沙湖水環(huán)境污染因子時(shí)空分布規(guī)律及水質(zhì)評(píng)價(jià)

徐志鵬，陳 捷，朱 翔，朱 文，李云中，汪龍眠，蘇歡歡

(1.昆山市水利設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 蘇州 215300；2.南京大學(xué)鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院，江蘇 鹽城 224000；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

0 引言

目前全球湖泊面積高達(dá)270萬km2，約占全球面積的1.8%，是地球上重要的水資源庫，占有全球90%以上的地表淡水資源。據(jù)估計(jì)，湖泊蓄水量遠(yuǎn)超于河流蓄水量，約是河流蓄水量的90倍[1]。湖泊不僅是人類獲取資源的重要寶庫，同時(shí)也在調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)穩(wěn)定、降解污染物質(zhì)、保護(hù)生物多樣性、發(fā)揮人文多樣性等方面發(fā)揮重要作用[2]。

目前湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題。據(jù)2018年水利部發(fā)布的水資源公報(bào)，對(duì)全國(guó)124個(gè)湖泊水面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，水質(zhì)超過Ⅲ類的湖泊數(shù)量占評(píng)價(jià)湖泊總數(shù)的75%，其中富營(yíng)養(yǎng)化湖泊占總數(shù)的73.5%[3]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外眾多研究人員的研究結(jié)果，湖泊水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源可分為外源輸入和內(nèi)源釋放。外源輸入主要是未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)田排水等含有大量有機(jī)物的水體；內(nèi)源則來自淤泥及腐爛的水生動(dòng)植物[4]。

沙湖位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，地處西北半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，隨著當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)和農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，水體逐漸富營(yíng)養(yǎng)化；同時(shí)沙湖水質(zhì)易受外部因素影響，如黃河補(bǔ)水和氣候條件[5]。因此基于2020年沙湖水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析沙湖污染因子時(shí)空分布規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)運(yùn)用兩種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法綜合評(píng)價(jià)沙湖水質(zhì)，從而為沙湖后續(xù)治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)布設(shè)及采集方法

于2 0 2 0 年3 月、 5 月、 8 月及1 1 月在沙湖采樣。 采樣點(diǎn)位分別是湖心東（106°22′4.95′′E，38°48′20.53′′N）、沙灘南（106°20′24.68′′E，38°47′51.88′′N）、鳥島（106°22′28.98′′E，38°47′36.69′′N）、湖心（106°21′34.97E，38°48′36.19′′N）、假日酒店碼頭（106°22′33.53′′E，38°49′8.33′′N）、沙灘北（106°21′18.14′′E，38°48′19.09′′N）、國(guó)控點(diǎn)（106°20′54.64′′E，38°48′45.85′′N）、沙灘西南（106°20′38.28′′E，38°48′12.23′′N）和自動(dòng)站（106°20′52.49′′E，38°49′13.38′′N）。

采樣時(shí)間選擇水面穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。采集水樣前，先將采樣瓶用待測(cè)水樣潤(rùn)洗1~2次，然后將采樣瓶深入湖面25 cm深的位置采樣。采樣結(jié)束后，水樣送往監(jiān)測(cè)站檢測(cè)水質(zhì)指標(biāo)。

1.2 水樣測(cè)定指標(biāo)及方法

水樣檢測(cè)指標(biāo)為總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素（Chl.a）、氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、硝酸鹽（NO3-N）、溶解氧（DO）以及氟化物（F-）。水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定依照《GB 3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)定[6]，具體測(cè)定方法見表1。

表1 水環(huán)境污染因子測(cè)定方法

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算方法

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)法（WQI）

水質(zhì)指數(shù)法（WQI）應(yīng)用的環(huán)境參數(shù)分為第一組（有毒物質(zhì)）和第二組（其他）。第一組（有毒物質(zhì)）參數(shù)包括Cr6+、Pb和Zn，第二組參數(shù)包括F-、TN、TP、NH3-N和CODMn。每個(gè)參數(shù)的WQI值計(jì)算公式如下：

式中：Ci—第i個(gè)參數(shù)的濃度；Ci,k、Ci,k+1—k類和k+1類的第i個(gè)參數(shù)的正常濃度；n—GB 3838—2002中第i個(gè)參數(shù)的相同標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)量；Ii,k—k類的對(duì)應(yīng)值；未檢出值原則上按照檢出限的1/2計(jì)量, 其指數(shù)也可簡(jiǎn)單記為Ii=0。I、II、Ⅲ、IV、V類的值分別為20、40、60、80、100。

根據(jù)Ii，每組的WQI計(jì)算是不同的。第一組的WQI計(jì)算為W（1）=Max（Ii）。對(duì)于其他參數(shù)，WQI值為Ii的平均值。最后，所有組的WQI被計(jì)算為WQI = Max（W（1, 2））。根據(jù)WQI值，將水質(zhì)分為五個(gè)等級(jí)，具體見表2。

表2 湖泊水質(zhì)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

本文選擇總氮、總磷、氨氮、CODMn和F-作為評(píng)價(jià)因子參與評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算公式如下：

式中：I—內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pmax—水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要污染負(fù)荷評(píng)價(jià)指數(shù)值；P—n項(xiàng)污染指數(shù)因子評(píng)價(jià)的均值；Pi—第i項(xiàng)污染指數(shù)因子評(píng)價(jià)值。

Pi評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 Pi評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)方法劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 內(nèi)梅羅指數(shù)法各等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用Excel2010處理沙湖水質(zhì)數(shù)據(jù)，并用Arcgis10.7繪制水環(huán)境污染因子濃度時(shí)空分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境污染因子時(shí)空分布與討論

2.1.1 總氮

如圖1 所示，沙湖2 0 2 0 年總氮平均值為0.81 mg/L，變化范圍在0.58~1.51 mg/L，全年大部分時(shí)間達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，但11月及以后總氮濃度急速上升，其中自動(dòng)站和沙灘西南兩點(diǎn)分別達(dá)到1.51 mg/L和1.38 mg/L，遠(yuǎn)超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。3月、5月及8月與11月相比，沙湖各點(diǎn)總氮濃度差異不大，11月除自動(dòng)站和沙灘西南兩點(diǎn)外濃度偏大外，其余各點(diǎn)相差不大。11月各點(diǎn)總氮濃度普遍大于其余三個(gè)月各點(diǎn)的濃度。

圖1 沙湖總氮時(shí)空分布圖

原因可歸結(jié)為沙湖1 1 月份補(bǔ)充大量的黃河水，而1 1 月黃河補(bǔ)水總氮濃度變化范圍在2.31~5.17 mg/L，平均濃度達(dá)到3.55 mg/L；冬季沙湖植物衰亡，形成二次污染，即便每年11月左右當(dāng)?shù)卣畷?huì)收割蘆葦，但蘆葦?shù)叵虏糠秩詴?huì)釋放氮元素，這與唐玥[7]、王錦旗[8]的研究結(jié)論一致。同時(shí)冬季氣溫較低，微生物活動(dòng)減少，反硝化、異化還原成銨等速率降低[9]，且寧夏地區(qū)干旱少雨，沙湖全年蒸發(fā)量約是降雨量的10倍，導(dǎo)致水中污染物匯集濃縮[10]，所以11月份沙湖中氮元素偏高。相反3月和5月份補(bǔ)水量較少、微生物活動(dòng)較強(qiáng)及植物處于生長(zhǎng)階段需要吸收一定量的氮元素[11,12]，因此總氮濃度偏低。

2.1.2 總磷

由圖2可得，2020年沙湖總磷年平均濃度為0.34 mg/L，濃度變化范圍在0.02~0.06 mg/L，總磷濃度整體上達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，但冬季部分區(qū)域（自動(dòng)站、湖心東）總磷濃度達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 沙湖總磷時(shí)空分布圖

冬季部分區(qū)域總磷濃度超標(biāo)。一是沙湖是封閉性湖泊，且當(dāng)?shù)馗珊瞪儆?，水體蒸發(fā)使得大量污染物遺留在沙湖內(nèi)部，二是水體蒸發(fā)致礦化度升高，降低水體自凈能力，導(dǎo)致水體中污染物降解難度升高[13]；三是沙湖每年引入大量黃河水以維持總體水量，而2020年黃河補(bǔ)水的總磷濃度為0.036 mg/L，高于沙湖當(dāng)年總磷平均濃度，可見黃河補(bǔ)水的流入增加了沙湖的總磷濃度，從而使總磷濃度維持在較高水平[14]。各月份總磷濃度差距不大，但沙湖各點(diǎn)總磷濃度差異性較大，鳥島、湖心東等點(diǎn)位全年總磷濃度都比較高，主要是因?yàn)轼B島及周邊生存著大量的鳥類，其排泄物易造成TP濃度增加以及植物衰亡引起的二次污染且鳥島植物導(dǎo)致水流滯緩，沉積物磷釋放增強(qiáng)。

2.1.3 葉綠素a

葉綠素a是浮游植物的主要組成部分之一。葉綠素a含量主要受水體理化性質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)鹽含量的影響，因此，它能夠作為水體理化性質(zhì)的綜合指標(biāo)[15]。在一定程度上，葉綠素a能夠反映水體的情況[16-18]；此外，葉綠素a濃度與水環(huán)境質(zhì)量息息相關(guān)，是評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要參數(shù)[19]。圖3所示，2020年沙湖葉綠素a年平均值為8.19 μg/L，濃度變化范圍在0~19 μg/L。葉綠素a平均濃度隨著月份的增加而增加，在8月時(shí)達(dá)到頂峰，之后隨著時(shí)間增加而下降，但全年葉綠素a濃度峰值出現(xiàn)在11月。

圖3 沙湖葉綠素a時(shí)空分布圖

夏季葉綠素a平均濃度最高，說明夏季適合浮游植物生長(zhǎng)與繁殖，尤其水溫對(duì)浮游動(dòng)植物的影響較大，這與鄭燦[15]、董俊[20]研究結(jié)論一致。而11月葉綠素a濃度出現(xiàn)峰值受到總氮、總磷的影響，因?yàn)榈资窃孱惿L(zhǎng)的必需生源物質(zhì)[21]。5月前鳥島和假日酒店兩點(diǎn)的葉綠素a濃度最高，5月后高濃度區(qū)則處于湖心點(diǎn)區(qū)域，主要由黃河補(bǔ)水的水力推動(dòng)作用所致。

2.1.4 氨氮

氨氮可表征水體中溶解性無機(jī)氮，而溶解性無機(jī)氮是水生動(dòng)植物吸收利用的最主要形式，若溶解性無機(jī)氮含量過高，不僅會(huì)對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生毒害作用，也將促進(jìn)水體富營(yíng)養(yǎng)化[22,23]，因此探究氨氮時(shí)空分布對(duì)湖泊治理有重要意義。如圖4所示，沙湖2020年氨氮平均濃度為0.15 mg/L，濃度變化范圍在0.04~0.39 mg/L，達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 沙湖氮氮時(shí)空分布圖

沙湖3月氨氮濃度處于全年最高點(diǎn)，這是因?yàn)樯澈靥幬鞅卑敫珊档貐^(qū)，全年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，且4月之前沙湖未進(jìn)行黃河補(bǔ)水[5,13]。湖泊處于封閉狀態(tài)，流速較低，從而降低污染物的降解速率，使氨氮濃度維持在較高水平[24]。沙灘北、國(guó)控點(diǎn)及湖心三點(diǎn)全年的氨氮濃度均處于較高水平。但總體上，沙湖氨氮濃度并不高。

2.1.5 高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）

由圖5可見，沙湖高錳酸鹽指數(shù)2020年平均值為4.58 mg/L，全年范圍變化3.3~5.5 mg/L，達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 沙湖CODMn時(shí)空分布圖

沙湖全年高錳酸鹽指數(shù)的濃度相差不大。除3月以外，其余月份中鳥島地區(qū)的高錳酸鹽指數(shù)濃度普遍較高。這是因?yàn)轼B島地區(qū)生存著大量植物，而每年5—11月是沙湖調(diào)水時(shí)期，黃河補(bǔ)水?dāng)y帶大量污染物進(jìn)入沙湖，當(dāng)水體中大量有機(jī)或無機(jī)污染物在水流推動(dòng)下經(jīng)過植物時(shí)，植物將其截留，從而造成鳥島地區(qū)高錳酸鹽指數(shù)較高。

2.1.6 硝酸鹽

硝酸鹽可作為水中藻類和其他植物的食物來源，若藻類有無限量的硝酸鹽來源，它們的生長(zhǎng)將不受限制，最終導(dǎo)致水體出現(xiàn)大量綠藻或藍(lán)藻，因此監(jiān)測(cè)硝酸鹽是極為重要的[25]。由圖6得出，沙湖2020年硝酸鹽平均含量為0.36 mg/L，濃度變化范圍0.32~0.41 mg/L，達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 沙湖硝酸鹽時(shí)空分布圖

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位各月份的硝酸鹽濃度相差不大。5月和8月沙湖硝酸鹽整體濃度較高，其余月份濃度差距不大，主要是氨氮硝化導(dǎo)致的[26]，且春季溶解氧較高，會(huì)抑制反硝化進(jìn)程[27]。

2.1.7 溶解氧

圖7可知，沙湖溶解氧濃度在6.37~12.9 mg/L，達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)月份溶解氧溶度相差不大，但11月溶解氧溶度普遍較低，其它3個(gè)月份相對(duì)較高，尤其8月溶解氧濃度最高。

圖7 沙湖溶解氧時(shí)空分布圖

8月溶解氧溶度最高是因?yàn)?月沙湖水溫較高，導(dǎo)致浮游植物大量繁殖，而浮游植物及水生植物的光合作用引起湖泊水體溶解氧的增加[28,29]；游客及觀光船的擾動(dòng)使沙湖表層水體與外界空氣接觸更加頻繁，同時(shí)黃河補(bǔ)水也會(huì)攜帶大量氧氣。而2020年11月寧夏當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁靥幱诹愣纫韵?，浮游植物?shù)量急劇下降，且黃河補(bǔ)水較少以及湖面擾動(dòng)減少，因此11月沙湖溶解氧濃度處于全年低點(diǎn)。

2.1.8 氟化物

研究表明氟化物被認(rèn)為是沙湖WQI的控制參數(shù)和強(qiáng)預(yù)測(cè)因子，是影響沙湖水質(zhì)的重要因素，沙湖氟化物濃度受黃河補(bǔ)水、沉積物釋放等多種因素影響[5]。由圖8可知，2020年沙湖氟化物濃度在0.7 mg/L上下波動(dòng)，達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，且各監(jiān)測(cè)位點(diǎn)間氟化物濃度相差不大；但5月氟化物濃度普遍高于其余3個(gè)月份，8月氟化物濃度最低。

圖8 沙湖氟化物時(shí)空分布圖

5月濃度偏高是因?yàn)?月前引入黃河補(bǔ)水不多，湖泊水面平穩(wěn)；但5—8月引入較多黃河補(bǔ)水，雖然黃河補(bǔ)水涌入會(huì)造成沉積物釋放氟離子[5]，但前者的稀釋作用仍占主導(dǎo)地位，因此5—8月沙湖氟化物濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而11月氟化物濃度較8月又有一定上升，應(yīng)該是夏季沙湖蒸發(fā)量較多且后期黃河補(bǔ)水量也相對(duì)減少。

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

2.2.1 水質(zhì)指標(biāo)法評(píng)價(jià)結(jié)果

如表5所示，沙湖3月、5月、8月和11月的WQI值分別為34.44、35.35、36.72和38.69，呈上升趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不大且WQI（平均）=36.30，說明2020年沙湖水質(zhì)狀況較為平穩(wěn)且水資源質(zhì)量處于Ⅱ級(jí)（較好）水平。

表5 沙湖水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

如表6所示，3月、5月、8月及11月的沙湖綜合指數(shù)（I值）分別為2.19、2.13、2.31和2.44，綜合指數(shù)（I值）隨時(shí)間先降低后上升，但增減幅度變化不大。2020年沙湖綜合指數(shù)（I值）平均值為2.27，可見沙湖整體水質(zhì)變化平穩(wěn)且達(dá)到Ⅱ級(jí)（較好）水平。

表6 沙湖內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)比分析

雖然兩種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法得出沙湖2020年3—11月間指數(shù)變化趨勢(shì)不相同，但其變化幅度都不大。說明沙湖水質(zhì)變化較為平穩(wěn)，同時(shí)兩種方法均得到3月、5月、8月和11月的沙湖水質(zhì)處于Ⅱ級(jí)（較好）水平，因此沙湖2020年水體應(yīng)處于輕度污染狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）從時(shí)間跨度分析，3—8月沙湖整體水質(zhì)為地表水Ⅲ類；11月及以后，局部水質(zhì)惡化為地表水Ⅳ類，但大部分區(qū)域水質(zhì)仍達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

（2）從空間角度分析，同批次不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的各污染因子濃度存在一定差異，其中總氮和總磷是導(dǎo)致沙湖水質(zhì)超標(biāo)的主要污染因子。

（3）采用水質(zhì)指標(biāo)法（WQI）及內(nèi)梅羅指數(shù)法分別對(duì)2020年沙湖水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，兩種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法結(jié)果表明2020年3—11月沙湖水質(zhì)變化平穩(wěn)且湖泊全年處于輕度污染狀態(tài)。