城市湖泊水體修復過程的富營養化評價
——以武漢南湖為例

張航,沈來銀,苗滕,張藝,周念來,周馳,鄭麗萍

(1.湖北省水利水電科學研究院 湖北省水利水電科技情報中心,武漢 430070;2.武漢華大吉諾因生物科技有限公司,武漢 430072)

氣候變化以及人類活動對水生態系統產生了巨大影響,由此導致的水體富營養化狀況嚴峻[1].通過水生態修復等一系列保護措施,可以改善水體富營養化狀況,減緩水生態系統的退化速率,使已經退化或損壞的水生態系統逐漸恢復,并保持其長久穩定[2-3].南湖是武漢市僅次于東湖和湯遜湖的第三大城中湖,北臨東湖,南臨野芷湖、湯遜湖.南湖屬于湯遜湖水系,水面面積約為7.67 km2,水體容量約為2 052萬m3[4-5],周邊居民區、高校密集,總人口約59.4萬.隨著城市的不斷發展,人們的經濟活動對南湖水域產生了嚴重影響,導致水質不斷惡化,水生態系統失去調節能力,水質常年綜合評價為劣V類[6-9].為解決南湖突出的水環境問題,對南湖進行了水質提升綜合整治工程,按照“尊重自然、生態優先”的原則,實施水生態修復工程.主要內容包括排污口生態改造、沿岸水生植物種植以及健康水生態系統管理.通過這些工程的開展,南湖富營養化程度是否能得到改善,通過生態修復期間連續的水質監測,綜合分析湖區氮、磷等指標的時空變化特征與富營養化狀態,探討南湖水生態修復效果,為城市湖泊水生態治理和水質提升提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究區域共設置13個采樣位點(圖1).其中小南湖位點為NH01～NH03、華農灣位點為NH04和NH05,大南湖位點為NH06～NH13,分布于敞水區和湖心,其中NH01位點位于南湖水生態修復示范區.武漢南湖屬于淺水型湖泊,平均深度為2.0 m,各位點均采集表層0.5 m處水樣,裝入聚酯玻璃瓶,密封避光保存.監測時間從2020年4月至11月,每月監測1次.

1.2 監測與評價

監測的主要指標主要包括:水溫(WT),溶解氧(DO),pH,采用便攜式水質參數儀(YSI ProPlus,USA)分析,所有基本物理參數均現場測定.水體化學指標有:總氮(TN),總磷(TP),銨態氮(NH4-N),具體測定方法參照文獻[10],葉綠素a(Chl.a)采用熱乙醇提取,分光光度法測定[11].采用綜合營養狀態指數(TLI)評價湖泊富營養化狀況[12].

2 結果與討論

2.1 修復期水體指標

水體修復期間南湖水體的pH基本上在8.2～9.0之間(圖2(a)),屬于弱堿性水體,各采樣位點pH無顯著性差異,除了在9月份略微上升外,其余月份水體pH值變化范圍不顯著,平均值保持在8.49.水溫季節性變化差異較大(圖2(b)),從4月份開始,水溫升高較明顯,到8月份達峰值29.7 ℃,后續受降水影響,氣溫持續降低,從9月份之后,平均水溫低于20 ℃,低于往年平均水溫.水體溶解氧較高,維持在6.5 mg/L以上(圖2(c)),溶解氧平均質量濃度為8.21 mg/L,飽和率達90%以上,各位點之間季節性差異不顯著,表明水體屬于富氧水體.

南湖水體總體透明度較低(圖2(d)),監測期間平均透明度為0.27 m,最低值為0.15 m,從2020年4月至11月,透明度基本沒有變化.變化趨勢為冬、春季水體透明度稍微高于夏、秋季,對比效果不明顯.這可能與監測期間南湖岸線大范圍打樁施工,對湖泊底泥影響較大,加上風力擾動,水體顆粒性懸浮物增多,臨時透明度改善措施雖然能夠短暫調整水體透明度,但后期還是會受到大湖水質的影響,常年劣V類水體會影響湖泊自凈能力,南湖水體總體透明度改善效果不明顯.

南湖水體TN指標波動比較顯著(圖2(e)).TN總體平均質量濃度在1.64～3.95 mg/L之間,在2020年5月和8月平均值較低,呈現春、冬兩季高,夏、秋兩季低的情況.而小南湖區域的TN均高于南湖平均值,最高含量出現在11月份,TN質量濃度均超過了5 mg/L,超標現象非常嚴重,但總體與南湖平均值變化趨勢保持一致.TN持續波動,表明南湖水體的水質正在發生劇烈的變化,考慮到水生態修復項目的施工對水體造成的影響,在南湖水生態修復工程未完工情況下,TN波動這種情況可能還會持續.

TP變化見圖2(f),TP平均質量濃度為0.30 mg/L,為地表水劣V類水質.4至5月份,總磷質量濃度最低,為0.19 mg/L,到2020年8月,TP質量濃度逐漸上升,8月TP平均值達到0.81 mg/L,之后呈下降趨勢,呈現中間高兩邊低的趨勢.參考武漢周邊地區天氣數據,武漢地區在8月末有大量降雨,地表徑流隨雨水沖刷入湖,加上風浪對底泥的攪動,導致短時間內大量磷釋放到水體中,TP超標非常嚴重.南湖周邊排口分布眾多(圖1),有13個排口未完全實行雨污分流,部分未截留的污水仍然會進入主湖區,導致主湖區內TP質量濃度居高不下.8月份,大湖區TP平均數值異常增高,NH11位點TP質量濃度達到1.49 mg/L.在其他月份,小南湖TP值均高于同期的華農灣和大南湖,小南湖的TP超標嚴重影響了全湖的治理效果.

南湖的NH4-N變化情況見圖2(g),監測期間內,NH4-N平均質量濃度為1.04 mg/L,達到地表水IV類水質標準.4月份最低,為0.56 mg/L,4至7月份,南湖的NH4-N呈緩慢增長趨勢,8月份之后緩慢上升速度較明顯,到10月份 NH4-N質量濃度最高,達到1.81 mg/L,11月份略微下降.除了小南湖的變化趨勢與總體保持一致外,大南湖和華農灣的NH4-N變化趨勢不顯著,而且小南湖的TN遠高于同期其他區域,達到6.0 mg/L(10月份)和8.7 mg/L(11月份),分別超標5.0倍和7.7倍,而南湖其他湖區NH4-N數據基本沒有超標.

南湖水體的平均Chl.a質量濃度為51.85 μg/L(圖2(h)),從2020年4月至6月呈下降趨勢,到7月份,Chl.a平均質量濃度為87.43 μg/L,而后逐漸降低,最低值在11月份,為24.12 μg/L.三大湖灣區中小南湖的Chl.a質量濃度均高于同期其他幾個湖灣,最高值出現在7月份,為251.60 μg/L,華農灣7月份平均質量濃度也達到了91.80 μg/L,遠高于同期大湖區Chl.a,現場采樣發現小南湖和華農灣內藍藻聚集現象十分明顯,是藍藻水華爆發的主要區域.

2.2 湖泊水質的空間變化

根據湖泊理化因子的結果,選取2020年8月湖泊水質作為研究湖泊水質空間分布的典型代表(圖3).

2020年8月,小南湖區域TN平均質量濃度為2.11 mg/L,TP平均質量濃度為0.46 mg/L,均未達到地表水V類水質標準(CTP≤0.2 mg/L,CTN≤2.0 mg/L),NH4-N平均質量濃度為1.63 mg/L,Chl.a最高質量濃度達到124.60 μg/L,透明度僅為0.25 m.華農灣片區中,TP超標15倍,達到0.79 mg/L,為劣V類水質標準,TN為1.78 mg/L,NH4-N為0.58 mg/L,均未達到V類水質標準,Chl.a為66.70 μg/L,透明度為0.27 m.大南湖情況與華農灣情況相似,除了TP超標嚴重以外,其他指標均在V類水質指標以內.

南湖水質的時空變化可以清晰地反映南湖各個湖區水質的基本情況,呈現出明顯的空間異質性,三大片區中,大南湖水質明顯優于小南湖和華農灣,其中TN(圖3(a))、NH4-N(圖3(c))、Chl.a(圖3(d))3個指標的分布規律由高到低為小南湖、華農灣、大南湖,透明度(圖3(e))分布規律由高到低為華農灣、小南湖、大南湖.TP(圖2(b))在大南湖的安康路附近出現明顯的異常,且已經向大南湖湖區擴散,說明附近排口溢流的污水已經嚴重影響了局部水質.

2.3 南湖富營養化評價

根據武漢市生態環境局發布的數據以及第三方監測數據結果顯示:2018年南湖水質整體為劣Ⅴ類,TN、TP含量嚴重超標,北岸較南岸水質差,夏季較冬季水質差.

根據2018年12月份對南湖水生態環境調查的結果,南湖TN平均質量濃度為5.10 mg/L,TP平均質量濃度為0.21 mg/L,屬于嚴重的高氮高磷環境,評價結果為地表水劣V類.對南湖進行水體富營養化評價,南湖的TLI在71.3～79.4之間,平均值為75.0,呈重度富營養化狀態.

2018年12月至2019年7月數據顯示,南湖水體仍然呈富營養化狀態,TN平均質量濃度為4.60 mg/L,TP平均質量濃度為0.18 mg/L,透明度為0.35 m,Chl.a平均質量濃度為53.71 μg/L,遠高于藍藻水華爆發的可能臨界質量濃度10 μg/L[13],富營養化程度與地區污染水平呈現一定的相關性,南湖整體富營養化現象仍然嚴重.

根據以上監測數據,對南湖水體2020年的富營養化水平進行評價,結果如圖4.根據綜合營養狀態指數(TLI)分級標準,南湖湖區從2020年4月至11月期間,TLI指數為61.69～71.35,總體處于中度富營養化狀態.4月至6月,TLI指數變化不明顯,而后逐漸升高,7月和8月分別為71.35和69.64,為重度富營養化狀態,而后逐漸降低,到了11月份達到最低值(圖4).

從圖3(f)可以看出,南湖湖區TLI指數也呈現明顯的區域異質性.小南湖和華農灣區域的TLI指數明顯高于大南湖湖區.2020年8月小南湖區3個監測位點的TLI指數分別為67.29、76.26和71.82,平均值為71.79,處于重度富營養化狀態.華農灣區域的TLI指數也超過70.00,湖區的TLI指數變化范圍為65.95～69.43,處于中度富營養化狀態.從歷年TLI指數來看,2008年是75.00,2019年是68.26,2020年為65.86,TLI指數逐年下降.圖4從4月至11月,總體呈現下降趨勢,表明南湖生態修復治理措施取得初步成效,湖區水體自凈能力得到初步恢復,后期有望通過控源截污、生態修復等措施將水體TLI指數降低到60以下,改變湖區的營養狀態分級.

目前南湖周邊已經開展了雨水收集系統管網和排口雨污分流改造工作,但是污水管網泄露,排口溢流導致進入南湖的污水仍然不少,前期沉積的底泥污染導致氮磷物質的再釋放也影響了湖區水質的凈化,水動力條件不足致使南湖的污染難以有效地轉移和疏散.經過連續8月的監測,發現南湖水質改善效果不明顯,目前仍是地表水V類水質.短期的數據難以說明生態修復工程實施后對南湖水質的實質影響,因此后期需要繼續加強對南湖水質的監測,特別是對已開展水生態修復的區域.

3 治理建議

加強對南湖周邊排口的升級改造,避免排口溢流污染,及時對污染排口進行監測與查處,對難以處理的排口進行生態化改造,攔截入湖污染物;摸清南湖水生植物恢復的邊界條件,在整個南湖周邊逐漸恢復沉水植物;對藍藻水華進行預防和削減,防止示范區內藍藻水華大量爆發,創造良好的恢復條件;有條件地開展東湖-南湖-野芷湖-湯遜湖等“四湖水系連通工程”,改善水動力條件,使區域水體活起來,帶動部分污染物出湖,削減污染存量.