以沙湖為例探究寧夏內陸封閉型湖泊水體污染原因

田林鋒，羅桂林，馬映雪，姜文娟

1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200082 2.石嘴山市環境監測站，寧夏 石嘴山 753000 3.寧夏理工學院，寧夏 銀川 753000

湖泊是自然環境作用力影響下逐漸形成的一類相對獨立的水環境自然生態系統[1-2]，是地球水圈的重要組成部分，也是地球陸地表層系統各要素相互作用的連接點，其作為地球上重要的淡水資源庫、洪水調蓄庫和物種基因庫，與人類水產與生活息息相關。《中國湖泊志》和第二次全國湖泊調查，將中國主要湖泊區域劃分為五大類[3]，分別為青藏高原區、西北干旱區、云貴高原區、東北平原與山地區和東部平原區。其中西北干旱區主要為封閉式湖泊，這一類湖泊主要面臨水體蒸發量大，補水量少，礦化度高，生態系統脆弱，水環境質量不斷下降等問題[4-6]。沙湖為西北干旱區典型的封閉式高原湖泊，其前身為寧夏農墾集團有限公司前進農場漁湖，1989年開發建設旅游區。隨著多年的旅游開發，沙湖生態系統遭到破壞，水環境質量逐年下降，環境問題日趨加重，雖然國內多位學者對沙湖污染特征進行過相關分析，但鮮有直觀揭示沙湖水質變化原因的報道[7-12]。

筆者采用污染源調查和污染物總量核算方法，對沙湖周邊區域水環境質量污染狀況進行研究，探究沙湖多年來水體污染物總量累計及水質突變性原因，同時通過數學模式核算沙湖周邊污染物遷移轉化及對沙湖水體水環境質量的影響程度，揭示沙湖水體主要污染原因及污染變遷規律，為沙湖水污染防治提供技術支撐，也為西北地區其他高原封閉式湖泊研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 研究區域

沙湖(地理坐標為38°39′27.97″N，104°04′58.66″E)位于銀川平原北部，緊鄰賀蘭山東麓，為洪積平原區蝶形洼地，主要由地下溢水、大氣降水和農田退水等形成。總面積約為80 km2，蓄水量約為4 796萬m3，平均水深約為2.2 m，其中水域面積為42 km2，核心水域約為21.8 km2，沙漠面積為22 km2。該區域屬半干旱荒漠地區，為溫帶大陸性氣候。沙湖區域年均降雨量約為173 mm，蒸發量約為982 mm，蒸發量約為降雨量的10倍，年平均溫度為 9.5 ℃，晝夜溫差一般可達12～15 ℃。

1.2 樣品的采集與分析

根據實地調查，沙湖周邊區域地表水主要包括老三排沙湖段、艾依河沙湖段、農發辦漁湖、農墾集團漁湖、湖東濕地、農墾集團水稻田、隔離溝及東一支渠，故該次水樣采集共設置8個監測斷面，涵蓋沙湖周邊3 km范圍內所有地表水水域及沙湖主要補水,同時結合沙湖日常監督性監測點位設置情況，共設置3個沉積物采樣點(圖1)。

圖1 沙湖周邊水域分布Fig.1 Distribution of waters around the Shahu Lake

水樣采集：根據寧夏自然氣候環境，每年8—9月為寧夏集中降雨期，同時也是農作物施肥階段。此時，沙湖補水量大，其周邊均存在大范圍蓄水，可以全面衡量沙湖最大污染程度和污染因子影響能力，故該次采樣時間確定為2017年8月下旬。每次采集的水樣均在水面下0.5 m處，每個點位采集3次，樣品混合均勻靜置0.5 h后用吸管一次或幾次移取水樣，然后加入相應固定劑帶回實驗室分析。采集樣品嚴格按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)開展監測，監測結果按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ 類標準限值進行單因子評價。

沉積物采集：采用柱狀采樣器采集沙湖表層 0～10 cm 的沉積物樣品，將其混合均勻后裝入聚乙烯袋，帶回實驗室在開放狀態以 4 000 r/min的速度離心 20 min，離心液作為間隙水保存在 4 ℃ 冰箱中待測。離心后鮮樣進行含水量測試，同時參照土壤檢測方法對沉積物中的CODMn、TP、TN、氟化物進行檢測，檢測結果僅作為參考(表1)。

表1 水樣分析方法及儀器設備Table 1 The analysis methods and equipment for water quality

1.3 污染物核算

為進一步量化沙湖水體主要污染物通量，利用數學模式，按照沙湖蓄水量約4 796萬m3核算沙湖現有水體各項污染物總量。

(1)

式中：V為沙湖水體理論蓄水量，萬t；S為沙湖核心水域面積，km2；H為沙湖平均水深，m。

(2)

式中：Mi為第i種污染物在沙湖水體中總量，t；Ci為第i種污染物在沙湖水體中監測濃度，mg/L；V為沙湖水體理論蓄水量，萬t。

1.4 質量控制

為保證監測數據準確、可靠，水樣及底質的采集、保存、實驗室分析和數據處理全過程均按照《環境水質監測質量保證手冊(第二版)》的要求執行。監測分析方法采用國家有關部門頒布的標準分析方法，監測人員均持有環境監測上崗合格證，所有監測儀器均經過相關部門檢定、校準和比對。采取了平行樣分析、加標回收分析和質控樣對比分析等實驗室內質量控制措施。

2 結果與討論

2.1 沙湖周邊水域環境質量現狀

沙湖為封閉式獨立水體，除東一支渠黃河補水外，其他水域與沙湖均未直接連通，為進一步核算沙湖周邊獨立水體主要污染物含量，筆者對沙湖周邊水域水質進行監測，監測結果見表2。

由表2可見，沙湖周邊地表水中老三排沙湖段、艾依河沙湖段、農墾集團漁湖、湖東濕地和東一支渠為劣V類水質，農發辦漁湖為V類水質，農墾集團水稻田和隔離溝為Ⅳ類水質。其中CODMn的質量濃度范圍為4.5～13.2 mg/L(最大超標1.2倍)，CODCr質量濃度范圍為17～67 mg/L(最大超標2.4倍)，TP質量濃度范圍為0.04～0.34 mg/L(最大超標5.8倍)，TN質量濃度范圍為0.28～2.49 mg/L(最大超標1.5倍)，氟化物質量濃度范圍為0.4～1.45 mg/L(最大超標0.5倍)。8個監測點位中，CODMn污染程度為6#>7#>3#>2#>8#> 1#>5#>4#，CODCr污染程度為6#>7#>2#>3#>8#>1#> 5#>4#，TP污染程度為8#>7#>1#>6#>2#>4#>5#>3#，TN污染程度為8#>6#>7#>1#>3#>4#>2#>5#，氟化物污染程度為7#>6#>5#>2#>3#>4#>1#>8#。由此可見，污染超標最嚴重的為TP，次之為CODCr，其中營養元素TP和TN在黃河補水中監測濃度較高，有機污染物在漁湖中監測濃度較高，氟化物在沙湖周邊原有濕地中監測濃度較高。分析原因可能是由于黃河來水懸浮物攜帶大量的磷和氮，而水產養殖過程中飼料及糞便等很容易造成水體有機物污染，湖東濕地地下水滲透和水體蒸發過程中很容易將氟化物等難降解污染物不斷積累。

表2 沙湖周邊水質類別統計Table 2 Statistical table of water quality category around the Shahu Lake mg/L

2.2 污染物累計量核算

根據石嘴山市環境監測站多年監測結果，2012年以來沙湖主要污染指標為CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物，其余監測指標均符合地表水Ⅲ類標準限值[13]。按照單因子評價法，沙湖水質在2012、2013年均符合地表水Ⅲ類良好標準，2014年降為地表水Ⅳ類輕度污染，從2015年開始水質急劇惡化，主要污染指標濃度明顯升高(圖2)。從各年度主要污染物總儲蓄量(表3)可以看出，2015年相比2013年主要污染物CODMn增加124.7 t，CODCr增加585 t，TP增加0.6 t，TN增加9.6 t。這些污染物含量的增加，導致沙湖水質變為劣V類，水體主要污染物CODCr濃度同比升高74%，CODMn濃度同比升高48%，氟化物濃度同比升高39%，主要污染物濃度達到多年峰值。2016年后，部分污染物濃度呈現下降趨勢，但由于污染物總量較大，水體污染依然較重。分析污染物濃度下降原因可能是2016年中央對寧夏開展環保督查，相關部門對沙湖采取一系列水質改善措施，包括水生植物的種植和黃河補水預處理等，水環境質量有所改善。

圖2 2012—2017年8月沙湖主要污染物監測濃度變化Fig.2 The monitoring concentration variation of major pollutants in the Shahu Lake from 2012 to August 2017

表3 2012—2017年沙湖水體污染物總量統計Table 3 Statistics of the total amount of pollutants in the Shahu Lake in 2012—2017 t

2.3 內源性污染物遷移轉化

2.3.1 底泥污染物釋放

大量的氮、磷和有機物會沉積在水體底泥中，隨著水體溫度、pH、溶解氧等自然條件的變化，底泥中沉積的氮、磷和有機物等會釋放進入水體[14]。底泥中污染物一方面可被微生物直接攝入，進入食物鏈，參與水生生態系統的循環；另一方面，污染物可在一定的物理化學及環境條件下，從底泥中釋放出來重新進入水體，形成內源污染負荷[15]。

經現場調查，沙湖底泥的平均厚度約為0.2 m，經實驗室測試,底泥平均含水率約為43%。在特定條件下，沉積物孔隙水中污染物具備60%的釋放能力[16]，由此預測孔隙水向沙湖水體轉移的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體總污染物的6.4%、6.6%、16.6%、14.2%、31.4%(表4)。分析原因可能是由于沙湖為淺水湖泊，成湖時間短，其補水主要為黃河來水和少量降雨及周邊地下水，所以水體氧含量較高，沉積物厚度不大，加之其礦化度高，TP等主要污染物多被礦化，難以有效釋放，導致孔隙水中污染物向沙湖水體輸送量不高。分析結果表明，沙湖底泥可能是最主要的內源性污染，其在特定條件下通過釋放作用經間隙水向沙湖水體擴散污染物。

表4 沙湖底泥對污染物釋放統計Table 4 Statistical table of pollutant release from the Shahu Lake sediment

2.3.2 水體蒸發與地質影響

根據沙湖區域氣象條件分析，沙湖年蒸發量約為2 140萬m3，占沙湖總庫容的45%，水量蒸發會使水中各項污染物累積濃縮[17-18]。沙湖流域地下水主要為松散巖類孔隙水，含水層巖性主要為細砂、粉細砂和少量中砂。沙湖特有的地質環境導致沙湖區域滲透性較強，在不考慮補水及外來污染物進入湖體的情況下，沙湖年蒸發作用可使沙湖各污染物監測濃度在原有基礎上升高45%左右，加之地下水和沙湖水體會存在一定的交換和影響作用，具體情況有待進一步分析。

2.3.3 水生植物自身吸收

據調查，沙湖水生植物主要以蘆葦和菖蒲為主，目前沙湖蘆葦種植面積約為3.47×106m2(原有蘆葦面積約為2.67×106m2，2017年新增0.8×106m2)。按照蘆葦吸收氮11.1 g/(m2·a)，吸收磷3.72 g/(m2·a)計算[19-20]：沙湖蘆葦每年對水體TP和TN的削減量分別為12.9 、38.4 t，這可能是導致沙湖多年來TP和TN有效輸入總量降低的主要原因。因此，通過及時打撈腐敗的挺水植物，定期對蘆葦、菖蒲等植物進行收割和清理，可將氮磷等污染物轉移出沙湖生態系統，減少挺水植物腐敗落葉進入沙湖水體，避免二次污染。

2.4 外源性污染物遷移轉化

2.4.1 黃河補水污染物輸入

據調查，2014年之前黃河水未經沉淀直接補入沙湖，由于黃河泥沙含量大，大量懸浮物攜帶有機物、TP、TN等污染物直接進入沙湖，對沙湖水體影響較大[21-23]。從2012年開始，黃河補水每年向沙湖輸入大量污染物，隨著近年補水量的增加，污染物輸送量也隨之增加(表5)。2015年全年補水2 853萬m3，導致沙湖水體CODCr增加1 626 t，TP增加1.99 t，TN增加45 t，氟化物增加46 t。這些污染物含量的增加，導致沙湖水體迅速惡化，水體水質由2014年的Ⅳ類降為劣V類。2017年黃河補水攜帶的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體污染總量的49%、30%、279%、99%、13%。研究結果表明，黃河補水可能是沙湖水體污染的主要原因，通過對黃河補水進行預處理，可以在短期內最大限度地改善沙湖水質。

表5 近年黃河補水為沙湖輸入污染物統計Table 5 Statistics on the input pollutants of the Yellow River in recent years t

通過統計不同年度沙湖水體各污染物總量與沙湖補水量，可以分析黃河補水對沙湖水體的污染程度(圖3)。研究結果表明，除TN外，其他污染總量和沙湖補水存在較強的相關性。CODMn、CODCr、TP、氟化物和沙湖黃河補水線性相關系數分別達到0.953 3、0.909 9、0.918 8、0.951 2。

圖3 黃河補水與沙湖水體污染物總量變化趨勢Fig.3 Linear graph of the trend of the total amount of pollutants in the Yellow River hydration and the Shahu Lake

2.4.2 周邊面源污染物間接滲入

為進一步核實沙湖周邊水域污染物轉移量，對周邊水域污染物總量進行核算，并從污染物總量角度分析污染程度和遷移轉化通量。沙湖區域主要以砂質土為主，參考國內現有研究成果[24-25]，沙湖區域污染物擴散系數取0.1進行估算。根據監測結果分析，沙湖周邊面源污染主要來源于農墾集團水稻田。雖然該區域水質較好，但其面積大，且分布在沙湖周邊，其通過滲透作用可向沙湖水體輸送的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占沙湖當年水體污染物總量的19.86%、15.22%、45.83%、30.77%、17.97%，其他面源污染物輸入量所占比例較小。研究結果表明，沙湖周邊面源性污染不容忽視，農業生產過程中氮、磷的使用通過一定途徑可進入水體環境，對水環境質量造成較大的影響，退耕還濕可在一定程度上緩解沙湖水質污染現狀，具體情況有待進一步深入研究,詳見表6。

表6 沙湖周邊水域污染物轉移量統計Table 6 Statistical table of agricultural non-point source pollutants

3 結論

1)從多年監測結果來看，按照地表水水質Ⅲ類標準評價，沙湖水體主要超標項目為CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物。多年監測結果顯示水體重金屬、氨氮等污染物濃度較低，基本達到地表水Ⅱ類標準限值。沙湖為封閉式水體，排水量較小，水體蒸發過程中大量污染物積累留在沙湖內部，導致污染物濃度升高。同時水體蒸發導致礦化度升高，水體自凈能力減弱，各種污染物進入沙湖后短時間內難以自然降解。

2)研究結果表明，沙湖水體污染主要存在內源性釋放污染和外源性間接輸入污染，其中內源性污染主要是沙湖水體污染物釋放，其通過孔隙水向沙湖水體轉移的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體總污染物的6.4%、6.6%、16.6%、14.2%、31.4%；外源性污染主要是黃河補水和沙湖周邊面源性污染，其通過滲透作用向沙湖輸入CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體總污染物的72%、48%、331%、133%、32%。

3)黃河補水為沙湖主要補水來源，由于黃河補水泥沙量大，TP、TN、有機物背景值較高，加之沙湖補水缺少有效凈化系統，大量污染物隨黃河補水進入沙湖。黃河補水污染物CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物輸入量占沙湖水體污染物總量的49%、30%、279%、99%、13%，是沙湖最主要的外源性污染來源。

4)沙湖周邊存在大面積的農業種植和水產養殖等潛在污染源，這些潛在污染源污染物總量較大，雖然未直接進入沙湖，但其滲透作用會對沙湖水體造成一定的影響，其中沙湖周邊面源污染導致CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物污染占污染物總量的23%、18%、52%、34%、19%。