武汉市黄家湖水质评价及改善对策分析

2021-08-26蒋田雨许纤千胡伟桐

四川环境 2021年4期

蒋田雨，许纤千，胡伟桐，伍梅

(1.武汉市环境保护科学研究院，武汉 430000；2.武汉市辐射和危险固体废物污染防治管理中心，武汉 430000； 3. 武汉华正环境检测技术有限公司，武汉 430000)

引言

武汉市地处长江与汉江交汇处，市内湖泊众多，被誉为“百湖之市”[1]；武汉优于水而忧于水，依托丰富的湖泊资源，居民的日常生活和城市经济发展发生巨大变化。黄家湖位于武汉市区西面南郊武咸公路上白沙洲大道，北临三环线，东抵白沙洲大道，西倚长江，汤逊湖绿楔和青菱湖绿楔板块之间；湖西部和北部属洪山区，东部和南部属江夏区，是一个比较封闭的城市湖泊。湖泊面积8.1km2(洪山区4.3km2，江夏区3.7km2)，岸线长度约24km，湖泊汇水区面积约30.1km2(洪山区10.6km2，江夏区19.5km2)，周边规划有黄家湖大学城、居民小区以及农田等。根据《武汉市地表水环境功能区类别》，黄家湖的水质功能区类别为Ⅲ类水，属城市公园型湖泊[2]。

近年来，随着城市化进程的加快，武汉市内众多湖泊遭受不同程度的污染，水质状况恶化直接影响湖泊周边的居民生活、市容市貌，成为区域生态环境亟待改善的突出问题[3]。武汉市环境质量公报显示，自上世纪末起，黄家湖水质基本稳定在V类-劣V类水质，湖泊区域水环境质量下降，严重影响城市环境和水资源利用[4]。随着我国开展全面依法治水，关于湖泊的研究集中到湖泊管理上[5～7]，湖泊水质研究和保护管理工作需要进一步加强。因此，有必要分析黄家湖水质变化趋势，了解湖泊污染现状，研究水环境质量不达标的原因及湖泊污染来源，对正确评价黄家湖水质现状、影响因素以及更加科学地制定水污染防治措施有着重要的参考价值。

1 数据来源与评价方法

1.1 数据来源

2008～2017年黄家湖水质监测项目包括pH、溶解氧、电导率、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP(以P计)、TN、铜、锌、硒、砷、汞、镉、铬(六价)、铅、总氰化物、挥发酚、石油类、硫化物等24项常规指标，监测频次为单月监测，数据来源于武汉市环境监测中心。

2018年9～11月，按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91-2002)，根据现场调查情况对黄家湖湖心进行了6次补充监测。参照《水质湖泊和水库采样技术指导(GB/T 14581-1993)》，到湖内采用直立式敞开采样器采集1L水样于聚乙烯塑料瓶中，存放于冰箱并立即送检测机构检测分析。水样的检测指标包括pH、溶解氧、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP(以P计)、TN，分析按照《水和废水监测分析方法(第四版)》[8]具体进行。

1.2 水质评价和分析方法

水质评价是根据《地表水资源质量评价技术规程(SL395-2007)》的要求，参照《地表水环境质量评价办法(试行)环办[2011]22号》中的评价方法，各水质类别划分方法采用的是《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》。水质类别Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类分别对应优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染、极重污染。湖泊营养状态按照综合营养指数TLI进行分级，营养化状态判定标准为：当TLI<30时，营养状态为贫营养；当30≤TLI≤50时，营养状态为中营养；当5070时，营养状态为重度富营养。

本次水质分析采用水质综合污染指数法[9]。水质综合污染指数法中非溶解氧指标的污染指数计算公式为：

Sij=Cij/Csi

(1)

Pn=∑Sij

(2)

Pj=1/n∑Sij

(3)

P=1/k∑Pj

(4)

式中，Sij为单项污染指数；i为主要污染物；j为监测点位号；Cij为监测点位j污染物i的浓度值；Csi为污染物i的评价标准限值；Pn为各项污染物污染指数之和；Pj为监测点位的综合污染指数；P为某一测次的平均综合污染指数。水质综合指数法的综合水质污染程度判定[10]标准见表1所示。数据整理、统计与绘图使用office2017版本软件。

表1 水质综合指数判定标准Tab.1 Criteria for comprehensive water quality classification

2 结果与分析

2.1 近十年湖泊富营养化变化趋势

2008～2017年黄家湖水体综合营养状态指数TLI的变化趋势如图1所示。2008～2009年，黄家湖水体TLI指数升高，几乎达到了中度富营养化和重度富营养化的临界值(70)；2009～2013年，黄家湖TLI指数持续下降，富营养化情况明显好转；2014年稍有波动，但基本呈现好转的趋势。整体来看，2008～2015年黄家湖均处于中度富营养化的状态，2016～2017年黄家湖富营养化状态好转至轻度富营养化。说明黄家湖富营养化程度逐渐减轻。

图1 综合营养状态指数TLI变化Fig.1 Variation of comprehensive nutrition index TLI

2.2 近十年水质改善效果分析

2.2.1 近十年水质指标浓度情况

选取COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP等六个常见因子为水质评价指标。2008年COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP年均浓度分别为35.7、7.0、5.3、1.84、0.84、0.153mg/L；2017年COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP年均浓度分别为26.7、4.4、3.7、1.53、0.73、0.159mg/L，与2008年相比，分别下降25.2%、37.1%、30.2%、16.8%、13.1%、-3.9%。2008～2017年COD、CODMn、BOD5、TN、NH3-N等五个指标的年均浓度显著降低，TP浓度略有上升。进一步分析各项污染物浓度逐年的下降率，如图2所示，2008～2017年，除TP以外，其余五个水质指标均呈下降趋势。2008～2017年，由于生活源释放、初期雨水径流、底泥释放等多方面因素造成各种污染物负荷上升，但COD、CODMn、BOD5三项指标较2008年呈现下降的趋势，主要由于近年来采取一系列有机污染物控制措施，使得黄家湖水体的有机物浓度降低，说明有机物控制措施需继续保持[11-12]；TP较2008年呈现出上升趋势，主要由于对TP的控制措施不足以抵消污染源增加的TP负荷，说明控磷措施和力度有待加强[11-12]；TN、NH3-N变化规律基本一致，仅变化幅度不同，主要由于除NH3-N外，TN还受到硝态氮(NO3-N)、总有机氮(TON)等含氮物质的影响[13]。总体而言，2008～2017年黄家湖水质指标浓度总体降低，水质呈现向好的趋势，但TN、NH3-N、TP的浓度波动不容忽视。

图2 主要污染物浓度下降率变化Fig.2 Change of reduction rate of major pollutant concentration

2.2.2 近十年黄家湖水质情况

根据武汉市环境质量公报，2008～2017年间黄家湖水质均未达到功能区类别，其中2009～2011年处于劣V类外，其余年份均处于V类。对水质综合污染指数P进行分析，如图3所示，除2009年为重污染状态外均为污染状态，2017年污染指数(1.41)较2008年(1.67)降低16.8%。根据武汉市生态环境局发布的环境质量公报，近10年黄家湖主要超标因子为BOD5、TP、TN、COD四项，对四项水质污染指数Sij进一步进行分析，结果如图4所示，BOD5污染指数最低，在0.93～1.45之间；其次为COD，在1.30～1.79之间；TN污染指数在2009、2012、2014年较高，处于2.29～2.86之间，其余年份均在1.14～1.84之间；TP污染指数在十年间均最高，污染指数在2.50～4.86之间。2008～2017年，污染指数从大到小依次均为TP、TN、COD、BOD5。总体而言，TP、TN、COD已成为黄家湖水质不达标的主要原因，COD可以表征黄家湖有机物污染状况[14]，TP、TN

图3 2008～2017年黄家湖水质综合污染指数P变化趋势Fig.3 Variation trends of water quality comprehensive pollution index P in Huangjia Lake from 2008 to 2017

图4 2008～2017年不同污染物污染指数S变化Fig.4 Variation of pollution index S of different pollutants from 2008 to 2017

与水体呈现轻度富营养化状态密切相关。周边高校、居民生活污染以及湖内投加鱼料均会导致水体受到污染，应强化城市生活污水与废水的治理与排放。

2.3 黄家湖月均水质情况

为研究黄家湖水质超标因子浓度随时间变化规律，根据武汉市生态环境局发布的2016、2017年地表水质量状况，对黄家湖逐月水质情况进行分析。如表2所示，黄家湖2016、2017年月均水质处于Ⅳ～劣V类之间，出现超标频率最高的因子为TP、TN和COD。2016、2017年1～7月及9～11月TP、TN和COD的平均污染指数S如表3所示，2016年三项指标平均污染指数9～11月较1～7月提高80.0%、9.9%、3.8%，2017年三项指标平均污染指数9～11月较1～7月提高21.0%、66.4%、11.5%，均呈现出9～11月高于1～7月的规律，可以反应出水质恶化一般发生在秋季(9～11月)。

表2 2016～2017年黄家湖逐月水质状况Tab.2 Monthly variation of water quality in Huangjia Lake in 2006 and 2007

表3 黄家湖不同因子平均污染指数STab.3 Average pollution index S of different indicatiors in Huangjia Lake

2.4 补充监测情况

为深入研究水质变差的具体时间，于9月上、中、下旬和10月上、中、下旬及11月对黄家湖湖心进行了7次补充监测。根据监测数据，9～11月黄家湖水质均为劣V类，超标因子为TP、COD、BOD5、TN、CODMn。各因子污染指数及水质综合污染指数如表4所示，从水质来看，此期间水质综合污染指数P基本大于2，水质处于重污染状态；从污染因子来看，TP为首要污染因子，其平均污染指数达到9.30，其次为COD、BOD5、TN，平均污染指数均在2.20以上，CODMn污染指数为1.85，相对最低；从时间来看，9月上旬～10月上旬水质最差，水质综合污染指数在3.06～4.31之间，之后波动下降，水质略有好转。夏秋季水质恶化可能是由于水体pH升高、沉积物厌氧环境以及水生植物大量生长等原因促进P释放[15]。如图5所示，在采样监测的过程中，黄家湖部分水域出现大量水草繁殖，呈富营养状态，该现象也说明水体TP、TN浓度较高。

表4 黄家湖水质的时间差异Tab.4 Temporal variation of water quality in Huangjia Lake

图5 黄家湖采样点水域现场照片Fig.5 Scene photos of sampling sites in Huangjia Lake

3 水质未达标成因分析

对黄家湖周边排口调查发现，28个排口中13个排口来源为周边高校和研究所，7个排口来源为周边生活社区，4个为渔场、鱼塘，2个为闸口，2个为路边排口；上述排口中有2个为污水排口，6个为雨污合流排口，污染来源复杂，主要有以下几个因素：

3.1 城镇生活污染

经分析，TP和TN为黄家湖不达标的主要指标，其来源主要为人类生活产生的氮磷通过城镇生活污水排放的[16]。黄家湖周边有4所高校及1所研究所，内部均建有生活污水处理站，污水处理后从排污口排入黄家湖。每年9月为高校开学之际，校园污水排放量增大，污水处理站氮、磷排放标准低，污染物入河量随之增大，成为每年9～10月黄家湖水质下降原因之一。除此之外，周边有多个居民生活小区的生活排口，生活污水排放进入水体，对水体产生较大影响。

3.2 农业生产污染

一是黄家湖内存在鱼塘、渔场等水产养殖的排口，水产养殖过程中投入鱼饲料，未充分吸收的鱼饲料含有大量的氮磷，加重水体氮磷负荷，导致水质恶化；同时黄家湖大道有一个较大的鱼塘，距湖泊仅有2m的小路，在暴雨季节，水面上涨，水产养殖污水直接进入湖泊，成为黄家湖潜在污染源；另外此类水产养殖业的水体与湖泊水体容易在丰水期(9月)和枯水期(10月)[17]交界之际发生水体交换，成为9～10月黄家湖水质下降的另一原因。二是在现场调查中发现，黄家湖岸边仍有规模以下畜禽养殖，其粪便直接随地表径流直接入湖，对黄家湖水质产生影响。三是在黄家湖周边仍存在农业种植现象，农业种植所投入的氮肥、磷肥未吸收部分经地表径流入湖，氮、磷流失已成为水体氮磷超标的元凶。

3.3 城市径流污染

一是黄家湖流域范围内，未能对初期雨水进行收集处理，下雨时地表径流冲刷地面污染物，形成高浓度的初期雨水，通过排水渠道或直接进入湖泊，对湖泊水质造成影响。二是由于9～10月秋季来临，空气中降尘有所增加，降尘随雨水落入湖中，成为9～10月水质下降的又一因素；另外根据2018年8～10月武汉市空气质量月报，空气中的氮氧化物(NOX)浓度明显较8月有大幅增高，也成为黄家湖TN浓度较高的因素之一。三是黄家湖周边的岸线整治工程，存在大量的工地及堆土，未按要求进行覆盖遮挡，下雨时冲刷入湖，对黄家湖水质造成一定影响。

3.4 湖泊内源释放

根据黄家湖相关方案[11-12]显示，黄家湖水体中的TN、TP有少部分来源于湖泊的底泥释放。由于历史上黄家湖水产养殖较为发达，大量饵料、渔用药物等物质的投入及鱼类排泄物经过长期积累，沉积于底泥之中，水上的活动对底泥产生扰动，底泥中的氮磷随底泥释放出来，形成了黄家湖的内源污染。

3.5 环境监管能力不足

黄家湖水域面积较大，但仅有一个常规监测点位，不能及时、准确掌握部分重点区域水质变化情况。管理部门对入湖排污口缺乏有效的监督管理，生活污水入湖、封堵排污口出现反复的情况时有发生。目前，黄家湖流域污染物输入和水质响应等方面的研究和流域水污染控制工程评估及精准治污决策系统研究仍然较少，无法实现精准治污的目标。除此外，黄家湖属于两个行政区交界的湖泊，监督管理更为复杂。

4 对策与建议

4.1 完善城市污水处理系统

推进黄家湖流域污水处理厂的污水处理设施建设与改造，加大污水处理能力，完善污水管网，加大污水收集力度；实施污水处理厂提标改造，达到一级A排放的污水处理厂进一步加强脱氮除磷技术升级；改造老旧排水管网和泵站、定期对排水管网系统进行清淤维护，保证污水处理能力不下降。

4.2 着力解决农业生产污染

全面取缔江河湖库天然水域围网、围栏及网箱养殖；开展“湖边塘”“河边塘”治理，尽快实现水产养殖主产区尾水达标排放。严格控制畜禽规模化养殖，对于规模以下和不符合环境敏感区的畜禽养殖场坚决取缔，并定期巡查，巩固取缔成果。严格执行化肥农药等投入品质量标准，推广高效缓控释肥料等新型产品和先进机械，推动化肥、农药使用量实现负增长。

4.3 推进面源污染控制

加强环境清扫工作，加强建设项目工地的管理力度，降低初期雨水对湖泊水体的侵蚀和污染；严格控制堆积边坡、裸露地面等面源污染，防止污染物随雨水进入湖泊；推进雨污分流建设和污水收集，优化污水排放及收集系统。推行低影响开发建设模式，工程和生态措施相结合，建设渗、滞、蓄、净、用、排相结合的小型分散式雨洪收集利用设施建设，通过植草沟、生态隔离带及城市湿地公园等绿色技术措施，有效缓解径流污染对环境造成的不利影响。

4.4 减少内源污染释放

对黄家湖湖底泥进行清淤疏浚，尤其是曾经历过水产养殖的水域，有效去除沉积物中的营养物质，减少底泥中氮磷等污染物浓度，降低内源污染的影响；另外可通过改性粘土固磷[18]等有效措施，减少湖泊底泥的释放。

4.5 加强环境监管能力

开展流域水环境监测网络信息平台，黄家湖流域排水系统数据测量，入湖河道水量监测等监测网络建设项目，进一步提高环境监测能力；鼓励高校及研究院所开展湖泊治理方面的研究；广泛宣传湖泊环境综合治理中工作动态、典型经验等，充分发挥舆论监督作用，加大舆论引导力度，使全民参与湖泊环境综合治理工作。