某城市內湖水質評價及污染成因分析

劉加強，范秀磊，李 昂，馮啟言，楊成方

(1.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州 221116；2.徐州工程學院環境工程學院，江蘇徐州 221111)

城市內湖是城市水系的重要組成部分，具有調節微氣候、防洪排澇、改善生態環境等功能[1-3]。隨著城市快速發展，人類活動日益頻繁，且城市內湖多呈相對封閉狀態，水體缺乏流動性，水體富營養化、水體水質季節性惡化問題越來越突出[4-5]。水體富營養化導致藻類和其他水生植物過量繁殖，水體透明度下降，溶解氧含量降低，進而引起水生生物大量死亡、水質惡化、發腥發臭，嚴重影響水域功能的發揮[6]。因此，分析城市內湖水質年際變化規律及水體氮、磷營養鹽的季節變化規律，有助于揭示水體污染成因，為有效提出正確的水體富營養化控制措施提供科學依據，對改善城市人居環境和實現城市可持續發展具有重要意義[7-8]。

1 研究區域概況

某城市內湖位于蘇北某市，距離市中心3 km，該湖集雨面積為59.1 km2，湖區面積達11.4 km2。其中，水域面積為3.76 km2，總庫容為3 330萬m3，興利庫容為905萬m3，最大水深為5.1 m，平均水深為2.5 m，為典型的城市淺水型湖泊[9-10]。經過多年的開發與保護，該湖已成為一座以城市防洪為主，結合城市風景、農業灌溉、市區沖污、水產養殖、旅游開發、度假休閑和餐飲美食等綜合效益功能為一體的風景旅游區[11]。

2 數據與方法

2.1 監測指標與數據

為研究湖區水質的時間變化特征，將湖區分為東湖、西湖和小南湖3部分。西湖設置采樣點4處，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；東湖設置采樣點4處，分別為Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ；南湖設置采樣點2處，分別為Ⅸ、Ⅹ。采樣點布置如圖1所示，采樣頻次為每月3～4次。數據來源于水庫管理局提供的水質監測專報，監測指標主要包括pH、DO、渾濁度、電導率、CODMn、NH3-N、TN、TP等。重點對變化幅度較大的CODMn、NH3-N、TN、TP這4項指標進行篩選和整理，統計出2013年—2018年各指標的平均含量。為考查湖區氮、磷含量的季節性變化規律，統計出2018年8月—2019年7月TN、TP的平均含量，并以6月—9月作為豐水期，3月—5月、10月作為平水期，11月—次年2月作為枯水期進行分析。

圖1 采樣點布置圖Fig.1 Layout of Sampling Points

2.2 評價方法

采用內梅羅指數法進行水質定量評價[12]，并用污染分擔率研究指標體系中各項污染因子的貢獻程度[13]。執行的環境質量標準為《地表水環境質量》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水質標準[14]。

3 結果與討論

3.1 2013年—2018年整個湖區水質變化分析

由圖2可知：2013年—2018年整個湖區的NH3-N濃度存在波動，但變化不大，NH3-N濃度為0.334～0.391 mg/L，變化率為17.1%；CODMn、TN濃度變化表現為先降低后升高，CODMn、TN的濃度分別為3.959～4.983、1.023～1.822 mg/L，變化率分別為25.9%、78.1%；TP濃度變化存在較大波動，TP的濃度為0.063～0.117 mg/L，變化率為85.7%。綜上分析，2013年—2018年TN、TP濃度變化率最大，特別是2017年、2018年，CODMn、TN、TP的濃度明顯高于其他年份。

圖2 湖區水質年際變化規律Fig.2 Interannual Variation of Water Quality in Lake Area

3.2 水質評價

采用內梅羅指數法對湖區各部分水質監測指標進行統計評價，統計結果如表1所示。從整個湖區的內梅羅指數來看，2013年—2018年水質表現為由差轉好再到惡化，其中，2015為轉折點，2017年污染最為嚴重，2018年次之。

表1 各湖區與整個湖區年均值內梅羅指數結果Tab.1 Annual Mean Nemero Indexes of Each Lake and Whole Lake Area

將各湖區與整個湖區作為變量，導入SPSS統計軟件進行定量相關性分析，采用雙側顯著性檢驗，計算Spearman相關系數rs(rs>0正相關，rs<0負相關，其絕對值大小反映變量相關程度高低)[15]。由表2各湖區與整個湖區相關性分析結果可知，P<0.05、rs>0.8，說明各湖區與整個湖區存在正向顯著極強相關關系。從相關系數rs的大小來看，西湖(1.000)>東湖(0.943)>小南湖(0.829)，說明西湖水質與整個湖區水質的相關性最強。因此，可以用西湖的水質變化情況來反映整個湖區的水質變化規律，可使水質評價工作簡化，操作性更強。

表2 各湖區與整個湖區相關性分析結果Tab.2 Correlation Analysis between Each Lake and Whole Lake Area

通過污染分擔率來反映污染構成，結果如表3所示。污染分擔率為TP>TN>CODMn>NH3-N，且不同年份TP、TN污染分擔率的和占比為75%～79%，說明TP、TN在整個污染構成體系中污染最為嚴重，應引起足夠重視。不同年份、不同污染因子的污染指數均呈現先降低后升高的趨勢，2015年、2016年是轉折點，近2年(2017年、2018年)水質污染加劇。

表3 水質評價指標體系中各因子的污染指數及分擔率變化Tab.3 Changes of Pollution Indexes and Share Rates of Each Factor in Water Quality Evaluation Index System

3.3 氮、磷季節變化分析

氮是生物的重要營養元素，在某些情況下也是浮游植物的限制性營養元素[16]。磷是水體初級生產力的限制性營養元素，磷的過量輸入是引起水體富營養化的直接原因[16]。氮、磷含量的動態變化對于整個湖區的水質具有重要影響[16]。各湖區TN、TP平均濃度月度變化如圖3所示，各湖區TN、TP年平均濃度如圖4所示。

圖3 湖區TN、TP平均濃度月度變化Fig.3 Monthly Change of TN and TP in Lake Area

圖4 湖區TN、TP平均濃度Fig.4 Average Concentration of TN and TP in Lake Area

由圖3可知，西湖、東湖及南湖的TN變化趨勢非常接近，TP類似。從整個湖區來看，TP含量為0.055～0.12 mg/L，全年平均值為0.083 mg/L，2018年8月—10月TP濃度明顯高于其他月份，8月TP濃度最高，達0.12 mg/L；TN濃度除1月—3月外，其他月份波動較大，TN含量為1.471～2.217 mg/L，全年平均值為1.87 mg/L，2019年6月TN濃度達到最高，達2.217 mg/L。

由圖4可知，TN、TP的平均濃度分別為西湖>東湖>南湖，西湖在整個湖區中污染最為嚴重，主要原因是西湖上游補水河道補水線路較長，約40 km，集雨面積達28 km2，占整個湖區集雨面積的52%，且河道兩側現狀為農村和部分鄉鎮，沿線污染未徹底治理(特別是農業面源污染)。

湖區各期營養鹽濃度如表4所示，TN濃度大小為平水期>豐水期>枯水期，總體相差不大。TP濃度大小為豐水期>平水期>枯水期，豐水期濃度明顯高于平水期、枯水期，這說明降雨徑流攜帶污染進水水體，對湖區污染影響較大。

表4 湖區各期營養鹽濃度Tab.4 Nutrient Salt Concentration of Each Period in Lake Area

湖區流速分布如圖5所示，該湖1進3出，僅1處進水點，水量為15萬 m3/d，整個湖區流速較大的區域主要為進水口和出水口附近。湖區大部分面積流速在0.2 cm/s以下，整體水動力條件不足，換水周期約為220 d，遠大于國際公認的湖泊水體水力停留時間>30 d為富營養化潛在發生區的值。另外，沉積物是污染物的重要儲蓄積庫，在一定的環境條件下，沉積物作為內源向上浮水中釋放氮磷，從而對水體產生污染[16]。相關研究中，分別將東湖和西湖10個取樣點同一深度沉積物中TN、TP的含量進行平均，結果如圖6所示。沉積物中TN含量東湖高于西湖，東湖和西湖TN平均含量為0.7～0.89 mg/g；沉積物中TP含量除次表層外，西湖高于東湖，東湖和西湖TP平均含量為0.068～0.11 mg/g[9]。該湖多年來未清淤，沉積物中氮磷的內源釋放對水體水質的影響不容忽視。

圖5 湖區流速分布示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Velocity Distribution in the Lake Area

圖6 不同深度沉積物TN、TP含量對比[9]Fig.6 Comparison of TN and TP in Different Depths Sediments[9]

4 結論

(1)通過分析東湖、西湖和南湖與整個湖區的相關關系，得出各湖區與整個湖區均存在正向顯著極強相關關系。其中，西湖與整個湖區的相關性最強，因此，可以用西湖的水質變化情況來反映整個湖區的水質變化規律。從水質評價結果來看，2013年—2018年湖區水質整體呈逐漸轉好到污染加劇的發展趨勢，特別是TP、TN在整個污染構成體系中污染最為嚴重。

(2)通過分析湖區氮、磷含量的季節性變化規律，得出TN濃度：平水期>豐水期>枯水期，總體相差不大；TP濃度：豐水期>平水期>枯水期，豐水期濃度明顯高于平水期、枯水期，降雨徑流攜帶污染進入水體，對湖區污染影響較大。

(3)湖區上游補水線路較長，沿線污染未徹底治理。另外，湖區僅1處補水點，整體水動力不足，該湖多年來未清淤，沉積物中氮磷的內源釋放對水體水質的影響不容忽視。