長江中游淺水湖泊水環(huán)境質(zhì)量評價與分析*

焦亞亞，方 珂，周 云，林敏敏，鄭永琪，湯 民，郝漢舟，徐新創(chuàng)

(湖北科技學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

湖泊是我國重要的生態(tài)資源，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有提供水源、調(diào)節(jié)河川徑流、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維持地球生態(tài)平衡等多種功能。但隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量未經(jīng)處理或處理不達標的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水直接排入湖泊，使湖泊污染負荷加重。當湖泊的污染負荷超過水體的自凈能力，就會導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降、水體生態(tài)功能退化[1-2]。因此，研究湖泊水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及其污染情況，對保護湖泊流域生態(tài)環(huán)境安全具有重要的指導(dǎo)意義。

西涼湖是咸寧市最大、湖北省第五大湖泊，為典型的長江中游淺水湖泊。流域周邊為平原和低丘，盛產(chǎn)竹木、茶葉、柑橘等。湖區(qū)土壤肥沃，湖面寬闊，是優(yōu)良的農(nóng)、漁產(chǎn)地。因此西涼湖的水環(huán)境和水資源保護已成為農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保等部門普遍關(guān)注的問題。為此，本文以西涼湖為研究對象，分析其水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，采用不同的評價方法對水質(zhì)進行評價，以期為制定其水體恢復(fù)和保護措施提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 研究區(qū)域概況

西涼湖(29°51′～30°1′N，114°00′～114°10′E)地處鄂東南咸寧市境內(nèi)，跨嘉魚、赤壁、咸安三縣市區(qū)，是湖北省第五大湖泊，現(xiàn)有水域面積8000 hm2。西涼湖由東西涼湖、西西涼湖、伯涼湖、馬師湖等湖區(qū)及若干湖汊組成，屬長江中游淺水草型湖泊，湖水平均深度2.11 m，最大深度可達8 m。湖盆平坦、底泥肥沃、水深較淺，兼具調(diào)蓄、灌溉、氣候調(diào)節(jié)、漁業(yè)養(yǎng)殖、生活供水、旅游開發(fā)等多種功能[3]。西涼湖地處亞熱帶北緣，屬亞熱帶濕熱季風氣候，四季交替明顯；年平均氣溫17 ℃，極端最高氣溫與極端最低氣溫分別是37.6 ℃和-6.1 ℃，年無霜期天數(shù)254 d，多年平均降雨量為1220～1370 mm[4-5]。

圖1 西涼湖采樣點分布

1.2 水樣采集與水質(zhì)監(jiān)測

根據(jù)西涼湖的水面分布及周邊環(huán)境特征，采樣點布設(shè)考慮在入水口、出水口和水域內(nèi)具有代表性的地方，選定11個監(jiān)測點進行連續(xù)監(jiān)測，1～6號監(jiān)測點為西涼湖入湖主要河道，分別為汀泗河、泉口河、牛頭山、宋家河、北莊海和思姑臺；7、8號監(jiān)測點為西西涼湖湖心；9、10監(jiān)測點為東西涼湖湖心；西涼湖湖水匯聚到嘉魚渡普望東廟出湖口經(jīng)余碼河(11號監(jiān)測點)，最后通過余碼大閘排入長江。

于2017年4月～2017年10月在西涼湖每月采集水樣2次。測試水質(zhì)指標為透明度(SD)、葉綠素a(Chl.a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)，測定方法分別為：SD，塞氏盤法；chla，分光光度法；CODMn，酸性高錳酸鉀法；TN，堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP，鉬酸銨分光光度法；NH3-N，納氏試劑分光光度法。

1.3 水質(zhì)評價方法

采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對西涼湖水環(huán)境質(zhì)量進行評價[6-7]。

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)[8]規(guī)定的水質(zhì)類別為標準，從單項水質(zhì)指標入手，算出其超標倍數(shù)，計算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中：Pi為第i種水質(zhì)指標的單因子指數(shù)；Ci為第i種水質(zhì)指標的實測濃度；Si為第i種水質(zhì)指標的評價標準值。

該方法概念明確、計算簡單，通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直觀體現(xiàn)出水質(zhì)指標污染程度，然后計算單個污染因子的超標指數(shù)，并將計算結(jié)果中最差的指標評價級別作為整體水質(zhì)的評價等級[9]。單因子指數(shù)法應(yīng)用于水質(zhì)評價時一定程度上不能反映出水體的整體水質(zhì)，因此一般與其它方法結(jié)合使用才能發(fā)揮其效益。

1.3.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)是評價水環(huán)境質(zhì)量的一種重要方法[10]，計算公式為：

(2)

式(2)中：Pj為綜合污染指數(shù)均值；n為評價指標數(shù)量；Pi為第i種水質(zhì)指標的單因子指數(shù)。

當Pj≤0.2，水質(zhì)判定為清潔；0.22.0，水質(zhì)為嚴重污染。

1.3.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》[11]，對湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)進行綜合評價的方法。選取SD、Chl.a、CODMn、TN、TP 這5個與湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)變化最為密切的參數(shù)，其計算公式為：

(3)

(4)

式(3)和(4)中：TLI為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

各參數(shù)的富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算如公式(5)～(9)所示：

TLI(ChI.a)=10×(2.5+1.086InChI.a)

(5)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94InSD)

(6)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694InTN)

(7)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624InTP)

(8)

TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661InCODMn)

(9)

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對營養(yǎng)狀態(tài)進行分級，其中TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)，30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)，5070為重度富營養(yǎng)。同一營養(yǎng)狀態(tài)下，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值越大，水體富營養(yǎng)化程度越重。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因子指數(shù)法評價

根據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版)》[12]，選擇TN、TP、CODMn、NH3-N進行水質(zhì)評價。咸寧市環(huán)境監(jiān)測中心將余碼河控制斷面(西涼湖出湖口)水質(zhì)規(guī)劃為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中的Ⅲ類水體，因此以Ⅲ類水體的水質(zhì)標準作為評價標準，評價結(jié)果見表1。

表1 單因子指數(shù)法評價結(jié)果

由表1可知，總氮、總磷的濃度范圍分別為1.1～1.9 mg/L、0.06～0.105 mg/L，均已超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體的標準值；總氮的超標倍數(shù)為1.1～1.9，總磷的超標倍數(shù)為1.2～2.1?？偟⒖偭椎淖畲蟪瑯吮稊?shù)分別為1.9和2.1，均出現(xiàn)在3號采樣點，可能與牛頭山附近的養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達有關(guān)，同時該區(qū)域大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活廢水排入湖中，導(dǎo)致氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)隨之進入水體[13]。CODMn在1號和3號采樣點超標，濃度分別為6.6、7.8 mg/L，其余都達到Ⅲ類水質(zhì)標準；NH3-N的含量均在Ⅲ類水質(zhì)標準范圍內(nèi)，因此西涼湖的主要污染物為氮和磷。

2.2 綜合污染指數(shù)法評價

西涼湖水質(zhì)的綜合污染指數(shù)評價結(jié)果見表2，其變化范圍為0.80～1.55，最高值(1.55)出現(xiàn)在3號采樣點，其次是2號、1號、6號、4號和5號采樣點，綜合污染指數(shù)分別為1.30、1.28、1.20、1.18和1.13；均屬重污染，主要是因為這些區(qū)域沿湖鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水排放系統(tǒng)不完善、生活污水直排入河，還有上游地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物的輸入[5]。其余監(jiān)測點數(shù)值較小，均小于1.0。評價結(jié)果反映了西涼湖水質(zhì)整體呈中、重污染狀況。

表2 綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

2.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價

為了解西涼湖水體富營養(yǎng)化狀況，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對其水質(zhì)進行評價，評價結(jié)果見表3。

表3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價結(jié)果

評價結(jié)果表明，西涼湖絕大部分水域營養(yǎng)程度為輕度富營養(yǎng)，其中只有3號采樣點為中度富營養(yǎng)，可能是由于牛頭山附近人口較密集，城鎮(zhèn)生活污水的不達標、甚至直接排放，還有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量施用化肥[14]。湖泊水體富營養(yǎng)化的主要原因是過多含氮、磷物質(zhì)的排入[15]。近年來，隨著西涼湖周邊及上游地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種生活污水、工農(nóng)業(yè)廢水等污染負荷不斷加??；此外，西涼湖流域農(nóng)作物種植過程中化肥和農(nóng)藥的大量施用，只有少部分被農(nóng)作物吸收，大部分則在地表徑流作用下進入湖泊，對西涼湖水環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

湖泊水質(zhì)污染會導(dǎo)致水域生物群落多樣性下降，湖泊的生態(tài)環(huán)境承載力嚴重削弱[16]。因此，西涼湖污染防治要以入湖污染物總量控制為原則。控制污染物排放要做好三個方面的工作：①強化西涼湖流域農(nóng)業(yè)面源污染管控，拆除關(guān)停沿湖周邊污染企業(yè)；②西涼湖沿岸的居民生活污水統(tǒng)一收集，要集中處理達標后再進行排放；③堅決禁止湖水養(yǎng)魚，杜絕因養(yǎng)魚而污染水體。另外，還要擬定具有針對性的分階段污染預(yù)防治理方案，逐步實現(xiàn)西涼湖水質(zhì)的持續(xù)好轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 論

(1)單因子指數(shù)法評價結(jié)果表明，西涼湖的主要污染物為總氮和總磷，其含量均已超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類標準值；綜合污染指數(shù)評價結(jié)果表明西涼湖湖心和出湖口水質(zhì)呈中污染狀況，入湖主要河道水質(zhì)呈重污染狀況，其中牛頭山水域的污染指數(shù)最高；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價結(jié)果表明，西涼湖水質(zhì)整體處于輕度富營養(yǎng)水平，只有牛頭山水域營養(yǎng)程度為中度富營養(yǎng)。

(2)綜合3種水質(zhì)評價方法的評價結(jié)果，西涼湖區(qū)周邊及上游區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水的排入，造成湖泊水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)超標，水質(zhì)受到污染。