王以尧,高 红,王照丽,冯卓伟,张贝尔,贾滨洋
(1.成都市环境保护科学研究院,成都 610072;2.成都市环境工程评审中心,成都 610072;3.四川九州创展环保科技有限公司,成都 610041)
人工湖泊能够起到雨水调蓄、水资源再利用、调节气候和增加生物多样性等生态功能,同时能够为城市区域经济社会发展起到重要环境美化功能。近年来,成都市城区已建成31处湖泊湿地公园,其中包括1处国家级湿地公园—白鹭湾湿地公园。《成都市环城生态区规划》(2016年)提出了规划建设6湖8区的目标,生态湖泊水系建成后,湖泊、水生作物区、河流及其他水体、水田总量将达到约40km2,水域湿地比例由目前的7%上升到30%,中心城城市水面率从目前的1.9%提升到5.2%。在已建成的人工湖泊湿地中,部分区(市)县进行过相应的综合治理,水质状况也有明显改善,这些湖泊湿地已成为成都市水域生态文明建设的重要组成部分。但是相当大一部分水质状况仍不容乐观,部分常年富营养化或存在水质安全隐患,特别是在补水量较少的冬季、春季出现水质感官较差、底泥黑臭,夏季出现狐尾藻疯长、死鱼、蓝藻爆发等现象。
为了准确评估成都市人工湖泊湿地水质状况,本文选择了成都市包括环城生态带的典型人工湖泊湿地进行调研,初步掌握水质状况。为成都市人工湖泊湿地科学管理、富营养化现象遏制提供初步判断。
调查对象:从成都市城区湖泊大小、分布角度,选取了城区的12个湖泊,其分布见图1,湖泊基本情况见表1。
表1 成都市城区调研主要湖泊基本情况Tab.1 The information of studied lakes in Chengdu urban area
调查时间:为了采样的代表性,选择晴天时间上午9点左右采样。时间为2017年5月14日和7月9日。
(1)水样的采集:采集水面下0.5m深处湖水,当场迅速测定水温、溶解氧和pH指标后,然后将水样装入采样瓶,带回实验室放置于0℃~4℃冰箱中保存,24h内完成所有指标的测定。
(2)总氮、总磷、高锰酸钾指数、叶绿素a、采用《水和废水监测分析方法(第4版)》[1]和《湖泊富营养化调查规范》[2]方法,见表2。
2.3.1 地表水水质评价方法
湖泊水质质量采用《地表水环境质量标准》评价,见表3。
图1 调研湖泊分布情况Fig.1 Distribution map of investigated lakes
监测指标分析方法参照标准总氮(TN)过硫酸钾氧化-紫外分光光度法GB1894-89总磷(TP)钼锑抗分光光度法GB11893-89高锰酸钾指数(CODMn)酸性法GB11892-89叶绿素a(Cha-a)丙酮研磨-比色法
表3 常规指标地表水质标准Tab.3 Water quality standard of normal water indexes (mg/L)
2.3.2 湖泊富营养化综合评价
卡尔森指数(TSI)是富营养化评价常见模型之一,金相灿等[2]使用该模型在对全国24个典型湖泊验证后发现适合我国水体富营养化评价方法。但是该方法只是以某一参数为基准的营养状态指数,为了克服上述方法的不足,参照王明翠等[3]的综合加权指数法(TLI)。评价指标包括TN、TP、Chla、CODMn4项指标。营养状态分级标准如表4所示。
表4 湖泊(水库)营养状态分级及水质类别[3]Tab.4 Eutrophication states of lakes and water quality classification
各种营养状态指数计算公式为:
(1)TLI(Chla)=10(2.5+1.08lnChla)
(2)TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)
(3)TLI(TN)=10(5.45+1.694lnTN)
(4)TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)
式中:叶绿素(Chla)单位为mg/m3,其余指标单位为mg/L。
(1)
式中,TLI(Σ)为综合营养状态指数,TLI(i)为第i种参数的营养状态指数;Wi为第i种参数的营养状态指数的相关权重,其计算公式为:
(2)
式中,r1i为第i个参数与叶绿素(Chla)的相关系数,m为选出的主要参数的数目,r1i值采用表5。
表5 中国湖泊部分参数与Chla的相关关系(金相灿,1995)Tab.5 Correlation relationships between lakes water indexes and Chla
2.3.3 数据统计
各监测指标采用SPSS(16.0) 进行统计和相关性分析。
5月初和7月初分别对成都市城区人工湖泊进行采样,从高锰酸盐指数指标来看,两次采样浓度差距较小(图2),浓度变化范围为2~17mg/L。将各湖泊进行水质分类,达到Ⅲ类水频次为52.17%,Ⅳ类水为30.43%,V类及以上为17.39%。其中水质较好的为麓湖,较差的为梅香湖和青龙湖。陈小峰[4]对我国25个湖泊的调研中发现,高锰酸盐指数达到Ⅲ类水频次为60%,Ⅳ类、V类及以上分别为26%和14%,调研的成都市12个湖泊高锰酸盐指数稍高于全国平均水平。陈建军[5]报道北京6个人工湖泊,高锰酸盐指数达到Ⅲ类水频次仅16.67%,V类以上水质比例达到50%,整体差于成都市湖泊水质。
注:蓝色虚线表示Ⅲ类水质标准,橙色虚线表示Ⅳ类水质标准,红色虚线表示V类水质标准图2 各湖泊高锰酸盐指数分布Fig.2 CODMn distribution of studied lakes
根据图2可知,从TN指标来看,锦城湖和白鹭湾在两次测定中相差较大,其余湖泊两次测定浓度相差较小(图3),浓度变化范围为0.26~10mg/L。其中达到Ⅲ类水质标准比例为21.74%,达到Ⅳ类水质标准比例为21.74%,V类水比例为4.35%,而劣V类湖泊比例为52.17%。说明成都市人工湖泊氮元素超标严重,其中采样过程中发现锦城湖锦水栏杆堰水质较差。水质较差的为梅香湖和白鹭湾,其中梅香湖受外源污染影响,而白鹭湾湖泊进水为污水处理厂排水,整个湖泊主要为净化尾水作用。据文献报道,TN浓度为0.2mg/L时是湖泊、水库营养化的发生浓度[6]。在陈小峰[4]对我国25个湖泊调查中,TN变化范围为0.147~5.226mg/L,仅泸沽湖总氮低于0.2mg/L,TN指标达到Ⅲ类水标准频次为44%,Ⅳ类、V类及以上分别为20%和36%,成都市调研12个湖泊TN指标明显高于全国水平,但低于陈建军[5]报道的北京市6个湖泊TN指标全部为V类及以上水平。曾峥[7]于2007年报道重庆34个水库湖泊,TN指标达到Ⅲ类水标准频次为29.4%,V类及以上水质标准频次也为29.4%,整体优于成都市12个人工湖泊TN水质指标。
注:蓝色虚线表示Ⅲ类水质标准,红色虚线表示V类水质标准。图3 各湖泊TN分布Fig.3 TN distribution of studied lakes
由图2可知,从TP指标看,除梅香湖和兴隆湖外,大多数湖泊在2次测定中浓度差异较小(图4),浓度变化范围为0.028~0.468mg/L。调研湖泊中,达到Ⅲ类水比例为17.39%,达到Ⅳ类水比例为30.43%,V类和劣V类比例分别为21.74%和30.43%。其中,白鹭湾、梅香湖TP浓度较高。据文献报道,TP浓度为0.02mg/L时是湖泊、水库营养化的发生浓度[6](Perkins),本文调查湖泊全部高于这个标准。在陈小峰[4]报道的我国25个湖泊中,达到Ⅲ类水比例为36%,达到Ⅳ类水比例为34%,V类和劣V类比例为30%,整体低于成都市调研结果。陈建军[5]报道的北京市6个湖泊(达到Ⅲ类水比例为50%)、曾峥[7]报道的重庆市34个水库湖泊TP指标(达到Ⅲ类水比例为52.9%)也优于成都市调研结果。
注:蓝色虚线表示Ⅲ类水质标准,红色虚线表示V类水质标准。图4 各湖泊TP分布Fig.4 TP distribution of studied lakes
根据Redfield[8]的假设,临界氮磷摩尔比为16∶1。从理论上讲,如果氮磷比超过这个比值,磷可认为磷是藻类增长的限值因素;反之,当氮磷比小于该比值,氮素将限制藻类增长。本文调查的12个湖泊N/P值范围为6.3~61.7(见图5),小于16比例的比值为26.08%,陈小峰[4]报道的我国25个湖泊大于N/P比例为40%,陈建军[5]报道的北京市6个湖泊为67%。所以,成都市12个人工湖泊整体氮元素浓度较高,属于磷限制。
注:蓝色虚线表示N/P=16图5 各湖泊N/P比分布Fig.5 N/P ratio distribution of studied lakes
许多湖泊研究者认为,水体富营养化最直接表现就是藻类的大量繁殖,而Chla是藻类繁殖重要体现。从表6来看,Chla与营养元素TN、TP、NH4-N显著相关,与CODMn相关性不强,说明调研湖泊藻类繁殖受有机物浓度影响较小;同时Chla与TN的相关性高于TP,说明调研湖泊藻类繁殖受氮元素影响较大。CODMn与各指标都不相关,说明调研各湖泊化学需氧量与氮、磷元素同源性较差,受有机污染程度较小。TN与TP之间极显著相关(0.83),说明调研各湖泊氮磷同源性较好,高于陈小峰[4]报道0.45的相关系数。
表6 各指标相关系数矩阵(n=23)Tab.6 Correlation relationships matrix of different indexes
注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。
从2次调研结果来看,除麓湖以外,成都市人工湖泊水质基本处于富营养化状态(表7)。在春季,轻度富营养化湖泊比例为72.72%,中度富营养化湖泊比例为9.09%,重度富营养化湖泊比例为18.18%,即锦江区的白鹭湾湿地和梅香湖。夏季富营养化程度没有好转,轻度富营养化湖泊比例为70%,中度富营养化湖泊比例为30%。
陈小峰[4]报道,我国25个湖泊中重度、中度富营养化湖泊比例占24%,轻度占24%,其余为非富营养化湖泊,其调研结果整体差于上述结果,但和陈建军[5]报道的北京市6个湖泊相当。曾峥[7]报道重庆35个水库湖泊,中度富营养化占11.43%,轻度富营养化占37.15%,其余为非富营养化水平,其评估结果明显好于本文评价结果。
表7 各湖泊营养状况分级评价结果Tab.7 Evaluation results of eutrophication state of lakes and water quality classification
湖库水质在外源影响因素方面,白鹭湾湿地水质较差主要是污水处理厂尾水排入的影响;梅香湖主要受周边农家乐等外源污染影响,且外源补水较少;锦城湖主要受外源补水水质较差影响;双流中心湖、创客公园湖和艺术公园湖属于河道型湖泊,受白河进水水质影响;新建的兴隆湖受进水水质较差影响;在内源因素方面,调查的绝大部分湖库没有完善的湖库管理措施,缺少从湖库水资源和水环境容量的系统论证,同时进水水量的调度、进水水质的控制、水动力条件恢复、溶解氧平稳调控、水生生物系统建立缺少系统的工程措施,导致这些人工湖泊不同程度富营养化。
湖泊的富营养化治理时间久、难度高、投资大,国内的“三湖(太湖、滇池、巢湖)”治理就是实证[9]。所以,在成都市加快人工湖泊建设的同时,首先需要相关部门认识人工湖泊水环境管控的重要性;同时需要做好水资源和水环境论证,落实好相应的工程措施和管控措施,从外源和内源两条路径减轻湖库富营养程度。尽早遏制人工湖泊富营养化程度尤为重要,确保在成都市水资源日趋紧张的情况下保障水域面积的比例和保持好水环境质量,有效落实“湖长制”政策制度[10]。
4.1 在调研的成都市12个城市人工湖泊中,TN指标超标严重,劣V类比例为52.17%;其次为TP指标,V类和劣V类比例分别为21.74%和30.43%,整体结果稍差于国内水库湖泊相关报道结果。
4.2 除人为调控管理较好的麓湖外,调研的11个湖泊都处于富营养化状态。其中,重度和中度比例为30%,轻度比例为70%,整体差于国内水库湖泊报道结果。
4.3 成都大多数人工湖泊没有完善的配套管理机制和措施,需要系统完善水资源、水环境论证及相应工程、管理措施有效落实。