黄石市大冶湖水质变化趋势及成因分析

刘芫，刘蓬，刘琳，张冬萍，吴盛岚，刘胜山，李海波*

1.湖北大学资源环境学院

2.黄石市生态环境局

3.武昌理工学院

长江生态环境保护修复驻点跟踪研究是贯彻习近平总书记关于长江经济带“共抓大保护，不搞大开发”的重要指示精神、打好长江保护修复攻坚战的重要举措。大冶湖属长江流域中下游南岸重要支流，也是湖北省重点保护湖泊之一。开展大冶湖水质评价及水质变化趋势分析，探讨水生态环境问题并提出修复治理措施，对提升大冶湖水生态环境质量，落实长江大保护战略具有重要现实意义。

1 大冶湖概况

大冶湖是黄石市境内最大的天然湖泊，发源于鄂南幕阜山北麓，流域面积1 106 km2，正常水位18 m时湖泊面积为64.6 km2，容积2.025亿m3，平均水深1.92 m。湖面位于 114°39′E～115°24′E，29°52′N～30°12′N，湖中心坐标 115°5′46′E，30°5′25′N。大冶湖流域属典型亚热带大陆性气候，冬冷夏热，四季分明，气候温和，雨量充沛，光照充足，无霜期长。

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2 大冶湖水质变化趋势

2.1 监测断面

大冶湖水体自西向东流动，研究选取大冶湖大桥断面（省控）、磊山湖心断面（省控）、大冶湖闸断面（国控）3个水质常规监测断面（图1），研究数据取自黄石市环境监测站2015—2020年水质监测数据，以溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）6 项指标为主要评价因子。

图1 大冶湖监测断面示意Fig.1 Schematic diagram of monitoring sections of Daye Lake

2.2 水质评价

内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的常用方法之一。该方法先求出各因子的分指数(超标倍数)，然后求出各分指数的平均值，取最大分指数和平均值进行计算。但该方法过于突出分指数最大因子对水质的影响，且未考虑各污染因子的权重[1-3]。本研究采用改进的内梅罗污染指数法对2015—2020年大冶湖3个监测断面水质进行评价，具体步骤如下。

（5）计算各监测断面改进的内梅罗污染指数：根据大冶湖3个断面近6年（2015—2020年）监测数据的平均值，按照式（3）～式（5）计算大冶湖3个监测断面改进的内梅罗污染指数，结果见表3。

（1）选择评价指标：以 CODMn、CODCr、NH3-N、TN和TP作为评价指标，选择GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[4]作为评价标准，将水质分为Ⅰ类(未污染)、Ⅱ类 (轻污染)、Ⅲ类 (中污染)、Ⅳ类 (重污染)、Ⅴ类(严重污染)5个等级。其中大冶湖闸断面采用河流标准进行评价，大冶湖大桥断面和磊山湖心断面采用湖库标准进行评价。

（2）确定水质计算标准：参与水质评价的大冶湖3个监测断面水质目标为Ⅲ类，因此本次水质评价以Ⅲ类水质为计算标准。

（3）计算各污染因子的权重：由式(1)、式(2)计算各污染因子的权重，结果见表1。

表1 各污染因子的权重Table 1 Weight of each pollution factor

式中：ωi为第i个污染因子的权重；m为污染因子的个数；si为第i个污染因子的计算标准；smax为m个污染因子计算标准的最大值。

由表1可以看出，TP的权重最大，即TP对该评价体系的影响最大，分别占整个评价体系权重的62.9%和90.02%。

（4）划分污染等级：采用式(3)～式(5)计算各水质级别改进的内梅罗污染指数，从而得出用改进的内梅罗污染指数划分的污染等级标准（表2）。

表2 改进的内梅罗污染指数划分的水质级别Table 2 Water quality grades divided by improved Nemero pollution index

大冶湖流域常用耕地面积大，约占流域总面积的55.66%，广泛分布于各县市乡镇农村。流域内化肥、农药年均使用量较高，加剧了湖区水质污染。同时种植面源污染具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性、潜伏性等特点，使流域面源污染防治面临困难。

引导学生：让学生认识到，实际生活中解决问题可以有多种方法，只要言之有理即可。以此让学生大胆思考，不怕犯错，不怕与众不同。

表3 各断面改进的内梅罗污染指数及水质评价结果Table 3 Improved Nemero pollution index and water quality evaluation results of each section

（6）判断水质级别：由表3可以看出，除2017年外，大冶湖闸断面改进的内梅罗污染指数为0.605～0.712，水质级别基本稳定在Ⅲ类（中污染），水质达标。2018年、2019年大冶湖大桥断面改进的内梅罗污染指数分别为2.282和2.120，水质级别为Ⅴ类(严重污染)，其余年份均为Ⅳ类(重污染)。磊山湖心断面改进的内梅罗污染指数2015—2017年呈下降趋势，2017年达到最低值（0.920），水质级别为Ⅲ类（中污染）；2018年升至最高值（1.419），水质级别达到Ⅳ类(重污染)；2018年之后虽逐年下降，但水质级别仍为Ⅳ类(重污染)。

2.3 水质逐年变化趋势

大冶湖水环境功能管理目标为GB 3838—2002中Ⅲ类水质标准，2015—2020年6个因子年均水质监测数据如图2所示。由图2可知，2015—2020年大冶湖3个断面DO、CODMn均能满足Ⅲ类水质标准，NH3-N除2018年大冶湖大桥断面超标外，其他年份均能满足Ⅲ类水质标准。2018年以前CODCr在3个断面总体达标，2018年以后在大冶湖大桥断面和磊山湖心断面出现少量超标；总体看，3个断面的CODCr基本呈现大冶湖大桥>磊山湖心>大冶湖闸的规律，并逐步有下降趋势。这可能归因于水体自西向东流动，水体稀释、湖泊自净以及湖泊治理过程对水质的影响。TN在大冶湖大桥断面绝大多数年份超标，其中2018年出现年均浓度最高值（2.84 mg/L），超标1.84倍，磊山湖心和大冶湖闸TN常年在Ⅲ类水质标准附近波动。针对TP，大冶湖闸断面采用的是GB 3838—2002河流Ⅲ类水质标准，因此近6年均未超标，而大冶湖大桥和磊山湖心断面采用的是湖库Ⅲ类水质标准，2015—2020年全部超标。其中，2019年大冶湖大桥断面TP浓度最高，为0.14 mg/L，超标0.86倍。总体看，大冶湖近6年水质介于Ⅳ类～Ⅴ类，TN、TP为特征污染因子。

(3) 利用硅-焓方程法与硅-焓图解法估算研究区地热水中混入冷水的比例，其中地热井水中冷水混入比例为39.47%～70.19%，初始温度为182.36 ℃～212.22 ℃，温泉中冷水混入比例为63.33%～86.93%，初始温度为172.58 ℃～258.23℃，研究结果发现，随地热井深度增加，混入冷水比例大幅降低，但计算的初始温度较实际温度仍然偏高。

图2 大冶湖3个断面主要污染因子年变化趋势Fig.2 Annual variation trend of main pollution factors in three sections of Daye Lake

根据《地表水环境质量评价办法（试行）》，采用Spearman秩相关系数法，进一步分析大冶湖流域内多时段的水质变化趋势及变化程度。秩相关系数法是衡量时间序列变化趋势在统计上有无显著性的常用方法，原理是将2个因子的样本值从小到大排列位次，以各因子样本值的位次代替实际数据加以计算[5]，公式如下：

式中：rs为秩相关系数；n为样本个数；N为时间周期数；di为变量Xi和Yi的差值；Xi为周期1～N按浓度从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号。

1.4 研究假设 品牌真实性是消费者对品牌各种线索评判的结果，其实质是消费者对品牌要素及活动的总体感知和评价；徐伟等[12]研究发现品牌真实性有助于人们了解品牌的内在和外在属性，并能激发消费者对品牌的正向评价，Newman等[21]研究发现若产品的真实性高，那么消费者对产品的估价更高；Assiouras等[22]研究发现品牌真实性正向影响消费者的品牌依恋，而消费者的品牌依恋正向影响消费者对该品牌的态度和行为。

表4 秩相关系数的临界值（Wp）Table 4 Critical value of rank correlation coefficient (Wp)

采用监测数据年均值计算大冶湖3个断面2015—2020年6个因子的rs，结果如图3所示。由图3可知，大冶湖3个断面大部分水质指标的|rs|≤0.829（N=6），表明大冶湖3个断面在近6年内水质变化大体稳定。其中，大冶湖闸断面CODMn的|rs|>0.829（N=6），表明大冶湖闸断面CODMn变化趋势在置信水平95%时有显著意义，大冶湖闸断面CODMn有下降趋势。大冶湖闸断面其余5个水质指标的|rs|≤0.829（N=6），表明大冶湖闸断面的DO、CODCr、NH3-H、TP和TN变化趋势在置信水平95%没有显著意义，水质变化平稳。大冶湖大桥和磊山湖心断面6个水质指标的|rs|≤0.829（N=6），表明这2个断面的水质较稳定。

图3 2015—2020年大冶湖3个断面污染因子秩相关系数Fig.3 Rank correlation coefficients of major pollution factors in three sections of Daye Lake from 2015 to 2020

总之，2015—2020年各项水质指标大体平稳，没有出现水质恶化的趋势，表明近年来大冶湖水质得到了一定程度的治理。

2.4 水体富营养化程度

大冶湖3个常规监测断面中，大冶湖闸为国控断面，其水环境质量评价采用河流水质评价结果，不包括营养状态评价。因此，大冶湖营养状态评价仅参考大冶湖大桥和磊山湖心2个省控断面数据。根据《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》，选取综合营养状态指数〔TLI(∑)〕法对大冶湖的富营养化程度进行评价[7]。采用0～100的一系列连续值对湖泊营养状态进行分级，TLI(∑)分级标准见表5。2个省控断面TLI(∑)计算结果如图4所示。

将rs的绝对值（|rs|）与Spearman秩相关系数统计表（表4）中的临界值（Wp）进行比较，当|rs|>Wp，表明变化趋势有显著意义。如果rs为负值，表明在评价时段内有关统计量项目变化呈下降或好转趋势；rs为正值，则表明在评价时段内有关统计量项目变化呈上升或加重趋势。当|rs|≤Wp，则表明变化趋势没有显著意义，表明在评价时段内水质变化稳定或平稳[6]。

图4 2015—2020年大冶湖2个断面营养状态变化趋势Fig.4 Variation trends of eutrophication in two sections of Daye Lake from 2015 to 2020

表5 营养状态分级表Table 5 Nutritional status grading table

由图4可知，近6年来，大冶湖大桥断面的富营养化程度要高于磊山湖心，且2个断面的营养状态指数都呈逐步上升趋势，其中2018年和2019年大冶湖大桥断面营养状态从轻度富营养上升至中度富营养。总体来看，虽然大冶湖平均营养水平大致为轻度富营养化状态，但水体营养状态指数呈逐步上升的态势，说明大冶湖还需加大水体富营养化治理力度。

3 水生态环境问题解析

3.1 湖体形态萎缩，湖滨缓冲带被侵占

由于历史原因，多年来大冶湖围湖造田、围湖养鱼行为时有发生，使得湖泊面积和容积严重萎缩[8]。将20世纪50年代大冶湖测绘图与1999年、2019年大冶湖遥感图叠加，得到典型年代大冶湖湖面影像如图5所示。黄色代表20世纪50年代，面积为126.0 km2；绿色代表90年代，面积为90.4 km2；蓝色代表目前状态，面积为64.6 km2。可见，从20世纪50年代至2019年大冶湖水面面积缩小了49%，湖体容积也由3.60亿m3减至2.05亿m3，减少了43%。湖体萎缩降低了湖泊连通性、削减了湖泊自然净化能力[9]。同时，大冶湖周边农田、菜地、鱼塘较多，湖滨缓冲带被侵占，不利于初期雨水和城市径流的污染防治。

图5 大冶湖历史典型年代遥感影像叠加图Fig.5 Overlay map of remote sensing images in typical historical years of Daye Lake

3.2 农业农村面源污染突出

据调查，流域内污水处理厂存在超负荷运行、管网建设不足、污水收集率偏低等问题，大冶市、下陆区、铁山区部分管网老旧、损坏严重无法发挥作用，多级管网施工尚未完成，污水管网对接工程仍在建设。大冶湖流域内城镇生活污水因收集处理率低，已成为大冶湖的主要污染源之一。

大冶湖流域水系发达，流域内农村生活污水分布较散，规模较小，乡镇污水处理厂二三级管网建设不全，农村生活产生的大量污水直接排入附近沟渠，最后汇入大冶湖。根据监测结果，直接连通大冶湖的主要一级河港TN浓度大部分超标，虽然大部分河港TP浓度达到了河流Ⅲ类标准，但按照湖库Ⅲ类标准，超标率高达80%～90%，这也是制约大冶湖水环境保护的关键问题之一。

3.2.2 农业种植污染治理有待加强

设λ*,θ*,s*-,s*+为最优解，则：当θ=1，且s*-,s*+都为0时，则认为该指标配置有效，即医疗卫生资源的投入得到了充分利用；当θ=1，且s*-≠0或s*+≠0时，则认为弱有效，若其中s*+>0，则表示投入过剩，S*-<0，则表示产出不足；当θ0<1，则认为该决策单元为无效，即投入的资源没有得到充分的利用。

式中：ci为第i个污染因子的实测值；Fi为第i个污染因子的实测值与标准值的比值；Fi,max为Fi的最大值；为Fi的平均值；Fω为权重最大的污染因子的Fi；P′为改进的内梅罗污染指数。

大冶湖流域养殖业发达，存在大量人工鱼塘和鱼池养鱼活动，但绿色养殖和精养鱼池标准化建设相对滞后，养鱼尾水间接进入大冶湖，尾水达标排放监管能力不足。同时，部分鱼塘与湖泊仅一堤之隔，中间无任何净化措施，养殖污水直排入大冶湖[10]。

目前黄石市禁养区的畜禽养殖场已经完成关停搬迁，但禁养区之外部分养殖场设备简陋，污水处理设施运行不稳定，小型散养甚至没有污水处理设施。废水经过养殖场所周边的沟渠最终汇入到大冶湖，间接影响流域水生态环境。

3.2.3 畜禽养殖、水产养殖废水治理需进一步加强

正能量、积极向上是客观而非自我标榜的。因而评判、考量是否积极向上，是否正能量，也不能以个人好恶为标准，须察其作用结果才能下结论。而察其作用结果，也不能以是否有利于一时一事一地做判断，而应从是否利大局、利长期上找答案。让个别领导欢喜的某些一时一地歌舞升平及赞颂，不仅不能利大局利长期，反而很可能害大局坏长期。像某些大叫大嚷正能量的“心灵鸡汤”，虽听起来甜蜜顺耳，但却是回避矛盾、麻痹神经、不解决问题的糖衣止疼片，有的甚至扭曲或掩盖矛盾与问题，误导人们偏离解决问题的正确轨道而入歧途。而一些不那么中听甚至刺耳的针时弊砭恶丑医病症的批评之声，揭露的虽是负面问题，得到的却是扶正祛邪、治病疗疾的正效果。

3.3 城乡污水收集处理设施建设相对滞后

在社会经济高速发展的时代，城乡污水收集处理设施建设普遍滞后，乡镇污水收集处理设施建设尤显突出[11]。造成这一困境的原因，有环保资金投入不足，筹资渠道不畅等因素，也有设施运行是否可行、处理是否有效等技术原因。大冶湖流域环保基础设施建设的相对滞后，不仅直接影响大冶湖水环境质量目标的实现，也正成为制约经济可持续发展的瓶颈。

3.2.1 农村生活污染影响较大

聚焦“一个战略目标”。就是要确保高质量完成脱贫攻坚任务，既要打赢，也要打好。打赢，就是要确保低收入人口收入和经济薄弱村集体经济收入达标，稳定实现低收入人口“两不愁三保障”，经济薄弱地区基本公共服务主要指标接近全省平均水平。打好，就是要体现我省2020年实现高水平全面建成小康社会的目标要求，确保政策落实到位，确保人民群众满意，同时，要建立健全巩固脱贫成效、缓解相对贫困长效机制和制度框架。

3.4 生活污水处理厂尾水直接入湖

流域内城南污水处理厂、山南污水厂每天约有5万～6万t尾水直排进大冶湖，大箕铺污水处理厂运行后每天约有3万t尾水直排入大冶湖。污水处理厂执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，TN出水浓度为15 mg/L，TP出水浓度为0.5 mg/L，分别为河流Ⅲ类水质标准的15倍和10倍，尾水水质浓度远高于大冶湖Ⅲ类水质目标，对大冶湖水环境保护造成了一定影响。

BOT模式虽然可为城际铁路建设提供大量资金，但其建设期及运营期的管理过程完全不受政府控制，在我国关系到国计民生的城际铁路建设中尚无充分的经验支撑。BT模式建设成本过高，政府对项目建设的掌控力较差，项目建设质量存在隐患。TOT模式由于未涉及建造环节，故前期工作量较少，运作程序相对简化，项目风险亦相对较低，但关于城际铁路资产的价格评估控制难度较大，且仅适用于已开通运营的城际铁路项目，对江苏省城际铁路建设项目适用性较低。ABS模式组织形式简单，应用范围较广，但相关担保政策、监管措施和偿债机制等不够成熟。

4 水生态修复措施

4.1 湖体生态保护与修复

以大冶湖生态保护为中心，开展湖泊生态修复工程。结合河湖连通开展江湖生物通道建设、水环境综合整治和生态修复工程，包括底泥疏浚、沉水植被恢复工程等，同时加强大冶湖外湖生态保育工作，促进湖泊水生植被的恢复和生态系统向好演替发展。在大冶湖受人为干扰严重的子湖汊湖和实施退垸还湖的圩垸实施水生植物群落恢复工程。适宜的水生植物能够适应所在的水-土-气候变化，容易栽种、快速生长，在不同的生长环境中易于形成稳定的群落，对于湖体污染具有良好的去除和抑制作用[12-13]。常见的水生植物有芦苇、菱笋、蒲草、苦草、轮叶黑藻、穗花狐尾藻等[14]。

4.2 湖滨缓冲带生态修复

湖滨缓冲带是入湖面源重要的拦蓄和消纳场所，湖滨带在涵养水源、蓄洪防旱、促淤造地、净化水体、维护生物多样性和保持生态平衡等方面有着十分重要的作用[15]。湖滨缓冲带包括绿化隔离带、乔草防护带、灌草湿生带、挺水植物带、沉水植物带。绿化隔离带主要对湖泊周围起隔离功能，并具有一定的经济性和观赏性；乔草防护带、灌草湿生带是水陆生态平衡带，对径流起到污染降解和净化作用；挺水植物带、沉水植物带是湖泊水生植物带，对湖水水质起到净化作用。

在人类社会初期，生产力水平极其低下，物质生产与精神生产往往交织在一起，而随着农业和手工业的发展，精神文化生产活动作为一个独立的领域与物质生产相分离。出于统治阶级利益的需要，统治阶级中间往往产生专门从事精神生产的阶层为阶级统治地位的历史正当性做辩护。这一特定阶层将统治阶级的思想观念灌输给社会成员，以此获得社会普遍意识这种虚假外观。因此，在资产阶级社会，文化创作被看作是上层精英的“专利”，而将人民群众作为“虚假观念”的被动接受者，忽视了广大人民的主体作用。巴黎公社肯定人民群众既是物质财富的创造者，同时更是精神财富的创造者，因而采取了一系列的文化教育措施，使人民成为文化教育的主体。

4.3 退垸还湖工程

为保证湖体的完整性和连通性，实施退垸还湖工程。可以对太白湖、水家堍湖、林家湖、程家湾、五湖、有色湖等6个民垸退垸还湖，恢复其与大冶湖的自然连通，实施水生植物群落恢复工程。退垸还湖过程中还应完善湖区渔民安置工作，按照属地管理原则，由涉湖县（市、区）政府（管委会）负责制定并落实渔民安置方案[16]。

从问卷的调查数据来看，庐山西海的游客主要集中于庐山西海及周边地区，省内外的游客较少，这也是影响庐山西海客源的一个重要原因。

4.4 入湖港渠环境整治

进出湖港渠是湖泊水质交换的重要通道，对湖体水质具有重要影响。大冶湖进出湖港渠均有不同程度河床淤积、岸线坍塌、河道侵占、植被缺失等问题。将上下游、南北岸入湖港渠整体纳入水生态修复范围，整体规划设计，遵从河流自身的功能与生态定位，确保自然河道现有良好的河岸及河床走向。首先，在保证防洪安全的前提下，进行河底清淤，拆除阻水建筑物[17]；其次，构建河道缓冲带，逐步实现入湖河道生态岸带建设。

4.5 生态湿地建设

生态湿地是人工模拟自然湿地的结构和功能而建造的系统，主要由填料、植物、微生物组成。在人工湿地净化污水过程中，主要依靠过滤、沉淀、离子交换、吸附、微生物降解和植物吸收等反应，不但可以高效处理废水中的营养盐、悬浮物和有机污染物，在一定程度上还可以高效处理外源性生物活性物质，如藻毒素和病原微生物等[18-19]。

5 结语

大冶湖流域面积约占黄石市国土面积的1/4，涉及黄石市三区、一市、一县。环大冶湖地区发展，构建大冶湖核心区组团是黄石市进一步发展面临的新形势和新任务。加强大冶湖水生态环境保护，不断提升大冶湖水生态环境质量是黄石市社会经济绿色发展的根本需要。湖泊水生态环境保护是一个长期的不断完善的过程，只要持之以恒、生态优先，上下游、左右岸共同努力，就会早日恢复大冶湖流域优美的生态环境，促进长江流域人与自然的和谐共生。