城市湖泊水體修復(fù)過程的富營養(yǎng)化評價
——以武漢南湖為例

張航,沈來銀,苗滕,張藝,周念來,周馳,鄭麗萍

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院 湖北省水利水電科技情報中心,武漢 430070;2.武漢華大吉諾因生物科技有限公司,武漢 430072)

氣候變化以及人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大影響,由此導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化狀況嚴峻[1].通過水生態(tài)修復(fù)等一系列保護措施,可以改善水體富營養(yǎng)化狀況,減緩水生態(tài)系統(tǒng)的退化速率,使已經(jīng)退化或損壞的水生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復(fù),并保持其長久穩(wěn)定[2-3].南湖是武漢市僅次于東湖和湯遜湖的第三大城中湖,北臨東湖,南臨野芷湖、湯遜湖.南湖屬于湯遜湖水系,水面面積約為7.67 km2,水體容量約為2 052萬m3[4-5],周邊居民區(qū)、高校密集,總?cè)丝诩s59.4萬.隨著城市的不斷發(fā)展,人們的經(jīng)濟活動對南湖水域產(chǎn)生了嚴重影響,導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化,水生態(tài)系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)能力,水質(zhì)常年綜合評價為劣V類[6-9].為解決南湖突出的水環(huán)境問題,對南湖進行了水質(zhì)提升綜合整治工程,按照“尊重自然、生態(tài)優(yōu)先”的原則,實施水生態(tài)修復(fù)工程.主要內(nèi)容包括排污口生態(tài)改造、沿岸水生植物種植以及健康水生態(tài)系統(tǒng)管理.通過這些工程的開展,南湖富營養(yǎng)化程度是否能得到改善,通過生態(tài)修復(fù)期間連續(xù)的水質(zhì)監(jiān)測,綜合分析湖區(qū)氮、磷等指標的時空變化特征與富營養(yǎng)化狀態(tài),探討南湖水生態(tài)修復(fù)效果,為城市湖泊水生態(tài)治理和水質(zhì)提升提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究區(qū)域共設(shè)置13個采樣位點(圖1).其中小南湖位點為NH01～NH03、華農(nóng)灣位點為NH04和NH05,大南湖位點為NH06～NH13,分布于敞水區(qū)和湖心,其中NH01位點位于南湖水生態(tài)修復(fù)示范區(qū).武漢南湖屬于淺水型湖泊,平均深度為2.0 m,各位點均采集表層0.5 m處水樣,裝入聚酯玻璃瓶,密封避光保存.監(jiān)測時間從2020年4月至11月,每月監(jiān)測1次.

1.2 監(jiān)測與評價

監(jiān)測的主要指標主要包括:水溫(WT),溶解氧(DO),pH,采用便攜式水質(zhì)參數(shù)儀(YSI ProPlus,USA)分析,所有基本物理參數(shù)均現(xiàn)場測定.水體化學(xué)指標有:總氮(TN),總磷(TP),銨態(tài)氮(NH4-N),具體測定方法參照文獻[10],葉綠素a(Chl.a)采用熱乙醇提取,分光光度法測定[11].采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價湖泊富營養(yǎng)化狀況[12].

2 結(jié)果與討論

2.1 修復(fù)期水體指標

水體修復(fù)期間南湖水體的pH基本上在8.2～9.0之間(圖2(a)),屬于弱堿性水體,各采樣位點pH無顯著性差異,除了在9月份略微上升外,其余月份水體pH值變化范圍不顯著,平均值保持在8.49.水溫季節(jié)性變化差異較大(圖2(b)),從4月份開始,水溫升高較明顯,到8月份達峰值29.7 ℃,后續(xù)受降水影響,氣溫持續(xù)降低,從9月份之后,平均水溫低于20 ℃,低于往年平均水溫.水體溶解氧較高,維持在6.5 mg/L以上(圖2(c)),溶解氧平均質(zhì)量濃度為8.21 mg/L,飽和率達90%以上,各位點之間季節(jié)性差異不顯著,表明水體屬于富氧水體.

南湖水體總體透明度較低(圖2(d)),監(jiān)測期間平均透明度為0.27 m,最低值為0.15 m,從2020年4月至11月,透明度基本沒有變化.變化趨勢為冬、春季水體透明度稍微高于夏、秋季,對比效果不明顯.這可能與監(jiān)測期間南湖岸線大范圍打樁施工,對湖泊底泥影響較大,加上風(fēng)力擾動,水體顆粒性懸浮物增多,臨時透明度改善措施雖然能夠短暫調(diào)整水體透明度,但后期還是會受到大湖水質(zhì)的影響,常年劣V類水體會影響湖泊自凈能力,南湖水體總體透明度改善效果不明顯.

南湖水體TN指標波動比較顯著(圖2(e)).TN總體平均質(zhì)量濃度在1.64～3.95 mg/L之間,在2020年5月和8月平均值較低,呈現(xiàn)春、冬兩季高,夏、秋兩季低的情況.而小南湖區(qū)域的TN均高于南湖平均值,最高含量出現(xiàn)在11月份,TN質(zhì)量濃度均超過了5 mg/L,超標現(xiàn)象非常嚴重,但總體與南湖平均值變化趨勢保持一致.TN持續(xù)波動,表明南湖水體的水質(zhì)正在發(fā)生劇烈的變化,考慮到水生態(tài)修復(fù)項目的施工對水體造成的影響,在南湖水生態(tài)修復(fù)工程未完工情況下,TN波動這種情況可能還會持續(xù).

TP變化見圖2(f),TP平均質(zhì)量濃度為0.30 mg/L,為地表水劣V類水質(zhì).4至5月份,總磷質(zhì)量濃度最低,為0.19 mg/L,到2020年8月,TP質(zhì)量濃度逐漸上升,8月TP平均值達到0.81 mg/L,之后呈下降趨勢,呈現(xiàn)中間高兩邊低的趨勢.參考武漢周邊地區(qū)天氣數(shù)據(jù),武漢地區(qū)在8月末有大量降雨,地表徑流隨雨水沖刷入湖,加上風(fēng)浪對底泥的攪動,導(dǎo)致短時間內(nèi)大量磷釋放到水體中,TP超標非常嚴重.南湖周邊排口分布眾多(圖1),有13個排口未完全實行雨污分流,部分未截留的污水仍然會進入主湖區(qū),導(dǎo)致主湖區(qū)內(nèi)TP質(zhì)量濃度居高不下.8月份,大湖區(qū)TP平均數(shù)值異常增高,NH11位點TP質(zhì)量濃度達到1.49 mg/L.在其他月份,小南湖TP值均高于同期的華農(nóng)灣和大南湖,小南湖的TP超標嚴重影響了全湖的治理效果.

南湖的NH4-N變化情況見圖2(g),監(jiān)測期間內(nèi),NH4-N平均質(zhì)量濃度為1.04 mg/L,達到地表水IV類水質(zhì)標準.4月份最低,為0.56 mg/L,4至7月份,南湖的NH4-N呈緩慢增長趨勢,8月份之后緩慢上升速度較明顯,到10月份 NH4-N質(zhì)量濃度最高,達到1.81 mg/L,11月份略微下降.除了小南湖的變化趨勢與總體保持一致外,大南湖和華農(nóng)灣的NH4-N變化趨勢不顯著,而且小南湖的TN遠高于同期其他區(qū)域,達到6.0 mg/L(10月份)和8.7 mg/L(11月份),分別超標5.0倍和7.7倍,而南湖其他湖區(qū)NH4-N數(shù)據(jù)基本沒有超標.

南湖水體的平均Chl.a質(zhì)量濃度為51.85 μg/L(圖2(h)),從2020年4月至6月呈下降趨勢,到7月份,Chl.a平均質(zhì)量濃度為87.43 μg/L,而后逐漸降低,最低值在11月份,為24.12 μg/L.三大湖灣區(qū)中小南湖的Chl.a質(zhì)量濃度均高于同期其他幾個湖灣,最高值出現(xiàn)在7月份,為251.60 μg/L,華農(nóng)灣7月份平均質(zhì)量濃度也達到了91.80 μg/L,遠高于同期大湖區(qū)Chl.a,現(xiàn)場采樣發(fā)現(xiàn)小南湖和華農(nóng)灣內(nèi)藍藻聚集現(xiàn)象十分明顯,是藍藻水華爆發(fā)的主要區(qū)域.

2.2 湖泊水質(zhì)的空間變化

根據(jù)湖泊理化因子的結(jié)果,選取2020年8月湖泊水質(zhì)作為研究湖泊水質(zhì)空間分布的典型代表(圖3).

2020年8月,小南湖區(qū)域TN平均質(zhì)量濃度為2.11 mg/L,TP平均質(zhì)量濃度為0.46 mg/L,均未達到地表水V類水質(zhì)標準(CTP≤0.2 mg/L,CTN≤2.0 mg/L),NH4-N平均質(zhì)量濃度為1.63 mg/L,Chl.a最高質(zhì)量濃度達到124.60 μg/L,透明度僅為0.25 m.華農(nóng)灣片區(qū)中,TP超標15倍,達到0.79 mg/L,為劣V類水質(zhì)標準,TN為1.78 mg/L,NH4-N為0.58 mg/L,均未達到V類水質(zhì)標準,Chl.a為66.70 μg/L,透明度為0.27 m.大南湖情況與華農(nóng)灣情況相似,除了TP超標嚴重以外,其他指標均在V類水質(zhì)指標以內(nèi).

南湖水質(zhì)的時空變化可以清晰地反映南湖各個湖區(qū)水質(zhì)的基本情況,呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性,三大片區(qū)中,大南湖水質(zhì)明顯優(yōu)于小南湖和華農(nóng)灣,其中TN(圖3(a))、NH4-N(圖3(c))、Chl.a(圖3(d))3個指標的分布規(guī)律由高到低為小南湖、華農(nóng)灣、大南湖,透明度(圖3(e))分布規(guī)律由高到低為華農(nóng)灣、小南湖、大南湖.TP(圖2(b))在大南湖的安康路附近出現(xiàn)明顯的異常,且已經(jīng)向大南湖湖區(qū)擴散,說明附近排口溢流的污水已經(jīng)嚴重影響了局部水質(zhì).

2.3 南湖富營養(yǎng)化評價

根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的數(shù)據(jù)以及第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示:2018年南湖水質(zhì)整體為劣Ⅴ類,TN、TP含量嚴重超標,北岸較南岸水質(zhì)差,夏季較冬季水質(zhì)差.

根據(jù)2018年12月份對南湖水生態(tài)環(huán)境調(diào)查的結(jié)果,南湖TN平均質(zhì)量濃度為5.10 mg/L,TP平均質(zhì)量濃度為0.21 mg/L,屬于嚴重的高氮高磷環(huán)境,評價結(jié)果為地表水劣V類.對南湖進行水體富營養(yǎng)化評價,南湖的TLI在71.3～79.4之間,平均值為75.0,呈重度富營養(yǎng)化狀態(tài).

2018年12月至2019年7月數(shù)據(jù)顯示,南湖水體仍然呈富營養(yǎng)化狀態(tài),TN平均質(zhì)量濃度為4.60 mg/L,TP平均質(zhì)量濃度為0.18 mg/L,透明度為0.35 m,Chl.a平均質(zhì)量濃度為53.71 μg/L,遠高于藍藻水華爆發(fā)的可能臨界質(zhì)量濃度10 μg/L[13],富營養(yǎng)化程度與地區(qū)污染水平呈現(xiàn)一定的相關(guān)性,南湖整體富營養(yǎng)化現(xiàn)象仍然嚴重.

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù),對南湖水體2020年的富營養(yǎng)化水平進行評價,結(jié)果如圖4.根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)分級標準,南湖湖區(qū)從2020年4月至11月期間,TLI指數(shù)為61.69～71.35,總體處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài).4月至6月,TLI指數(shù)變化不明顯,而后逐漸升高,7月和8月分別為71.35和69.64,為重度富營養(yǎng)化狀態(tài),而后逐漸降低,到了11月份達到最低值(圖4).

從圖3(f)可以看出,南湖湖區(qū)TLI指數(shù)也呈現(xiàn)明顯的區(qū)域異質(zhì)性.小南湖和華農(nóng)灣區(qū)域的TLI指數(shù)明顯高于大南湖湖區(qū).2020年8月小南湖區(qū)3個監(jiān)測位點的TLI指數(shù)分別為67.29、76.26和71.82,平均值為71.79,處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài).華農(nóng)灣區(qū)域的TLI指數(shù)也超過70.00,湖區(qū)的TLI指數(shù)變化范圍為65.95～69.43,處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài).從歷年TLI指數(shù)來看,2008年是75.00,2019年是68.26,2020年為65.86,TLI指數(shù)逐年下降.圖4從4月至11月,總體呈現(xiàn)下降趨勢,表明南湖生態(tài)修復(fù)治理措施取得初步成效,湖區(qū)水體自凈能力得到初步恢復(fù),后期有望通過控源截污、生態(tài)修復(fù)等措施將水體TLI指數(shù)降低到60以下,改變湖區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)分級.

目前南湖周邊已經(jīng)開展了雨水收集系統(tǒng)管網(wǎng)和排口雨污分流改造工作,但是污水管網(wǎng)泄露,排口溢流導(dǎo)致進入南湖的污水仍然不少,前期沉積的底泥污染導(dǎo)致氮磷物質(zhì)的再釋放也影響了湖區(qū)水質(zhì)的凈化,水動力條件不足致使南湖的污染難以有效地轉(zhuǎn)移和疏散.經(jīng)過連續(xù)8月的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)南湖水質(zhì)改善效果不明顯,目前仍是地表水V類水質(zhì).短期的數(shù)據(jù)難以說明生態(tài)修復(fù)工程實施后對南湖水質(zhì)的實質(zhì)影響,因此后期需要繼續(xù)加強對南湖水質(zhì)的監(jiān)測,特別是對已開展水生態(tài)修復(fù)的區(qū)域.

3 治理建議

加強對南湖周邊排口的升級改造,避免排口溢流污染,及時對污染排口進行監(jiān)測與查處,對難以處理的排口進行生態(tài)化改造,攔截入湖污染物;摸清南湖水生植物恢復(fù)的邊界條件,在整個南湖周邊逐漸恢復(fù)沉水植物;對藍藻水華進行預(yù)防和削減,防止示范區(qū)內(nèi)藍藻水華大量爆發(fā),創(chuàng)造良好的恢復(fù)條件;有條件地開展東湖-南湖-野芷湖-湯遜湖等“四湖水系連通工程”,改善水動力條件,使區(qū)域水體活起來,帶動部分污染物出湖,削減污染存量.