東大湖水質特征分析及水質改善對策

譚發宇祝璐楊蒴黃娟

（ 1. 武漢市東西湖區環境監測站，湖北武漢 430000； 2. 武漢市生態環境局東西湖區分局，湖北武漢 430000；3. 武漢市江夏區環境監測站，湖北武漢 430000）

1 引言

湖泊富營養化是世界地表水的主要問題。 近年來，隨著人口增長、城市規模擴大和工業發展，城市湖泊的污染越來越嚴重， 湖泊的富營養化問題尤為突出［1-2］。 造成湖泊富營養化的主要原因是：在自然和人為因素的共同干擾下，大量的營養鹽輸入湖泊，使得水體中碳、氮、磷等生源要素增加，從而導致浮游植物生物量增加，水體透明度下降，使之從貧營養湖逐漸轉變為富營養湖［3］。 湖泊中氮磷營養鹽的嚴重富集會導致浮游植物異常繁殖，造成水體缺氧，破壞水體生態平衡［4］。 城市湖泊受納了大量的點源污水和面源污水， 是受人類影響最為嚴重的生態系統之一。 同時，由于水體面積往往較小，水體自凈能力差， 城市湖泊面臨著水體污染和生態系統退化的雙重壓力［5］。 東大湖為城市淺水湖，通過實施七湖連通、涉湖排口截污、湖泊退養等措施，水質有所改善，化學需氧量（ COD）下降明顯，但總氮（ TN）、總磷（ TP）持續超標，成為湖泊水質改善的瓶頸，湖泊水質一直為劣Ⅴ～Ⅴ之間，這與氮磷問題的特殊性有關，其同時受外源性和內源性的影響， 也與湖泊的功能定位有關。 東大湖是典型淺水型城中湖，研究其氮磷持續超標的成因，提出應對的對策，以期能有效緩解東大湖的富營養化問題， 同時也對解決同類淺水型城中湖的富營養化問題有所啟發。

2 材料與方法

2.1 自然概況

東大湖位于武漢市東西湖區東部， 是漢口地區面積最大的城中湖，處于113°53′～114°30′E，30°34′～30°47′N， 湖泊水面面積為374.5 hm2， 岸線長度27.45 km，平均水深為2.2 m，周邊為城市建成區。 水體平時多呈典型的淺水封閉或半封閉狀態， 湖泊汛期主要接受徑河來水， 汛期匯流范圍內的雨水經東大湖調蓄后，經東流港、徑河，由塔爾頭泵站及白馬涇泵站抽排至府河； 非汛期則由塔爾頭閘或李家墩閘自排出府河。湖泊水體功能區劃為Ⅲ類，水體功能主要為雨水調蓄、生態、景觀娛樂。

2.2 水質數據來源及分析方法

東大湖歷史監測數據（ 2013—2019 年）收集自工棚山、嚴家渡、李家墩3 個測點的地表水常規監測數據，采樣點分布見圖1，監測COD、氨氮（ NH3-N）等28項地表水監測指標。

圖1 東大湖常規采樣點示意

水體營養狀態采用綜合營養狀態指數（ TLI）評價，評價方法參照《 湖泊（ 水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》（ 總站生字〔 2001〕090 號），選取2013—2019 年的高錳酸鹽指數（ CODMn）、透明度（ SD）、TN、TP、葉綠素a（ Chl-a）進行分析，數據見表1。

表1 東大湖2013—2019 年水質主要監測指標數據 mg/L

3 數據分析及相關結論

3.1 水質現狀

（ 1）水質富營養化程度。 東大湖2013—2019 年的湖泊TLI 指數范圍為62～65，趨于穩定，處于中度富營養化狀態。

（ 2）湖泊COD 下降明顯。 其中2018 年東大湖COD 已達Ⅲ類水質標準，2019 年較2013 年COD 下降率為39.5%，下降明顯，這與東大湖實施了七湖連通、涉湖截污等工程有關。

（ 3）TN，TP 超標問題正成為湖泊水質改善的瓶頸。按照單因子指數評價，2013—2019 年，每年28 項地表水監測指標年均值中，TP，TN 常年位于超標倍數的第一、二位，其中TP 超標倍數最高。

（ 4）氮磷比（ N/P）為適于藻類生長的范圍。已有研究表明，當水體中TN，TP 濃度分別達到0.20，0.02 mg/L以上時，水體存在發生富營養化的潛在危險。東大湖的TN，TP 現狀值均大于這2 項限值。 湖泊富營養化不僅與氮、磷含量有關，而且N/P 也是一個重要的影響因子［6］。 有學者提出富營養化評估的營養物限制性劃分標準：當水體中N/P＜7～10 時，藻類生長表現為氮限制狀態；N/P＞22.6～30 時， 磷將成為藻類生長的限制性因子；N/P 介于兩者之間時為藻類生長的合適范圍［7］。除2016 年東大湖N/P 為9，其余在13～19 之間，可認為湖泊N/P 為適應藻類生長的合適范圍。

（ 5）水體自凈能力弱。水體中氮素常以還原態及氧化態2 種形式存在［7］，由表2 可知，TN 與NH3-N呈顯著相關， 說明水體中氮素多以NH3-N 形式存在，意味著水體氧化能力下降，自凈能力較弱。

表2 東大湖2019 年月主要監測指標相關性分析

3.2 氮磷的時空污染特征

TN，TP 是影響湖泊水質改善的關鍵因素， 因此選擇2019 年全年每月嚴家渡、工棚山、李家墩3 個測點的TN，TP 監測值進行分析。

3.2.1 TN，TP，COD 月均值分析

如圖2 所示，COD 的月均值變化與TN 濃度變化有相反的趨勢， 枯水期COD 值較低， 但TN 值較高。 在豐水期的7 月，COD 值降到最低，隨后逐月升高，而TN 一直在1.9～2.6 mg/L 之間波動，在11 月達到最低后， 又逐月升高， 在枯水期的2 月達到最高值。 可見COD 受外源影響較大，豐水期由于降水以及水體對外交換，COD 值較低。

圖2 東大湖2019 年COD，TN 月平均濃度

如圖3 所示， 經對比COD 月均值的變化同TP濃度變化的趨勢，自2 月TP 濃度達到最高后，TP 濃度在0.10～0.19 mg/L 之間波動，且在豐水期的7 月，COD，TP 均值均較低， 可能與7 月豐水期降水稀釋以及水體對外交換輸出磷有關。

圖3 東大湖2019 年COD，TP 月平均濃度

根據圖4 可以看出，TN，TP 月平均濃度的變化趨勢具有較高的一致性，TN，TP 月平均濃度的最高值均出現在2 月，最低值均出現在11 月。 2 月屬于枯水期， 與枯水期底泥中內源性的氮磷的釋放以及水體同外界水系交換少有關。

圖4 東大湖2019 年TN，TP 月平均濃度

3.2.2 TN，TP，COD 的空間分布

2019 年3 個監測點的TN 濃度分布見圖5。

圖5 2019 年3 個監測點的TN 濃度分布

2019 年3 個監測點的TP 濃度分布見圖6。

圖6 2019 年3 個監測點的TP 濃度分布

2019 年3 個監測點的COD 濃度分布見圖7。

圖7 2019 年3 個監測點的COD 濃度分布

東大湖3 個監測點的COD，TN，TP 濃度的空間分布上，均為嚴家渡＞工棚山＞李家墩，根據圖1 可以看出，嚴家渡距離海口截污閘最近，同時雨季也受外部水系沖擊大， 故嚴家渡的COD，TN，TP 均值高于工棚山、李家墩。

4 成因分析

根據東大湖水系連通現狀、 水體功能、 截污管網、周邊排水體制等情況，結合湖泊排口調查，對東大湖水質超標成因進行分析。

4.1 外部水系影響

東大湖通過徑河與外部渠系連通， 主要承接上游蔬菜溝、總干溝、東流港等來水，設有節制閘，由于水位調節需要， 開閘后溝渠水系通過徑河進入東大湖再經白馬涇、李家墩泵站排入府河，在部分時段承擔著河流的作用，其水質受到外部水系的影響。與東大湖連通的外部水系兼有灌溉和排水功能， 雨季溝渠匯集地表徑流（ 施用化肥、農藥會隨地表徑流被帶入溝渠），同時部分溝渠經過的村灣由于污水管網不完善，存在污水排入溝渠的現象，造成了溝渠水質較差（ 2016 年以來徑河、總干溝水質一直處于Ⅴ類與劣Ⅴ類之間），雨季節制閘開啟，外部水系與東大湖連通，對湖水水質造成沖擊，磷的負荷會升高，且該影響為長期性的。

4.2 開閘影響

東大湖為城中湖， 周邊吳家山片區及金海工業園主要為居住、工業區，排水體制為雨污合流制，東大湖兼有雨水調蓄功能， 夏季6—9 月為豐水期，暴雨（ 降水量超過16 mm/h）不能及時抽排時，則截污閘開啟大量污水排入東大湖，嚴重影響湖泊水質。截污閘及監測點位分布見圖1。 根據資料，海口截污閘于2018 年5 月開啟1 次，大量污水排入東大湖嚴家渡區域。 根據表3 可知，截污閘開啟前后，東大湖TP濃度值明顯升高， 水質由Ⅴ類降為劣Ⅴ類，TP 增長幅度在40%～80%之間，對水質有較大影響，且TP 的濃度由高到低依次為嚴家渡、工棚山、李家墩，距離海口截污閘最近的嚴家渡TP 增長幅度最高，說明受開閘影響較大。

表3 2018 年5—6 月東大湖TP 變化情況統計

4.3 周邊管網的滲漏、雨污混流

東大湖周邊存在大量的住宅小區， 通過調查發現，排口存在兩類問題：一類是管網混接、錯接、漏接或雨污混流導致的污水直接排湖； 另一類是由于部分污水管和截污管網位于水位以下， 隨著運行年限的增長，存在破損、斷裂、下沉等各類病害，導致污水滲漏入湖，其污水滲漏量不可忽視。

4.4 外部含污明渠倒灌

由于金銀湖片區主要規劃為居住用地， 隨著住宅小區的陸續建成入住及外部管網的不斷完善，接入漢西污水廠的污水量劇增， 服務該區域的漢西污水處理廠一直處于超負荷運行狀態。 而機場河明渠長期以來有污水排入， 在漢西污水廠處理能力不足的情況下，通往主箱涵內污水水位長期居高不下，造成反向頂推、倒灌，導致機場河污水或周邊居民區污水進入東大湖。

4.5 底泥中氮磷的釋放

水中磷的來源主要包括內源性磷和外源性磷，當外源性磷得到有效控制后， 湖泊沉積物中內源性磷的釋放會成為水體富營養化的主導因子。 底泥中磷形態和環境因素影響著其遷移轉化和釋放。 富營養化湖泊底泥氮磷釋放量受到pH 值、 溫度和上覆水營養鹽濃度的影響［8-10］。 除此之外，底泥的物理化學組成，以及環境因子，如溶解氧、擾動也是主要的環境影響因子。

5 水質改善對策

根據多年監測數據分析，TP，TN 已成為東大湖水質的主要污染因子， 結合東大湖水質影響因素分析結論，提出如下建議。

5.1 改善外部水系水質

因東大湖的功能中包含雨水調蓄功能， 決定了其與外部水系的連通不可避免， 因此應重視外部水系的水質改善，包括溝渠沿線的雨污分流管網建設、沿線排污口的封堵、污水廠新建及擴容、降低農田的農藥化肥施用量。

5.2 避免截污閘開啟

完善東大湖周邊的外部雨污分流管網， 改變合流制的排水體制。進一步提升泵站抽排能力，加強排水體系的統一調度，盡量避免截污閘開啟。

5.3 完善周邊管網

結合東大湖沿湖排口的排查結果， 完善周邊截污管網。加快周邊老舊小區內部的雨污分流改造，杜絕小區管網漏接、錯接、混接情形；處理排查發現的排口， 及時處理排污閘口封堵不嚴、 污水滲漏的問題；對流域范圍內的市政管網進行檢測工作，全面排查管網的破損、沉降、錯位等問題，及時修復。

5.4 加強綜合治理

進一步提升漢西污水廠的處理能力， 合理規劃區域污水處理廠及收集管網， 增加該片區的污水處理能力，加強機場河明渠污水治理。

5.5 開展底泥調查，實施水生態修復工程

在削減和控制外源污染之后， 推進湖泊水生態修復。 選擇性開展水生態修復工程， 如生境營造工程、沉水群落帶構建、挺水植物群落構建、浮葉植物群落構建、魚類群落構建以及底棲動物群落構建等，以改善湖泊整體水體質量，提高水體透明度，降低水體氮磷等指標，促進以微生物、水生動物、水生植物為基礎的循環生態鏈恢復。