2015-2019年武汉市湖泊水质时空变化*

代晓颖，徐 栋,2，武俊梅，丰 俊，邹书成，尹 珩

(1：武汉市环境保护科学研究院，武汉 430015) (2：中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072) (3：武汉市环境监测中心，武汉 430015) (4：中国地质大学(武汉)湖北省水环境污染系统控制和治理工程技术研究中心，武汉 430074)

武汉市拥有166个面积大于0.05 km2的湖泊，素有“百湖之市”的美称，湖泊水域蓝线控制面积为867.07 km2. 湖泊是武汉市最具特色的自然资源，不仅具有休闲娱乐、科研教育的社会价值，更具有调蓄洪涝、供应水源、气候调节等生态功能. 然而近几十年来随着城市化进程的不断推进，大量营养盐等污染物排入湖泊水体，导致湖泊水质下降、蓝藻暴发，湖泊富营养化问题突出[1-3]，湖泊的生态功能受到威胁. 根据《2005年武汉市环境状况公报》，2005年武汉市Ⅴ类及劣Ⅴ类湖泊占比达61.2%[4]，中心城区湖泊水环境问题突出. 随着生态环境保护理念的加强，2006-2009年间“清水入湖”工程、生态式水质净化工程等相继实施，此后湖泊水质恶化趋势得到一定遏制[5]. 在武汉市生态环境保护“十三五”规划实施期间，通过出台“一湖一策”等系列政策文件，推进黑臭水体工程整治、城镇污水处理设施建设等项目的实施[6-7]，开展了系统的水污染防治工作，水生态环境保护取得进一步成效，但部分区域水环境污染问题仍然存在.

2014年武汉市被列为第二批全国水生态文明城市建设试点市，湖泊水环境是武汉市水生态文明建设的重要部分. 科学分析“十三五”期间武汉市湖泊水质变化特征，是“十四五”期间进一步改善湖泊水环境的前提，也将为2035年美丽中国目标的实现打下基础. 目前应用较多的湖泊水质评价方法有单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评价法、主成分分析法等[8-11]. 现有针对湖泊水环境的研究多以单个湖泊为研究对象，综合评价判断湖泊水质变化[12-14]；或从具体水质指标的角度对湖泊水环境质量时空变化进行分析[15-17]，较少有对大范围内的多个湖泊水质进行时空变化研究. 本文以武汉市166个湖泊为研究对象，分析2015-2019年间水质变化趋势，重点分析其空间变化特征，定性与定量相结合来识别武汉市湖泊目前存在的主要问题，探讨武汉市水环境污染的影响因素，为评估“十三五”以来武汉市湖泊水质总体变化，进一步有针对性地制定及实施湖泊水环境改善策略提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武汉市(29°58′～31°22′N，113°41′～115°05′E)是国家中心城市，湖北省省会城市，长江经济带沿线重要节点城市，全市总面积8569.15 km2. 2019年末全市常住人口1121.20万人，全市实现地区生产总值(GDP)16223.21亿元. 武汉地处江汉平原东部，属于亚热带季风性湿润气候，全市地势平坦，中间低平，南北低山丘陵隆起. 长江及其最大支流汉江在武汉交汇，市内河港沟渠交织，湖泊库塘星罗棋布，全市水域面积2117.6 km2，约占总面积的四分之一. 全市列入保护目录的湖泊共166个，长江南岸主要有东湖、汤逊湖等，长江北岸主要有涨渡湖、后官湖等(1)武汉市自然资源及社会经济数据来源于《武汉年鉴(2020)》及《2019年武汉市国民经济和社会发展统计公报》..

1.2 采样方法

水质数据来源于武汉市环境监测中心在2015-2019年对166个湖泊的监测数据，根据湖泊面积大小等因素，每个湖泊设置1～11个采样点不等(图1). 对南湖、汤逊湖、东湖等89个湖泊进行逐月采样，取月均监测数值代表年湖泊水质状况，对崇仁湖、巨龙湖、西赛湖等77个湖泊每年丰水期(6-9月)监测1次. 监测指标包括24项地表水常规指标，本文选取溶解氧(DO)、pH、化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD)、总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH3-N) 8项指标作为湖泊水质分析评价的主要指标.

图1 武汉市地形及湖泊分布Fig.1 Landform and lakes in Wuhan

1.3 数据处理与评价方法

1.3.1 湖泊水质类别评价 湖泊水质类别现状依据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中相应类别标准，进行单因子评价. 湖泊水体富营养化状况按照湖泊营养状态指数及分级标准[18]计算与评价.

1.3.2 综合污染指数分析 采用综合污染指数法对湖泊水质进行综合评价，计算公式如下[19-20]：

(1)

(2)

式中，Pi为水质因子i的污染指数；Ci为水质因子i的实测浓度，mg/L；Li为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中水质因子i的Ⅲ类标准值，mg/L；n为水质因子个数；P为综合污染指数.

由于湖泊中DO浓度越高，表明水质越好[21]，故DO污染指数计算公式为：

Pi=0，Ci≥8

(3)

(4)

Pi=1+(Li-Ci)，Ci<4

(5)

湖泊酸碱度计算公式为:

(6)

(7)

式中，Lx为 pH下限值，Ls为 pH上限值.

1.3.3 动态度分析 依据湖泊不同时期的综合污染指数，采用动态度分析方法[22]对湖泊水质研究期内变化程度进行分析. 计算公式为：

(8)

式中，S为研究期内湖泊综合污染指数动态度，Pm为研究最终年份m湖泊综合污染指数，Pn为研究初始年份n湖泊综合污染指数. 当m-n=1时，S代表年动态度.

2 结果与分析

2.1 2015-2019年武汉市湖泊水质的时间变化特征

武汉市166个湖泊中，150个湖泊在区界以内，16个湖泊属于跨区湖泊，为易于进一步分析，将跨区湖泊划入其所占面积最大的区内. 2019年武汉市Ⅲ类及以上湖泊相较2015年增加57.14%，劣Ⅴ类湖泊减少约18.92%. 2015年全市湖泊综合污染指数均值为0.9684，2019年为0.8935，与2015年相比下降7.74%，湖泊水环境质量总体出现一定程度的好转.

根据2015-2019年湖泊水质综合污染指数年动态度与总体动态度的特征，将武汉市湖泊水质变化趋势分为4种类型(表1). 2015-2019年南湖等3个湖泊综合污染指数年动态度均为负值，表明湖泊水质在此期间持续好转. 2015-2019年外沙湖等湖泊综合污染指数总体动态度为负，年动态度有正有负，表明湖泊水质总体呈好转趋势，但水质不能实现稳定改善，期间出现波动. 2015-2019年汤逊湖等湖泊综合污染指数总体动态度为正，年动态度有正有负，表明水质总体呈波动变差的趋势. 2015-2019年汉阳墨水湖水质综合污染指数年动态度均为正值，水质持续变差. 总体来说，2015-2019年水质总体呈现好转的湖泊多于水质总体变差的湖泊，且水质持续变差的湖泊极少，“十三五”期间湖泊水环境治理取得一定成效. 但水质稳定好转的湖泊较少，实现湖泊水质持续向好较为困难.

表1 2015-2019年武汉市湖泊水质变化趋势*

如表2所示，相较于2015年，2019年共有38个湖泊营养状态好转，93个湖泊营养状态保持稳定，30个湖泊营养状态恶化，5个湖泊因实施治理工程无法比较. 2015年重度富营养湖泊中有6个到2019年转为轻度富营养湖泊，有5个转为中度富营养湖泊，2015年重度富营养湖泊营养状态均得到有效改善. 2015年轻度富营养湖泊中近80%营养状态稳中逐步好转，中度富营养湖泊中超过90%营养状态稳中逐步好转. 与2015年相比，2019年中营养及轻度富营养湖泊数量增多，占比超过60%. 从湖泊营养状态来看，“十三五”期间武汉市湖泊总体呈向好趋势，但仍有青山北湖、金湖、后湖等部分湖泊富营养化状态恶化. 湖泊富营养化主要源于氮磷营养物、耗氧有机物等污染物的输入.

表2 2015-2019年武汉市湖泊营养状态转移矩阵*

2015-2019年武汉市湖泊总磷平均质量浓度主要呈现下降趋势(图2a)，但2019年仍有47%的湖泊总磷浓度劣于Ⅳ类评价标准，湖泊总磷平均质量浓度(0.14 mg/L)不能达到Ⅳ类评价标准，北太子湖、墨水湖等25个湖泊总磷浓度不能达到Ⅴ类评价标准，仅内沙湖总磷满足Ⅱ类评价标准.

2015-2019年武汉市湖泊氨氮平均质量浓度变化趋势与总磷相似(图2b). 2019年平均质量浓度在5年中最低，2019年只有约14%的湖泊不能达到Ⅲ类评价标准. 2015-2019年武汉市湖泊化学需氧量平均质量浓度略有波动(图2c)，2019年明显下降，2019年化学需氧量不能达到Ⅳ类评价标准的湖泊占比为22%. 2015-2019年武汉市湖泊高锰酸盐指数平均质量浓度波动幅度较为明显(图2d)，2015-2017年平均质量浓度逐年下降，2018明显上升，2019年小幅下降. 2015-2019年武汉市湖泊主要污染物浓度总体均呈下降趋势，磷元素始终是制约湖泊水质的主要因子，耗氧有机污染物、氮元素次之. 磷元素的控制是进一步改善武汉市湖泊水环境的关键.

图2 2015-2019年武汉市湖泊水质指标变化趋势Fig.2 Variations of the water quality indexes of lakes in Wuhan from 2015 to 2019

2.2 2015-2019年武汉市湖泊水质的空间变化特征

武汉市湖泊众多且分布较广，将分别采用以行政区划为依据和以流域水系结构划分为依据的湖泊水质空间分析. 以行政区划为依据的湖泊水质空间分析，可以反映各行政区整体发展对于湖泊水质的影响，并为相关职能部门有针对性地进行区域水质管理与规划提供依据. 以流域水系结构划分为依据的湖泊水质空间分析，可以反映流域河湖连通关系对水质的影响，并为进一步的水环境治理工程提供科学参考.

2.2.1 以行政区划为依据的湖泊水质空间分析 结合相关资料，将江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、洪山区、青山区(化工区)、东湖生态旅游风景区视为中心城区，黄陂区、新洲区、蔡甸区、东西湖区、江夏区、东湖新技术开发区、武汉经济技术开发区(汉南区)视为新城区. 武汉市约80%湖泊位于新城区内，中心城区湖泊数量较少且集中，因此在探讨湖泊水质空间变化特征时将武汉市中心城区作为整体进行分析.

根据各区湖泊水质综合污染指数变化幅度，将综合污染指数动态度分为4个等级(表3). 如图3所示，2015年新洲区、蔡甸区、东西湖区、武汉经济技术开发区(汉南区)及江夏区湖泊水质综合污染指数均较高. 2015-2019年黄陂区与东西湖区湖泊综合污染指数总体动态度升高，水质小幅下降；中心城区、蔡甸区与东湖新技术开发区湖泊综合污染指数总体动态度小幅下降，水质小幅提升；江夏区与武汉经济技术开发区(汉南区)动态度明显下降；新洲区湖泊综合污染指数总体动态度大幅降低. 2019年湖泊水质总体综合污染指数最高的是东西湖区.

图3 2015和2019年各区湖泊综合污染指数及总体动态度Fig.3 Comprehensive pollution index of lakes in different districts in 2015 and 2019 and dynamic degree of comprehensive pollution index of lakes in different districts

表3 湖泊综合污染指数动态度分级

2015-2019年中心城区重度富营养湖泊营养状态均得到改善，中营养湖泊数量增多(图4). 武汉经济技术开发区(汉南区)、江夏区已无重度富营养状态湖泊，东湖新技术开发区中度富营养湖泊水质均好转，黄陂区湖泊整体营养状态好转. 但东西湖区重度富营养湖泊增多，蔡甸区仍有少量重度富营养湖泊.

图4 各区湖泊不同营养状态占比变化Fig.4 The proportion change of different eutrophication status of lakes in different districts

2.2.2 以流域水系结构为依据的湖泊水质空间分析 受地形条件、江河分割和人工堤坝等因素的影响，武汉市湖泊分布形成以若干大湖为中心的水系流域结构，主要分为东湖-沙湖水系、汤逊湖水系、北湖水系、后湖水系、墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系、东西湖水系、西湖水系、鲁湖-斧头湖-梁子湖水系、武湖水系、涨渡湖水系和泛区水系[5].

2015-2019年，后湖水系及武湖水系中度富营养化湖泊增多，东西湖水系重度富营养化湖泊增多，泛区水系整体营养状态显著好转，其他水系营养状态均稳中向好. 2015-2019年，北湖水系、墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系、东西湖水系及后湖水系综合污染指数上升(表4)，其他水系综合污染指数均降低. 2019年墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系及东西湖水系综合污染指数总体较高，武湖水系次之.

表4 各水系概况及综合污染指数变化

北湖水系内青山北湖，墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系内龙阳湖、墨水湖，汤逊湖水系内黄家湖、南湖虽然位于中心城区，但综合污染指数较高. 武湖水系和后湖水系中后湖、黄陂汤湖等多个位于新城区的湖泊水质较差.

3 讨论

近年通过实施截污工程、植物生态修复等系列工程措施，中心城区湖泊水质提升总体取得了一定的成效[23-24]，但中心城区北湖水系、墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系、汤逊湖水系仍有待改善. 城市地表径流、排口排污及底泥内源污染物释放是中心城区湖泊水环境较为突出的污染源. 根据武汉市统计年鉴，到2017年底约有61%的常住人口居住在武汉市中心城区，但污水处理设施尚不完善，雨污分流管网有待进一步健全，一方面生活生产污水通过排口排入湖泊，另一方面城市地表径流携带多种污染物输入湖泊水体[25]. 汤逊湖水系内黄家湖等湖泊水质不达标，南湖水质近年持续改善，但综合污染指数仍在较高水平. 汤逊湖水系虽总体湖泊面积大，但排污问题突出. 城市地表径流对黄家湖的氮磷营养物质贡献率均较高[26]，南湖周边污水直排，雨季溢流问题突出[27]. 水系内的港渠、河流也存在污水排放的问题，进而对水系内湖泊水质产生影响. 北湖水系内青山北湖位于武汉重要的化工区，工业污水漏排偷排现象有待改善.

外源污染物的输入致使湖泊底泥中逐渐积累较多的有机物、氮磷营养物等污染物，底泥与上覆水持续存在着物质交换，当底泥被搅动时，底泥中的污染物将大量向水体中释放，造成水质恶化[28]，江苏太湖的水质就受到其底泥的影响[29]. 位于汉阳区的墨水湖、龙阳湖周边有化工区、生活区，早期因工业废水、生活污水排放积累了较多的污染物，墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系整体水质基础较差，底泥内源污染影响较大.

东西湖区东西湖水系、黄陂区武湖水系、后湖水系水环境问题较为突出，农业生产、生活带来的面源污染、工业污水排放是影响湖泊水环境的主要因素. 武汉市农用地主要集中在新城区，农业生产活动多在新城区进行，新城区的农业面源污染风险较高[30-31]. 黄陂区后湖、武湖、李家大湖等多个湖泊周边均存在农业种植、水产养殖、畜禽养殖，化肥、农药、养殖废水等污染物在降水和灌溉过程中，通过地表径流、农田排水等方式流入水体，使得湖泊中氮磷及有机物浓度升高. 江苏洪泽湖富营养化也与周边地区农业生产中使用化肥、农药关系密切[32]. 东西湖区作为武汉市重要的农副产品生产加工基地，水环境受到加工产生的副产品、废弃物以及水产养殖、种植业的直接影响. 2016年东西湖区龙王沟全湖种植莲藕，化肥的施用导致湖泊中氮、磷浓度显著升高. 禁养区出现水产养殖等农业活动也是导致水质较难实现持续改善的原因.

1970s以来，武汉市湖泊面积经历了大幅萎缩的过程，建筑用地的填占导致武汉市湖泊呈现破碎度高、连通性低的特征，南太子湖、金湖等湖泊斑块数明显增多[33]. 水域面积减少、斑块数量增多，将导致湖泊的流动性变差、自净能力降低[34]. 东西湖水系、后湖水系内湖泊面积多数小于1 km2，且水质较差，墨水湖-龙阳湖-南(北)太子湖水系内湖泊破碎度高，污染物输入后，自身净化能力低.

“十三五”期间武汉市湖泊水质治理总体取得了一定成效，但保持水质持续向好的趋势较难，“十四五”期间对总磷的控制仍然是提升水质的关键. 中心城区青山北湖、南湖等湖泊综合污染指数较高，需进一步加强排口治理、开展底泥疏浚等工程措施，东西湖区、黄陂区等新城区整体水质仍有待提升，需强化农业面源污染控制、工业污染防治及生态修复.

4 结论

1)2019年全市湖泊综合污染指数均值为0.8935，与2015年相比下降7.74%，2015-2019年多数湖泊营养状态稳中好转. 2015-2019年湖泊水质总体呈向好趋势，但湖泊水质多出现波动，较难实现持续改善.

2)武汉市湖泊主要超标污染物为总磷、氨氮、化学需氧量和高锰酸盐指数，4种污染物平均质量浓度在2015-2019年间整体呈下降趋势，磷元素始终是制约湖泊水质的主要因子，磷的控制是进一步改善湖泊水环境的关键.

3)2015-2019年间武汉市中心城区湖泊综合污染指数下降，重度富营养状态湖泊消失，水质总体好转，“十三五”期间水环境治理取得一定成效. 但中心城区内青山北湖、墨水湖、龙阳湖等湖泊综合污染指数较高，东西湖区、黄陂区等新城区水质相对较差.

4)中心城区与新城区的发展定位、城市化程度等不尽相同，导致影响其辖区内水环境质量的主导因素不同，排口等污染源对中心城区湖泊水质影响较大，工业污染、农业面源污染对新城区湖泊水质影响较大. 湖泊的破碎化导致湖泊自净能力降低，对于湖泊水质也有一定影响. 同时，水系内连通港渠的水质治理也需加以重视，水环境质量提升需综合考虑水系内各个湖泊及连通河流、港渠情况，采取系统性治理措施.

致谢：论文研究成果为《武汉市水生态环境保护“十四五”规划》编制提供支撑，在此感谢合作单位武汉市环境监测中心提供的监测数据，感谢长江生态环境保护修复联合研究武汉驻点团队对论文的指导及支持.