洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量狀況與污染來源影響分析

彭 嫻,朱丹丹,熊 劍

(湖南省岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,湖南 岳陽 414000)

0 引言

洞庭湖作為湖南省的母親湖,是我國第二大淡水湖和長江最重要的調(diào)蓄湖泊及國際重要濕地.2014 年,洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃獲國務(wù)院批復(fù),擔(dān)負(fù)起洞庭湖區(qū)乃至長江流域生態(tài)安全、水安全、糧食安全的重大責(zé)任,戰(zhàn)略地位舉足輕重.近十年來,洞庭湖區(qū)環(huán)境形勢比較嚴(yán)峻,洞庭湖氮磷持續(xù)超標(biāo)、局部水域水華頻發(fā),制約了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1～5].為此,2015—2016 年,湖南省環(huán)保廳組織開展洞庭湖區(qū)污染源與生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查,旨在掌握洞庭湖區(qū)污染源結(jié)構(gòu)狀況、洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量狀況,找出洞庭湖主要的環(huán)境問題,為洞庭湖區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、洞庭湖水環(huán)境綜合治理和生態(tài)保護(hù)提供依據(jù).鑒于第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)尚未公布,本文采用2014 年為基準(zhǔn)年的洞庭湖區(qū)污染源調(diào)查數(shù)據(jù)以及2014、2017、2020 年水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來研究分析洞庭湖污染來源及其對水環(huán)境的影響.

文[6～11]分別開展了洞庭湖水體污染物通量、洞庭湖污染源入湖負(fù)荷及入湖河流污染物輸入、洞庭湖水環(huán)境狀況與洞庭湖污染源治理對策等不同方面的研究,但缺少對洞庭湖多污染來源的綜合分析以及對水環(huán)境影響的系統(tǒng)分析,也缺少入湖負(fù)荷主要污染物COD 的分析,因此具有一定的局限性.本研究在分析水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與變化趨勢基礎(chǔ)上,綜合分析了洞庭湖區(qū)污染源、入湖河流污染物通量以及洞庭湖大氣降水、船舶航運(yùn)等外來污染源主要污染物(包括COD)輸入負(fù)荷組成與分布特征,較全面分析了洞庭湖污染來源對洞庭湖水環(huán)境的影響,這對于全面了解洞庭湖污染來源,進(jìn)一步開展洞庭湖水環(huán)境綜合治理和生態(tài)保護(hù),提升洞庭湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,從而保障區(qū)域乃至國家的生態(tài)安全都具有十分重要的意義.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

污染源研究區(qū)域?yàn)楹鲜《赐ズ^(qū)岳陽、常德、益陽3 市各區(qū)和長沙市望城區(qū),其中包含岳陽、常德、益陽3 市所屬市級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(高新園區(qū))、農(nóng)場管理區(qū),見表1.

表1 湖南省洞庭湖區(qū)范圍

洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀研究區(qū)域?yàn)槿牒?、湖體、出湖口水域,具體水質(zhì)監(jiān)測斷面設(shè)置如圖1 所示.

圖1 洞庭湖水體水質(zhì)采樣斷面分布

圖1 中,5 個入湖口河流斷面分別為湘江樟樹港、資江萬家嘴、沅江坡頭、澧水沙河口、三口松滋河馬坡湖;4 個東洞庭湖水體斷面分別為鹿角、扁山、岳陽樓、東洞庭湖;3 個南洞庭湖水體斷面分別為萬子湖、橫嶺湖、虞公廟;3 個西洞庭湖水體斷面分別為南嘴、蔣家嘴和小河嘴;1 個出湖口斷面為洞庭湖出口.

1.2 研究方法

洞庭湖水體各區(qū)域水質(zhì)類別、整體水質(zhì)狀況根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》進(jìn)行水質(zhì)類別單因子和整體水質(zhì)狀況評價,其中入湖口斷面的總磷按河流標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/L)進(jìn)行評價,湖體和出湖口斷面的總磷按湖、庫標(biāo)準(zhǔn)(0.05 mg/L)進(jìn)行評價.

湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價指標(biāo)為總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a 和透明度5 項(xiàng),參考中國環(huán)境監(jiān)測總站《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價方法進(jìn)行換算.

工業(yè)污染物排放量、城鎮(zhèn)生活污染物排放量、農(nóng)村生活污染物排放量及農(nóng)業(yè)面源種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量采用第一次全國污染源普查資料編纂委員會編制的《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中南區(qū)的產(chǎn)排系數(shù)進(jìn)行核算.

入湖河流入洞庭湖的污染物總量(通量)按下式計(jì)算[10]:

其中Fij為第i月第j種物質(zhì)的平均通量(t);Cij為第i月第j種物質(zhì)的平均濃度(mg/L);Qi為第i月的流量通量(m3).

大氣降水污染物輸入按下式計(jì)算[12]:

其中C降水為大氣降水污染物輸入量(t);A為洞庭湖濕地面積(km2);h為洞庭湖濕地區(qū)域范圍內(nèi)的年降水量(mm/a);c為降水中污染物的濃度(mg/L).

洞庭湖區(qū)污染源污染物入湖負(fù)荷=各類污染源污染物排放量×入湖系數(shù).

洞庭湖區(qū)各類污染源的入湖系數(shù)參考文[13]確定.污染源調(diào)查數(shù)據(jù)以2014 年為基準(zhǔn)年,來源于洞庭湖區(qū)各區(qū)(縣、市)行政主管部門,2020 年的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及2014、2017 年比對數(shù)據(jù)來源于湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心.

2 結(jié)果與討論

2.1 洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與變化趨勢

2.1.1 主要污染因子現(xiàn)狀與變化趨勢

洞庭湖入湖河流、周邊污染源入湖主要污染物為TN、TP、COD,洞庭湖水體主要污染因子為TN、TP[1,4,5].洞庭湖各水域TN、TP、COD 現(xiàn)狀年均值見表2,變化趨勢如圖2～5 所示.

圖2 洞庭湖入湖口、湖體、出湖口TN、TP 年均濃度分布

表2 洞庭湖各水域TN、TP、COD 年均值及水質(zhì)類別

2020 年洞庭湖16 個斷面TN 年均值范圍在1.27～1.88 mg/L 之間,全湖TN 年均值1.63 mg/L,均明顯超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(1.0 mg/L).空間分布上,入湖口TN 年均值高于出湖口,出湖口TN 年均值高于湖體,湖體TN 年均值以西洞庭湖和南洞庭湖最低.

2020 年洞庭湖各水域TP 年均值范圍在0.040～0.078 mg/L 之間,全湖TP 年均值0.064 mg/L,除小河嘴外其他10 個湖體斷面的TP 年均值均高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)中湖、庫Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.05 mg/L).各水域TP 年均值排序?yàn)? 四水<西洞庭湖<南洞庭湖<出湖口<東洞庭湖<三口(圖2).

2020 年洞庭湖各水域COD 年均值范圍在6.0～10.8 mg/L 之間,全湖COD 年均值7.9 mg/L,16 個湖體斷面的COD 年均值均低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(20 mg/L).各水域COD年均值排序?yàn)? 西洞庭湖<南洞庭湖<三口<東洞庭湖<四水<出湖口.

由圖3～5 可知,洞庭湖水體TP、TN、COD 濃度整體呈下降趨勢,與2014 年相比,2020 年全湖TP、TN、COD 年均值分別下降了0.029 mg/L、0.37 mg/L、0.5 mg/L.與2017 年相比,2020 年全湖TP、TN、COD 年均值分別下降了0.014 mg/L、0.20 mg/L、1.2 mg/L.

圖3 洞庭湖入湖口、湖體、出湖口TP 年均濃度變化趨勢

圖4 洞庭湖入湖口、湖體、出湖口TN 年均濃度變化趨勢

圖5 洞庭湖入湖口、湖體、出湖口COD 年均濃度變化趨勢

2.1.2 水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與變化趨勢

2020 年入湖口、湖體和出湖口斷面水質(zhì)類別見表2.洞庭湖5 條入湖河流斷面水質(zhì)類別均為Ⅱ類,洞庭湖湖體和出湖口11 個斷面中除小河嘴斷面為Ⅲ類外,其余10 個斷面均為Ⅳ類.其中,5 個入湖口斷面Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面比例為100.0%,總體水質(zhì)為優(yōu).湖體和出湖口11 個斷面中Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)斷面比例分別為9.1%和90.9%,總體水質(zhì)為輕度污染.

2020 年各斷面水質(zhì)類別與2017 年相同,與2014 年相比較,2020 年水質(zhì)類別除馬坡湖由Ⅱ類變?yōu)棰箢惡湍献煊散躅愖優(yōu)棰纛愅?其他斷面水質(zhì)類別均未發(fā)生改變.入湖河流總體水質(zhì)為優(yōu)和湖體總體水質(zhì)為輕度污染的狀況也沒有變化.

洞庭湖各水域綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分布與變化趨勢見表3.2020 年洞庭湖全湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Σ)為49.6,屬中營養(yǎng);各斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指在43.2～50.1 之間.西、南洞庭湖區(qū)域處于中營養(yǎng)水平;東洞庭湖區(qū)域的東洞庭湖斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為50.1,屬中輕度富營養(yǎng)水平,其他10 個斷面的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均低于50,處于中營養(yǎng)水平.

表3 洞庭湖各水域綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分布與變化趨勢

與2014、2017 年相比,西洞庭湖、南洞庭湖區(qū)域斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均小于50,處于中營養(yǎng)水平,狀態(tài)未發(fā)生變化,東洞庭湖區(qū)域2014 年各斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均小于等于50,處于中營養(yǎng)水平,2017年扁山、東洞庭湖斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均大于50,處于輕度富營養(yǎng)水平.

2.2 洞庭湖污染來源與特征

輸入洞庭湖污染負(fù)荷總量包括湖區(qū)工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活污染源污染物排入量、四水三口上游河流的入湖量、大氣降水、船舶航運(yùn)排放的污染物,見表4.

表4 2014 年洞庭湖輸入的主要污染物TN、TP、COD 污染負(fù)荷組成特征

由表4 可知,2014 年入洞庭湖TN、TP、COD 負(fù)荷總量分別為56.45×104t、26.97×103t、280.01×104t.其中,入湖河流TN、TP、COD 通量分別為49.93×104t、21.23×103t、242.11×104t,分別占入湖總負(fù)荷的88.4%、78.7%、86.5%.

如圖6 所示,入洞庭湖COD 通量以沅江(32.5%)、湘江(23.7%)、松滋(17.1%)為主,占入湖總通量的73.3%;入洞庭湖TN 通量以湘江(30.7%)、沅江(29.0%)、松滋(14.7%)為主,占入湖總通量的74.4%;入洞庭湖TP通量以沅江(34.4%)、松滋(28.7%)、湘江(18.1%)為主,占入湖總通量的81.2%.

圖6 四水、三口入洞庭湖主要污染物通量分布

湖區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染源主要污染物入湖負(fù)荷TN 5.52×104t、TP 5.7×103t、COD 37.88×104t,分別占入湖總負(fù)荷的9.8%、21.1%、13.5%.主要來源于畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活污水,兩種污水中TN、TP、COD分別占入湖總負(fù)荷的6.3%、15.5%、10.7%. 洞庭湖大氣降水、船舶航運(yùn)排放的污染物占入湖總負(fù)荷的比例甚微,其污染負(fù)荷TN 占比僅為1.8%,TP 占比僅為0.2%.

2.3 洞庭湖輸入污染源對水環(huán)境的影響分析

目前,洞庭湖的TN 和TP 均出現(xiàn)超標(biāo),營養(yǎng)狀態(tài)總體處于中營養(yǎng)水平,局部區(qū)域中東洞庭湖區(qū)呈輕度富營養(yǎng)狀態(tài)[3～5].盡管湖南省政府采取了大量措施控制水質(zhì)污染,在大力推動洞庭湖生態(tài)環(huán)境綜合治理等方面取得了積極成效,洞庭湖TN、TP 濃度有所下降,但是洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量尚未得到根本性改善,水生態(tài)健康狀況仍然令人擔(dān)憂.從入湖污染負(fù)荷構(gòu)成方面來看,四水、三口水系輸入洞庭湖TN 49.93×104t、TP 21.23×103t,分別占入湖負(fù)荷總量的88.4%、78.7%,是洞庭湖污染物的主要來源.其中,湘江、沅江、松滋河徑流量大,氮磷含量較高,輸入洞庭湖TN 37.12×104t、TP 17.24×103t,分別占入湖負(fù)荷總量的65.7%、63.9%,是影響洞庭湖水質(zhì)的主要入湖河流.入湖河流污染物通量(總量)作為湖泊污染負(fù)荷重要來源,其入湖量的大小不僅影響湖泊的換水周期和自凈能力,而且在一定程度上對湖泊水質(zhì)狀況起著決定性作用[14],體現(xiàn)為若入湖河流氮磷含量較高,則對洞庭湖湖體水質(zhì)有不利的影響;相反,若入湖河流氮磷含量低,則對洞庭湖湖體水質(zhì)有改善的作用.根據(jù)洞庭湖水系分布,松滋、澧水入西洞庭湖,沅水、資水入南洞庭湖,湘江入東洞庭湖.2014、2017、2020 年松滋入湖口TN、TP 濃度高于西洞庭湖,湘江入湖口TN、TP 濃度高于東洞庭湖,資水入湖口TN 高于南洞庭湖,對洞庭湖水質(zhì)有不利影響;2014、2017、2020年資水TP 濃度低于南洞庭湖,2017、2020 年沅水TN 濃度低于南洞庭湖,對洞庭湖水質(zhì)有改善作用.因此,加強(qiáng)對入湖河流流域污染源的治理尤為重要.

三峽工程運(yùn)行后,洞庭湖出現(xiàn)枯水期水位抬升、汛期洪水位降低、減緩淤積的正向效應(yīng),亦出現(xiàn)枯水期提前和延長、秋旱加劇、含沙量減少、透明度增加等現(xiàn)象[4,5,15].同時三口來水來沙量減少也使TN、TP等污染物滯留系數(shù)增大,湖水透明度增加,藻類光合作用增強(qiáng),藻類更易于生長和繁殖,在一定程度上增加了湖泊富營養(yǎng)化和水華風(fēng)險(xiǎn).

本地流域污染源工業(yè)結(jié)構(gòu)性水污染明顯,農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理能力不足,對局部水域水質(zhì)的影響比較明顯.雖然本地流域污染源輸入洞庭湖氮磷污染負(fù)荷分別為5.52×104t、5.70×103t,只占入湖負(fù)荷總量的9.8%、21.1%,但其輸入洞庭湖后會進(jìn)一步加劇洞庭湖水質(zhì)污染,同時增加洞庭湖富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn).

由于洞庭湖水體大氣降水、航道航運(yùn)污染負(fù)荷TN 占比僅為1.8%,TP 占比僅為0.2%,故可知其對洞庭湖水環(huán)境的影響甚微.因此對洞庭湖污染的控制,在主要加強(qiáng)控制入湖河流輸入污染物通量的同時,不能忽視湖區(qū)工業(yè)、生活污染源及農(nóng)業(yè)面源(尤其是畜禽養(yǎng)殖污染)的影響.

3 結(jié)束語

2020 年洞庭湖水體主要污染因子為TN、TP,入湖河流斷面水質(zhì)類別為Ⅱ類,總體水質(zhì)為優(yōu);湖體和出湖口11 個斷面除小河嘴斷面為Ⅲ類外,其余10 個斷面均為Ⅳ類,總體水質(zhì)為輕度污染.2020 年東洞庭湖區(qū)域的東洞庭湖斷面屬輕度富營養(yǎng)水平,其他斷面屬中營養(yǎng)水平.與2014、2017 年相比較,入湖河流總體水質(zhì)為優(yōu)和湖體總體水質(zhì)為輕度污染的狀況沒有變化,西、南洞庭湖區(qū)域?yàn)橹袪I養(yǎng)水平的狀況也未發(fā)生變化.

2014 年輸入洞庭湖TN、TP、COD 負(fù)荷總量分別為56.45×104t、26.97×103t、280.01×104t.以入湖河流污染物通量為主,分別占入湖總負(fù)荷的88.4%、78.7%、86.5%.其中,入湖COD、TN、TP通量又以沅江、湘江、松滋為主,分別占入湖總通量的73.3%、74.4%、81.2%.

四水、三口入湖河流污染物通量是洞庭湖污染物輸入的主要來源,對洞庭湖水質(zhì)狀況起決定性作用;大氣降水、航道航運(yùn)污染對洞庭湖水環(huán)境的影響甚微;本地流域污染源對局部水域的影響比較明顯,其氮磷輸入進(jìn)一步加劇了洞庭湖水質(zhì)污染,同時也增加了洞庭湖水質(zhì)富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn).