星海湖水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀調(diào)查及成因分析

馬忠平

(石嘴山市水利勘察設(shè)計室，石嘴山 753000)

湖泊是我國最重要的淡水資源之一，具有防洪排澇、蓄水供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖及氣候調(diào)節(jié)等多種功能，對社會經(jīng)濟的發(fā)展起著不可估量的作用。近幾十年來，由于湖泊流域社會經(jīng)濟快速發(fā)展，污染治理措施滯后，致使我國眾多湖泊隨著外源營養(yǎng)物質(zhì)的持續(xù)流入，水體藻類發(fā)展逐漸占優(yōu)，水體濁度增加，水生植物減少，水體富營養(yǎng)化程度普遍較高，湖泊處于“水華”頻發(fā)的高生態(tài)風(fēng)險狀態(tài)。這種狀況危及地區(qū)的飲水安全，進而威脅到湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全，并在一定程度上制約了流域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。對我國重點湖泊生態(tài)安全進行調(diào)查與評估是開展湖泊保護工作的重要內(nèi)容之一，在當(dāng)前狀況下已刻不容緩。

星海湖是寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)內(nèi)面積最大的湖泊濕地，其水域面積達到23.42 km2。在發(fā)揮防洪調(diào)洪、蓄水補水功能的同時，星海湖集濕地保護、改善生態(tài)、休閑旅游、水產(chǎn)種養(yǎng)等多功能于一體，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟、生態(tài)和社會發(fā)展有著重要的影響[2]。隨著城市化進程的推進，星海湖的污染狀況日趨嚴(yán)重。本研究結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，對星海湖現(xiàn)有水體的污染狀況尤其是富營養(yǎng)化現(xiàn)狀進行詳細(xì)調(diào)查，并結(jié)合周邊污染源分析星海湖的污染成因，為后續(xù)制定污染防治措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

星海湖毗鄰市區(qū)，分為北域、東域、中域、南域、西域、新月海等為主體的市區(qū)水系。星海湖周邊的水體污染源分為點源污染和非點源污染。點源污染主要為星海湖南域、中域、北域灌溉渠(第二農(nóng)場渠)的黃河水補水口以及北域、中域、南域島嶼的公園等生活、娛樂設(shè)施產(chǎn)生的生活污染源；非點源污染包括干濕沉降、山洪水以及漁業(yè)養(yǎng)殖污染等[3]。

1.2 采樣分析

2011年3月至2016年11月期間逐月對星海湖北域常年監(jiān)測點位(圖1)的透明度(SD)、葉綠素a(Chl.a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(COD)進行檢測。為全面了解星海湖流域水體環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，2017年5月23—25日對星海湖流域各區(qū)域水體及周邊水系進行了補充監(jiān)測點(圖1)的布置和采樣檢測。監(jiān)測分析方法按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)及《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版增補版)中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行(表1)。

●星海湖北域常年監(jiān)測點；H1—H9星海湖流域湖水補充監(jiān)測點；Z1—Z4星海湖周邊水系補充監(jiān)測點圖1 星海湖樣品采集點Fig.1 Sample collecting points of Xinghai Lake

檢測項目分析方法方法來源檢測下限∕mg·L-1透明度塞氏盤法《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版-葉綠素a-《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版-高錳酸鹽指數(shù)高錳酸鉀法GB 11892—890.5總磷鉬酸銨分光光度法GB 11893—890.01總氮堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法GB 11894—890.05COD重鉻酸鹽法CB 11914—895

1.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價分級標(biāo)準(zhǔn)

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4-5]評價湖泊富營養(yǎng)化狀況，評價指標(biāo)包括透明度(SD)、葉綠素a(Chl.a)、總磷(TP)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)。湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)分級

1.4 成因分析調(diào)查方法

調(diào)查主要采取實地踏勘的方式提供污染源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過前期數(shù)據(jù)收集、記錄及后續(xù)計算分析，保證數(shù)據(jù)來源的可靠性與真實性。部分?jǐn)?shù)據(jù)由石嘴山市環(huán)保局提供。

2 結(jié)果與分析

2.1 星海湖富營養(yǎng)化程度

以2011—2016年的總氮、總磷指標(biāo)為例，在取樣期間總氮、總磷濃度整體呈上升趨勢(圖2)?？偟|(zhì)量濃度均超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(≤1 mgL)，其中2016年8月總氮質(zhì)量濃度最高，達到4.315mgL；總磷質(zhì)量濃度在2015年、2016年均超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mgL)，2016年8月質(zhì)量濃度最高，達到0.4 mgL。浮游植物葉綠素a的含量是表征水體藻類含量的生物指標(biāo)，也是衡量水體初級生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，2011—2016年葉綠素a含量變化較大，在1—83mgm3，2016年9月含量最高，達82.22 mgm3；2011年3月含量最低，為1.82 mgm3。

圖2 2011—2016年星海湖流域水體常年監(jiān)測點總氮(a)、總磷(b)濃度和葉綠素a含量(c)Fig.2 The concentration of total nitrogen(a)，total phosphorus(b)and chlorophyll a content(c)at the routine monitoring points in Xinghai Lake from 2011 to 2016

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的整體，僅利用單一因素作為指標(biāo)劃分湖泊營養(yǎng)類型具有片面性。為全面考察星海湖流域的營養(yǎng)狀態(tài)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對2011—2016年常年監(jiān)測點和2017年5月23—25日補充監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行分析。

由表3可知，2011—2014年星海湖流域水體綜合營養(yǎng)指數(shù)在54.71—56.86，屬于輕度富營養(yǎng)。2015年和2016年星海湖流域水體綜合營養(yǎng)指數(shù)分別是62.01和65.35，屬于中度富營養(yǎng)。2011—2016年，星海湖流域富營養(yǎng)化程度先減輕后加重，2014年富營養(yǎng)化程度最輕，綜合營養(yǎng)指數(shù)為54.71，仍為輕度富營養(yǎng)。

表3 星海湖流域常規(guī)監(jiān)測點2011—2016年綜合營養(yǎng)指數(shù)評價結(jié)果

星海湖補充監(jiān)測點位水質(zhì)富營養(yǎng)化程度評價表明：南域為輕度富營養(yǎng)化,東域為重度富營養(yǎng)化，其余各域均為中度富營養(yǎng)化，周邊水體均為中度富營養(yǎng)化(Z4為黃河水)，水體富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重(表4)。

表4 星海湖流域補充監(jiān)測點位綜合營養(yǎng)指數(shù)評價結(jié)果

2.2 污染成因

通過實地調(diào)查和資料收集分析發(fā)現(xiàn)，星海湖的主要污染源為漁業(yè)養(yǎng)殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降等,其中漁業(yè)養(yǎng)殖和水源輸入造成污染的貢獻最大。根據(jù)實地勘測結(jié)果，并參照全國污染源普查中水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源和城鎮(zhèn)生活源排污系數(shù)計算， 2016年星海湖漁業(yè)養(yǎng)殖排入的COD、TP、TN分別為 198.62 t、5.68 t、29.74 t，由生活污水排入的COD、TP、TN分別為31.54 t、1.79 t、22.38 t[6]；黃河水是星海湖的主要補給水源，據(jù)觀測數(shù)據(jù)計算，2016年通過黃河補水輸入星海湖的COD、TP、TN分別為 308.73 t、23.15 t、3.27 t[6]；山洪水也是重要的COD污染源，根據(jù)相關(guān)洪水研究資料(由石嘴山市環(huán)保局提供)，計算出2016年北域、南域、中域COD的入湖量分別為57 t、28.75 t和1.5 t，總計87.25 t；星海湖每年通過干濕沉降方式輸入的污染負(fù)荷為TN 40.03 t、TP 0.13 t。由漁業(yè)養(yǎng)殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降以及湖水自身所形成的主要污染負(fù)荷見圖3。

圖3 2016年星海湖 COD(a)、TN(b)、TP(c)負(fù)荷組成分析Fig.3 Load composition analysis of COD(a)，TN(b)and TP(c)in Xinghai Lake in 2016

從污染負(fù)荷比例分析，COD、TN、TP均是湖水自身累計的污染物，占主導(dǎo)地位，占比分別為67%、27%和36%。在外源污染中，COD、TN、TP的主要污染源分別是黃河補水、干濕沉降和漁業(yè)養(yǎng)殖，占比分別為16%、25%和33%。2016年輸入星海湖的COD、TN和TP分別為 626.14 t、 115.30 t和10.88 t。由于歷史原因，星海湖各流域湖底存在高差，各流域之間水位不同，彼此隔斷，分別從大渠開口獨立補水，湖水只進不出，又不能連通循環(huán)和外排，水體只有蒸發(fā)和滲漏，外源性營養(yǎng)物質(zhì)逐漸濃縮富集，使富營養(yǎng)化程度逐漸加重。

3 討論與結(jié)論

湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生，主要是湖內(nèi)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的大量增加所致。氮和磷常被單獨或共同認(rèn)為是陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的主要營養(yǎng)現(xiàn)狀因子[7]。已有專家學(xué)者根據(jù)我國湖泊的實際情況及相關(guān)富營養(yǎng)化的調(diào)查資料提出了我國湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的分類標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中，總磷質(zhì)量濃度為0.02—0.05 mgL，總氮質(zhì)量濃度為0.4—1.2 mgL時，湖泊處于中營養(yǎng)狀態(tài);總磷總氮濃度高于該范圍時，可認(rèn)為湖泊處于富營養(yǎng)狀態(tài)[8]。同時,國內(nèi)已有學(xué)者將10 mgm3葉綠素a作為劃分水體富營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)閾值[9]。根據(jù)上述的分類標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)閾值規(guī)定，2015—2016年期間的星海湖處于絕對的富營養(yǎng)狀態(tài)，流域水質(zhì)呈逐漸惡化趨勢。常規(guī)監(jiān)測點水質(zhì)由2011—2014年的輕度富營養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)?015—2016年的中度富營養(yǎng)，通過對星海湖不同水域和周邊水系的補充監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，星海湖不同水域中輕度、中度和重度富營養(yǎng)化現(xiàn)象并存。在星海湖流域的部分水域已有可見藍藻，在下風(fēng)向有大片水華出現(xiàn)，而藍藻水華暴發(fā)是湖泊水體富營養(yǎng)化的一個重要表征[10]。星海湖的主要污染源為漁業(yè)養(yǎng)殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降等，其中漁業(yè)養(yǎng)殖和水源輸入造成污染的貢獻最大。在外源污染中，COD、TN、TP的主要污染源分別是黃河補水、干濕沉降和漁業(yè)養(yǎng)殖，分別占比為16%、25%和33%。因此，針對星海湖的污染現(xiàn)狀和污染來源，要加強外源性污染控制，一方面嚴(yán)格控制養(yǎng)殖業(yè)廢水以及生活污水等污染源入湖，消減氮磷的流入；另一方面應(yīng)減少農(nóng)田化肥農(nóng)藥的施用量，尤其控制農(nóng)田灌溉后退水流入水體，從源頭上控制星海湖輸入性水源的氮磷含量，從而有效減緩星海湖湖泊水體的富營養(yǎng)化進程。