廣西會仙濕地水質現(xiàn)狀分析與評價

李路祥,李金城,韋春滿,周 姣,張 琴,劉輝利,王 俊,喬政皓

(桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院,廣西 桂林 541006)

0 引 言

濕地是陸地與水生環(huán)境相互交錯的重要生態(tài)景觀, 在氣候變化、 生物多樣性、 水文和人類健康等方面, 具有其他生態(tài)系統(tǒng)不可替代的作用[1-2]。 廣西會仙濕地是中國低海拔地區(qū)最大、 最具代表性的巖溶濕地, 由分水塘、 睦洞湖與古桂柳運河等濕地構成, 是漓江水生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分, 對廣西桂林地區(qū)起著極其重要的生態(tài)修復作用[3-4]。 近年來, 隨著經濟社會的發(fā)展和人口增加, 受各種因素影響, 濕地面積日益減少, 珍貴的瀕危動植物資源減少, 水體富營養(yǎng)化進程不斷加快, 會仙濕地實際上已經成為周邊工農業(yè)、 養(yǎng)殖業(yè)污染物排放的匯集地[5-6]。 會仙濕地經濟社會發(fā)展與環(huán)境保護矛盾日益突出, 因此, 會仙濕地水污染治理已刻不容緩。 政府部門和學者對會仙濕地的基礎研究工作也開始展開, 李暉等[7]通過“壓力—狀態(tài)—響應”模型發(fā)現(xiàn), 由于常年積水、 農業(yè)生產等影響, 會仙濕地已處于較差的生態(tài)健康狀況; 邢夢龍等[8]對會仙巖溶濕地等間距布點， 監(jiān)測豐水期和枯水期濕地水質， 水體均屬于氮磷富營養(yǎng)化， 水質為Ⅴ類和劣Ⅴ類， 豐水期的水污染輕于其枯水期，氮磷污染高負荷主要來自于養(yǎng)殖場、生活污水和工業(yè)廢水;程亞平等[9]對會仙濕地的退化特征研究表明,會仙濕地地下水水質較好,地表水污染嚴重,土壤退化程度嚴重,大量動物已絕跡;陳瑞紅等[10]指出,會仙濕地部分水域已發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象,污染源附近點位CODCr和TP污染嚴重,達到Ⅳ、Ⅴ類水質。

水質現(xiàn)狀分析與評價是掌握湖泊濕地水環(huán)境狀況和進行水質管理的基礎[11-13]。為了解廣西會仙濕地的水污染最新狀況,本文以會仙濕地豐水期和枯水期為研究時段,分析了水質現(xiàn)狀及主要污染物,并對水質和富營養(yǎng)化狀況進行綜合評價,以期為會仙濕地的污染治理和管理提供科學的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

廣西會仙濕地位于桂林市臨桂、雁山區(qū)境內,地處低緯度(110°08′15″E—110°18′00″E, 25°01′30″N—25°11′15″N),涵蓋會仙鎮(zhèn)、四塘鄉(xiāng)及雁山區(qū)內的46個自然村,規(guī)劃總面積586.75 hm2,是我國最典型的巖溶峰叢洼地和峰林平原地區(qū)[5,7-8]。該區(qū)處于亞熱帶季風氣候地帶,年平均氣溫為19.2 ℃,豐水季節(jié)為每年3—8月,枯水季節(jié)為9月至次年2月[9]。會仙濕地資源豐富,物種繁多,且有白鱔、白鷺、燈鳥、野生天鵝和野生稻等珍稀動植物[14]。濕地內主要水體有分水塘、古桂柳運河及睦洞湖等,是漓江流域重要水源補給地,濕地水30%流入漓江,70%流入柳江[15]。

1.2 樣品的采集與分析

在會仙濕地共設置8個濕地水采樣點。其中在分水塘設置1個采樣點(分水塘S1), 古桂柳運河河道設置2個采樣點(七星碼頭S2和三義碼頭S3), 睦洞湖設置5個采樣點(睦洞湖東側S4、 橋背S5、 狗石嶺S6、 龍山門S7和龍山底S8),具體采樣位置如圖1所示。

圖1 會仙濕地水采樣點分布示意圖Fig.1 Sampling locations of Huixian wetland

采樣時間為2017年4月(豐水期)和10月(枯水期)。在各監(jiān)測點位水面下0.5 m處使用采水器重復采集水樣3次,存放在干凈的聚乙烯瓶中,24 h內置于4 ℃冰箱保存。采樣前使用便攜式多參數(shù)水質分析儀現(xiàn)場測定溶解氧、pH值、電導率和水溫,采用塞氏盤法測定透明度。主要水質指標的測定方法參見文獻[16]。

2.3 水質和富營養(yǎng)化評價方法

水質評價采用綜合污染指數(shù)評價方法[17],評價標準參見《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002); 富營養(yǎng)化評價采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(EI)[18]， 評價標準參見《地表水資源質量評價技術規(guī)程》(SL 395—2007)。

3 結果與討論

3.1 濕地水質現(xiàn)狀分析

3.1.1 溶解氧 會仙濕地水DO濃度變化如圖2所示,DO濃度年均值為5.63 mg/L,范圍在1.90～11.55 mg/L。對濕地豐水期和枯水期8個點位DO濃度作無重復雙因子方差分析表明,DO濃度在時間分布(P=0.016<0.05)和空間分布(P=0.013<0.05)上均有顯著差異。濕地枯水期DO濃度均值為6.96 mg/L,比豐水期高2.72 mg/L,一方面是由于枯水期濕地水位較低,風浪擾動大,促進空氣中的氧氣進入水體;另一方面,秋季低溫抑制了水生生物的活動,使得水體復氧率增大[19]。豐水期除S7和S8點外,其他點位DO濃度都低于地表Ⅲ類水標準(5.00 mg/L),這主要與夏季水溫較高有關。從圖2可以看出,會仙濕地DO濃度空間分布規(guī)律明顯,從上游S1(3.50 mg/L)和S2(1.60 mg/L),流經S4、S5、S6、S7至S8呈上升趨勢,并在S8處出現(xiàn)最大值(9.32 mg/L)。其中S1、S2和S3點常年均低于地表Ⅲ類水標準,說明濕地上游水生生物生長環(huán)境較差,S1點生長有大量的水葫蘆,消耗水中大量氧氣,同時阻止了空氣中的氧氣進入水體,S2和S3與運河河道兩岸的農業(yè)和生活污水的排放有關。

圖2 會仙濕地溶解氧變化Fig.2 Change of dissolved oxygen in Huixian wetland

3.1.2 化學需氧量 會仙濕地CODCr值變化如圖3所示,CODCr年均值為22.67 mg/L,范圍在5.95～50.91 mg/L。對CODCr值作無重復雙因子方差分析表明，CODCr值在不同時間、空間均無顯著差異。除S3點外,枯水期其他點位CODCr值均低于地表Ⅲ類水標準(20.00 mg/L),說明枯水期會仙濕地未受到有機物污染?？梢钥闯?會仙濕地CODCr值沒有明顯的空間變化趨勢,但豐水期從上游S1(28.44 mg/L)和S2(33.70 mg/L),流經S4、S5、S6、S7至S8整體呈下降趨勢,并在S8出現(xiàn)最小值15.80 mg/L。其中S2點CODCr值常年高于地表Ⅲ類水標準,且枯水期明顯高于豐水期,說明該點受點源污染的影響,事實上S2點為生活密集區(qū),生活污水的排放是其點源污染主要來源。S6豐水期CODCr值為38.08 mg/L, 比枯水期高25.52 mg/L, 說明S6有機物污染主要來源于面源, 一方面豐水期徑流量大, 攜帶沿岸復雜的有機污染物也相應增多; 另一方面雨水可能沖擊濕地沉積物, 使已沉積的有機物再度釋放出來, 加重有機物污染。

圖3 會仙濕地CODCr變化Fig.3 Change of CODCr in Huixian wetland

由相關性分析可知, 濕地TN和NH3-N呈極顯著正相關(r=0.986,P<0.01)。 可以看出, 會仙濕地TN和NH3-N在空間分布上的變化規(guī)律基本一致, 從上游S1(2.33、0.68 mg/L)和S2(6.60、4.99 mg/L), 流經S4、 S5、 S6、 S7至S8呈下降趨勢, 并在S8出現(xiàn)最小值1.25和0.37 mg/L。其中古桂柳運河河道受氮污染最為嚴重,TN和NH3-N濃度均超過了地表Ⅲ類水標準(2.00 mg/L),分析原因主要在于生活污水的排放,以及農業(yè)化肥、垃圾和家禽糞便堆放點水溶性氮經溝渠或地表徑流流進濕地水體。

圖4 會仙濕地TN變化Fig.4 Change of TN in Huixian wetland

圖5 會仙濕地NH3-N變化Fig.5 Change of NH3-N in Huixian wetland

圖6 會仙濕地NO3-N變化Fig.6 Change of NO3-N in Huixian wetland

圖7 會仙濕地總磷變化Fig.7 Change of total phosphorus in Huixian wetland

圖8 會仙濕地變化Fig.8 Change of in Huixian wetland

3.1.5 葉綠素a 會仙濕地水的Chl-a濃度變化如圖9所示,葉綠素a均值為10.04 mg/m3,范圍在0.53～36.60 mg/m3。對Chl-a濃度作無重復雙因子方差分析表明,Chl-a濃度在時間、空間分布上均有顯著差異?？菟谌~綠素a含量均值為17.49 mg/m3明顯高于豐水期2.59 mg/m3,主要原因是10月份剛進入枯水期,經過一個夏天的生長期,水中的藻類累積到最大值,這時水中的藻類繁殖最大[22]。濕地Chl-a濃度空間分布規(guī)律明顯,從上游S1(4.30 mg/m3)和S2(3.14 mg/m3),流經S4、S5、S6、S7至S8呈上升趨勢,并在S7處出現(xiàn)最大值(18.95 mg/m3), 這與DO濃度空間分布變化趨勢基本一致。 由相關性分析, 可知Chl-a與DO呈極顯著正相關(r=0.880,P<0.01),說明隨著DO濃度的上升,浮游植物的生長速度也隨之加快。

圖9 會仙濕地葉綠素a變化Fig.9 Change of Chl-a in Huixian wetland

3.2 水質評價

水質評價采用水質綜合污染指數(shù)評價方法,并計算污染負荷分擔率Ki值。

(1)

Pi=Ci/Si；

(2)

(3)

式中：Pi為污染物i的污染指數(shù);n為參加評價的污染物個數(shù);Ci為污染物i的實測濃度;Si為污染物i的評價標準;P為水質綜合污染指數(shù);Ki為污染負荷分擔率。

綜合污染指數(shù)評價法依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水體水質標準確定,使用的評價因子及標準限值參見表1。綜合污染指數(shù)對應水質等級為:0.21～0.40,較好;0.41～0.70,輕度污染;0.71～1.00,中度污染;1.01～2.00,重污染;≥2.00,嚴重污染。

表1 地表水相關指標Ⅲ類水質標準限值

Table 1 Limit value of Ⅲ class for surface water mg/L

DOCODCrCODMnNH3-NTPTN≥5≤20≤5≤1.0≤0.2≤1.0

水質指標的值取各采樣點兩次采樣的平均值進行計算,各采樣點的水質綜合污染指數(shù)P值計算結果見表2,其污染負荷分擔率Ki值見表3。

表2 會仙濕地各采樣點水質污染指數(shù)

表3 各采樣點位水質指標Ki值

會仙濕地各點水質污染指數(shù)在0.72～4.23,各監(jiān)測點處于不同程度的污染,其中S2和S3點大于2.00,達到嚴重污染水平;S1和S4大于1.01,達到重度污染水平;而其他監(jiān)測點在0.71～1.00,處于中度污染水平。污染負荷分擔率Ki值的最大值主要集中在TN(24.15～35.70), 說明TN對會仙濕地水污染貢獻值最大, 其次是DO(3.97～38.71)和CODMn(9.86～25.80)。從空間上分析,S2和S3點處于古桂柳運河河道上,附近有排污口,大部分未經處理的生活污水通過明渠排放進入濕地河道內,這是河道水體污染程度嚴重的主要原因;其次,河道附近垃圾堆放點和農業(yè)耕作使用的氮肥、磷肥、農家肥等會對濕地水體造成一定程度的面源污染,加劇河道水體惡化。S1點為古桂柳運河水體的源頭,附近有一定的漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū),部分未經處理的養(yǎng)殖廢水直接排放,導致分水塘水體污染程度重。S4點位于運河河道與睦洞湖的交匯處, 曾經是圍水造塘區(qū), 常年養(yǎng)殖形成的底泥污染物長期釋放, 使該點處于重污染水平。 其他點位位于睦洞湖, 為會仙濕地的核心區(qū), 水域開闊, 且有大量的滿江龍、 蘆葦?shù)人参? 能有效地吸收和降解氮磷等污染物, 使水質得到凈化。

3.3 富營養(yǎng)化評價

根據(jù)2017年4月和10月的水質數(shù)據(jù), 選取TN、 TP、 CODMn與Chl-a為評價指標,采用《地表水資源質量評價技術規(guī)程》(SL 395—2007)推薦的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法, 開展會仙濕地水體富營養(yǎng)化評價。 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法分級評價標準見表4, 計算公式為

(4)

式中:N為評價項目個數(shù);En為評價項目賦分值;EI為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

表4 EI的分級評價標準

會仙濕地水體富營養(yǎng)化程度評價結果見圖10。各點位EI均值都大于50,可知會仙濕地水體整體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。濕地富營養(yǎng)化程度呈現(xiàn)一定的時間變化性,枯水期EI值高于豐水期,除睦洞湖豐水期處于中營養(yǎng)狀態(tài)外,其他區(qū)域都處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。由營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI值可知,會仙濕地不同區(qū)域水體富營養(yǎng)化程度表現(xiàn)為:運河河道>分水塘>睦洞湖。其中,運河河道水體屬于輕度—中度富營養(yǎng)化,分水塘處于輕度富營養(yǎng)化,睦洞湖介于中營養(yǎng)—中度富營養(yǎng)化之間。

圖10 富營養(yǎng)化評價結果Fig.10 Evaluation results of eutrophication degree

EI值在時間尺度上與DO和Chl-a濃度呈現(xiàn)出較為一致的趨勢,說明會仙濕地富營養(yǎng)化與藻類的生長有關,同時受水溫及DO濃度影響;而在空間尺度上,則與氮磷指標的趨勢基本一致,說明EI值能夠很好地反映氮磷的濃度空間分布特征。在污染較為嚴重的運河河道,其EI值也相對較高,一方面排放的污染物可能含有有機物及氮磷等營養(yǎng)鹽;另一方面污染物的排放對水生植物產生毒害作用,使有機物、氮磷難以降解。因此,人為污染對濕地的富營養(yǎng)化水平有很大影響[23]。近年來,會仙濕地得到了一定的管理和保護,但是在農村生活污水、養(yǎng)殖廢水等點源污染控制還遠遠不夠,這在古桂柳運河河道上尤為突出;其次,污染物長期在水中累積,最后沉積于底泥中,使底泥成為會仙濕地內源污染貢獻者[24-25];最后,由于會仙濕地的年平均降雨量達到1 800 mm左右,雨水徑流造成的污染也較嚴重。因此,加強點源污染與內源污染的治理,并推進濕地非點源污染控制,對會仙濕地水體水質改善具有實際意義。

4 結 論

(1)會仙濕地污染物時空特征分布明顯,時間分布上,枯水期DO與Chl-a濃度顯著高于豐水期;空間分布上,DO與Chl-a濃度從濕地上游至下游呈上升趨勢, TN和NH3-N濃度則呈下降趨勢。

(2)綜合污染指數(shù)評價表明,濕地各點呈現(xiàn)不同程度的污染,其中運河河道已達到嚴重污染水平。污染負荷分擔率表明，TN對會仙濕地水體污染貢獻值最大,其次是DO和CODMn。

(3)濕地中運河河道水體屬于輕度富—中度營養(yǎng)化,分水塘處于輕度富營養(yǎng)化,睦洞湖介于中營養(yǎng)—中度富營養(yǎng)化,各點位EI均值都大于50,可知會仙濕地水體整體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。