唐山南湖春季潛在性富營養(yǎng)化評價與防控分析

（華北理工大學(xué) 化工學(xué)院，河北 唐山063009）

南湖城市中央生態(tài)公園位于唐山市南部，緊鄰市中心，是通過生態(tài)綜合治理修復(fù)，在采煤塌陷區(qū)上建成的新生水上公園，是唐山構(gòu)建南湖生態(tài)經(jīng)濟圈由資源型城市向生態(tài)型城市轉(zhuǎn)型的核心部分。為緩解城市水資源供需矛盾，實現(xiàn)有限水資源可持續(xù)利用，南湖補給水充分利用了城市再生水，但是再生水回用于景觀水體帶來的主要問題是水體富營養(yǎng)化。2011年南湖局部不可避免地發(fā)生了藍藻事件，使水體產(chǎn)生了顏色和異味，影響了水體外觀，降低了水體的美學(xué)價值。本研究在唐山南湖水環(huán)境特征調(diào)查分析基礎(chǔ)上，對南湖補給水源及湖體進行了水質(zhì)監(jiān)測，選擇合理的評價方法，對春季南湖水體的富營養(yǎng)化程度進行了評價分析，確定了內(nèi)、外源對南湖水質(zhì)的影響，為南湖水體富營養(yǎng)化趨勢預(yù)測及預(yù)防藍藻水華暴發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)測與評價方法

1.1 采樣點的確定

根據(jù)南湖現(xiàn)場調(diào)研情況，補給水源以環(huán)城水系補給水為研究對象，采樣點分別設(shè)在雨水口、污水處理廠出水、廠礦排水點，分別作為城市面源污染、生活污水及工業(yè)污水對水系水質(zhì)影響的代表點[1]；以南湖湖體為研究對象，在南湖進水區(qū)（采樣點1#青龍河橋、2#鳳凰臺）、湖心區(qū)（3#、4#、7#）、岸邊區(qū)域（8#、9#、10#）及曾發(fā)生水華現(xiàn)象的區(qū)域（5#、6#）共設(shè)10個采樣點。采樣點布置如圖1和圖2所示。本研究重在分析評價南湖富營養(yǎng)化的潛在性，因此監(jiān)測時間主要定于2012年春季，于3月、4月、5月、6月進行采樣。

圖1 南湖補給水源采樣點設(shè)置

圖2 南湖湖體采樣點位設(shè)置

1.2 監(jiān)測指標的選取

湖泊的富營養(yǎng)化狀況主要取決于湖泊中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量[2]。本次補給水源水質(zhì)評價指標選取CODCr、TN、TP、NH3-N；南湖湖體富營養(yǎng)化評價指標選取Chla、TN、TP。

1.3 監(jiān)測設(shè)備與方法

TN、TP采用Proxima 流動注射分析儀測定，Chla采用Bbe實驗室型藻類分析儀測定。

1.4 南湖水體營養(yǎng)化狀態(tài)評價方法

本研究應(yīng)用基于地表水環(huán)境質(zhì)量標準的富營養(yǎng)化評價方法（SWEE）[3]進行綜合評價，分析南湖潛在性富營養(yǎng)化狀態(tài)。

富營養(yǎng)化分級評價指數(shù)SWEE的計算方法如下：

SWEE=（SWEETP*WTP+SWEETN*WTN+SWEEChla*WChla）

式中：SWEE為分級評價綜合指數(shù)；SWEETP、SWEETN和SWEEChla為分級評價單項指數(shù)；WTP、WTN和WChla為權(quán)重。在計算過程中，首先根據(jù)評價標準將參數(shù)濃度值轉(zhuǎn)換為評分值，權(quán)重采用均一化比例，WTP、WTN和WChla均按照1/3計算。

2 監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1 南湖補給水源水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分析

代表補給水源的采樣點分別設(shè)在雨水口、污水處理廠出水口和廠礦排水點。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出，3～6月期間雨水口水質(zhì)指標CODCr、TP、TN、NH3-N的平均濃度分別為30.6 mg/L、0.18 mg/L、6.37 mg/L、3.32 mg/L，CODCr和TP濃度均達到了Ⅴ類水質(zhì)標準，但TN平均濃度卻是Ⅴ類水質(zhì)標準的3倍，表明城市地表徑流對南湖水體輸入氮量較大。污水處理廠出水CODCr、TP、TN、NH3-N的平均濃度分別為51.34 mg/L、0.83 mg/L、17.62 mg/L、12.37 mg/L，各項指標均達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準，2013年唐山對市區(qū)污水處理廠進行了全面提級改造，現(xiàn)出水達到了一級A標準，如果排水能與青龍河上游來水較好混合稀釋，污染物較快降解，污水廠排水將不會對南湖水質(zhì)產(chǎn)生太大影響。從監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，TP平均濃度是Ⅴ類水質(zhì)標準的2倍，TN平均濃度是Ⅴ類水質(zhì)標準的8倍，表明城市生活污水對南湖水體輸入氮量較大。廠礦排水點CODCr、TP、TN、NH3-N的平均濃度分別為40.63 mg/L、1.71 mg/L、9.16 mg/L、3.51 mg/L。CODCr平均濃度略高于Ⅴ類水質(zhì)標準，TP、TN平均濃度均為Ⅴ類水質(zhì)標準的4倍，表明工業(yè)補給水N、P含量較高。

圖3、圖4、圖5、圖6分別給出了三個采樣點水質(zhì)指標CODCr、TP、TN、NH3-N的濃度時空分布。由圖可以看出，在3～6月期間，雨水口各項監(jiān)測指標隨時間變化規(guī)律不明顯；污水廠出水口及廠礦排水點各項監(jiān)測指標濃度隨著天氣逐漸變暖均有升高的趨勢。從空間上看，CODCr濃度分布規(guī)律：污水廠出口＞廠礦排水點＞雨水口采樣點；TP濃度分布規(guī)律：廠礦排水點＞污水廠出口＞雨水口；TN和NH3-N濃度分布規(guī)律：污水廠出口＞廠礦排水點＞雨水口?？梢?，城市生活污水和工業(yè)廢水對南湖水質(zhì)的影響高于城市地表徑流對南湖水質(zhì)的影響。

圖3 補給水CODCr濃度時空分布

圖4 補給水TP濃度時空分布

圖5 補給水TN濃度時空分布

圖6 補給水NH3-N濃度時空分布情況

2.2 南湖湖體水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 南湖不同區(qū)域采樣點TP、TN、Chla濃度隨時間變化情況

南湖進水區(qū)1#、2#采樣點TP、TN、Chla濃度隨時間變化情況如圖7所示。1#TP濃度2.44～5.34 mg/L，TN濃度5.06～25.89 mg/L；2#TP濃度2.32～3.88 mg/L，TN濃度12.77～25.32 mg/L，兩個采樣點均為劣Ⅴ類水質(zhì)。從時間上看，1#、2#的TP、TN濃度在4～6月呈增長趨勢，而Chla濃度較低，并且濃度隨時間變化不大，與TN、TP濃度不存在相關(guān)性。分析主要是因為是1#、2#采樣點pH值偏低，水溫偏低，同時2#鳳凰臺為主要觀景區(qū)，對藻類進行了及時打撈。

圖7 南湖進水區(qū)采樣點監(jiān)測指標濃度隨時間變化

湖心區(qū)布3#、4#、7#采樣點：3#、4#采樣點為小南湖湖心位置，7#采樣點為大南湖湖心位置。TP、TN、Chla濃度隨時間變化如圖8。3#、4#TP、TN濃度隨時間有波動，除4月份為劣Ⅴ類水質(zhì)外，3月、5月和6月份水質(zhì)均達到Ⅴ類水質(zhì)標準。分析原因主要是小南湖在五月天氣變暖時投加了除藻劑，使水質(zhì)變好，Chla濃度明顯低于大南湖。7#采樣點TP濃度在4～6月份呈增長態(tài)勢，濃度范圍0.14～1.61 mg/L，除4月達到Ⅳ類水質(zhì)標準外，其他時段均為劣Ⅴ類水質(zhì)；TN濃度3～5月呈增長態(tài)勢，6月略有下降，濃度范圍8.23～10.83 mg/L，為劣Ⅴ類水質(zhì)。Chla濃度3～6月份濃度較高，平均值為158.87 μg/L，最高達到208.21 μg/L。

圖8 南湖湖心區(qū)采樣點監(jiān)測指標濃度隨時間變化

曾發(fā)生水華現(xiàn)象的區(qū)域布5#、6#采樣點。TP、TN、Chla濃度隨時間變化情況如圖9所示。5#、6#TP濃度分別為0.06～1.28 mg/L，0.37～1.05 mg/L；TN濃度分別為7.25～11.36 mg/L，7.31～15.02 mg/L。除個別監(jiān)測值達標外，其他均未達到Ⅴ類水質(zhì)標準。5#Chla濃度為35.61～211.39 μg/L，6#Chla濃度為28.24～117.02 μg/L，濃度整體高于小南湖各采樣點。

圖9 南湖局部富營養(yǎng)化區(qū)域采樣點監(jiān)測指標濃度變化

岸邊區(qū)域8#、9#、10#采樣點均處于大南湖區(qū)域內(nèi)，TP、TN、Chla濃度隨時間變化情況如圖10所示。8#、9#、10#TP濃度分別為0.76～1.89 mg/L，0.31～1.76 mg/L，0.9～2.01 mg/L，TN濃度分別為7.06～11.01 mg/L，3.25～11.38 mg/L，9.45～11.7 mg/L，除個別監(jiān)測值達標外，其他均未達到Ⅴ類水質(zhì)標準。8#、9#pH值超標，偏堿性，有利于藻類生長。Chla濃度最高達301.77 μg/L，整體高于小南湖各采樣點。但存在一個特殊點9#采樣點，6月的監(jiān)測數(shù)據(jù)TN、TP濃度最低，但Chla濃度卻高達301.77 μg/L，原因為9#采樣點位于南湖一個出水口，對藻類的攔截導(dǎo)致監(jiān)測值增高。

圖10 南湖岸邊區(qū)采樣點監(jiān)測指標濃度隨時間變化情況

2.2.2 南湖水體TP、TN、Chla濃度時空變化規(guī)律

分析南湖水體TP、TN、Chla濃度時空變化得出：在3～6月期間，南湖湖體TP、TN濃度隨時間變化不存在明顯規(guī)律，其中大南湖水質(zhì)較穩(wěn)定，小南湖的TP、TN濃度波動較大，主要原因是小南湖采取了預(yù)防措施。而Chla濃度在3月和5月監(jiān)測值較高，原因是3月份水體以甲藻為主，5月份以綠藻為主，甲藻和綠藻均為形成淡水藻類水華的類群[4]。在空間分布上，TP、TN平均濃度：進水區(qū)＞岸邊區(qū)域＞曾發(fā)生水華現(xiàn)象的區(qū)域＞湖心區(qū)；Chla平均濃度：岸邊區(qū)域＞曾發(fā)生水華現(xiàn)象的區(qū)域＞湖心區(qū)＞進水區(qū)。進水區(qū)青龍河橋及環(huán)城水系排入南湖的水質(zhì)TP、TN濃度均劣于Ⅴ類水質(zhì)標準，表明南湖入水水質(zhì)是造成南湖水質(zhì)污染的主要原因之一。對于藻類分布，除南湖進水區(qū)Chla平均濃度因人為處理降至最低，其他各監(jiān)測點Chla濃度均較高，都在10 μg/L以上，最高達到301.77 μg/L。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明春季南湖湖體TN、TP和Chla濃度之間不存在明顯的相關(guān)性，主要因為藻類生長不僅與水體中營養(yǎng)鹽的含量有關(guān)，還與水體的溫度、pH值、風(fēng)力等自然因素及一定人為因素有關(guān)[5]。

2.3 南湖水體水質(zhì)監(jiān)測結(jié)論

（1）南湖補給水源TP、TN濃度明顯高于南湖湖體水質(zhì)。外源水的排入是南湖水體污染的重要原因。

（2）小南湖湖心區(qū)水質(zhì)較好，而南湖進水區(qū)、大南湖湖心區(qū)、岸邊區(qū)和局部富營養(yǎng)化重點區(qū)域的TP、TN濃度均未達到Ⅴ類水質(zhì)標準，水質(zhì)較差。且大南湖各采樣點Chla濃度整體高于小南湖。因此應(yīng)對南湖進水區(qū)和大南湖水質(zhì)加強水質(zhì)監(jiān)管。

3 南湖水體春季潛在性富營養(yǎng)化評價

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用SWEE評價法，結(jié)合評價標準[6]，得出唐山南湖春季富營養(yǎng)化狀態(tài)評價結(jié)果，詳見表1。評價結(jié)果顯示，春季小南湖水質(zhì)基本處于中度和重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，大南湖處于嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài)，雖然目前僅出現(xiàn)局部水華問題，但當溫度、pH值等其他條件適宜時，南湖整體發(fā)生藻華的可能性很大。

4 南湖水體富營養(yǎng)化防控措施分析

4.1 外源防控

雨水口采樣點監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該河段的面源污染貢獻率較低，不是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要原因。但是為防止將來面源污染加重，應(yīng)在雨水匯流處設(shè)置軟隔墻和種植水生植物。污水處理廠出水TP、TN均達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準；廠礦排污口污水也達到了排放標準，但是在這些河段水質(zhì)超標嚴重，主要原因是該段水體水流速度慢，自凈能力差，而排污口相對集中。應(yīng)在污水排放口附近建立生態(tài)凈化區(qū)，同時采取一定的工程措施，加大水體曝氣量。南湖進水區(qū)1#青龍河入湖處水質(zhì)較差，應(yīng)重點監(jiān)控排入河中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的點源，必要時采取截污、治理措施；同時在入湖河道上采用生物浮床技術(shù)種植水生植物。

4.2 內(nèi)源防控

研究表明，通過建立小型圍隔區(qū)，種植沉水植物凈化水體中氮、磷等污染物，可減輕水體富營養(yǎng)化程度[7]，并且在5～6月份，天氣變暖時，重點水域及岸邊區(qū)可適當投加生物除藻劑。藥劑對藻類的去除速度慢，但是效果穩(wěn)定、徹底、不反復(fù)，而且對魚的生長沒有影響。生物除藻劑和水體維護劑聯(lián)合使用對水體富營養(yǎng)化的治理作用更為明顯，可作為防控和應(yīng)急措施應(yīng)用。

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