成都市城區(qū)主要人工湖泊水質(zhì)調(diào)查與富營養(yǎng)化水平評(píng)價(jià)

王以堯，高 紅，王照麗，馮卓偉，張貝爾，賈濱洋

(1.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610072；2.成都市環(huán)境工程評(píng)審中心，成都 610072；3.四川九州創(chuàng)展環(huán)保科技有限公司，成都 610041)

1 前 言

人工湖泊能夠起到雨水調(diào)蓄、水資源再利用、調(diào)節(jié)氣候和增加生物多樣性等生態(tài)功能，同時(shí)能夠?yàn)槌鞘袇^(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起到重要環(huán)境美化功能。近年來，成都市城區(qū)已建成31處湖泊濕地公園，其中包括1處國家級(jí)濕地公園—白鷺灣濕地公園?！冻啥际协h(huán)城生態(tài)區(qū)規(guī)劃》(2016年)提出了規(guī)劃建設(shè)6湖8區(qū)的目標(biāo)，生態(tài)湖泊水系建成后，湖泊、水生作物區(qū)、河流及其他水體、水田總量將達(dá)到約40km2，水域濕地比例由目前的7%上升到30%，中心城城市水面率從目前的1.9%提升到5.2%。在已建成的人工湖泊濕地中，部分區(qū)(市)縣進(jìn)行過相應(yīng)的綜合治理，水質(zhì)狀況也有明顯改善，這些湖泊濕地已成為成都市水域生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。但是相當(dāng)大一部分水質(zhì)狀況仍不容樂觀，部分常年富營養(yǎng)化或存在水質(zhì)安全隱患，特別是在補(bǔ)水量較少的冬季、春季出現(xiàn)水質(zhì)感官較差、底泥黑臭，夏季出現(xiàn)狐尾藻瘋長、死魚、藍(lán)藻爆發(fā)等現(xiàn)象。

為了準(zhǔn)確評(píng)估成都市人工湖泊濕地水質(zhì)狀況，本文選擇了成都市包括環(huán)城生態(tài)帶的典型人工湖泊濕地進(jìn)行調(diào)研，初步掌握水質(zhì)狀況。為成都市人工湖泊濕地科學(xué)管理、富營養(yǎng)化現(xiàn)象遏制提供初步判斷。

2 材料與方法

2.1 調(diào)查區(qū)域與時(shí)間

調(diào)查對(duì)象：從成都市城區(qū)湖泊大小、分布角度，選取了城區(qū)的12個(gè)湖泊，其分布見圖1，湖泊基本情況見表1。

表1 成都市城區(qū)調(diào)研主要湖泊基本情況Tab.1 The information of studied lakes in Chengdu urban area

調(diào)查時(shí)間：為了采樣的代表性，選擇晴天時(shí)間上午9點(diǎn)左右采樣。時(shí)間為2017年5月14日和7月9日。

2.2 水質(zhì)分析方法

(1)水樣的采集：采集水面下0.5m深處湖水，當(dāng)場迅速測定水溫、溶解氧和pH指標(biāo)后，然后將水樣裝入采樣瓶，帶回實(shí)驗(yàn)室放置于0℃～4℃冰箱中保存，24h內(nèi)完成所有指標(biāo)的測定。

(2)總氮、總磷、高錳酸鉀指數(shù)、葉綠素a、采用《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[1]和《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[2]方法，見表2。

2.3 水質(zhì)評(píng)估方法

2.3.1 地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

湖泊水質(zhì)質(zhì)量采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)，見表3。

圖1 調(diào)研湖泊分布情況Fig.1 Distribution map of investigated lakes

監(jiān)測指標(biāo)分析方法參照標(biāo)準(zhǔn)總氮(TN)過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法GB1894-89總磷(TP)鉬銻抗分光光度法GB11893-89高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)酸性法GB11892-89葉綠素a(Cha-a)丙酮研磨-比色法

表3 常規(guī)指標(biāo)地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Water quality standard of normal water indexes (mg/L)

2.3.2 湖泊富營養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)

卡爾森指數(shù)(TSI)是富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)常見模型之一，金相燦等[2]使用該模型在對(duì)全國24個(gè)典型湖泊驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)適合我國水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法。但是該方法只是以某一參數(shù)為基準(zhǔn)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，為了克服上述方法的不足，參照王明翠等[3]的綜合加權(quán)指數(shù)法(TLI)。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括TN、TP、Chla、CODMn4項(xiàng)指標(biāo)。營養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)及水質(zhì)類別[3]Tab.4 Eutrophication states of lakes and water quality classification

各種營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

(1)TLI(Chla)=10(2.5+1.08lnChla)

(2)TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)TLI(TN)=10(5.45+1.694lnTN)

(4)TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

式中：葉綠素(Chla)單位為mg/m3，其余指標(biāo)單位為mg/L。

(1)

式中，TLI(Σ)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TLI(i)為第i種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wi為第i種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，其計(jì)算公式為：

(2)

式中，r1i為第i個(gè)參數(shù)與葉綠素(Chla)的相關(guān)系數(shù)，m為選出的主要參數(shù)的數(shù)目，r1i值采用表5。

表5 中國湖泊部分參數(shù)與Chla的相關(guān)關(guān)系(金相燦，1995)Tab.5 Correlation relationships between lakes water indexes and Chla

2.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

各監(jiān)測指標(biāo)采用SPSS(16.0) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)評(píng)估與分析

5月初和7月初分別對(duì)成都市城區(qū)人工湖泊進(jìn)行采樣，從高錳酸鹽指數(shù)指標(biāo)來看，兩次采樣濃度差距較小(圖2),濃度變化范圍為2～17mg/L。將各湖泊進(jìn)行水質(zhì)分類，達(dá)到Ⅲ類水頻次為52.17%，Ⅳ類水為30.43%，V類及以上為17.39%。其中水質(zhì)較好的為麓湖，較差的為梅香湖和青龍湖。陳小峰[4]對(duì)我國25個(gè)湖泊的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)達(dá)到Ⅲ類水頻次為60%，Ⅳ類、V類及以上分別為26%和14%，調(diào)研的成都市12個(gè)湖泊高錳酸鹽指數(shù)稍高于全國平均水平。陳建軍[5]報(bào)道北京6個(gè)人工湖泊，高錳酸鹽指數(shù)達(dá)到Ⅲ類水頻次僅16.67%，V類以上水質(zhì)比例達(dá)到50%，整體差于成都市湖泊水質(zhì)。

注：藍(lán)色虛線表示Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，橙色虛線表示Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，紅色虛線表示V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)圖2 各湖泊高錳酸鹽指數(shù)分布Fig.2 CODMn distribution of studied lakes

根據(jù)圖2可知，從TN指標(biāo)來看，錦城湖和白鷺灣在兩次測定中相差較大，其余湖泊兩次測定濃度相差較小(圖3)，濃度變化范圍為0.26～10mg/L。其中達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比例為21.74%，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比例為21.74%，V類水比例為4.35%，而劣V類湖泊比例為52.17%。說明成都市人工湖泊氮元素超標(biāo)嚴(yán)重，其中采樣過程中發(fā)現(xiàn)錦城湖錦水欄桿堰水質(zhì)較差。水質(zhì)較差的為梅香湖和白鷺灣，其中梅香湖受外源污染影響，而白鷺灣湖泊進(jìn)水為污水處理廠排水，整個(gè)湖泊主要為凈化尾水作用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，TN濃度為0.2mg/L時(shí)是湖泊、水庫營養(yǎng)化的發(fā)生濃度[6]。在陳小峰[4]對(duì)我國25個(gè)湖泊調(diào)查中，TN變化范圍為0.147～5.226mg/L，僅瀘沽湖總氮低于0.2mg/L，TN指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)頻次為44%，Ⅳ類、V類及以上分別為20%和36%，成都市調(diào)研12個(gè)湖泊TN指標(biāo)明顯高于全國水平，但低于陳建軍[5]報(bào)道的北京市6個(gè)湖泊TN指標(biāo)全部為V類及以上水平。曾崢[7]于2007年報(bào)道重慶34個(gè)水庫湖泊，TN指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)頻次為29.4%，V類及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)頻次也為29.4%，整體優(yōu)于成都市12個(gè)人工湖泊TN水質(zhì)指標(biāo)。

注：藍(lán)色虛線表示Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，紅色虛線表示V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。圖3 各湖泊TN分布Fig.3 TN distribution of studied lakes

由圖2可知，從TP指標(biāo)看，除梅香湖和興隆湖外，大多數(shù)湖泊在2次測定中濃度差異較小(圖4),濃度變化范圍為0.028～0.468mg/L。調(diào)研湖泊中，達(dá)到Ⅲ類水比例為17.39%，達(dá)到Ⅳ類水比例為30.43%，V類和劣V類比例分別為21.74%和30.43%。其中，白鷺灣、梅香湖TP濃度較高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，TP濃度為0.02mg/L時(shí)是湖泊、水庫營養(yǎng)化的發(fā)生濃度[6](Perkins)，本文調(diào)查湖泊全部高于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在陳小峰[4]報(bào)道的我國25個(gè)湖泊中，達(dá)到Ⅲ類水比例為36%，達(dá)到Ⅳ類水比例為34%，V類和劣V類比例為30%，整體低于成都市調(diào)研結(jié)果。陳建軍[5]報(bào)道的北京市6個(gè)湖泊(達(dá)到Ⅲ類水比例為50%)、曾崢[7]報(bào)道的重慶市34個(gè)水庫湖泊TP指標(biāo)(達(dá)到Ⅲ類水比例為52.9%)也優(yōu)于成都市調(diào)研結(jié)果。

注：藍(lán)色虛線表示Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，紅色虛線表示V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。圖4 各湖泊TP分布Fig.4 TP distribution of studied lakes

根據(jù)Redfield[8]的假設(shè)，臨界氮磷摩爾比為16∶1。從理論上講，如果氮磷比超過這個(gè)比值，磷可認(rèn)為磷是藻類增長的限值因素；反之，當(dāng)?shù)妆刃∮谠摫戎?，氮素將限制藻類增長。本文調(diào)查的12個(gè)湖泊N/P值范圍為6.3～61.7(見圖5)，小于16比例的比值為26.08%，陳小峰[4]報(bào)道的我國25個(gè)湖泊大于N/P比例為40%，陳建軍[5]報(bào)道的北京市6個(gè)湖泊為67%。所以，成都市12個(gè)人工湖泊整體氮元素濃度較高，屬于磷限制。

注：藍(lán)色虛線表示N/P=16圖5 各湖泊N/P比分布Fig.5 N/P ratio distribution of studied lakes

許多湖泊研究者認(rèn)為，水體富營養(yǎng)化最直接表現(xiàn)就是藻類的大量繁殖，而Chla是藻類繁殖重要體現(xiàn)。從表6來看，Chla與營養(yǎng)元素TN、TP、NH4-N顯著相關(guān)，與CODMn相關(guān)性不強(qiáng)，說明調(diào)研湖泊藻類繁殖受有機(jī)物濃度影響較??；同時(shí)Chla與TN的相關(guān)性高于TP，說明調(diào)研湖泊藻類繁殖受氮元素影響較大。CODMn與各指標(biāo)都不相關(guān)，說明調(diào)研各湖泊化學(xué)需氧量與氮、磷元素同源性較差，受有機(jī)污染程度較小。TN與TP之間極顯著相關(guān)(0.83)，說明調(diào)研各湖泊氮磷同源性較好，高于陳小峰[4]報(bào)道0.45的相關(guān)系數(shù)。

表6 各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣(n=23)Tab.6 Correlation relationships matrix of different indexes

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 富營養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

從2次調(diào)研結(jié)果來看，除麓湖以外，成都市人工湖泊水質(zhì)基本處于富營養(yǎng)化狀態(tài)(表7)。在春季，輕度富營養(yǎng)化湖泊比例為72.72%，中度富營養(yǎng)化湖泊比例為9.09%，重度富營養(yǎng)化湖泊比例為18.18%，即錦江區(qū)的白鷺灣濕地和梅香湖。夏季富營養(yǎng)化程度沒有好轉(zhuǎn)，輕度富營養(yǎng)化湖泊比例為70%，中度富營養(yǎng)化湖泊比例為30%。

陳小峰[4]報(bào)道，我國25個(gè)湖泊中重度、中度富營養(yǎng)化湖泊比例占24%，輕度占24%，其余為非富營養(yǎng)化湖泊，其調(diào)研結(jié)果整體差于上述結(jié)果，但和陳建軍[5]報(bào)道的北京市6個(gè)湖泊相當(dāng)。曾崢[7]報(bào)道重慶35個(gè)水庫湖泊，中度富營養(yǎng)化占11.43%，輕度富營養(yǎng)化占37.15%，其余為非富營養(yǎng)化水平，其評(píng)估結(jié)果明顯好于本文評(píng)價(jià)結(jié)果。

表7 各湖泊營養(yǎng)狀況分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.7 Evaluation results of eutrophication state of lakes and water quality classification

3.3 富營養(yǎng)化原因與防治措施

湖庫水質(zhì)在外源影響因素方面，白鷺灣濕地水質(zhì)較差主要是污水處理廠尾水排入的影響；梅香湖主要受周邊農(nóng)家樂等外源污染影響，且外源補(bǔ)水較少；錦城湖主要受外源補(bǔ)水水質(zhì)較差影響；雙流中心湖、創(chuàng)客公園湖和藝術(shù)公園湖屬于河道型湖泊，受白河進(jìn)水水質(zhì)影響；新建的興隆湖受進(jìn)水水質(zhì)較差影響；在內(nèi)源因素方面，調(diào)查的絕大部分湖庫沒有完善的湖庫管理措施，缺少從湖庫水資源和水環(huán)境容量的系統(tǒng)論證，同時(shí)進(jìn)水水量的調(diào)度、進(jìn)水水質(zhì)的控制、水動(dòng)力條件恢復(fù)、溶解氧平穩(wěn)調(diào)控、水生生物系統(tǒng)建立缺少系統(tǒng)的工程措施，導(dǎo)致這些人工湖泊不同程度富營養(yǎng)化。

湖泊的富營養(yǎng)化治理時(shí)間久、難度高、投資大，國內(nèi)的“三湖(太湖、滇池、巢湖)”治理就是實(shí)證[9]。所以，在成都市加快人工湖泊建設(shè)的同時(shí)，首先需要相關(guān)部門認(rèn)識(shí)人工湖泊水環(huán)境管控的重要性；同時(shí)需要做好水資源和水環(huán)境論證，落實(shí)好相應(yīng)的工程措施和管控措施，從外源和內(nèi)源兩條路徑減輕湖庫富營養(yǎng)程度。盡早遏制人工湖泊富營養(yǎng)化程度尤為重要，確保在成都市水資源日趨緊張的情況下保障水域面積的比例和保持好水環(huán)境質(zhì)量，有效落實(shí)“湖長制”政策制度[10]。

4 結(jié)論與建議

4.1 在調(diào)研的成都市12個(gè)城市人工湖泊中，TN指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重，劣V類比例為52.17%；其次為TP指標(biāo)，V類和劣V類比例分別為21.74%和30.43%，整體結(jié)果稍差于國內(nèi)水庫湖泊相關(guān)報(bào)道結(jié)果。

4.2 除人為調(diào)控管理較好的麓湖外，調(diào)研的11個(gè)湖泊都處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。其中，重度和中度比例為30%，輕度比例為70%，整體差于國內(nèi)水庫湖泊報(bào)道結(jié)果。

4.3 成都大多數(shù)人工湖泊沒有完善的配套管理機(jī)制和措施，需要系統(tǒng)完善水資源、水環(huán)境論證及相應(yīng)工程、管理措施有效落實(shí)。