武汉市后官湖与三角湖污染现状及两湖连通后水环境风险浅析

周宇昊，胡碧云，刘倩文，杨登尧，刘君侠，刘琼玉

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

武汉市后官湖与三角湖污染现状及两湖连通后水环境风险浅析

周宇昊，胡碧云，刘倩文，杨登尧，刘君侠，刘琼玉

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

摘要：探讨了后官湖地区代表性湖泊的污染现状及湖泊连通后水环境的风险分析。结合武汉市环保局公布的环境质量状况，并进行实地采样监测，探讨了三角湖与后官湖等两个代表性湖泊化学需氧量、溶解氧、总磷、总氮、高锰酸盐指数等主要水质指标的污染状况，根据污染现状计算了后官湖的环境容量，并采取内梅罗评价指数法评价了水质污染等级。结果表明：后官湖水质状况总体良好，而三角湖水质则长期处于劣Ⅴ类，远未达到《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》规定的Ⅲ类水质标准。而环境容量计算结果和水污染指数评价结果表明，两湖连通后综合污染程度较严重，可能对水环境质量良好的后官湖水质造成威胁；但如果有第三方活水引入，增加两湖水的流动性，增强水体自净功能，且同时进行截污清淤，将对两湖水质环境有较大的改善。

关键词：后官湖；湖泊污染现状调查；水环境风险分析

收稿日期：2015-09-16

作者简介：周宇昊(1994—)，男，湖北武汉人，江汉大学化学与环境工程学院大学生。

通讯作者：刘琼玉(1971—)，女，教授，博士，主要从事环境污染控制化学研究。

中图分类号：X502

文献标识码：A

文章编号：：1674-9944(2015)10-0233-05

1引言

武汉一直以来拥有丰富的水资源，两江交汇、湖泊星罗棋布，享有“江城”和“百湖之市”的美誉。因水而兴的武汉拥有丰富水资源的同时，面临着水域面积日益减少、水环境污染、水系连通性弱化等众多威胁，使武汉市处于“优于水而忧于水”的尴尬境地。中法合建可持续生态新城项目已选址蔡甸后官湖地区，这一“法式”生态城有望成为中法两国乃至世界的可持续发展的示范城，习近平主席在近期访法的外交中多次提及《中法共建生态城》的项目。同时，武汉市政府在2013年提出了《武汉2049远景发展战略》，根据武汉市2049规划构想，武汉市将依托现有河流及规划水系连通河道，构建“四横七纵”的河道一级结构，而后官湖水体连通正在此构想之中。但根据武汉市目前的湖泊水质条件来看，构建后官湖水体连通体系对于“中法共建生态城”有可能构成潜在威胁。

中法合建可持续生态新城项目已选址蔡甸后官湖地区，这一“法式”生态城有望成为中法两国乃至世界的可持续发展示范城[1]。后官湖区域地处武汉西南，规划面积约300 km2，其中后官湖是武汉市三环线和外环线之间水体面积最大、水质最优的湖泊。为修建高标准的110 km的后官湖环湖绿道，蔡甸区投资13亿元，2014年底已全面完成连通。原有的白莲湖、知音湖、高湖、后官湖的37 km2湖域水面连成一体，今日后官湖，比当初长大了近3倍[2]。

《武汉2049远景发展战略》中提出的河湖连通规划将会对后官湖的水质带来怎样的影响，是非常值得研究探讨的问题。目前还未见后官湖河湖连通后的水质风险评价的相关研究报导。本研究拟通过对后官湖地区代表性湖泊(后官湖、三角湖)开展污染源调查和污染物现状分析，获得后官湖地区代表性湖泊的污染特征数据，结合武汉市出台的后官湖生态绿楔规划及后官湖中法生态城建设规划，评价后官湖地区代表性湖泊染负荷与环境风险，提出防治对策，为后官湖生态绿楔和中法生态城建设提供基础数据。

2实验方法

2.1　主要试剂

抗坏血酸(优级纯，东莞市乔科化学有限公司)、钼酸盐(特级纯，江苏琨蒂金属有限公司)、无水二价硫酸锰(优级纯，北京盛达化工有限公司)、碘酸钾(优级纯，武汉市伟琪博星生物科技有限公司)、硫代硫酸钠(优级纯，北京精求化工有限责任公司)、草酸钠(优级纯，东莞市乔科化学有限公司)、丙酮(99%，深圳市三品科技有限公司)、高锰酸钾(分析纯，北京世纪奥科生物技术有限公司)、磷酸二氢钾(优级纯，上海榕柏生物技术有限公司)、焦磷酸钠(分析纯，上海埃彼化学试剂有限公司)、十二烷基硫酸钠(分析纯，东莞乔科化学有限公司)、酒石酸锑钾(分析纯，北京金汇太亚化学试剂有限公司)、硫酸(优级纯，湖南奥驰生物科技有限公司)、氢氧化钠(优级纯，广州市莱润实验仪器有限公司)。

2.2　主要仪器

分光光度计(ZH388，北京中慧天诚科技有限公司)、紫外分光光度计(UV-2102PC，上海洪富仪器仪表有限公司)、高速离心机(SH01D，上海知信实验仪器技术有限公司)。

2.3　水质分析方法

化学需氧量(BOD)测定采用重铬酸盐法[3]；溶解氧(DO)测定采用碘量法[4]；总氮(TN)测定采用紫外分光光度法[5]；总磷(TP)测定采用钼酸铵分光光度法[6]；高锰酸盐指数采用高锰酸盐氧化还原滴定法[7]。

3后官湖和三角湖水污染状况分析

后官湖位于武汉市蔡甸区境内，与武汉经济技术开发区接壤，北面经琴断口与汉江相连，东南贯穿三角湖、通南太子湖、北太子湖与长江相通，湖泊水系水面面积37.3 km2，蓄水量4 252万m3，规划的水质功能类别Ⅲ类。三角湖位于武汉经济技术开发区内，连通南太子湖、北太子湖与长江相通，湖泊水面面积2.391 km2，蓄水量达621万m3，规划的水质功能类别为Ⅲ类。

根据武汉市环保局官方公布数据，对近4年三角湖状况与后官湖现状进行了分析，结果列于表1。

表1　后官湖和三角湖近4年的水环境质量状况

注：数据来源于武汉市环保局官网[8]

表2　后官湖和三角湖近几年主要水体指标污染现状　单位：mg/L

注：1.数据来源于武汉市环保局和武汉市环保局官网[8]，污染物浓度由超标倍数计算；2.“-”表示数据未获得

由表1可见，近4年三角湖的水质一直处于劣Ⅴ类，呈中度富营养化，远未达到Ⅲ类水体的水环境质量要求。后官湖的水质在2011～2013年一直稳定在Ⅲ类，水质状况良好，达到《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中规定的Ⅲ类水体标准限值的要求，2014年后官湖的水质状况由Ⅲ类降低至Ⅳ类。

由表2可见，三角湖的主要水质指标污染严重，总磷、BOD、COD等指标近4年均未达标，尤其是总磷，超标倍数高达3.52～4.76倍，表明其可能受到生活污水的污染。后官湖近期主要水质指标基本符合Ⅲ类水体标准限值的要求，只有化学需氧量超标0.05倍。后官湖目前水体规划是Ⅲ类水质，主要用水是渔业生产。通过对后官湖对周边环境的实地调查，后官湖渔业生产主要是鱼类自然生长，并未在水体中投加鱼饲料；后官湖周边分布大量居民小区，存在部分居民区的排污口，对湖泊水质具有潜在影响。

4后官湖水质现状监测

为了进一步掌握后官湖的水质状况，本研究于2015年8月实地采集了后官湖5个代表性点位的水样，对TN、TP、COD、DO、高锰酸盐指数等主要水环境指标进行了分析。采样布点如图1所示，分析结果列于表3。

由表3可知，本研究的5个采样点的TN、TP、COD、DO和高锰酸盐指数的监测浓度均达到《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中规定的Ⅲ类水体标准限值的要求，表明研究期间后官湖水质状况良好。

表3　后官湖主要监测指标监测结果　单位：mg/L

5重点指标环境容量的估算

由表3的监测数据表明，后官湖水质目前达到了Ⅲ类水体标准，以监测得到后官湖TN、TP、COD和高锰酸盐指数浓度的平均值为计算依据，在不考虑湖泊自净作用的条件下，对后官湖主要污染物的环境容纳量进行计算，并估算在后官湖不超过标准的条件下可容纳的三角湖湖水量，从而对湖泊连通的可行性进行评价。

5.1　环境容量计算方法

水环境容量计算公式如下：

(1)

式中：C为环境容纳量(kg)；ch为水体水质指标浓度的标准值(mg/L)，见表4；ci为水体某水质指标的实际浓度(mg/L)；V为水体体积(m3)。

湖泊水环境质量标准基本项目标准限值如表4 所示。

表4　湖泊水环境质量标准基本项目标准限值[9]　单位：mg/L

5.2　后官湖主要水质指标的环境容量估算

根据式(1)和表3中监测得到的主要水质指标现状，计算得到后官湖主要水质指标的环境容量，结果如表5所示。

表5　主要水质指标的环境容量计算值　单位：kg

由表5可知，在不考虑水体自净作用的条件下，后官湖TN、TP、COD和高锰酸盐指数等主要水质指标的环境容量为正值，在383～85 040 kg范围，可见后官湖主要污染物具有一定的环境容量。

5.3　后官湖可接纳三角湖最大的水量估算

三角湖水质超过Ⅲ类水体环境质量标准，后官湖具有一定的环境容量，为了了解两湖联通对后官湖水质的潜在影响，以2014年三角湖水质状况为基准(表2)，根据公式(2)，以Ⅲ类水体的TP、COD和高锰酸盐指数的标准限值及后官湖和三角湖的污染现状估算得到后官湖可接纳三角湖的水量列于表6。.

可接纳的三角湖水量计算，以总磷为例：

式中：Q后：后官湖水体总量(万m3)；Q三：可接纳三角湖的水量(万m3)；C后，TP：后官湖总磷的浓度(mg/L)；C三，TP：三角湖总磷的浓度(mg/L)；C标，TP：地表水Ⅲ类水体总磷的标准限值(mg/L)。

表6　后官湖可接纳三角湖水量估算　单位：m3

由表6可知，以TP、COD和高锰酸盐指数的环境容量及污染现状估算得到后官湖可接纳三角湖的水量分别为217.43×104m3、759.29×104m3和3 412.10×104m3。以计算得到的可接纳三角湖水量的最小值作为后官湖的可接纳三角湖的最大水量，即217.43×104m3，占三角湖总蓄水量的35.01%。可见两湖连通对三角湖水质有一定作用，由于后官湖整体水质状况良好及其本身存在一定的自净能力，因此该方案具有一定可行性，但是联通后对后官湖水质的影响是不可忽视的，因此必须要采取一些必要的措施，如定期底泥疏浚等，否则会导致后官湖的水质下降。

6综合污染指数评价及联通后水环境风险评估

6.1　综合污染指数评价模型

湖泊的污染程度主要取决于污染物的种类以及浓度等，而这些不同的污染物具有各自不同的量纲，因此一般不便于进行比较和评价，综合污染指数评价法就是一种可以将各不同量纲转换为同一种量纲的评价方法[10]。综合指数法包括叠加型指数、均值型指数、加权均值型参数和均方根型指数。其中内梅罗(N.L.Nemerrow)河水污染指数法是均方根型指数中较为经典的方法，它最大的特点就是结合水质的用途，将其分类来进行计算，在其计算公式中不仅考虑到了各种参数的平均污染状况而且考虑到了个别水质指标污染程度大的影响[11]，所以在此我们选定评价方法为内梅罗污染指数评价法。将使用的地表水分为以下三类。

(1) 人类直接接触用水(j=1)。包括饮用水有用用水和食品制造用水等；

(2) 间接接触用水(j=2)。包括养鱼、农业用水等；

(3) 非接触用水(j=3)。包括工业冷却水、航运等。

每类用水都可求出分类的水质指数Ij[12]：

(3)

式中：Ci为水质项目i的实测值；Sij为水质项目i在不同水的用途j时的标准值；max(Ci/Sij)为水的各种指标Ci/Sij中的最大值；∑(Ci/Sij)/n为水的各种指标Ci/Sij中的平均值。

由Ij可求出总水质指数I：

I=W1I1+W2I2+W3I3

(4)

式中：W1、W2、W3为水体不同用途所占的权重，W1+W2+W3=1.0。

该指数在地表水评价中的应用也是将水质分为三种用途用分类水质指数计算，求出总水质指数。

根据计算结果和地表水污染的实际情况，将地表水的污染分为三级，并以此进行污染程度分区。

(1)I>1，说明综合污染程度较重；

(2)I=0.5～1，说明该水域遭到污染，需要治理；

(3)I<0.5，说明该水域基本没有遭到污染[12]。

6.2　三角湖、后官湖污染等级评价

假设后官湖和三角湖完全连通，且忽略水体自净作用，估算出连通后主要水质指标的浓度如表7所示，并根据式(3)计算得到的水质污染指数评价结果如表8所示。

表7　连通后主要水质指标浓度估算值

表8　各类别水质污染指数评价

由表7得到后官湖与三角湖假设完全连通后的主要水质指标浓度估算值，并与(GB 3838-2002)规定的Ⅲ类水体标准限值作比较，很明显部分指标超过国家规定标准，说明风险评价的必要性。

将水质指标浓度估算值与相应类别水体各指标的标准限值相比代入公式(3)，得到各类用水的水质指数，列于表8。根据目前后官湖水体的使用功能，分别将W1、W2、W3的取值为0、0.7、0.3，因此计算的水质指数：I=1.027。可见，I>1，说明综合污染程度较重。由综合污染指数评价结果(表8)可知后官湖和三角湖连通后，后官湖各项水质指标升高，对水体环境质量造成潜在威胁，连通后后官湖的综合污染程度较重。

6.3　湖泊联通对后官湖水质的影响和风险分析

6.3.1水环境风险分析

后官湖作为Ⅲ类水体保护目标，水质长期达标；三角湖作为Ⅲ类水体保护目标，水质长期超标；利用现状分析数据及相关评价模型评价预测两湖联通后三角湖可能对后官湖水质造成的潜在影响与风险。

本文将两湖连通后对后官湖的影响进行了两个方面的分析与评价。一方面，计算出在不影响后官湖水体环境质量的前提下，三角湖能引进后官湖的最大水量为三角湖的35.01%，说明后官湖可以容纳一部分三角湖的湖水，但对其本身的负担比较大，且不采取相应措施，对后官湖存在较严重威胁。

但由于实际情况下，两湖水的连通是不能做到局部混合的。因此从另一方面分析，在假设两湖连通的条件下，采用内梅罗综合污染指数评价模型进行评价，计算出的内梅罗指数达到了1.027，表明两湖连通后综合污染严重。

后官湖与三角湖的连通，对于整个后官湖而言，湖泊的连通改变了后官湖和三角湖的自然状态，打破原本的水体生态系统平衡，生态系统结构功能发生了改变。由于后官湖作为Ⅲ类水体保护目标，水质长期达标，然而近几年水质状况却呈现局部下降的趋势，而三角湖作为Ⅲ类水体保护目标，水质长期超标，且受到人类活动影响频率较高，因为其生态系统相对较小，所以连通完成后其组成成分、结构功能会发生较大变化，连通后将冲淡三角湖内水藻，稀释总磷、总氮浓度，因为高密度浮游植物群落而产生的毒性作用随之减少，同时流动的雨水会加速水体循环，对三角湖系统健康有着积极作用，促进后官湖与三角湖间的水质交换[13]。因此，两湖连通首先破坏的是两湖自身的存在的一定平衡，且在后官湖近年水质状况有局部下降趋势的背景下，两湖连通势必会导致后官湖水质下降。

6.3.2降低联通后水环境风险的建议

湖泊连通的目的在于改善整体湖泊水质，而通过风险评价分析得到湖泊连通将对后官湖水质产生影响。在生态系统范围上，借助水体流动性和外界作用力，来实现湖泊与湖泊间的水交换促进湖水流动，从而改善湖水水质，提高水体活力和自净能力，为恢复湖泊生态系统健康创造条件，同时湖泊连通对湖泊水环境中污染物等的分布产生影响[13]。因此可在湖泊连通的同时，对三角湖进行额外的大量引水，增加两湖水的流动性，在降低了污染物浓度的同时提高了水体自净能力，并采取截污清淤、生态修复、对湖泊生态系统进行长期监测与研究，加强治污效果，可尽可能将湖泊连通对后官湖的影响降到最小。

7结论

(1)水环境现状分析结果表明，三角湖水体污染严重，水体长期处于劣Ⅴ类；后官湖水体环境质量总体较好，基本达到GB3838-2002中规定的Ⅲ类水体标准限值。

(2)水环境容量计算结果表明，后官湖与三角湖连通后，在不影响后官湖水体环境质量的前提下，三角湖能引进后官湖的最大水量为三角湖的35.01%，表明联通后对后官湖不造成影响的条件下，由于后官湖整体水质状况良好及其本身存在一定的自净能力，因此该方案具有一定可行性，但是联通后对后官湖水质的影响是不可忽视的，因此必须要采取一些必要的措施，如定期底泥疏浚等，否则会导致后官湖的水质下降，同时对三角湖水质的改善作用也将不大。

(3)根据各污染分子的综合指数评价结果，在假设两湖连通的条件下，内梅罗指数达到了1.027，表明两湖连通后综合污染严重，两湖连通将对后官湖造成一定威胁。

(4)理论估算得到两湖连通后对后官湖水体危害较大，但如果有第三方活水引入，增加两湖水的流动性，提高水体自净能力，且同时进行截污清淤，将对两湖水质环境有较大的改善。

参考文献：

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[7]国家环境保护局.水质 高锰酸盐指数的测定GB 11892-89[S].北京：国家环境保护局，1989.

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