武漢市黃家湖水質(zhì)評價及改善對策分析

蔣田雨，許纖千，胡偉桐，伍 梅

(1.武漢市環(huán)境保護科學研究院，武漢 430000；2.武漢市輻射和危險固體廢物污染防治管理中心，武漢 430000； 3. 武漢華正環(huán)境檢測技術(shù)有限公司，武漢 430000)

引 言

武漢市地處長江與漢江交匯處，市內(nèi)湖泊眾多，被譽為“百湖之市”[1]；武漢優(yōu)于水而憂于水，依托豐富的湖泊資源，居民的日常生活和城市經(jīng)濟發(fā)展發(fā)生巨大變化。黃家湖位于武漢市區(qū)西面南郊武咸公路上白沙洲大道，北臨三環(huán)線，東抵白沙洲大道，西倚長江，湯遜湖綠楔和青菱湖綠楔板塊之間；湖西部和北部屬洪山區(qū)，東部和南部屬江夏區(qū)，是一個比較封閉的城市湖泊。湖泊面積8.1km2(洪山區(qū)4.3km2，江夏區(qū)3.7km2)，岸線長度約24km，湖泊匯水區(qū)面積約30.1km2(洪山區(qū)10.6km2，江夏區(qū)19.5km2)，周邊規(guī)劃有黃家湖大學城、居民小區(qū)以及農(nóng)田等。根據(jù)《武漢市地表水環(huán)境功能區(qū)類別》，黃家湖的水質(zhì)功能區(qū)類別為Ⅲ類水，屬城市公園型湖泊[2]。

近年來，隨著城市化進程的加快，武漢市內(nèi)眾多湖泊遭受不同程度的污染，水質(zhì)狀況惡化直接影響湖泊周邊的居民生活、市容市貌，成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境亟待改善的突出問題[3]。武漢市環(huán)境質(zhì)量公報顯示，自上世紀末起，黃家湖水質(zhì)基本穩(wěn)定在V類-劣V類水質(zhì)，湖泊區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量下降，嚴重影響城市環(huán)境和水資源利用[4]。隨著我國開展全面依法治水，關(guān)于湖泊的研究集中到湖泊管理上[5～7]，湖泊水質(zhì)研究和保護管理工作需要進一步加強。因此，有必要分析黃家湖水質(zhì)變化趨勢，了解湖泊污染現(xiàn)狀，研究水環(huán)境質(zhì)量不達標的原因及湖泊污染來源，對正確評價黃家湖水質(zhì)現(xiàn)狀、影響因素以及更加科學地制定水污染防治措施有著重要的參考價值。

1 數(shù)據(jù)來源與評價方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2008～2017年黃家湖水質(zhì)監(jiān)測項目包括pH、溶解氧、電導率、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP(以P計)、TN、銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、鉻(六價)、鉛、總氰化物、揮發(fā)酚、石油類、硫化物等24項常規(guī)指標，監(jiān)測頻次為單月監(jiān)測，數(shù)據(jù)來源于武漢市環(huán)境監(jiān)測中心。

2018年9～11月，按照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況對黃家湖湖心進行了6次補充監(jiān)測。參照《水質(zhì) 湖泊和水庫采樣技術(shù)指導(GB/T 14581-1993)》，到湖內(nèi)采用直立式敞開采樣器采集1L水樣于聚乙烯塑料瓶中，存放于冰箱并立即送檢測機構(gòu)檢測分析。水樣的檢測指標包括pH、溶解氧、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP(以P計)、TN，分析按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[8]具體進行。

1.2 水質(zhì)評價和分析方法

水質(zhì)評價是根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程(SL395-2007)》的要求，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)環(huán)辦[2011]22號》中的評價方法，各水質(zhì)類別劃分方法采用的是《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)》。水質(zhì)類別Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類分別對應優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染、極重污染。湖泊營養(yǎng)狀態(tài)按照綜合營養(yǎng)指數(shù)TLI進行分級，營養(yǎng)化狀態(tài)判定標準為：當TLI<30時，營養(yǎng)狀態(tài)為貧營養(yǎng)；當30≤TLI≤50時，營養(yǎng)狀態(tài)為中營養(yǎng)；當5070時，營養(yǎng)狀態(tài)為重度富營養(yǎng)。

本次水質(zhì)分析采用水質(zhì)綜合污染指數(shù)法[9]。水質(zhì)綜合污染指數(shù)法中非溶解氧指標的污染指數(shù)計算公式為：

Sij=Cij/Csi

(1)

Pn=∑Sij

(2)

Pj=1/n∑Sij

(3)

P=1/k∑Pj

(4)

式中，Sij為單項污染指數(shù)；i為主要污染物；j為監(jiān)測點位號；Cij為監(jiān)測點位j污染物i的濃度值；Csi為污染物i的評價標準限值；Pn為各項污染物污染指數(shù)之和；Pj為監(jiān)測點位的綜合污染指數(shù)；P為某一測次的平均綜合污染指數(shù)。水質(zhì)綜合指數(shù)法的綜合水質(zhì)污染程度判定[10]標準見表1所示。數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計與繪圖使用office2017版本軟件。

表1 水質(zhì)綜合指數(shù)判定標準Tab.1 Criteria for comprehensive water quality classification

2 結(jié)果與分析

2.1 近十年湖泊富營養(yǎng)化變化趨勢

2008～2017年黃家湖水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI的變化趨勢如圖1所示。2008～2009年，黃家湖水體TLI指數(shù)升高，幾乎達到了中度富營養(yǎng)化和重度富營養(yǎng)化的臨界值(70)；2009～2013年，黃家湖TLI指數(shù)持續(xù)下降，富營養(yǎng)化情況明顯好轉(zhuǎn)；2014年稍有波動，但基本呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢。整體來看，2008～2015年黃家湖均處于中度富營養(yǎng)化的狀態(tài)，2016～2017年黃家湖富營養(yǎng)化狀態(tài)好轉(zhuǎn)至輕度富營養(yǎng)化。說明黃家湖富營養(yǎng)化程度逐漸減輕。

圖1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI變化Fig.1 Variation of comprehensive nutrition index TLI

2.2 近十年水質(zhì)改善效果分析

2.2.1 近十年水質(zhì)指標濃度情況

選取COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP等六個常見因子為水質(zhì)評價指標。2008年COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP年均濃度分別為35.7、7.0、5.3、1.84、0.84、0.153mg/L；2017年COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP年均濃度分別為26.7、4.4、3.7、1.53、0.73、0.159mg/L，與2008年相比，分別下降25.2%、37.1%、30.2%、16.8%、13.1%、-3.9%。2008～2017年COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N等五個指標的年均濃度顯著降低，TP濃度略有上升。進一步分析各項污染物濃度逐年的下降率，如圖2所示，2008～2017年，除TP以外，其余五個水質(zhì)指標均呈下降趨勢。2008～2017年，由于生活源釋放、初期雨水徑流、底泥釋放等多方面因素造成各種污染物負荷上升，但COD、CODMn、BOD5三項指標較2008年呈現(xiàn)下降的趨勢，主要由于近年來采取一系列有機污染物控制措施，使得黃家湖水體的有機物濃度降低，說明有機物控制措施需繼續(xù)保持[11-12]；TP較2008年呈現(xiàn)出上升趨勢，主要由于對TP的控制措施不足以抵消污染源增加的TP負荷，說明控磷措施和力度有待加強[11-12]；TN、NH3-N變化規(guī)律基本一致，僅變化幅度不同，主要由于除NH3-N外，TN還受到硝態(tài)氮(NO3-N)、總有機氮(TON)等含氮物質(zhì)的影響[13]。總體而言，2008～2017年黃家湖水質(zhì)指標濃度總體降低，水質(zhì)呈現(xiàn)向好的趨勢，但TN、NH3-N、TP的濃度波動不容忽視。

圖2 主要污染物濃度下降率變化Fig.2 Change of reduction rate of major pollutant concentration

2.2.2 近十年黃家湖水質(zhì)情況

根據(jù)武漢市環(huán)境質(zhì)量公報，2008～2017年間黃家湖水質(zhì)均未達到功能區(qū)類別，其中2009～2011年處于劣V類外，其余年份均處于V類。對水質(zhì)綜合污染指數(shù)P進行分析，如圖3所示，除2009年為重污染狀態(tài)外均為污染狀態(tài)，2017年污染指數(shù)(1.41)較2008年(1.67)降低16.8%。根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的環(huán)境質(zhì)量公報，近10年黃家湖主要超標因子為BOD5、TP、TN、COD四項，對四項水質(zhì)污染指數(shù)Sij進一步進行分析，結(jié)果如圖4所示，BOD5污染指數(shù)最低，在0.93～1.45之間；其次為COD，在1.30～1.79之間；TN污染指數(shù)在2009、2012、2014年較高，處于2.29～2.86之間，其余年份均在1.14～1.84之間；TP污染指數(shù)在十年間均最高，污染指數(shù)在2.50～4.86之間。2008～2017年，污染指數(shù)從大到小依次均為TP、TN、COD、BOD5?？傮w而言，TP、TN、COD已成為黃家湖水質(zhì)不達標的主要原因，COD可以表征黃家湖有機物污染狀況[14]，TP、TN

圖3 2008～2017年黃家湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)P變化趨勢Fig.3 Variation trends of water quality comprehensive pollution index P in Huangjia Lake from 2008 to 2017

圖4 2008～2017年不同污染物污染指數(shù)S變化Fig.4 Variation of pollution index S of different pollutants from 2008 to 2017

與水體呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)密切相關(guān)。周邊高校、居民生活污染以及湖內(nèi)投加魚料均會導致水體受到污染，應強化城市生活污水與廢水的治理與排放。

2.3 黃家湖月均水質(zhì)情況

為研究黃家湖水質(zhì)超標因子濃度隨時間變化規(guī)律，根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的2016、2017年地表水質(zhì)量狀況，對黃家湖逐月水質(zhì)情況進行分析。如表2所示，黃家湖2016、2017年月均水質(zhì)處于Ⅳ～劣V類之間，出現(xiàn)超標頻率最高的因子為TP、TN和COD。2016、2017年1～7月及9～11月TP、TN和COD的平均污染指數(shù)S如表3所示，2016年三項指標平均污染指數(shù)9～11月較1～7月提高80.0%、9.9%、3.8%，2017年三項指標平均污染指數(shù)9～11月較1～7月提高21.0%、66.4%、11.5%，均呈現(xiàn)出9～11月高于1～7月的規(guī)律，可以反應出水質(zhì)惡化一般發(fā)生在秋季(9～11月)。

表2 2016～2017年黃家湖逐月水質(zhì)狀況Tab.2 Monthly variation of water quality in Huangjia Lake in 2006 and 2007

表3 黃家湖不同因子平均污染指數(shù)STab.3 Average pollution index S of different indicatiors in Huangjia Lake

2.4 補充監(jiān)測情況

為深入研究水質(zhì)變差的具體時間，于9月上、中、下旬和10月上、中、下旬及11月對黃家湖湖心進行了7次補充監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，9～11月黃家湖水質(zhì)均為劣V類，超標因子為TP、COD、BOD5、TN、CODMn。各因子污染指數(shù)及水質(zhì)綜合污染指數(shù)如表4所示，從水質(zhì)來看，此期間水質(zhì)綜合污染指數(shù)P基本大于2，水質(zhì)處于重污染狀態(tài)；從污染因子來看，TP為首要污染因子，其平均污染指數(shù)達到9.30，其次為COD、BOD5、TN，平均污染指數(shù)均在2.20以上，CODMn污染指數(shù)為1.85，相對最低；從時間來看，9月上旬～10月上旬水質(zhì)最差，水質(zhì)綜合污染指數(shù)在3.06～4.31之間，之后波動下降，水質(zhì)略有好轉(zhuǎn)。夏秋季水質(zhì)惡化可能是由于水體pH升高、沉積物厭氧環(huán)境以及水生植物大量生長等原因促進P釋放[15]。如圖5所示，在采樣監(jiān)測的過程中，黃家湖部分水域出現(xiàn)大量水草繁殖，呈富營養(yǎng)狀態(tài)，該現(xiàn)象也說明水體TP、TN濃度較高。

表4 黃家湖水質(zhì)的時間差異Tab.4 Temporal variation of water quality in Huangjia Lake

圖5 黃家湖采樣點水域現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Scene photos of sampling sites in Huangjia Lake

3 水質(zhì)未達標成因分析

對黃家湖周邊排口調(diào)查發(fā)現(xiàn)，28個排口中13個排口來源為周邊高校和研究所，7個排口來源為周邊生活社區(qū)，4個為漁場、魚塘，2個為閘口，2個為路邊排口；上述排口中有2個為污水排口，6個為雨污合流排口，污染來源復雜，主要有以下幾個因素：

3.1 城鎮(zhèn)生活污染

經(jīng)分析，TP和TN為黃家湖不達標的主要指標，其來源主要為人類生活產(chǎn)生的氮磷通過城鎮(zhèn)生活污水排放的[16]。黃家湖周邊有4所高校及1所研究所，內(nèi)部均建有生活污水處理站，污水處理后從排污口排入黃家湖。每年9月為高校開學之際，校園污水排放量增大，污水處理站氮、磷排放標準低，污染物入河量隨之增大，成為每年9～10月黃家湖水質(zhì)下降原因之一。除此之外，周邊有多個居民生活小區(qū)的生活排口，生活污水排放進入水體，對水體產(chǎn)生較大影響。

3.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染

一是黃家湖內(nèi)存在魚塘、漁場等水產(chǎn)養(yǎng)殖的排口，水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中投入魚飼料，未充分吸收的魚飼料含有大量的氮磷，加重水體氮磷負荷，導致水質(zhì)惡化；同時黃家湖大道有一個較大的魚塘，距湖泊僅有2m的小路，在暴雨季節(jié)，水面上漲，水產(chǎn)養(yǎng)殖污水直接進入湖泊，成為黃家湖潛在污染源；另外此類水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的水體與湖泊水體容易在豐水期(9月)和枯水期(10月)[17]交界之際發(fā)生水體交換，成為9～10月黃家湖水質(zhì)下降的另一原因。二是在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，黃家湖岸邊仍有規(guī)模以下畜禽養(yǎng)殖，其糞便直接隨地表徑流直接入湖，對黃家湖水質(zhì)產(chǎn)生影響。三是在黃家湖周邊仍存在農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)象，農(nóng)業(yè)種植所投入的氮肥、磷肥未吸收部分經(jīng)地表徑流入湖，氮、磷流失已成為水體氮磷超標的元兇。

3.3 城市徑流污染

一是黃家湖流域范圍內(nèi)，未能對初期雨水進行收集處理，下雨時地表徑流沖刷地面污染物，形成高濃度的初期雨水，通過排水渠道或直接進入湖泊，對湖泊水質(zhì)造成影響。二是由于9～10月秋季來臨，空氣中降塵有所增加，降塵隨雨水落入湖中，成為9～10月水質(zhì)下降的又一因素；另外根據(jù)2018年8～10月武漢市空氣質(zhì)量月報，空氣中的氮氧化物(NOX)濃度明顯較8月有大幅增高，也成為黃家湖TN濃度較高的因素之一。三是黃家湖周邊的岸線整治工程，存在大量的工地及堆土，未按要求進行覆蓋遮擋，下雨時沖刷入湖，對黃家湖水質(zhì)造成一定影響。

3.4 湖泊內(nèi)源釋放

根據(jù)黃家湖相關(guān)方案[11-12]顯示，黃家湖水體中的TN、TP有少部分來源于湖泊的底泥釋放。由于歷史上黃家湖水產(chǎn)養(yǎng)殖較為發(fā)達，大量餌料、漁用藥物等物質(zhì)的投入及魚類排泄物經(jīng)過長期積累，沉積于底泥之中，水上的活動對底泥產(chǎn)生擾動，底泥中的氮磷隨底泥釋放出來，形成了黃家湖的內(nèi)源污染。

3.5 環(huán)境監(jiān)管能力不足

黃家湖水域面積較大，但僅有一個常規(guī)監(jiān)測點位，不能及時、準確掌握部分重點區(qū)域水質(zhì)變化情況。管理部門對入湖排污口缺乏有效的監(jiān)督管理，生活污水入湖、封堵排污口出現(xiàn)反復的情況時有發(fā)生。目前，黃家湖流域污染物輸入和水質(zhì)響應等方面的研究和流域水污染控制工程評估及精準治污決策系統(tǒng)研究仍然較少，無法實現(xiàn)精準治污的目標。除此外，黃家湖屬于兩個行政區(qū)交界的湖泊，監(jiān)督管理更為復雜。

4 對策與建議

4.1 完善城市污水處理系統(tǒng)

推進黃家湖流域污水處理廠的污水處理設施建設與改造，加大污水處理能力，完善污水管網(wǎng)，加大污水收集力度；實施污水處理廠提標改造，達到一級A排放的污水處理廠進一步加強脫氮除磷技術(shù)升級；改造老舊排水管網(wǎng)和泵站、定期對排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行清淤維護，保證污水處理能力不下降。

4.2 著力解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染

全面取締江河湖庫天然水域圍網(wǎng)、圍欄及網(wǎng)箱養(yǎng)殖；開展“湖邊塘”“河邊塘”治理，盡快實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖主產(chǎn)區(qū)尾水達標排放。嚴格控制畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖，對于規(guī)模以下和不符合環(huán)境敏感區(qū)的畜禽養(yǎng)殖場堅決取締，并定期巡查，鞏固取締成果。嚴格執(zhí)行化肥農(nóng)藥等投入品質(zhì)量標準，推廣高效緩控釋肥料等新型產(chǎn)品和先進機械，推動化肥、農(nóng)藥使用量實現(xiàn)負增長。

4.3 推進面源污染控制

加強環(huán)境清掃工作，加強建設項目工地的管理力度，降低初期雨水對湖泊水體的侵蝕和污染；嚴格控制堆積邊坡、裸露地面等面源污染，防止污染物隨雨水進入湖泊；推進雨污分流建設和污水收集，優(yōu)化污水排放及收集系統(tǒng)。推行低影響開發(fā)建設模式，工程和生態(tài)措施相結(jié)合，建設滲、滯、蓄、凈、用、排相結(jié)合的小型分散式雨洪收集利用設施建設，通過植草溝、生態(tài)隔離帶及城市濕地公園等綠色技術(shù)措施，有效緩解徑流污染對環(huán)境造成的不利影響。

4.4 減少內(nèi)源污染釋放

對黃家湖湖底泥進行清淤疏浚，尤其是曾經(jīng)歷過水產(chǎn)養(yǎng)殖的水域，有效去除沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)，減少底泥中氮磷等污染物濃度，降低內(nèi)源污染的影響；另外可通過改性粘土固磷[18]等有效措施，減少湖泊底泥的釋放。

4.5 加強環(huán)境監(jiān)管能力

開展流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡信息平臺，黃家湖流域排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量，入湖河道水量監(jiān)測等監(jiān)測網(wǎng)絡建設項目，進一步提高環(huán)境監(jiān)測能力；鼓勵高校及研究院所開展湖泊治理方面的研究；廣泛宣傳湖泊環(huán)境綜合治理中工作動態(tài)、典型經(jīng)驗等，充分發(fā)揮輿論監(jiān)督作用，加大輿論引導力度，使全民參與湖泊環(huán)境綜合治理工作。

5 結(jié) 論

5.1 2008～2017年黃家湖水質(zhì)均處于V類～劣V類，未達到水功能區(qū)標準。COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N等五項污染物濃度顯著降低，但TP改善效果不佳。每年秋季水質(zhì)明顯降低，9～10月水質(zhì)最差，超標最為嚴重的為TP、TN，10月下旬后逐漸好轉(zhuǎn)。

5.2 現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖泊周邊有生活居民區(qū)排口、高校排口、魚塘排口等。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，影響湖泊水質(zhì)的主要原因為周邊高校和居民的生活污染、湖內(nèi)漁業(yè)養(yǎng)殖、湖邊農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、初期雨水、岸線整治等帶來的面源污染，以及湖泊底泥釋放帶來的內(nèi)源污染等。

5.3 建議盡快完善湖泊周邊的城市污水處理系統(tǒng)的建設，著力解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的環(huán)境問題，繼續(xù)加強面源污染控制技術(shù)措施的應用，減少內(nèi)源污染釋放，進一步提升環(huán)境監(jiān)管能力，從而逐步改善黃家湖水環(huán)境，有效保護其生態(tài)環(huán)境。