架桥前后汤逊湖水体水质富营养化状况对比

2011-08-28杨书香王延枝潘祖亭曹军卫邓丽娟金卫华唐红枫冯倩倩蒋怀方

绿色科技 2011年8期

杨书香，王延枝，潘祖亭，曹军卫，邓丽娟，金卫华，唐红枫，涂毅，张慧，冯倩倩，穆婷，蒋怀方，董翠

（武汉东湖学院，湖北武汉 430212）

1 引言

汤逊湖位于武汉市郊，总面积36.6km2，包括内汤逊湖和外汤逊湖，蓄水容量11477万m3，属跨区湖泊，是武汉市后备饮用水源地、市内最大的原生态湖泊。近年来，由于汤逊湖周边地区的迅速开发，大量污水得不到有效处理便排入湖中，加上湖内鱼类养殖所投放的大量饲料，使得湖水水质在短时间内迅速恶化。通过查阅往年的记录与历时半年的实地考察，发现该湖尚未发生过大规模水华现象［1］。目前对汤逊湖架桥后水质进行检测并与架桥前数据对比，发现汤逊湖水质较架桥前有一定改善，属于轻度富营养化。

至今，架桥后汤逊湖富营养化方面的研究成果还未见报道。作者通过对汤逊湖沿岸及周边地区生态环境历时半年的考察，并于2010年12月上旬至2011年3月间对汤逊湖11个采样点的物理、化学及生物指标进行了定量检测，结合架桥前的检测结果，对汤逊湖富营养化情况进行分析，得到了一定量的第一手资料，希望能为改善与治理汤逊湖的水质提供帮助。

研究区域地理位置为30°24′58.31″N～30°25′48.71″N，114°21′41.08″E～114°21′41.08″E，地貌属鄂东南丘陵经江汉平原向大别山南麓低山丘陵过渡地带，中间低平，北部多山。地形属于残丘性河湖冲积平原，地势平坦低洼。气候属北亚热带季风湿润气候，常年雨量充沛、雨热同季，降水多集中在6～8月［2］。

2 材料与方法

2.1 样品采集

汤逊湖分内汤逊湖和外汤逊湖两部分。整个湖泊70%以上属于江夏区，剩余部分在东湖高新技术开发区和洪山区境内。共设11个采样点，使用Google Earth软件进行采样点定位［3］。采样点情况见表1，采样点分布见图1。本次采样与富营养化分析主要集中在枯水期（12月）进行，采样在月中进行。水样用有机玻璃瓶采取500mL。采样距水面0.5m的表层水样，采样用的所有器皿都按严格的清洗程序处理，所有水样带回实验室放入冰箱，在4℃下低温保存.，样同时现场测定透明度。

表1 考察采样点的基本情况

2.2 样品分析方法

汤逊湖兼有灌溉、旅游、水产养殖等多种经济功能。根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），选择透明度、pH值、化学耗氧量、总磷、总氮含量几项作为评价指标。选取综合营养状态指数法评价湖泊富营养化程度。pH值采用雷磁PHS-3D精密pH计直接测定，透明度采用塞式盘法在采样点直接测定，总磷（TP）采用国标钼酸铵分光光度法（GB11893-89），总氮（TN）采用国标碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，细菌总量采用平板菌落计数法，COD采用酸性高锰酸钾法GB11892-89，Chl.a采用国标丙酮提取可见分光光度法。各指标检测分析方法选用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）［3］中规定的《地表水环境质量标准基本项目分析方法》进行测试，其中透明度现场实测。

3 结果与分析

3.1 现场观察结果

以内汤逊湖为例，西岸为大面积的田地与未开垦自然荒地，人口相对稀少，东岸除少量田地与自然荒地外，其余面积为学校、高密度住宅区与工厂，人口相对密集；湖内除了东岸，其余面积均为渔场。湖水普遍显黄绿色，西岸浅水处可见大量水绵生长，水面边界处有白色泡沫与死鱼尸体，并伴有腥臭味；东岸附近水面有大量小团藻类漂浮物，近岸湖水比较混浊，靠近湖中处混浊度降低。

3.2 样点检测结果

对于11个采样点在架桥前、后7项检测指标数据见表2、表3。

表2 架桥前采样点的检测结果

表3 架桥后采样点的检测结果

图1 架桥后采样点总氮与总磷的变化比较

3.2.1 各指标总情况

比较表2和表3以及图2～4可发现架桥后汤逊湖水质检测各指标平均值降低。其中COD、TN、细菌总量、Chl.a均值降低最为明显。这说明架桥后汤逊湖水质变好，桥梁建设并没有影响汤逊湖的水体状况。

图2 架桥前采样点总氮与总磷的变化比较

图3 架桥前采样点细菌总量与COD的变化比较

图4 架桥后采样点细菌总量与COD的变化比较

3.2.2 透明度（SD）和pH值

由表3可知架桥后各采样点透明度变化范围为0.22～0.88m，变化范围较大，最低点出现在K点，次低点出现在A点，最高点出现在H点，次高点出现在I点。架桥前的数据表2显示透明度最低的是F点，环境为密集居民区。这说明人口密集的区域湖水的透明度普遍偏低。而架桥前透明度均值为58.27cm，架桥后透明度均值为60.69cm，可见架桥不影响湖水的透明度，湖水的透明度与是否架桥无关。pH变化范围为8.32～8.70，均值8.52，变化范围不大，整体呈微碱性。而架桥前pH值变化于7.75～8.94，平均值为8.39，可见架桥前后汤逊湖水质pH变化不大，说明架桥对水质pH几乎没有影响。

3.2.3 总氮（TN）和总磷（TP）

由表3可知架桥后各采样点总氮浓度的变化范围为1.957～4.004mg／L，计算其均值为2.583mg／L。总磷浓度的变化范围为0.04～0.44mg／L，均值为0.216mg／L。而由表2架桥前的数据可知各采样点TN浓度变化范围为1.840～3.945mg／L，计算其均值为2.847mg／L。TP浓度变化范围为0.04～0.92mg／L，均质为0.29mg／L。可见架桥后总氮和总磷浓度变低。图3为架桥前总磷和总氮变化的比较，图1为架桥后总磷总氮变化的比较，对比图1和图2，进一步直观说明架桥后总磷和总氮平均浓度的降低。从空间差异来看，无论是架桥前还是架桥后，渔场与高密度住宅区水域的TN含量普遍高于其它水域；高密度住宅区、渔场和农田附近水域采样点TP浓度明显高于其他区域的采样点。此结果进一步说明架桥对总氮和总磷浓度基本没有影响。

3.2.4 细菌总量和COD

分析表3及图4可知，架桥后E、F、K3处细菌总量明显高于其他地点，而这3处主要为人口密集区，主要排放各种生活污水。而同样分析表1及图3可知，架桥前高密度居住区附近水域的CFU／L COD明显大于其它水域。从影响细菌总量与COD值的因素来看，生活污水对水体的有机物质污染贡献最为突出，可推测生活污水在排放前没有进行有效的处理，此结果与架桥并无很大关系，且整体细菌总量在架桥后有所减少。说明水质的好坏与环境和污水处理有很大的关系，而与架桥没有直接的关系。

3.2.5 叶绿素（Chl.a）

架桥后数据（表3）显示采样区域叶绿素值含量变化很大，从2.66到40.48不等，计算所得其均值为12.62mg／m3。架桥前数据（表2）显示所有采样区域的叶绿素含量普遍偏高，均值达到19.05mg／m3。这说明架桥后绿叶素含量降低，汤逊湖水质得到更好的处理。

3.3 叶绿素（Chl.a）与透明度（SD）的相关性分析

从图5和图6各采样点叶绿素a含量与透明度变化的曲线来看，无论是架桥前还是架桥后，其间没有明显的相关性。表明藻类在湖水中的含量还不是很高，目前影响汤逊湖水体透明度的主要因素不是浮游植物，而是存在着其他各种众多复杂的影响因素。

图5 架桥前各采样点叶绿素（Chl.a）与透明度（SD）的变化比较

3.4 典型湖泊总氮、总磷含量与叶绿素a的相关分析

氮磷是造成水体富营养化的主要元素。根据典型湖泊汤逊湖架桥后总磷、总氮含量与叶绿素a的相关数据分析可知总磷、总氮含量与叶绿素a呈显著正相关关系，且总磷与叶绿素a的相关性更显著。而由架桥前检测结果同样显示总磷和叶绿素a的相关性更显著。氮磷比值（N／P）同样对藻类生长有重要影响，当N／P小于7时，氮是可能的限制性营养盐，N／P大于7时，磷是可能的限制性营养盐［6］。

3.5 富营养化情况

架桥前、后汤逊湖富营养化评价结果见表4。

表4 架桥前、后汤逊湖富营养化评价结果

根据表4中得出的叶绿素a（Chl.a）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、高锰酸盐指数（CODMn）5项指标，计算各项指标平均值，从而计算出各项目营养状态指数。把以上结果代入综合营养状态指数计算公式，得出综合营养状态指数，并进行分级。综合营养状态指数为：

式中TLI（∑）为综合营养状态指数；wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数。以chl.a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

式中rij为第j种参数与基准参数chl.a的相关系数；m为选出的主要参数数目（3～4个）。各项目营养状态指数计算公式为：

从表4架桥前汤逊湖综合营养指数为70，属于中度富营养型水质；架桥后的数据可知，汤逊湖目前（架桥后）综合营养状态指数为57，属于轻度富营养型水质。由表4可看出汤逊湖由架桥前的中度富营养化变成架桥后的轻度度富营养化。其主要原因是2010年9月30日，武汉市政府对该地区所有涉污的新建项目实施区域限批，并成立汤逊湖水环境整治工作领导小组，全面启动汤逊湖周边水环境整治。同时说明架桥对汤逊湖水质并无很大影响。

4 汤逊湖水体水质富营养化分析

4.1 水质富营养化现状分析

4.1.1 营养盐问题

图7为根据实地考察结果总结出的汤逊湖营养盐来源与去路模型。根据架桥前的研究显示汤逊湖水体的营养盐主要来自水产养殖场和高密度居住区。而架桥后的数据检测显示汤逊湖水质经政府整顿后营养盐含量降低，但主要还是来自水产养殖和高密度居住、工业区。政府调查资料显示汤逊湖拦网养鱼的面积达1027hm2，占湖水面积的41%左右，渔民为了提高产量，每年向湖中投放5000t含氮含磷的鱼饲料，这是水产养殖对湖水造成污染的主要原因。

从水产养殖对水体富营养化的作用来看，主要存在两方面的影响。投放入水中的鱼饵和饲料含有大量的氮磷成分，而未摄食部分和鱼类粪便进入水体，沉积到水体底层，造成了严重的水域环境污染。日本的网箱养殖场固态废物的沉积率为每天5kg／m2。以饵料和鱼苗形式人为输入海水网箱养鱼系统中的N有27%～28%通过鱼的收获而回收，23%积累于沉积物中［7］。如果按饲料利用率50%来计算，每年将有大约2500t饲料沉积到湖底。底质中有机物富集的效应之一便是其中的异养有机体耗氧增加，对沉积物进行分解，释放N、P等无机营养物，刺激水生植物和藻类的生长。宁丰收等对大洪湖水库网箱养殖区底泥中所含的氮磷量进行分析，通过模拟溶出实验发现底泥的氮、磷释放对水体富营养化贡献较大［8］。养殖区鱼类粪便逐渐在湖底沉积，所含的氮和磷在适宜的条件下会重新释放到水里，造成二次污染，加剧水体的富营养化过程。在对鲑鱼网箱养殖区下部沉积的N、P、C的研究结果表明，每年只有约10%的有机物可得到分解，大部分仍沉积于底泥中并不断向水体中释放［9］。因此水产养殖对水体富营养化将会造成一个长期性的影响。由于它表现出的滞后性，倘若等到水体富营养化程度达到严重程度时再进行治理将收效甚微，并且代价巨大。

图7 汤逊湖营养盐来源与去路模型

汤逊湖沿岸有高密度居住区，调查估计，住在汤逊湖边的人数在50万人以上，其中绝大多数分布在内汤逊湖东岸。大量未经有效处理的高浓度生活污水直接排入湖中使得湖水众多指标急剧升高，尤其是氮、磷、COD与细菌总量，架桥前后的数据显示均有上述特点。但是数据显示：架桥后汤逊湖周边水质经整治后，各项指标平均水平均低于整治前，说明整治有一定的效应。

汤逊湖沿岸有一定数量的工厂，工业废水的排入也导致了氮、磷含量的增加，富营养化的水体中很多氮磷也是来时工厂排出的废水。钢铁、化工、制药、造纸等行业的工业废水对湖泊中氮磷含量的增加有重要影响。架桥前后其养殖水域面积、居民区密集程度并几乎没有变化，工厂有一定数目的增加，然而架桥后其氮磷含量有一定程度的降低。这说明架桥对水质没有影响，且经过政府整治后水质有一定的改善。

4.1.2 面源污染问题

与其它影响因素相比，面源污染的因素在汤逊湖影响并不显著，但是这仍然是造成湖水富营养化的原因之一。氮是动植物的主要化学元素，氮肥是我国农业的主要化学肥料。研究发现，氮在水体中的富集是水质富营养化的重要因素。由于雨水冲刷，造成农田、果园等农业种植的高浓度营养盐随地表径流进入湖中，提升了水体的营养水平，造成或加剧水体的营养化程度。这种典型的面源污染，与降雨量密切相关，又受降雨强度、植被覆盖度、作物种类与耕作制度、土壤特性和坡度等诸多因素影响［10］。在对苏南地区的研究发现，化肥的利用率随着化肥用量的增加而降低，苏南地区水旱轮作系统的平均施氮量超过500kg／hm的情况下，其利用率却只有30%左右，剩余部分就流失到水体和大气环境之中［11］。这些面源污染问题和架桥完全无关，但是可以通过政府对环境的整治来减少这些问题。

4.1.3 现场考察情况

根据现场考察情况来看，目前还没有明显的大规模水华现象，且架桥后水体情况比架桥前更好。影响造成水华的藻类生长的限制性因素由总氮和总磷比例不合适的影响外，可能还存在温度与水流等影响。大部分的硅藻、一些蓝藻和所有隐藻在30℃以下不能持续生长。王志红等研究了温度与营养值对绿藻、硅藻水华态势的影响，结果表明在在中等以上的营养状态下，水温高时的藻生物量较大［12］。此外，汤逊湖所处的地理位置四季有风，并且常有强风，这在增加水面扰动的同时，有助于提高湖水曝气量，这对抑制水华起到了很大作用。而一旦气候发生变化，这种状况将难以控制。因此，政府环境整治小组在治理汤逊湖水质时应考虑到这些问题并采取适当的措施防止气候大幅度改变的发生。

4.1.4 富营养化情况的空间差异

以内汤逊湖为例，经调查可知东西两岸的产业结构不同。东岸以工业及地产业为主，而西岸主要为农业。这种沿岸区域经济结构上的差异很大程度上影响到汤逊湖局部富营养化情况的差异。

4.2 富营养化防治对策分析

4.2.1 外源性防治

湖泊水质的富营养化是一个非常复杂的过程，要降低或者防止水质的富营养化首先要找到污染源。从污染源降低氮磷等营养盐的排入，然后采取一定的措施降低水质的富营养化程度，最终提高水质和富营养化程度。大量的调查研究表明，外界营养物质的输入是绝大多数水体富营养化的根本原因［13］，从长远来看，要想从根本上控制汤逊湖水体的富营养化，首先应着重减少或者截断外部营养物质的输入，控制外源性营养物质应从控制人为污染和地面雨水径流着手。

（1）工业废水处理。工业废水是水源重要的污染源。面对工业生产所带来的不可避免的环境污染，我们应该采取预防与整治结合的保护措施。不仅要从源头上减少工业污染物的排放，更要在生产中不断完善废弃物的处理方案，如废水的循环利用、废气的回收等［14］。

（2）生活污水处理。汤逊湖沿岸大片的居民区导致大量生活污水的排入，这对汤逊湖水质有重大的影响。对于生活污水，可以采取禁磷洗涤剂的使用、污水中间处理站的建设等方式进行处理防治。

（3）水产养殖污染处理。汤逊湖周边水产养殖面积广，其对水中氮磷含量影响巨大，因此防治水产养殖对湖水的污染尤为重要。应优化养殖模式，实施健康养殖工程。健康养殖是指根据养殖对象生长、繁殖的规律及其生理特点和生态习性，选择科学的养殖模式，通过对全过程的规范管理，增强养殖群体的体质，控制病原体的发生或繁衍，使养殖对象在安全、高效，人工控制的理想生态环境中健康、快速生长，从而达到优质、高产的目的。其方法有自然养殖法、休药期养殖法、人工生态养殖法、多品种立体养殖法等［15］。

4.2.2 内源性控制

主要措施有底泥疏浚与封闭和营养盐固定等［16］。由于底泥对环境的作用具有累积性和滞后性，因此，一要阻止沉积物中污染物的释放，如底质封闭等；二要清除污染沉积物，如对底泥进行疏浚。此外，营养盐固定可起到净化水质的作用，投加药剂可控制水中营养盐迁移，但要综合考虑成本和由此造成的生态影响，慎重采用。

4.2.3 生物方法处理

水生植物修复技术。利用适合汤逊湖环境的水生植物及其共生的微环境，来去除水体中的污染物质。水生植物在其生长期间可有效吸收与富集水中和底质中的营养盐，起着“营养泵”和“营养库”的作用。合理构建并维持水生植物的生物量，可转移出氮、磷等营养盐，各类漂浮植物、浮叶植物、挺水植物和沉水植物等水生植被的恢复和重建可有效分配水体营养盐，避免单一优势种的过度滋生，保持水体净化能力。微生态水环境修复技术［17］，通过设置生态基培养系统，分阶段投入生物酶和微生物促生剂，进行微生物培养与驯化，进而筛选适合菌种发挥净化效能的水质、水文、温度等条件，促进水体微生物的繁殖和有机物循环降解能力，从而强化低泥中有机物的削减，产生生物膜和有机固形物，作为鱼类的食物，形成完善的生态链，从而达到水体水质改善的目标。

4.2.4 其他方法

对汤逊湖中已经污染的河段还可以采取其他物理法、化学法来治理。如污水分流、换水稀释、深层排水、深水曝气技术等。

4.2.5 思想政治教育及法律维护

提高汤逊湖周边居民、工人保护水环境的意识，并制定相应法律，用法律武器保障汤逊湖水质。目前，通过一系列措施的实施，汤逊湖水质在架桥后已经逐渐好转，尽管汤逊湖尚未“痊愈”，但其水质恶化的势头已基本得到控制。随着整治工作的进一步深入，人们有理由期待，汤逊湖终有一天能重归“原生态”。

［1］杨华东，袁伟华，欧阳雪君，等.武汉市汤逊湖水体富营养化现状及其对策分析［J］.水资源与水工程学报，2009，20（4）：2～38.

［2］陈炜，宋卓彦.武汉城市湖泊与城市湿地冬季鸟类资源及生境分析［J］.林业调查规划，2007，10（5）：46～50.

［3］国家环境保护总局.GB3838-2002.地表水环境质量标准［S］.北京：国家环境保护总局，2002.

［4］章家恩.生态学常用实验研究方法与技术［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［5］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.北京：中国环境科学出版社，2002.

［6］荆红卫，华蕾，孙成华.北京城市湖泊富营养化评价与分析［J］.湖泊科学，2008，20（3）：357～363.

［7］刘松岩，熊彦辉.水产养殖对水域环境的影响及其治理措施［J］.安徽农业科学，2007，35（23）：7258～7259.

［8］宁丰收，古昌红，游霞，等.大洪湖水库网箱养殖区污染分析［J］.环境科学与技术，2006，29（4）：47～49.