底泥再懸浮的內源性SS、以及冬天湖泊水位下降等因素使得水體的懸浮物濃度偏高。

與SS相比，不同湖泊之間DO含量差異較小，其平均質量濃度范圍在9.23～11.28 mg/L。龍亭湖的DO濃度平均值最高，高于Ⅰ類水標準7.5 mg/L，汴西湖的DO濃度最低；湖泊DO含量在空間位置上分布相對集中，主要分布在8.54 ～10.29 mg/L，其中龍亭湖的DO質量濃度在10.66～11.80 mg/L，明顯高于金明池與汴西湖。

從圖2可以看出，TP平均質量濃度范圍在0.11～0.30 mg/L，其中包公湖的TP濃度平均值最高，且要高于Ⅴ類水標準0.2 mg/L，汴西湖的TP濃度最低；不同湖泊之間TN含量差異較大，其平均值范圍為1.48～6.50 mg/L，其中龍亭湖的TN濃度最高，汴西湖的TN濃度最低；不同湖泊之間NH3-N濃度也存在一定差異，其平均質量濃度范圍為0.38～3.81 mg/L，汴西湖的NH3-N濃度平均值最低，而包公湖的NH3-N濃度平均值最高，且高于Ⅴ類水標準2.0 mg/L；通過計算NH3-N與TN的比例，發現汴西湖與鐵塔湖的NH3-N占比最高，達55%，金明池最低，為9%。

從圖2的COD含量圖可看出，COD平均質量濃度范圍在21.49～149.87 mg/L，龍亭湖與其他湖泊COD含量差異很大，且高于Ⅴ類水標準40 mg/L，金明池的COD濃度最低；金明池、汴西湖和包公湖的COD濃度值在空間分布上較為集中且整體數值相對較低，而龍亭湖的COD濃度值分布較分散，整體數值較高。

從圖2的pH含量圖可看出，pH值范圍在8.33～9.40，包公湖的pH平均值最高，并且比GB3838-2002中pH規定的最高值9還要高，金明池的pH值最低；不同湖泊之間pH值差異較小，其pH值時空分布更加集中，水體pH較為穩定，都呈現堿性。

2.2 城市湖泊水體污染評價

2.2.1 綜合污染評價

選取各個監測點每項指標的平均值，依據GB3838-2002的V類水水質標準進行單因子指數計算，結果見表3和表4。

從表3中可以看出，龍亭湖、鐵塔湖、包公湖的pH高于V類水標準，金明池和汴西湖的pH符合V類水標準；4個湖的DO含量皆符合V類水標準；龍亭湖和包公湖的COD含量較高，金明池和汴西湖較低；金明湖、龍亭湖和汴西湖中NH3-N含量較低，鐵塔湖和包公湖中NH3-N含量嚴重超標；TP指標情況總體較好，只有包公湖和鐵塔湖含量較高，龍亭湖、金明池和汴西湖皆符合V類水標準；TN含量除了汴西湖達標外，其他4個湖的含量都高出標準，龍亭湖尤為嚴重，包公湖次之。表4顯示，在金明池、龍亭湖、汴西湖和鐵塔湖中，TN的貢獻率最高，分別達到了45.35%、41.96%、24.34%和36.09%；在包公湖中NH3-N的貢獻率最高，達到了32.90%。4個湖中DO的貢獻率皆是最低值。

表3 湖泊單因子水質指數

表4 湖泊各項指標的貢獻率

通過單因子指數可得各湖泊水質類型如表5所示。通過綜合污染指數可得各湖泊水質狀況，詳見表6。

表5 各湖泊水質分類

表6 綜合水質指數及評價結果

根據表5可知，除汴西湖水質較好，為Ⅳ類水外，其他4個湖均為劣Ⅴ類水。根據表6可知，金明池與汴西湖為輕度污染，其他3個湖泊為重度污染。綜合兩種指數來看，5個湖均有不同程度的污染，其中汴西湖的污染情況較輕，包公湖的污染情況較為嚴重。

2.2.2 內梅羅綜合污染評價

采用內梅羅指數分析結果如表7所示。

表7 內梅羅綜合污染指數法評價結果

根據傳統內梅羅指數法計算得汴西湖PI為0.65，水質優良。金明池PI為1.82，龍亭湖PI為2.65，鐵塔湖PI為1.98，包公湖PI為3.11，污染情況均為中度污染。金明池、龍亭湖、鐵塔湖和包公湖4個湖相比較，包公湖的污染程度較嚴重，金明池的污染程度較輕。

2.3 污染源分析

在本次研究中，處在開封市區的龍亭湖、包公湖、金明池與鐵塔湖均沒有外來河流補給，面積較小，流動性不強，水體自凈能力差，易受到污染[18]。水體的污染來自內源與外源兩個方面，內源主要是位于底部的污染物質經過物理化學生物反應，從附著的物質上釋出。外源較多，如由于4個湖均位于景區內，由于景區管理不善、游客素質問題而引起的垃圾胡亂丟棄現象以及景區娛樂設施如小艇的使用都可導致湖泊污染，并且湖泊附近有居民區、飯店、商場、學校等人流較大的基礎設施，生活污水、廚余垃圾、交通尾氣、道路塵土等都會污染水質。其次還有地表徑流帶來的污染，大氣中的污染物質、地表聚集物等污染物都會通過雨水徑流進入湖泊，對湖泊造成污染[19]。汴西湖位置偏僻，在開封市新區的東部，且是新建湖泊，因此和其他4個湖相比，污染程度較輕。主要是岸邊植物殘枝落葉落入水中或水生植物殘體在水內腐化分解形成的污染[19]。

3 建議

湖泊水污染問題作為阻礙開封生態文明建設的不利因素，因其具有牽涉范圍廣、治理過程復雜、治理費用高等特點而難以得到有效地控制和改善，建議從以下幾個方面入手：

(1)重視湖泊營養化問題，以污染源控制為重點，尤以湖泊周圍居民生活區、商業區點源污染控制為主。對于工業廢水與生活污水, 須精準到廠、到戶，按照水污染物排放管理標準進行管理, 避免湖泊污染[20]。

(2)可通過多重途徑來治理水體污染，如控源截污、補水活水。降低水體中污染物濃度，恢復其自凈能力。例如：定期清理河道附近的垃圾、周邊植被的凋落物與水體內部的植物殘體，避免其腐爛繼而污染水體并且消耗氧氣；可以使用建立人工濕地、種植特定水生植物等修復手段，繼而加強水體自身凈化能力，實現保障水體安全的目的，從而改善環境質量[21]。

(3)政府是治理湖泊污染的執行人和引導人，應發揮其宏觀調控作用，鼓勵多元主體參加，根據水環境污染情況，在各相關部門配合下，保證水污染治理的及時性、有效性。加速水環境信息公開的法治建設，激發民眾參與水環境治理工作的主觀能動性。在具體的污水治理工作實踐中，可采取獎罰并重的方式，嚴厲懲處違法排放污水的主體，獎勵表彰積極凈化污水的單位[22]。