开封城市湖泊水污染现状研究

(河南大学环境与规划学院，河南 开封 475004)

0 引言

人们用于日常生活和工业、农业等活动的主要水源来自于地表水，故地表水资源是各个水利部门和相关工作者的重点研究和保护对象[1]。我国水资源丰富，地区分布差异大，导致不同地区对于地表水资源的利用方式大相径庭，这使得我国的地表水水质状况不容乐观。在全国，高于Ⅳ类水标准的断面有62%，属于劣Ⅴ类水质的断面有近30%，这说明了我国水质改善工作仍需加强[2]。水污染物可以通过多种途径进入人体，破坏人体免疫系统，损害人体健康。目前国内的地表水研究大多是针对大型河流或湖泊的水体污染情况、评价方法及其治理措施所展开的，对于小型城市湖泊的污染问题关注相对较少。

作为城市重要的地表水资源，城市湖泊有着维护生物多样性、补充地下水、调节径流等一系列生态功能，并对城市有着重要作用[3]。随着城市经济的迅猛发展，城市湖泊水污染问题也不断加剧。以南京市玄武湖为例，城市中穿湖隧道等改变城市地貌的工程，影响了湖泊沉积物的结构，改变了水体的自我净化模式。再加之采用城市垃圾回填，加剧了水质的恶化，导致了水污染事故出现[4]。武汉市的东湖，排入了大量城市污水，又由于水产养殖等人类活动，导致氮磷浓度升高，使得东湖变成了一个富营养化的湖泊[5]，水生动植物种类减少，湖泊面积减小，水生态环境变得十分脆弱。针对此类城市湖泊水污染问题，2018年提出的《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》[6]进一步明确了攻坚战阶段的治理目标是：2019年底之前，大幅度提高地级城市建成区的黑臭水体消除比例，2020年底之前将消除比例控制在90%以上。

开封城区内湖泊众多，河流纵横，但近年来城市湖泊污染程度日益加重。2018年，开封入围我国首批黑臭水体治理示范城市[7]。本文以开封城市湖泊作为研究对象，科学规范评估城市水体受污染情况，期望能为规范治理城市污染水体提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

开封市位于中原地区，淮河流域，紧邻黄河，位于河南中东部，占地6444km2。属于温带大陆性季风气候，具有四季分明、雨量适中、气候温和的特点。年均气温为14.52℃，年均降水量为627.5mm，且夏季7、8月份为降水集中区[8]。开封市境内五湖四河环绕分布，素有“北方水城”之称[9]。

1.2 样品采集

2018年10—11月，选择开封市区内具有代表性的5个湖泊(龙亭湖、铁塔湖、金明池、包公湖和汴西湖)进行水样采集。综合考虑实际情况与环境差异，采取均匀布点，多点取样，同时避开污染源和死水区，确保采样点能代表湖泊整体的水质情况。

利用采水器于水面下0.5m处采集约500mL水样，将水样放置于采样瓶中，现场测定溶解氧含量，然后带回实验室，当天测定水样的pH和悬浮物含量，剩余样品放到温度为0℃～4℃的冰箱中保存，以备分析。

1.3 样品处理与分析

参考《GB3838-2002地表水环境质量标准》，选取其中的七个指标进行测定，即pH、溶解氧(DO)、悬浮物、总磷(TP)、总磷(TN)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)。其中，pH使用pHS-3c型pH计，采用玻璃电极法(GB6920-86)测定；DO利用电化学探头法(GB11913-89)，通过德国Pyro Science FireSting O2光纤式氧气测量仪进行测量；悬浮物采用重量法(GB11901-89)测定；总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定；总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)测定；NH3-N和COD使用连华科技5B-6C型多参数水质分析仪，分别利用纳氏试剂比色法(GB7479-87)和高锰酸钾法(GB11892-89)测定。

1.4 水质评价方法

合理的水质评价可以判断出水质的主要污染因子，并进行类型判断，目前常采用综合污染指数法、神经网络法、内梅罗综合污染指数法和主成分分析法等方法对水质进行评价[10]。综合污染指数法计算简便，能整体反映水质情况[11]，而单因子指数法可直观体现出造成水质污染的主要因子[12]，相比较而言，内梅罗综合污染指数法的运算简便[13]。但它们均不能全面反映水体状况。本文采用综合污染指数评价法和内梅罗综合污染指数法两种方法对水质的污染程度进行评价，可以较为全面地评价水质情况。

1.4.1 综合污染指数法

综合污染指数法通过结合河流或湖泊水质的综合污染指数和污染因子的贡献率来进行污染状况的判别并甄选主要的污染因子[14]。综合污染指数是基于各因子污染指数来综合评价湖泊水质状况。

溶解氧指数计算公式为：

式中：DOi为第i种水质指标的溶解氧浓度；DOf为饱和溶解氧浓度；DOs为溶解氧的水质评价标准；T为水温。

pH指数计算公式如下：

式中：pHsm为水质标准中规定的pH上下限值的平均值；Ds为水质标准中规定的pH上下限值差值的一半；pHsu为水质标准中规定的上限值；pHsd为水质标准中规定的下限值。

其他因子指数的计算如下：

式中：Ci为第i种水质指标的实测浓度(mg/L)；Si为第i种水质指标的评价标准(mg/L)。

某一污染物在全部污染物中的贡献率：

综合污染指数：

式中：n为评测点的总数。

综合污染指数法对水质的分级如表1所示[15]。

表1 水质综合评价指数

1.4.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法的应用范围广，能够兼顾极值和平均值，是国内外计算污染指数的常用方法[16]。运用内梅罗综合污染指数法分级评价水质状况的计算公式如下：

式中：PI为综合污染指数(综合反映各污染物对水体作用的差异);Pi,max为环境中各项污染指数中的最大值。

按照综合污染指数PI值水质状况分级依据进行分级，分级依据见表2。

表2 综合污染指数PI值水质状况分级依据

2 结果与分析

2.1 开封城市湖泊水质理化性质

从图1可看出，城市湖泊水体SS平均质量浓度范围在9.00～25.40 mg/L，包公湖的SS浓度平均值最高，金明池SS浓度最低；5个湖泊不仅浓度差异较大，还有着显著的空间特征。汴西湖和龙亭湖SS质量浓度分布相对分散，而包公湖、铁塔湖和金明池分布相对集中。水中的SS来自外源和内源两大途径，其中外源性SS主要是由地表径流带入的细颗粒物，内源性SS主要是水生生物的残体、风的扰动造成的底泥再悬浮[17]。由于开封市区内的湖泊与河流不相通，因此水中的SS主要以内源性为主。考虑到包公湖的周边环境，其SS还有汽车尾气与扬尘带来的外源性SS。即包公湖周边繁忙的交通和水生生物的残体、底泥再悬浮的内源性SS、以及冬天湖泊水位下降等因素使得水体的悬浮物浓度偏高。

与SS相比，不同湖泊之间DO含量差异较小，其平均质量浓度范围在9.23～11.28 mg/L。龙亭湖的DO浓度平均值最高，高于Ⅰ类水标准7.5 mg/L，汴西湖的DO浓度最低；湖泊DO含量在空间位置上分布相对集中，主要分布在8.54 ～10.29 mg/L，其中龙亭湖的DO质量浓度在10.66～11.80 mg/L，明显高于金明池与汴西湖。

从图2可以看出，TP平均质量浓度范围在0.11～0.30 mg/L，其中包公湖的TP浓度平均值最高，且要高于Ⅴ类水标准0.2 mg/L，汴西湖的TP浓度最低；不同湖泊之间TN含量差异较大，其平均值范围为1.48～6.50 mg/L，其中龙亭湖的TN浓度最高，汴西湖的TN浓度最低；不同湖泊之间NH3-N浓度也存在一定差异，其平均质量浓度范围为0.38～3.81 mg/L，汴西湖的NH3-N浓度平均值最低，而包公湖的NH3-N浓度平均值最高，且高于Ⅴ类水标准2.0 mg/L；通过计算NH3-N与TN的比例，发现汴西湖与铁塔湖的NH3-N占比最高，达55%，金明池最低，为9%。

从图2的COD含量图可看出，COD平均质量浓度范围在21.49～149.87 mg/L，龙亭湖与其他湖泊COD含量差异很大，且高于Ⅴ类水标准40 mg/L，金明池的COD浓度最低；金明池、汴西湖和包公湖的COD浓度值在空间分布上较为集中且整体数值相对较低，而龙亭湖的COD浓度值分布较分散，整体数值较高。

从图2的pH含量图可看出，pH值范围在8.33～9.40，包公湖的pH平均值最高，并且比GB3838-2002中pH规定的最高值9还要高，金明池的pH值最低；不同湖泊之间pH值差异较小，其pH值时空分布更加集中，水体pH较为稳定，都呈现碱性。

2.2 城市湖泊水体污染评价

2.2.1 综合污染评价

选取各个监测点每项指标的平均值，依据GB3838-2002的V类水水质标准进行单因子指数计算，结果见表3和表4。

从表3中可以看出，龙亭湖、铁塔湖、包公湖的pH高于V类水标准，金明池和汴西湖的pH符合V类水标准；4个湖的DO含量皆符合V类水标准；龙亭湖和包公湖的COD含量较高，金明池和汴西湖较低；金明湖、龙亭湖和汴西湖中NH3-N含量较低，铁塔湖和包公湖中NH3-N含量严重超标；TP指标情况总体较好，只有包公湖和铁塔湖含量较高，龙亭湖、金明池和汴西湖皆符合V类水标准；TN含量除了汴西湖达标外，其他4个湖的含量都高出标准，龙亭湖尤为严重，包公湖次之。表4显示，在金明池、龙亭湖、汴西湖和铁塔湖中，TN的贡献率最高，分别达到了45.35%、41.96%、24.34%和36.09%；在包公湖中NH3-N的贡献率最高，达到了32.90%。4个湖中DO的贡献率皆是最低值。

表3 湖泊单因子水质指数

表4 湖泊各项指标的贡献率

通过单因子指数可得各湖泊水质类型如表5所示。通过综合污染指数可得各湖泊水质状况，详见表6。

表5 各湖泊水质分类

表6 综合水质指数及评价结果

根据表5可知，除汴西湖水质较好，为Ⅳ类水外，其他4个湖均为劣Ⅴ类水。根据表6可知，金明池与汴西湖为轻度污染，其他3个湖泊为重度污染。综合两种指数来看，5个湖均有不同程度的污染，其中汴西湖的污染情况较轻，包公湖的污染情况较为严重。

2.2.2 内梅罗综合污染评价

采用内梅罗指数分析结果如表7所示。

表7 内梅罗综合污染指数法评价结果

根据传统内梅罗指数法计算得汴西湖PI为0.65，水质优良。金明池PI为1.82，龙亭湖PI为2.65，铁塔湖PI为1.98，包公湖PI为3.11，污染情况均为中度污染。金明池、龙亭湖、铁塔湖和包公湖4个湖相比较，包公湖的污染程度较严重，金明池的污染程度较轻。

2.3 污染源分析

在本次研究中，处在开封市区的龙亭湖、包公湖、金明池与铁塔湖均没有外来河流补给，面积较小，流动性不强，水体自净能力差，易受到污染[18]。水体的污染来自内源与外源两个方面，内源主要是位于底部的污染物质经过物理化学生物反应，从附着的物质上释出。外源较多，如由于4个湖均位于景区内，由于景区管理不善、游客素质问题而引起的垃圾胡乱丢弃现象以及景区娱乐设施如小艇的使用都可导致湖泊污染，并且湖泊附近有居民区、饭店、商场、学校等人流较大的基础设施，生活污水、厨余垃圾、交通尾气、道路尘土等都会污染水质。其次还有地表径流带来的污染，大气中的污染物质、地表聚集物等污染物都会通过雨水径流进入湖泊，对湖泊造成污染[19]。汴西湖位置偏僻，在开封市新区的东部，且是新建湖泊，因此和其他4个湖相比，污染程度较轻。主要是岸边植物残枝落叶落入水中或水生植物残体在水内腐化分解形成的污染[19]。

3 建议

湖泊水污染问题作为阻碍开封生态文明建设的不利因素，因其具有牵涉范围广、治理过程复杂、治理费用高等特点而难以得到有效地控制和改善，建议从以下几个方面入手：

(1)重视湖泊营养化问题，以污染源控制为重点，尤以湖泊周围居民生活区、商业区点源污染控制为主。对于工业废水与生活污水, 须精准到厂、到户，按照水污染物排放管理标准进行管理, 避免湖泊污染[20]。

(2)可通过多重途径来治理水体污染，如控源截污、补水活水。降低水体中污染物浓度，恢复其自净能力。例如：定期清理河道附近的垃圾、周边植被的凋落物与水体内部的植物残体，避免其腐烂继而污染水体并且消耗氧气；可以使用建立人工湿地、种植特定水生植物等修复手段，继而加强水体自身净化能力，实现保障水体安全的目的，从而改善环境质量[21]。

(3)政府是治理湖泊污染的执行人和引导人，应发挥其宏观调控作用，鼓励多元主体参加，根据水环境污染情况，在各相关部门配合下，保证水污染治理的及时性、有效性。加速水环境信息公开的法治建设，激发民众参与水环境治理工作的主观能动性。在具体的污水治理工作实践中，可采取奖罚并重的方式，严厉惩处违法排放污水的主体，奖励表彰积极净化污水的单位[22]。