洞庭湖水环境质量状况与污染来源影响分析

彭 娴,朱丹丹,熊 剑

(湖南省岳阳生态环境监测中心,湖南 岳阳 414000)

0 引言

洞庭湖作为湖南省的母亲湖,是我国第二大淡水湖和长江最重要的调蓄湖泊及国际重要湿地.2014 年,洞庭湖生态经济区规划获国务院批复,担负起洞庭湖区乃至长江流域生态安全、水安全、粮食安全的重大责任,战略地位举足轻重.近十年来,洞庭湖区环境形势比较严峻,洞庭湖氮磷持续超标、局部水域水华频发,制约了区域的可持续发展,引起了社会各界的广泛关注[1～5].为此,2015—2016 年,湖南省环保厅组织开展洞庭湖区污染源与生态环境现状调查,旨在掌握洞庭湖区污染源结构状况、洞庭湖水环境质量状况,找出洞庭湖主要的环境问题,为洞庭湖区产业结构调整、洞庭湖水环境综合治理和生态保护提供依据.鉴于第二次全国污染源普查数据尚未公布,本文采用2014 年为基准年的洞庭湖区污染源调查数据以及2014、2017、2020 年水质基础数据来研究分析洞庭湖污染来源及其对水环境的影响.

文[6～11]分别开展了洞庭湖水体污染物通量、洞庭湖污染源入湖负荷及入湖河流污染物输入、洞庭湖水环境状况与洞庭湖污染源治理对策等不同方面的研究,但缺少对洞庭湖多污染来源的综合分析以及对水环境影响的系统分析,也缺少入湖负荷主要污染物COD 的分析,因此具有一定的局限性.本研究在分析水环境质量现状与变化趋势基础上,综合分析了洞庭湖区污染源、入湖河流污染物通量以及洞庭湖大气降水、船舶航运等外来污染源主要污染物(包括COD)输入负荷组成与分布特征,较全面分析了洞庭湖污染来源对洞庭湖水环境的影响,这对于全面了解洞庭湖污染来源,进一步开展洞庭湖水环境综合治理和生态保护,提升洞庭湖生态环境质量,实现区域经济社会环境协调发展,从而保障区域乃至国家的生态安全都具有十分重要的意义.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

污染源研究区域为湖南省洞庭湖区岳阳、常德、益阳3 市各区和长沙市望城区,其中包含岳阳、常德、益阳3 市所属市级经济技术开发区(高新园区)、农场管理区,见表1.

表1 湖南省洞庭湖区范围

洞庭湖水环境质量现状研究区域为入湖口、湖体、出湖口水域,具体水质监测断面设置如图1 所示.

图1 洞庭湖水体水质采样断面分布

图1 中,5 个入湖口河流断面分别为湘江樟树港、资江万家嘴、沅江坡头、澧水沙河口、三口松滋河马坡湖;4 个东洞庭湖水体断面分别为鹿角、扁山、岳阳楼、东洞庭湖;3 个南洞庭湖水体断面分别为万子湖、横岭湖、虞公庙;3 个西洞庭湖水体断面分别为南嘴、蒋家嘴和小河嘴;1 个出湖口断面为洞庭湖出口.

1.2 研究方法

洞庭湖水体各区域水质类别、整体水质状况根据《地表水环境质量评价办法(试行)》进行水质类别单因子和整体水质状况评价,其中入湖口断面的总磷按河流标准(0.2 mg/L)进行评价,湖体和出湖口断面的总磷按湖、库标准(0.05 mg/L)进行评价.

湖泊营养状态评价指标为总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数、叶绿素a 和透明度5 项,参考中国环境监测总站《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》中的综合营养状态指数评价方法进行换算.

工业污染物排放量、城镇生活污染物排放量、农村生活污染物排放量及农业面源种植业、畜禽养殖、水产养殖污染物排放量采用第一次全国污染源普查资料编纂委员会编制的《污染源普查产排污系数手册》中南区的产排系数进行核算.

入湖河流入洞庭湖的污染物总量(通量)按下式计算[10]:

其中Fij为第i月第j种物质的平均通量(t);Cij为第i月第j种物质的平均浓度(mg/L);Qi为第i月的流量通量(m3).

大气降水污染物输入按下式计算[12]:

其中C降水为大气降水污染物输入量(t);A为洞庭湖湿地面积(km2);h为洞庭湖湿地区域范围内的年降水量(mm/a);c为降水中污染物的浓度(mg/L).

洞庭湖区污染源污染物入湖负荷=各类污染源污染物排放量×入湖系数.

洞庭湖区各类污染源的入湖系数参考文[13]确定.污染源调查数据以2014 年为基准年,来源于洞庭湖区各区(县、市)行政主管部门,2020 年的水环境质量现状数据以及2014、2017 年比对数据来源于湖南省洞庭湖生态环境监测中心.

2 结果与讨论

2.1 洞庭湖水环境质量现状与变化趋势

2.1.1 主要污染因子现状与变化趋势

洞庭湖入湖河流、周边污染源入湖主要污染物为TN、TP、COD,洞庭湖水体主要污染因子为TN、TP[1,4,5].洞庭湖各水域TN、TP、COD 现状年均值见表2,变化趋势如图2～5 所示.

图2 洞庭湖入湖口、湖体、出湖口TN、TP 年均浓度分布

表2 洞庭湖各水域TN、TP、COD 年均值及水质类别

2020 年洞庭湖16 个断面TN 年均值范围在1.27～1.88 mg/L 之间,全湖TN 年均值1.63 mg/L,均明显超过地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中Ⅲ类标准限值(1.0 mg/L).空间分布上,入湖口TN 年均值高于出湖口,出湖口TN 年均值高于湖体,湖体TN 年均值以西洞庭湖和南洞庭湖最低.

2020 年洞庭湖各水域TP 年均值范围在0.040～0.078 mg/L 之间,全湖TP 年均值0.064 mg/L,除小河嘴外其他10 个湖体断面的TP 年均值均高于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中湖、库Ⅲ类标准限值(0.05 mg/L).各水域TP 年均值排序为: 四水<西洞庭湖<南洞庭湖<出湖口<东洞庭湖<三口(图2).

2020 年洞庭湖各水域COD 年均值范围在6.0～10.8 mg/L 之间,全湖COD 年均值7.9 mg/L,16 个湖体断面的COD 年均值均低于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)Ⅲ类标准限值(20 mg/L).各水域COD年均值排序为: 西洞庭湖<南洞庭湖<三口<东洞庭湖<四水<出湖口.

由图3～5 可知,洞庭湖水体TP、TN、COD 浓度整体呈下降趋势,与2014 年相比,2020 年全湖TP、TN、COD 年均值分别下降了0.029 mg/L、0.37 mg/L、0.5 mg/L.与2017 年相比,2020 年全湖TP、TN、COD 年均值分别下降了0.014 mg/L、0.20 mg/L、1.2 mg/L.

图3 洞庭湖入湖口、湖体、出湖口TP 年均浓度变化趋势

图4 洞庭湖入湖口、湖体、出湖口TN 年均浓度变化趋势

图5 洞庭湖入湖口、湖体、出湖口COD 年均浓度变化趋势

2.1.2 水环境质量现状与变化趋势

2020 年入湖口、湖体和出湖口断面水质类别见表2.洞庭湖5 条入湖河流断面水质类别均为Ⅱ类,洞庭湖湖体和出湖口11 个断面中除小河嘴断面为Ⅲ类外,其余10 个断面均为Ⅳ类.其中,5 个入湖口断面Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例为100.0%,总体水质为优.湖体和出湖口11 个断面中Ⅲ类和Ⅳ类水质断面比例分别为9.1%和90.9%,总体水质为轻度污染.

2020 年各断面水质类别与2017 年相同,与2014 年相比较,2020 年水质类别除马坡湖由Ⅱ类变为Ⅲ类和南嘴由Ⅴ类变为Ⅳ类外,其他断面水质类别均未发生改变.入湖河流总体水质为优和湖体总体水质为轻度污染的状况也没有变化.

洞庭湖各水域综合营养状态指数分布与变化趋势见表3.2020 年洞庭湖全湖综合营养状态指数TLI(Σ)为49.6,属中营养;各断面综合营养状态指在43.2～50.1 之间.西、南洞庭湖区域处于中营养水平;东洞庭湖区域的东洞庭湖断面综合营养状态指数为50.1,属中轻度富营养水平,其他10 个断面的综合营养状态指数均低于50,处于中营养水平.

表3 洞庭湖各水域综合营养状态指数分布与变化趋势

与2014、2017 年相比,西洞庭湖、南洞庭湖区域断面综合营养状态指数均小于50,处于中营养水平,状态未发生变化,东洞庭湖区域2014 年各断面综合营养状态指数均小于等于50,处于中营养水平,2017年扁山、东洞庭湖断面综合营养状态指数均大于50,处于轻度富营养水平.

2.2 洞庭湖污染来源与特征

输入洞庭湖污染负荷总量包括湖区工业源、农业源、生活污染源污染物排入量、四水三口上游河流的入湖量、大气降水、船舶航运排放的污染物,见表4.

表4 2014 年洞庭湖输入的主要污染物TN、TP、COD 污染负荷组成特征

由表4 可知,2014 年入洞庭湖TN、TP、COD 负荷总量分别为56.45×104t、26.97×103t、280.01×104t.其中,入湖河流TN、TP、COD 通量分别为49.93×104t、21.23×103t、242.11×104t,分别占入湖总负荷的88.4%、78.7%、86.5%.

如图6 所示,入洞庭湖COD 通量以沅江(32.5%)、湘江(23.7%)、松滋(17.1%)为主,占入湖总通量的73.3%;入洞庭湖TN 通量以湘江(30.7%)、沅江(29.0%)、松滋(14.7%)为主,占入湖总通量的74.4%;入洞庭湖TP通量以沅江(34.4%)、松滋(28.7%)、湘江(18.1%)为主,占入湖总通量的81.2%.

图6 四水、三口入洞庭湖主要污染物通量分布

湖区工业、农业、生活污染源主要污染物入湖负荷TN 5.52×104t、TP 5.7×103t、COD 37.88×104t,分别占入湖总负荷的9.8%、21.1%、13.5%.主要来源于畜禽养殖、城镇生活污水,两种污水中TN、TP、COD分别占入湖总负荷的6.3%、15.5%、10.7%. 洞庭湖大气降水、船舶航运排放的污染物占入湖总负荷的比例甚微,其污染负荷TN 占比仅为1.8%,TP 占比仅为0.2%.

2.3 洞庭湖输入污染源对水环境的影响分析

目前,洞庭湖的TN 和TP 均出现超标,营养状态总体处于中营养水平,局部区域中东洞庭湖区呈轻度富营养状态[3～5].尽管湖南省政府采取了大量措施控制水质污染,在大力推动洞庭湖生态环境综合治理等方面取得了积极成效,洞庭湖TN、TP 浓度有所下降,但是洞庭湖水环境质量尚未得到根本性改善,水生态健康状况仍然令人担忧.从入湖污染负荷构成方面来看,四水、三口水系输入洞庭湖TN 49.93×104t、TP 21.23×103t,分别占入湖负荷总量的88.4%、78.7%,是洞庭湖污染物的主要来源.其中,湘江、沅江、松滋河径流量大,氮磷含量较高,输入洞庭湖TN 37.12×104t、TP 17.24×103t,分别占入湖负荷总量的65.7%、63.9%,是影响洞庭湖水质的主要入湖河流.入湖河流污染物通量(总量)作为湖泊污染负荷重要来源,其入湖量的大小不仅影响湖泊的换水周期和自净能力,而且在一定程度上对湖泊水质状况起着决定性作用[14],体现为若入湖河流氮磷含量较高,则对洞庭湖湖体水质有不利的影响;相反,若入湖河流氮磷含量低,则对洞庭湖湖体水质有改善的作用.根据洞庭湖水系分布,松滋、澧水入西洞庭湖,沅水、资水入南洞庭湖,湘江入东洞庭湖.2014、2017、2020 年松滋入湖口TN、TP 浓度高于西洞庭湖,湘江入湖口TN、TP 浓度高于东洞庭湖,资水入湖口TN 高于南洞庭湖,对洞庭湖水质有不利影响;2014、2017、2020年资水TP 浓度低于南洞庭湖,2017、2020 年沅水TN 浓度低于南洞庭湖,对洞庭湖水质有改善作用.因此,加强对入湖河流流域污染源的治理尤为重要.

三峡工程运行后,洞庭湖出现枯水期水位抬升、汛期洪水位降低、减缓淤积的正向效应,亦出现枯水期提前和延长、秋旱加剧、含沙量减少、透明度增加等现象[4,5,15].同时三口来水来沙量减少也使TN、TP等污染物滞留系数增大,湖水透明度增加,藻类光合作用增强,藻类更易于生长和繁殖,在一定程度上增加了湖泊富营养化和水华风险.

本地流域污染源工业结构性水污染明显,农村乡镇生活污水处理能力不足,对局部水域水质的影响比较明显.虽然本地流域污染源输入洞庭湖氮磷污染负荷分别为5.52×104t、5.70×103t,只占入湖负荷总量的9.8%、21.1%,但其输入洞庭湖后会进一步加剧洞庭湖水质污染,同时增加洞庭湖富营养化风险.

由于洞庭湖水体大气降水、航道航运污染负荷TN 占比仅为1.8%,TP 占比仅为0.2%,故可知其对洞庭湖水环境的影响甚微.因此对洞庭湖污染的控制,在主要加强控制入湖河流输入污染物通量的同时,不能忽视湖区工业、生活污染源及农业面源(尤其是畜禽养殖污染)的影响.

3 结束语

2020 年洞庭湖水体主要污染因子为TN、TP,入湖河流断面水质类别为Ⅱ类,总体水质为优;湖体和出湖口11 个断面除小河嘴断面为Ⅲ类外,其余10 个断面均为Ⅳ类,总体水质为轻度污染.2020 年东洞庭湖区域的东洞庭湖断面属轻度富营养水平,其他断面属中营养水平.与2014、2017 年相比较,入湖河流总体水质为优和湖体总体水质为轻度污染的状况没有变化,西、南洞庭湖区域为中营养水平的状况也未发生变化.

2014 年输入洞庭湖TN、TP、COD 负荷总量分别为56.45×104t、26.97×103t、280.01×104t.以入湖河流污染物通量为主,分别占入湖总负荷的88.4%、78.7%、86.5%.其中,入湖COD、TN、TP通量又以沅江、湘江、松滋为主,分别占入湖总通量的73.3%、74.4%、81.2%.

四水、三口入湖河流污染物通量是洞庭湖污染物输入的主要来源,对洞庭湖水质状况起决定性作用;大气降水、航道航运污染对洞庭湖水环境的影响甚微;本地流域污染源对局部水域的影响比较明显,其氮磷输入进一步加剧了洞庭湖水质污染,同时也增加了洞庭湖水质富营养化风险.