黃岡市典型城市湖泊水體污染物分布特征及環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

項(xiàng)文霞， 陳茂林， 劉明昊， 蔡三維， 程晨曦， 陳建含

(湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡 438000)

湖泊是重要的生態(tài)資源，具有提供水源、調(diào)節(jié)水文、涵養(yǎng)生態(tài)等多種功能，特別是在調(diào)節(jié)碳循環(huán)方面起到重要作用[1-3]。湖泊也是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著城市化進(jìn)程的加快和城市人口的激增，人為活動(dòng)迫使湖泊污染加重，造成湖泊水質(zhì)和生態(tài)功能下降，引發(fā)一系列水環(huán)境問(wèn)題[4-5]。因此，查明城市湖泊的水質(zhì)污染狀況、特征，對(duì)保護(hù)湖泊生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。

黃岡市境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，有216 km長(zhǎng)江岸線、166座湖泊、1 237座水庫(kù)、3 731條河流，其中本次研究的湖泊位于黃岡城東新區(qū)，是典型的城市湖泊[6]。城東新區(qū)是黃岡市正著力構(gòu)建的湖濱生態(tài)宜居區(qū)和國(guó)家級(jí)臨空經(jīng)濟(jì)示范協(xié)同區(qū)的重要組成區(qū)域，因此該湖泊的水環(huán)境質(zhì)量受到城建、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、水利等部門和當(dāng)?shù)鼐用竦年P(guān)注[7-8]。本文選取黃岡市某典型城市湖泊為研究對(duì)象，通過(guò)水體采樣和檢測(cè)，分析水質(zhì)指標(biāo)情況，并采用不同的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，以期為湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)江之濱，水面面積3.77 km2，湖岸曲折，湖汊眾多(圖1)，主要有調(diào)蓄、灌溉、養(yǎng)殖和旅游等功能。其周邊地勢(shì)平坦低洼，海拔高度低，相對(duì)高差10～30 m；地形地貌比較單一，北部為低丘陵崗地，南部為平原湖區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛，四季分明。年降雨量為1 273.3 mm，雨季多集中在6—7月份，暴雨常與汛期同步，內(nèi)澇外洪同時(shí)發(fā)生，入伏多干旱。常年氣溫-6～36℃，年均氣溫約17℃。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sample points

2 材料與方法

2.1 樣品采集

結(jié)合該湖泊水面分布及周邊環(huán)境特征，將采樣點(diǎn)布設(shè)在入湖口、出湖口、湖心和其他代表性位置，共設(shè)置采樣點(diǎn)16個(gè)，其中湖泊中布點(diǎn)13個(gè)，編號(hào)為S1—S13；上游人工渠布點(diǎn)3個(gè)，編號(hào)為S14—S16(圖1)。采樣點(diǎn)定位采用GPS定位儀確定，采樣時(shí)間為2021年7月中旬(豐水期)和12月中旬(枯水期)，具體采樣方法參照《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)[9]。

2.2 檢測(cè)方法

選取的水樣檢測(cè)指標(biāo)共8項(xiàng)，分別為pH、溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、葉綠素a(Chl.a)。檢測(cè)方法分別為：pH和DO采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；TP采用鉬酸銨分光光度法；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法；CODMn采用酸性高錳酸鉀法；BOD5采用稀釋與接種法；NH3-N采用納氏試劑分光光度法；Chl.a采用分光光度法。

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法對(duì)該湖泊水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]。

2.3.1單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是目前應(yīng)用廣泛、操作簡(jiǎn)便的一種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以直觀體現(xiàn)各指標(biāo)的污染程度，并將計(jì)算結(jié)果中最差指標(biāo)的評(píng)價(jià)級(jí)別作為整體的水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)[11-12]。本次以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，計(jì)算單項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)倍數(shù)，計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為第i種指標(biāo)的單因子污染指數(shù)；Ci為第i種指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度；Si為第i種指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3.2綜合污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法的各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間互不關(guān)聯(lián)，不能全面反映水體污染的綜合情況，而采用綜合污染指數(shù)法則可以解決這一問(wèn)題[11-12]。運(yùn)用綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)，首先對(duì)各水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，然后在此基礎(chǔ)上利用加權(quán)平均等計(jì)算方法，將多種指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

(2)

式中：Pj為綜合污染指數(shù)；Pi為第i種指標(biāo)的單因子污染指數(shù)；n為參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)數(shù)量。

該評(píng)價(jià)方法反映了各污染物對(duì)水體污染狀況的綜合影響，Pj值表征水環(huán)境質(zhì)量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 地表水水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of surface water quality

3 結(jié)果與討論

3.1 檢測(cè)結(jié)果

湖泊水樣豐水期檢測(cè)結(jié)果為：pH 7.6～8.1(弱堿性)，DO 5.26～6.12 mg/L，TP 0.20～0.45 mg/L，TN 0.80～2.22 mg/L，CODMn11～29 mg/L，BOD52.3～6.7 mg/L，NH3-N 0.047～0.412 mg/L，Chl.a 31～185 μg/L；枯水期檢測(cè)結(jié)果為：pH 7.7～8.3(弱堿性)，DO 3.24～4.36 mg/L，TP 0.03～0.13 mg/L，TN 0.67～1.03 mg/L，CODMn7～15 mg/L，BOD52.1～3.5 mg/L，NH3-N 0.103～0.557 mg/L，Chl.a 4～11 μg/L。

上游人工渠水樣豐水期檢測(cè)結(jié)果為：pH 7.2～8.0，DO 5.26～6.11 mg/L，TP 0.06～0.20 mg/L，TN 1.07～1.64 mg/L，CODMn18～21 mg/L，BOD54.6～6.0 mg/L，NH3-N 0.040～0.443 mg/L，Chl.a 68～88 μg/L；枯水期檢測(cè)結(jié)果為：pH 7.4～7.7，DO 3.45～3.77 mg/L，TP 0.10～0.26 mg/L，TN 1.43～4.38 mg/L，CODMn18～25 mg/L，BOD54.2～5.8 mg/L，NH3-N 0.644～1.240 mg/L，Chl.a 9～21 μg/L。

3.2 水質(zhì)時(shí)空分布特征

將各樣品TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N、Chl.a的檢測(cè)結(jié)果作直方圖(圖2)，并以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值作為基準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在時(shí)間上，該湖泊水質(zhì)在枯水期和豐水期存在明顯差異，總體上枯水期水質(zhì)明顯優(yōu)于豐水期水質(zhì)。在枯水期，除S1—S4水樣的TP超標(biāo)外，其余樣品的各指標(biāo)均未超標(biāo)；而在豐水期，所有樣品除NH3-N含量未超標(biāo)外，其他5項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)或接近超標(biāo)，個(gè)別指標(biāo)如Chl.a、TP、TN超標(biāo)嚴(yán)重。以上說(shuō)明該湖泊明顯遭受了污染，尤其是湖水中Chl.a、TP、TN含量整體較高，表明水體呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[13]，超過(guò)了水體自凈能力。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該湖泊西部、北部及周邊地區(qū)存在較多居民地、農(nóng)田、養(yǎng)殖塘等，居民生活污水和垃圾的隨意排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥的大量施用、湖泊中大密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖等，都導(dǎo)致含磷、氮等元素的污染物排入湖泊，造成湖水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量輸入[14-15]，而且主要在豐水期輸入湖泊。而該湖泊在枯水期受外源影響減小，水質(zhì)污染可以自凈化。

圖2 樣品檢測(cè)結(jié)果直方圖Fig.2 Histogram of sample test results

與湖水相比，上游人工渠水的水質(zhì)則表現(xiàn)出不同，除Chl.a含量仍然表現(xiàn)為枯水期優(yōu)于豐水期外，其他5項(xiàng)指標(biāo)則表現(xiàn)為枯水期劣于豐水期，尤其是TP、TN。究其原因，可能因?yàn)樯嫌稳斯で谪S水期水量增多，渠水向湖泊徑流過(guò)程中將TP、TN等典型人為污染物輸入湖泊，造成湖泊污染物輸入量增加而渠水污染物含量降低；而人工渠在枯水期排入湖泊水量減少，造成湖泊污染物輸入量相對(duì)減少而渠水污染物含量相對(duì)增加。

考慮到該湖泊水質(zhì)污染主要出現(xiàn)于豐水期，因此繪制了該湖泊豐水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N、Chl.a含量空間分布圖(圖3)。在空間上，湖泊各指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的不均勻性，其西北部水質(zhì)最差，其次為中部，而南部和東北部水質(zhì)相對(duì)較好。同時(shí)，各指標(biāo)空間分布特征相似，說(shuō)明污染源可能為同一來(lái)源[16]，污染物可能主要來(lái)源于湖泊西北方向。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感影像圖(圖1)可知，湖泊西北部和西部的工程建設(shè)活動(dòng)等人為活動(dòng)強(qiáng)度明顯高于南部、東部和東北部，因此推測(cè)人為活動(dòng)帶來(lái)了近源污染物輸入，人為活動(dòng)強(qiáng)度的不同造成了水質(zhì)污染程度出現(xiàn)空間差異性[17-18]。

圖3 水質(zhì)指標(biāo)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of water quality index

3.3 水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.3.1單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)

選擇TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N作為評(píng)價(jià)因子進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)價(jià)依據(jù)，采用公式(1)計(jì)算得出該湖泊各樣品5項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的單因子污染指數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，湖泊豐水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N的單因子污染指數(shù)分別為4.00～9.00、0.80～2.22、0.55～1.45、0.58～1.68、0.09～0.41，除NH3-N外均超標(biāo)，超標(biāo)率分別為100%、84.6%、38.5%、69.2%；枯水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N的單因子污染指數(shù)分別為0.60～2.60、0.67～1.03、0.40～0.75、0.53～0.88、0.10～0.56，僅TP存在超標(biāo)情況，超標(biāo)率為30.8%。單因子污染指數(shù)反映的湖泊水質(zhì)時(shí)間分布情況與前文分析一致，該湖泊在豐水期遭受污染，污染程度由高到低的指標(biāo)分別為TP、TN、BOD5、CODMn。

表2 單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results of single-factor pollution index method

3.3.2綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

在計(jì)算得出各評(píng)價(jià)因子的單因子污染指數(shù)基礎(chǔ)上，按照公式(2)求得各樣品的綜合污染指數(shù)(表3)。由表3可知，該湖泊豐水期各樣品的綜合污染指數(shù)為1.30～2.84，平均值為2.23；枯水期各樣品的綜合污染指數(shù)為0.57～1.01，平均值為0.67。該湖泊在豐水期主要為嚴(yán)重污染，水質(zhì)狀況極差；在枯水期主要為輕污染，水質(zhì)狀況一般。

表3 綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of comprehensive pollution index method

基于以上分析，建議加強(qiáng)該湖泊污染防治和生態(tài)治理，主要從控制外源出發(fā)[19]，重點(diǎn)開(kāi)展農(nóng)業(yè)面源污染治理，加強(qiáng)周邊生活污水處理，適時(shí)清淤并進(jìn)行生物修復(fù)[20]，從而使其富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題得到有效解決。

4 結(jié)論

(1) 在黃岡市某典型城市湖泊13個(gè)采樣點(diǎn)分別采集豐水期(7月)和枯水期(12月)水樣，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)價(jià)依據(jù)，表明在時(shí)間上，該湖泊水質(zhì)在枯水期明顯優(yōu)于豐水期，豐水期除NH3-N外，其他5項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)，超標(biāo)程度由高到低分別為Chl.a、TP、TN、BOD5、CODMn；在空間上，該湖泊西北部水質(zhì)最差，其次為中部，而南部和東北部水質(zhì)相對(duì)較好。

(2) 水質(zhì)綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該湖泊在豐水期主要為嚴(yán)重污染，水質(zhì)狀況極差；在枯水期主要為輕污染，水質(zhì)狀況一般。

(3) 湖泊水體污染與人為活動(dòng)外源過(guò)量輸入磷、氮等污染物有關(guān)，而且人為活動(dòng)強(qiáng)度的不同造成了水體污染程度出現(xiàn)空間差異性，污染物可能主要來(lái)源于湖泊西北方向。