東大湖水質(zhì)特征分析及水質(zhì)改善對策

譚發(fā)宇祝璐楊蒴黃娟

（ 1. 武漢市東西湖區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，湖北武漢 430000； 2. 武漢市生態(tài)環(huán)境局東西湖區(qū)分局，湖北武漢 430000；3. 武漢市江夏區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，湖北武漢 430000）

1 引言

湖泊富營養(yǎng)化是世界地表水的主要問題。 近年來，隨著人口增長、城市規(guī)模擴(kuò)大和工業(yè)發(fā)展，城市湖泊的污染越來越嚴(yán)重， 湖泊的富營養(yǎng)化問題尤為突出［1-2］。 造成湖泊富營養(yǎng)化的主要原因是：在自然和人為因素的共同干擾下，大量的營養(yǎng)鹽輸入湖泊，使得水體中碳、氮、磷等生源要素增加，從而導(dǎo)致浮游植物生物量增加，水體透明度下降，使之從貧營養(yǎng)湖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I養(yǎng)湖［3］。 湖泊中氮磷營養(yǎng)鹽的嚴(yán)重富集會導(dǎo)致浮游植物異常繁殖，造成水體缺氧，破壞水體生態(tài)平衡［4］。 城市湖泊受納了大量的點(diǎn)源污水和面源污水， 是受人類影響最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)之一。 同時(shí)，由于水體面積往往較小，水體自凈能力差， 城市湖泊面臨著水體污染和生態(tài)系統(tǒng)退化的雙重壓力［5］。 東大湖為城市淺水湖，通過實(shí)施七湖連通、涉湖排口截污、湖泊退養(yǎng)等措施，水質(zhì)有所改善，化學(xué)需氧量（ COD）下降明顯，但總氮（ TN）、總磷（ TP）持續(xù)超標(biāo)，成為湖泊水質(zhì)改善的瓶頸，湖泊水質(zhì)一直為劣Ⅴ～Ⅴ之間，這與氮磷問題的特殊性有關(guān)，其同時(shí)受外源性和內(nèi)源性的影響， 也與湖泊的功能定位有關(guān)。 東大湖是典型淺水型城中湖，研究其氮磷持續(xù)超標(biāo)的成因，提出應(yīng)對的對策，以期能有效緩解東大湖的富營養(yǎng)化問題， 同時(shí)也對解決同類淺水型城中湖的富營養(yǎng)化問題有所啟發(fā)。

2 材料與方法

2.1 自然概況

東大湖位于武漢市東西湖區(qū)東部， 是漢口地區(qū)面積最大的城中湖，處于113°53′～114°30′E，30°34′～30°47′N， 湖泊水面面積為374.5 hm2， 岸線長度27.45 km，平均水深為2.2 m，周邊為城市建成區(qū)。 水體平時(shí)多呈典型的淺水封閉或半封閉狀態(tài)， 湖泊汛期主要接受徑河來水， 汛期匯流范圍內(nèi)的雨水經(jīng)東大湖調(diào)蓄后，經(jīng)東流港、徑河，由塔爾頭泵站及白馬涇泵站抽排至府河； 非汛期則由塔爾頭閘或李家墩閘自排出府河。湖泊水體功能區(qū)劃為Ⅲ類，水體功能主要為雨水調(diào)蓄、生態(tài)、景觀娛樂。

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)來源及分析方法

東大湖歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)（ 2013—2019 年）收集自工棚山、嚴(yán)家渡、李家墩3 個(gè)測點(diǎn)的地表水常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)分布見圖1，監(jiān)測COD、氨氮（ NH3-N）等28項(xiàng)地表水監(jiān)測指標(biāo)。

圖1 東大湖常規(guī)采樣點(diǎn)示意

水體營養(yǎng)狀態(tài)采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（ TLI）評價(jià)，評價(jià)方法參照《 湖泊（ 水庫）富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定》（ 總站生字〔 2001〕090 號），選取2013—2019 年的高錳酸鹽指數(shù)（ CODMn）、透明度（ SD）、TN、TP、葉綠素a（ Chl-a）進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)見表1。

表1 東大湖2013—2019 年水質(zhì)主要監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù) mg/L

3 數(shù)據(jù)分析及相關(guān)結(jié)論

3.1 水質(zhì)現(xiàn)狀

（ 1）水質(zhì)富營養(yǎng)化程度。 東大湖2013—2019 年的湖泊TLI 指數(shù)范圍為62～65，趨于穩(wěn)定，處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

（ 2）湖泊COD 下降明顯。 其中2018 年東大湖COD 已達(dá)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2019 年較2013 年COD 下降率為39.5%，下降明顯，這與東大湖實(shí)施了七湖連通、涉湖截污等工程有關(guān)。

（ 3）TN，TP 超標(biāo)問題正成為湖泊水質(zhì)改善的瓶頸。按照單因子指數(shù)評價(jià)，2013—2019 年，每年28 項(xiàng)地表水監(jiān)測指標(biāo)年均值中，TP，TN 常年位于超標(biāo)倍數(shù)的第一、二位，其中TP 超標(biāo)倍數(shù)最高。

（ 4）氮磷比（ N/P）為適于藻類生長的范圍。已有研究表明，當(dāng)水體中TN，TP 濃度分別達(dá)到0.20，0.02 mg/L以上時(shí)，水體存在發(fā)生富營養(yǎng)化的潛在危險(xiǎn)。東大湖的TN，TP 現(xiàn)狀值均大于這2 項(xiàng)限值。 湖泊富營養(yǎng)化不僅與氮、磷含量有關(guān)，而且N/P 也是一個(gè)重要的影響因子［6］。 有學(xué)者提出富營養(yǎng)化評估的營養(yǎng)物限制性劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)水體中N/P＜7～10 時(shí)，藻類生長表現(xiàn)為氮限制狀態(tài)；N/P＞22.6～30 時(shí)， 磷將成為藻類生長的限制性因子；N/P 介于兩者之間時(shí)為藻類生長的合適范圍［7］。除2016 年東大湖N/P 為9，其余在13～19 之間，可認(rèn)為湖泊N/P 為適應(yīng)藻類生長的合適范圍。

（ 5）水體自凈能力弱。水體中氮素常以還原態(tài)及氧化態(tài)2 種形式存在［7］，由表2 可知，TN 與NH3-N呈顯著相關(guān)， 說明水體中氮素多以NH3-N 形式存在，意味著水體氧化能力下降，自凈能力較弱。

表2 東大湖2019 年月主要監(jiān)測指標(biāo)相關(guān)性分析

3.2 氮磷的時(shí)空污染特征

TN，TP 是影響湖泊水質(zhì)改善的關(guān)鍵因素， 因此選擇2019 年全年每月嚴(yán)家渡、工棚山、李家墩3 個(gè)測點(diǎn)的TN，TP 監(jiān)測值進(jìn)行分析。

3.2.1 TN，TP，COD 月均值分析

如圖2 所示，COD 的月均值變化與TN 濃度變化有相反的趨勢， 枯水期COD 值較低， 但TN 值較高。 在豐水期的7 月，COD 值降到最低，隨后逐月升高，而TN 一直在1.9～2.6 mg/L 之間波動，在11 月達(dá)到最低后， 又逐月升高， 在枯水期的2 月達(dá)到最高值。 可見COD 受外源影響較大，豐水期由于降水以及水體對外交換，COD 值較低。

圖2 東大湖2019 年COD，TN 月平均濃度

如圖3 所示， 經(jīng)對比COD 月均值的變化同TP濃度變化的趨勢，自2 月TP 濃度達(dá)到最高后，TP 濃度在0.10～0.19 mg/L 之間波動，且在豐水期的7 月，COD，TP 均值均較低， 可能與7 月豐水期降水稀釋以及水體對外交換輸出磷有關(guān)。

圖3 東大湖2019 年COD，TP 月平均濃度

根據(jù)圖4 可以看出，TN，TP 月平均濃度的變化趨勢具有較高的一致性，TN，TP 月平均濃度的最高值均出現(xiàn)在2 月，最低值均出現(xiàn)在11 月。 2 月屬于枯水期， 與枯水期底泥中內(nèi)源性的氮磷的釋放以及水體同外界水系交換少有關(guān)。

圖4 東大湖2019 年TN，TP 月平均濃度

3.2.2 TN，TP，COD 的空間分布

2019 年3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的TN 濃度分布見圖5。

圖5 2019 年3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的TN 濃度分布

2019 年3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的TP 濃度分布見圖6。

圖6 2019 年3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的TP 濃度分布

2019 年3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的COD 濃度分布見圖7。

圖7 2019 年3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的COD 濃度分布

東大湖3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的COD，TN，TP 濃度的空間分布上，均為嚴(yán)家渡＞工棚山＞李家墩，根據(jù)圖1 可以看出，嚴(yán)家渡距離?？诮匚坶l最近，同時(shí)雨季也受外部水系沖擊大， 故嚴(yán)家渡的COD，TN，TP 均值高于工棚山、李家墩。

4 成因分析

根據(jù)東大湖水系連通現(xiàn)狀、 水體功能、 截污管網(wǎng)、周邊排水體制等情況，結(jié)合湖泊排口調(diào)查，對東大湖水質(zhì)超標(biāo)成因進(jìn)行分析。

4.1 外部水系影響

東大湖通過徑河與外部渠系連通， 主要承接上游蔬菜溝、總干溝、東流港等來水，設(shè)有節(jié)制閘，由于水位調(diào)節(jié)需要， 開閘后溝渠水系通過徑河進(jìn)入東大湖再經(jīng)白馬涇、李家墩泵站排入府河，在部分時(shí)段承擔(dān)著河流的作用，其水質(zhì)受到外部水系的影響。與東大湖連通的外部水系兼有灌溉和排水功能， 雨季溝渠匯集地表徑流（ 施用化肥、農(nóng)藥會隨地表徑流被帶入溝渠），同時(shí)部分溝渠經(jīng)過的村灣由于污水管網(wǎng)不完善，存在污水排入溝渠的現(xiàn)象，造成了溝渠水質(zhì)較差（ 2016 年以來徑河、總干溝水質(zhì)一直處于Ⅴ類與劣Ⅴ類之間），雨季節(jié)制閘開啟，外部水系與東大湖連通，對湖水水質(zhì)造成沖擊，磷的負(fù)荷會升高，且該影響為長期性的。

4.2 開閘影響

東大湖為城中湖， 周邊吳家山片區(qū)及金海工業(yè)園主要為居住、工業(yè)區(qū)，排水體制為雨污合流制，東大湖兼有雨水調(diào)蓄功能， 夏季6—9 月為豐水期，暴雨（ 降水量超過16 mm/h）不能及時(shí)抽排時(shí)，則截污閘開啟大量污水排入東大湖，嚴(yán)重影響湖泊水質(zhì)。截污閘及監(jiān)測點(diǎn)位分布見圖1。 根據(jù)資料，海口截污閘于2018 年5 月開啟1 次，大量污水排入東大湖嚴(yán)家渡區(qū)域。 根據(jù)表3 可知，截污閘開啟前后，東大湖TP濃度值明顯升高， 水質(zhì)由Ⅴ類降為劣Ⅴ類，TP 增長幅度在40%～80%之間，對水質(zhì)有較大影響，且TP 的濃度由高到低依次為嚴(yán)家渡、工棚山、李家墩，距離?？诮匚坶l最近的嚴(yán)家渡TP 增長幅度最高，說明受開閘影響較大。

表3 2018 年5—6 月東大湖TP 變化情況統(tǒng)計(jì)

4.3 周邊管網(wǎng)的滲漏、雨污混流

東大湖周邊存在大量的住宅小區(qū)， 通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，排口存在兩類問題：一類是管網(wǎng)混接、錯(cuò)接、漏接或雨污混流導(dǎo)致的污水直接排湖； 另一類是由于部分污水管和截污管網(wǎng)位于水位以下， 隨著運(yùn)行年限的增長，存在破損、斷裂、下沉等各類病害，導(dǎo)致污水滲漏入湖，其污水滲漏量不可忽視。

4.4 外部含污明渠倒灌

由于金銀湖片區(qū)主要規(guī)劃為居住用地， 隨著住宅小區(qū)的陸續(xù)建成入住及外部管網(wǎng)的不斷完善，接入漢西污水廠的污水量劇增， 服務(wù)該區(qū)域的漢西污水處理廠一直處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。 而機(jī)場河明渠長期以來有污水排入， 在漢西污水廠處理能力不足的情況下，通往主箱涵內(nèi)污水水位長期居高不下，造成反向頂推、倒灌，導(dǎo)致機(jī)場河污水或周邊居民區(qū)污水進(jìn)入東大湖。

4.5 底泥中氮磷的釋放

水中磷的來源主要包括內(nèi)源性磷和外源性磷，當(dāng)外源性磷得到有效控制后， 湖泊沉積物中內(nèi)源性磷的釋放會成為水體富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因子。 底泥中磷形態(tài)和環(huán)境因素影響著其遷移轉(zhuǎn)化和釋放。 富營養(yǎng)化湖泊底泥氮磷釋放量受到pH 值、 溫度和上覆水營養(yǎng)鹽濃度的影響［8-10］。 除此之外，底泥的物理化學(xué)組成，以及環(huán)境因子，如溶解氧、擾動也是主要的環(huán)境影響因子。

5 水質(zhì)改善對策

根據(jù)多年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，TP，TN 已成為東大湖水質(zhì)的主要污染因子， 結(jié)合東大湖水質(zhì)影響因素分析結(jié)論，提出如下建議。

5.1 改善外部水系水質(zhì)

因東大湖的功能中包含雨水調(diào)蓄功能， 決定了其與外部水系的連通不可避免， 因此應(yīng)重視外部水系的水質(zhì)改善，包括溝渠沿線的雨污分流管網(wǎng)建設(shè)、沿線排污口的封堵、污水廠新建及擴(kuò)容、降低農(nóng)田的農(nóng)藥化肥施用量。

5.2 避免截污閘開啟

完善東大湖周邊的外部雨污分流管網(wǎng)， 改變合流制的排水體制。進(jìn)一步提升泵站抽排能力，加強(qiáng)排水體系的統(tǒng)一調(diào)度，盡量避免截污閘開啟。

5.3 完善周邊管網(wǎng)

結(jié)合東大湖沿湖排口的排查結(jié)果， 完善周邊截污管網(wǎng)。加快周邊老舊小區(qū)內(nèi)部的雨污分流改造，杜絕小區(qū)管網(wǎng)漏接、錯(cuò)接、混接情形；處理排查發(fā)現(xiàn)的排口， 及時(shí)處理排污閘口封堵不嚴(yán)、 污水滲漏的問題；對流域范圍內(nèi)的市政管網(wǎng)進(jìn)行檢測工作，全面排查管網(wǎng)的破損、沉降、錯(cuò)位等問題，及時(shí)修復(fù)。

5.4 加強(qiáng)綜合治理

進(jìn)一步提升漢西污水廠的處理能力， 合理規(guī)劃區(qū)域污水處理廠及收集管網(wǎng)， 增加該片區(qū)的污水處理能力，加強(qiáng)機(jī)場河明渠污水治理。

5.5 開展底泥調(diào)查，實(shí)施水生態(tài)修復(fù)工程

在削減和控制外源污染之后， 推進(jìn)湖泊水生態(tài)修復(fù)。 選擇性開展水生態(tài)修復(fù)工程， 如生境營造工程、沉水群落帶構(gòu)建、挺水植物群落構(gòu)建、浮葉植物群落構(gòu)建、魚類群落構(gòu)建以及底棲動物群落構(gòu)建等，以改善湖泊整體水體質(zhì)量，提高水體透明度，降低水體氮磷等指標(biāo)，促進(jìn)以微生物、水生動物、水生植物為基礎(chǔ)的循環(huán)生態(tài)鏈恢復(fù)。