開封城市湖泊水污染現(xiàn)狀研究

(河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引言

人們用于日常生活和工業(yè)、農(nóng)業(yè)等活動的主要水源來自于地表水，故地表水資源是各個水利部門和相關(guān)工作者的重點研究和保護對象[1]。我國水資源豐富，地區(qū)分布差異大，導(dǎo)致不同地區(qū)對于地表水資源的利用方式大相徑庭，這使得我國的地表水水質(zhì)狀況不容樂觀。在全國，高于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的斷面有62%，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面有近30%，這說明了我國水質(zhì)改善工作仍需加強[2]。水污染物可以通過多種途徑進入人體，破壞人體免疫系統(tǒng)，損害人體健康。目前國內(nèi)的地表水研究大多是針對大型河流或湖泊的水體污染情況、評價方法及其治理措施所展開的，對于小型城市湖泊的污染問題關(guān)注相對較少。

作為城市重要的地表水資源，城市湖泊有著維護生物多樣性、補充地下水、調(diào)節(jié)徑流等一系列生態(tài)功能，并對城市有著重要作用[3]。隨著城市經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，城市湖泊水污染問題也不斷加劇。以南京市玄武湖為例，城市中穿湖隧道等改變城市地貌的工程，影響了湖泊沉積物的結(jié)構(gòu)，改變了水體的自我凈化模式。再加之采用城市垃圾回填，加劇了水質(zhì)的惡化，導(dǎo)致了水污染事故出現(xiàn)[4]。武漢市的東湖，排入了大量城市污水，又由于水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類活動，導(dǎo)致氮磷濃度升高，使得東湖變成了一個富營養(yǎng)化的湖泊[5]，水生動植物種類減少，湖泊面積減小，水生態(tài)環(huán)境變得十分脆弱。針對此類城市湖泊水污染問題，2018年提出的《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》[6]進一步明確了攻堅戰(zhàn)階段的治理目標(biāo)是：2019年底之前，大幅度提高地級城市建成區(qū)的黑臭水體消除比例，2020年底之前將消除比例控制在90%以上。

開封城區(qū)內(nèi)湖泊眾多，河流縱橫，但近年來城市湖泊污染程度日益加重。2018年，開封入圍我國首批黑臭水體治理示范城市[7]。本文以開封城市湖泊作為研究對象，科學(xué)規(guī)范評估城市水體受污染情況，期望能為規(guī)范治理城市污染水體提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

開封市位于中原地區(qū)，淮河流域，緊鄰黃河，位于河南中東部，占地6444km2。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、雨量適中、氣候溫和的特點。年均氣溫為14.52℃，年均降水量為627.5mm，且夏季7、8月份為降水集中區(qū)[8]。開封市境內(nèi)五湖四河環(huán)繞分布，素有“北方水城”之稱[9]。

1.2 樣品采集

2018年10—11月，選擇開封市區(qū)內(nèi)具有代表性的5個湖泊(龍亭湖、鐵塔湖、金明池、包公湖和汴西湖)進行水樣采集。綜合考慮實際情況與環(huán)境差異，采取均勻布點，多點取樣，同時避開污染源和死水區(qū)，確保采樣點能代表湖泊整體的水質(zhì)情況。

利用采水器于水面下0.5m處采集約500mL水樣，將水樣放置于采樣瓶中，現(xiàn)場測定溶解氧含量，然后帶回實驗室，當(dāng)天測定水樣的pH和懸浮物含量，剩余樣品放到溫度為0℃～4℃的冰箱中保存，以備分析。

1.3 樣品處理與分析

參考《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，選取其中的七個指標(biāo)進行測定，即pH、溶解氧(DO)、懸浮物、總磷(TP)、總磷(TN)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)。其中，pH使用pHS-3c型pH計，采用玻璃電極法(GB6920-86)測定；DO利用電化學(xué)探頭法(GB11913-89)，通過德國Pyro Science FireSting O2光纖式氧氣測量儀進行測量；懸浮物采用重量法(GB11901-89)測定；總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定；總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)測定；NH3-N和COD使用連華科技5B-6C型多參數(shù)水質(zhì)分析儀，分別利用納氏試劑比色法(GB7479-87)和高錳酸鉀法(GB11892-89)測定。

1.4 水質(zhì)評價方法

合理的水質(zhì)評價可以判斷出水質(zhì)的主要污染因子，并進行類型判斷，目前常采用綜合污染指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和主成分分析法等方法對水質(zhì)進行評價[10]。綜合污染指數(shù)法計算簡便，能整體反映水質(zhì)情況[11]，而單因子指數(shù)法可直觀體現(xiàn)出造成水質(zhì)污染的主要因子[12]，相比較而言，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的運算簡便[13]。但它們均不能全面反映水體狀況。本文采用綜合污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法兩種方法對水質(zhì)的污染程度進行評價，可以較為全面地評價水質(zhì)情況。

1.4.1 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法通過結(jié)合河流或湖泊水質(zhì)的綜合污染指數(shù)和污染因子的貢獻率來進行污染狀況的判別并甄選主要的污染因子[14]。綜合污染指數(shù)是基于各因子污染指數(shù)來綜合評價湖泊水質(zhì)狀況。

溶解氧指數(shù)計算公式為：

式中：DOi為第i種水質(zhì)指標(biāo)的溶解氧濃度；DOf為飽和溶解氧濃度；DOs為溶解氧的水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)；T為水溫。

pH指數(shù)計算公式如下：

式中：pHsm為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH上下限值的平均值；Ds為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH上下限值差值的一半；pHsu為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值；pHsd為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的下限值。

其他因子指數(shù)的計算如下：

式中：Ci為第i種水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度(mg/L)；Si為第i種水質(zhì)指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)。

某一污染物在全部污染物中的貢獻率：

綜合污染指數(shù)：

式中：n為評測點的總數(shù)。

綜合污染指數(shù)法對水質(zhì)的分級如表1所示[15]。

表1 水質(zhì)綜合評價指數(shù)

1.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的應(yīng)用范圍廣，能夠兼顧極值和平均值，是國內(nèi)外計算污染指數(shù)的常用方法[16]。運用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分級評價水質(zhì)狀況的計算公式如下：

式中：PI為綜合污染指數(shù)(綜合反映各污染物對水體作用的差異);Pi,max為環(huán)境中各項污染指數(shù)中的最大值。

按照綜合污染指數(shù)PI值水質(zhì)狀況分級依據(jù)進行分級，分級依據(jù)見表2。

表2 綜合污染指數(shù)PI值水質(zhì)狀況分級依據(jù)

2 結(jié)果與分析

2.1 開封城市湖泊水質(zhì)理化性質(zhì)

從圖1可看出，城市湖泊水體SS平均質(zhì)量濃度范圍在9.00～25.40 mg/L，包公湖的SS濃度平均值最高，金明池SS濃度最低；5個湖泊不僅濃度差異較大，還有著顯著的空間特征。汴西湖和龍亭湖SS質(zhì)量濃度分布相對分散，而包公湖、鐵塔湖和金明池分布相對集中。水中的SS來自外源和內(nèi)源兩大途徑，其中外源性SS主要是由地表徑流帶入的細顆粒物，內(nèi)源性SS主要是水生生物的殘體、風(fēng)的擾動造成的底泥再懸浮[17]。由于開封市區(qū)內(nèi)的湖泊與河流不相通，因此水中的SS主要以內(nèi)源性為主?？紤]到包公湖的周邊環(huán)境，其SS還有汽車尾氣與揚塵帶來的外源性SS。即包公湖周邊繁忙的交通和水生生物的殘體、底泥再懸浮的內(nèi)源性SS、以及冬天湖泊水位下降等因素使得水體的懸浮物濃度偏高。

與SS相比，不同湖泊之間DO含量差異較小，其平均質(zhì)量濃度范圍在9.23～11.28 mg/L。龍亭湖的DO濃度平均值最高，高于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)7.5 mg/L，汴西湖的DO濃度最低；湖泊DO含量在空間位置上分布相對集中，主要分布在8.54 ～10.29 mg/L，其中龍亭湖的DO質(zhì)量濃度在10.66～11.80 mg/L，明顯高于金明池與汴西湖。

從圖2可以看出，TP平均質(zhì)量濃度范圍在0.11～0.30 mg/L，其中包公湖的TP濃度平均值最高，且要高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/L，汴西湖的TP濃度最低；不同湖泊之間TN含量差異較大，其平均值范圍為1.48～6.50 mg/L，其中龍亭湖的TN濃度最高，汴西湖的TN濃度最低；不同湖泊之間NH3-N濃度也存在一定差異，其平均質(zhì)量濃度范圍為0.38～3.81 mg/L，汴西湖的NH3-N濃度平均值最低，而包公湖的NH3-N濃度平均值最高，且高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)2.0 mg/L；通過計算NH3-N與TN的比例，發(fā)現(xiàn)汴西湖與鐵塔湖的NH3-N占比最高，達55%，金明池最低，為9%。

從圖2的COD含量圖可看出，COD平均質(zhì)量濃度范圍在21.49～149.87 mg/L，龍亭湖與其他湖泊COD含量差異很大，且高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)40 mg/L，金明池的COD濃度最低；金明池、汴西湖和包公湖的COD濃度值在空間分布上較為集中且整體數(shù)值相對較低，而龍亭湖的COD濃度值分布較分散，整體數(shù)值較高。

從圖2的pH含量圖可看出，pH值范圍在8.33～9.40，包公湖的pH平均值最高，并且比GB3838-2002中pH規(guī)定的最高值9還要高，金明池的pH值最低；不同湖泊之間pH值差異較小，其pH值時空分布更加集中，水體pH較為穩(wěn)定，都呈現(xiàn)堿性。

2.2 城市湖泊水體污染評價

2.2.1 綜合污染評價

選取各個監(jiān)測點每項指標(biāo)的平均值，依據(jù)GB3838-2002的V類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進行單因子指數(shù)計算，結(jié)果見表3和表4。

從表3中可以看出，龍亭湖、鐵塔湖、包公湖的pH高于V類水標(biāo)準(zhǔn)，金明池和汴西湖的pH符合V類水標(biāo)準(zhǔn)；4個湖的DO含量皆符合V類水標(biāo)準(zhǔn)；龍亭湖和包公湖的COD含量較高，金明池和汴西湖較低；金明湖、龍亭湖和汴西湖中NH3-N含量較低，鐵塔湖和包公湖中NH3-N含量嚴重超標(biāo)；TP指標(biāo)情況總體較好，只有包公湖和鐵塔湖含量較高，龍亭湖、金明池和汴西湖皆符合V類水標(biāo)準(zhǔn)；TN含量除了汴西湖達標(biāo)外，其他4個湖的含量都高出標(biāo)準(zhǔn)，龍亭湖尤為嚴重，包公湖次之。表4顯示，在金明池、龍亭湖、汴西湖和鐵塔湖中，TN的貢獻率最高，分別達到了45.35%、41.96%、24.34%和36.09%；在包公湖中NH3-N的貢獻率最高，達到了32.90%。4個湖中DO的貢獻率皆是最低值。

表3 湖泊單因子水質(zhì)指數(shù)

表4 湖泊各項指標(biāo)的貢獻率

通過單因子指數(shù)可得各湖泊水質(zhì)類型如表5所示。通過綜合污染指數(shù)可得各湖泊水質(zhì)狀況，詳見表6。

表5 各湖泊水質(zhì)分類

表6 綜合水質(zhì)指數(shù)及評價結(jié)果

根據(jù)表5可知，除汴西湖水質(zhì)較好，為Ⅳ類水外，其他4個湖均為劣Ⅴ類水。根據(jù)表6可知，金明池與汴西湖為輕度污染，其他3個湖泊為重度污染。綜合兩種指數(shù)來看，5個湖均有不同程度的污染，其中汴西湖的污染情況較輕，包公湖的污染情況較為嚴重。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染評價

采用內(nèi)梅羅指數(shù)分析結(jié)果如表7所示。

表7 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法計算得汴西湖PI為0.65，水質(zhì)優(yōu)良。金明池PI為1.82，龍亭湖PI為2.65，鐵塔湖PI為1.98，包公湖PI為3.11，污染情況均為中度污染。金明池、龍亭湖、鐵塔湖和包公湖4個湖相比較，包公湖的污染程度較嚴重，金明池的污染程度較輕。

2.3 污染源分析

在本次研究中，處在開封市區(qū)的龍亭湖、包公湖、金明池與鐵塔湖均沒有外來河流補給，面積較小，流動性不強，水體自凈能力差，易受到污染[18]。水體的污染來自內(nèi)源與外源兩個方面，內(nèi)源主要是位于底部的污染物質(zhì)經(jīng)過物理化學(xué)生物反應(yīng)，從附著的物質(zhì)上釋出。外源較多，如由于4個湖均位于景區(qū)內(nèi)，由于景區(qū)管理不善、游客素質(zhì)問題而引起的垃圾胡亂丟棄現(xiàn)象以及景區(qū)娛樂設(shè)施如小艇的使用都可導(dǎo)致湖泊污染，并且湖泊附近有居民區(qū)、飯店、商場、學(xué)校等人流較大的基礎(chǔ)設(shè)施，生活污水、廚余垃圾、交通尾氣、道路塵土等都會污染水質(zhì)。其次還有地表徑流帶來的污染，大氣中的污染物質(zhì)、地表聚集物等污染物都會通過雨水徑流進入湖泊，對湖泊造成污染[19]。汴西湖位置偏僻，在開封市新區(qū)的東部，且是新建湖泊，因此和其他4個湖相比，污染程度較輕。主要是岸邊植物殘枝落葉落入水中或水生植物殘體在水內(nèi)腐化分解形成的污染[19]。

3 建議

湖泊水污染問題作為阻礙開封生態(tài)文明建設(shè)的不利因素，因其具有牽涉范圍廣、治理過程復(fù)雜、治理費用高等特點而難以得到有效地控制和改善，建議從以下幾個方面入手：

(1)重視湖泊營養(yǎng)化問題，以污染源控制為重點，尤以湖泊周圍居民生活區(qū)、商業(yè)區(qū)點源污染控制為主。對于工業(yè)廢水與生活污水, 須精準(zhǔn)到廠、到戶，按照水污染物排放管理標(biāo)準(zhǔn)進行管理, 避免湖泊污染[20]。

(2)可通過多重途徑來治理水體污染，如控源截污、補水活水。降低水體中污染物濃度，恢復(fù)其自凈能力。例如：定期清理河道附近的垃圾、周邊植被的凋落物與水體內(nèi)部的植物殘體，避免其腐爛繼而污染水體并且消耗氧氣；可以使用建立人工濕地、種植特定水生植物等修復(fù)手段，繼而加強水體自身凈化能力，實現(xiàn)保障水體安全的目的，從而改善環(huán)境質(zhì)量[21]。

(3)政府是治理湖泊污染的執(zhí)行人和引導(dǎo)人，應(yīng)發(fā)揮其宏觀調(diào)控作用，鼓勵多元主體參加，根據(jù)水環(huán)境污染情況，在各相關(guān)部門配合下，保證水污染治理的及時性、有效性。加速水環(huán)境信息公開的法治建設(shè)，激發(fā)民眾參與水環(huán)境治理工作的主觀能動性。在具體的污水治理工作實踐中，可采取獎罰并重的方式，嚴厲懲處違法排放污水的主體，獎勵表彰積極凈化污水的單位[22]。