黃岡市典型城市湖泊水體污染物分布特征及環(huán)境質(zhì)量評價

項文霞， 陳茂林， 劉明昊， 蔡三維， 程晨曦， 陳建含

(湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊，湖北 黃岡 438000)

湖泊是重要的生態(tài)資源，具有提供水源、調(diào)節(jié)水文、涵養(yǎng)生態(tài)等多種功能，特別是在調(diào)節(jié)碳循環(huán)方面起到重要作用[1-3]。湖泊也是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著城市化進程的加快和城市人口的激增，人為活動迫使湖泊污染加重，造成湖泊水質(zhì)和生態(tài)功能下降，引發(fā)一系列水環(huán)境問題[4-5]。因此，查明城市湖泊的水質(zhì)污染狀況、特征，對保護湖泊生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。

黃岡市境內(nèi)水系發(fā)達，有216 km長江岸線、166座湖泊、1 237座水庫、3 731條河流，其中本次研究的湖泊位于黃岡城東新區(qū)，是典型的城市湖泊[6]。城東新區(qū)是黃岡市正著力構(gòu)建的湖濱生態(tài)宜居區(qū)和國家級臨空經(jīng)濟示范協(xié)同區(qū)的重要組成區(qū)域，因此該湖泊的水環(huán)境質(zhì)量受到城建、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、水利等部門和當?shù)鼐用竦年P(guān)注[7-8]。本文選取黃岡市某典型城市湖泊為研究對象，通過水體采樣和檢測，分析水質(zhì)指標情況，并采用不同的評價方法進行水環(huán)境質(zhì)量評價，以期為湖泊生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江之濱，水面面積3.77 km2，湖岸曲折，湖汊眾多(圖1)，主要有調(diào)蓄、灌溉、養(yǎng)殖和旅游等功能。其周邊地勢平坦低洼，海拔高度低，相對高差10～30 m；地形地貌比較單一，北部為低丘陵崗地，南部為平原湖區(qū)。該區(qū)屬亞熱帶季風氣候，日照充足，雨量充沛，四季分明。年降雨量為1 273.3 mm，雨季多集中在6—7月份，暴雨常與汛期同步，內(nèi)澇外洪同時發(fā)生，入伏多干旱。常年氣溫-6～36℃，年均氣溫約17℃。

圖1 樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sample points

2 材料與方法

2.1 樣品采集

結(jié)合該湖泊水面分布及周邊環(huán)境特征，將采樣點布設(shè)在入湖口、出湖口、湖心和其他代表性位置，共設(shè)置采樣點16個，其中湖泊中布點13個，編號為S1—S13；上游人工渠布點3個，編號為S14—S16(圖1)。采樣點定位采用GPS定位儀確定，采樣時間為2021年7月中旬(豐水期)和12月中旬(枯水期)，具體采樣方法參照《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導》(HJ 494—2009)[9]。

2.2 檢測方法

選取的水樣檢測指標共8項，分別為pH、溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、葉綠素a(Chl.a)。檢測方法分別為：pH和DO采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀現(xiàn)場測定；TP采用鉬酸銨分光光度法；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；CODMn采用酸性高錳酸鉀法；BOD5采用稀釋與接種法；NH3-N采用納氏試劑分光光度法；Chl.a采用分光光度法。

2.3 水質(zhì)評價方法

采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法對該湖泊水質(zhì)進行評價，評價標準參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[10]。

2.3.1單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是目前應(yīng)用廣泛、操作簡便的一種水質(zhì)評價方法，通過水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)可以直觀體現(xiàn)各指標的污染程度，并將計算結(jié)果中最差指標的評價級別作為整體的水質(zhì)評價等級[11-12]。本次以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[10]規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準值為評價準則，計算單項指標超標倍數(shù)，計算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi為第i種指標的單因子污染指數(shù)；Ci為第i種指標的實測濃度；Si為第i種指標的評價標準值。

2.3.2綜合污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法的各評價指標之間互不關(guān)聯(lián)，不能全面反映水體污染的綜合情況，而采用綜合污染指數(shù)法則可以解決這一問題[11-12]。運用綜合污染指數(shù)法評價時，首先對各水質(zhì)評價指標進行單獨評價，然后在此基礎(chǔ)上利用加權(quán)平均等計算方法，將多種指標進行綜合評價，計算公式為：

(2)

式中：Pj為綜合污染指數(shù)；Pi為第i種指標的單因子污染指數(shù)；n為參與評價的指標數(shù)量。

該評價方法反映了各污染物對水體污染狀況的綜合影響，Pj值表征水環(huán)境質(zhì)量的分級標準見表1。

表1 地表水水質(zhì)分級標準Table 1 Classification standard of surface water quality

3 結(jié)果與討論

3.1 檢測結(jié)果

湖泊水樣豐水期檢測結(jié)果為：pH 7.6～8.1(弱堿性)，DO 5.26～6.12 mg/L，TP 0.20～0.45 mg/L，TN 0.80～2.22 mg/L，CODMn11～29 mg/L，BOD52.3～6.7 mg/L，NH3-N 0.047～0.412 mg/L，Chl.a 31～185 μg/L；枯水期檢測結(jié)果為：pH 7.7～8.3(弱堿性)，DO 3.24～4.36 mg/L，TP 0.03～0.13 mg/L，TN 0.67～1.03 mg/L，CODMn7～15 mg/L，BOD52.1～3.5 mg/L，NH3-N 0.103～0.557 mg/L，Chl.a 4～11 μg/L。

上游人工渠水樣豐水期檢測結(jié)果為：pH 7.2～8.0，DO 5.26～6.11 mg/L，TP 0.06～0.20 mg/L，TN 1.07～1.64 mg/L，CODMn18～21 mg/L，BOD54.6～6.0 mg/L，NH3-N 0.040～0.443 mg/L，Chl.a 68～88 μg/L；枯水期檢測結(jié)果為：pH 7.4～7.7，DO 3.45～3.77 mg/L，TP 0.10～0.26 mg/L，TN 1.43～4.38 mg/L，CODMn18～25 mg/L，BOD54.2～5.8 mg/L，NH3-N 0.644～1.240 mg/L，Chl.a 9～21 μg/L。

3.2 水質(zhì)時空分布特征

將各樣品TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N、Chl.a的檢測結(jié)果作直方圖(圖2)，并以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[10]規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準值作為基準進行評價。在時間上，該湖泊水質(zhì)在枯水期和豐水期存在明顯差異，總體上枯水期水質(zhì)明顯優(yōu)于豐水期水質(zhì)。在枯水期，除S1—S4水樣的TP超標外，其余樣品的各指標均未超標；而在豐水期，所有樣品除NH3-N含量未超標外，其他5項指標均出現(xiàn)不同程度的超標或接近超標，個別指標如Chl.a、TP、TN超標嚴重。以上說明該湖泊明顯遭受了污染，尤其是湖水中Chl.a、TP、TN含量整體較高，表明水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)[13]，超過了水體自凈能力?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該湖泊西部、北部及周邊地區(qū)存在較多居民地、農(nóng)田、養(yǎng)殖塘等，居民生活污水和垃圾的隨意排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥的大量施用、湖泊中大密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖等，都導致含磷、氮等元素的污染物排入湖泊，造成湖水中營養(yǎng)物質(zhì)過量輸入[14-15]，而且主要在豐水期輸入湖泊。而該湖泊在枯水期受外源影響減小，水質(zhì)污染可以自凈化。

圖2 樣品檢測結(jié)果直方圖Fig.2 Histogram of sample test results

與湖水相比，上游人工渠水的水質(zhì)則表現(xiàn)出不同，除Chl.a含量仍然表現(xiàn)為枯水期優(yōu)于豐水期外，其他5項指標則表現(xiàn)為枯水期劣于豐水期，尤其是TP、TN。究其原因，可能因為上游人工渠在豐水期水量增多，渠水向湖泊徑流過程中將TP、TN等典型人為污染物輸入湖泊，造成湖泊污染物輸入量增加而渠水污染物含量降低；而人工渠在枯水期排入湖泊水量減少，造成湖泊污染物輸入量相對減少而渠水污染物含量相對增加。

考慮到該湖泊水質(zhì)污染主要出現(xiàn)于豐水期，因此繪制了該湖泊豐水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N、Chl.a含量空間分布圖(圖3)。在空間上，湖泊各指標表現(xiàn)出明顯的不均勻性，其西北部水質(zhì)最差，其次為中部，而南部和東北部水質(zhì)相對較好。同時，各指標空間分布特征相似，說明污染源可能為同一來源[16]，污染物可能主要來源于湖泊西北方向。通過現(xiàn)場調(diào)查和遙感影像圖(圖1)可知，湖泊西北部和西部的工程建設(shè)活動等人為活動強度明顯高于南部、東部和東北部，因此推測人為活動帶來了近源污染物輸入，人為活動強度的不同造成了水質(zhì)污染程度出現(xiàn)空間差異性[17-18]。

圖3 水質(zhì)指標空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of water quality index

3.3 水環(huán)境質(zhì)量評價

3.3.1單因子污染指數(shù)評價

選擇TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N作為評價因子進行水質(zhì)評價，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[10]規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準值作為評價依據(jù)，采用公式(1)計算得出該湖泊各樣品5項評價因子的單因子污染指數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，湖泊豐水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N的單因子污染指數(shù)分別為4.00～9.00、0.80～2.22、0.55～1.45、0.58～1.68、0.09～0.41，除NH3-N外均超標，超標率分別為100%、84.6%、38.5%、69.2%；枯水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N的單因子污染指數(shù)分別為0.60～2.60、0.67～1.03、0.40～0.75、0.53～0.88、0.10～0.56，僅TP存在超標情況，超標率為30.8%。單因子污染指數(shù)反映的湖泊水質(zhì)時間分布情況與前文分析一致，該湖泊在豐水期遭受污染，污染程度由高到低的指標分別為TP、TN、BOD5、CODMn。

表2 單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果Table 2 Evaluation results of single-factor pollution index method

3.3.2綜合污染指數(shù)評價

在計算得出各評價因子的單因子污染指數(shù)基礎(chǔ)上，按照公式(2)求得各樣品的綜合污染指數(shù)(表3)。由表3可知，該湖泊豐水期各樣品的綜合污染指數(shù)為1.30～2.84，平均值為2.23；枯水期各樣品的綜合污染指數(shù)為0.57～1.01，平均值為0.67。該湖泊在豐水期主要為嚴重污染，水質(zhì)狀況極差；在枯水期主要為輕污染，水質(zhì)狀況一般。

表3 綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果Table 3 Evaluation results of comprehensive pollution index method

基于以上分析，建議加強該湖泊污染防治和生態(tài)治理，主要從控制外源出發(fā)[19]，重點開展農(nóng)業(yè)面源污染治理，加強周邊生活污水處理，適時清淤并進行生物修復(fù)[20]，從而使其富營養(yǎng)化問題得到有效解決。

4 結(jié)論

(1) 在黃岡市某典型城市湖泊13個采樣點分別采集豐水期(7月)和枯水期(12月)水樣，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準值作為評價依據(jù)，表明在時間上，該湖泊水質(zhì)在枯水期明顯優(yōu)于豐水期，豐水期除NH3-N外，其他5項指標均出現(xiàn)不同程度的超標，超標程度由高到低分別為Chl.a、TP、TN、BOD5、CODMn；在空間上，該湖泊西北部水質(zhì)最差，其次為中部，而南部和東北部水質(zhì)相對較好。

(2) 水質(zhì)綜合污染指數(shù)評價結(jié)果表明，該湖泊在豐水期主要為嚴重污染，水質(zhì)狀況極差；在枯水期主要為輕污染，水質(zhì)狀況一般。

(3) 湖泊水體污染與人為活動外源過量輸入磷、氮等污染物有關(guān)，而且人為活動強度的不同造成了水體污染程度出現(xiàn)空間差異性，污染物可能主要來源于湖泊西北方向。