星海湖水体富营养化现状调查及成因分析

马忠平

(石嘴山市水利勘察设计室，石嘴山 753000)

湖泊是我国最重要的淡水资源之一，具有防洪排涝、蓄水供水、水产养殖及气候调节等多种功能，对社会经济的发展起着不可估量的作用。近几十年来，由于湖泊流域社会经济快速发展，污染治理措施滞后，致使我国众多湖泊随着外源营养物质的持续流入，水体藻类发展逐渐占优，水体浊度增加，水生植物减少，水体富营养化程度普遍较高，湖泊处于“水华”频发的高生态风险状态。这种状况危及地区的饮水安全，进而威胁到湖泊生态系统安全，并在一定程度上制约了流域社会经济的可持续发展[1]。对我国重点湖泊生态安全进行调查与评估是开展湖泊保护工作的重要内容之一，在当前状况下已刻不容缓。

星海湖是宁夏回族自治区石嘴山市大武口区内面积最大的湖泊湿地，其水域面积达到23.42 km2。在发挥防洪调洪、蓄水补水功能的同时，星海湖集湿地保护、改善生态、休闲旅游、水产种养等多功能于一体，对当地的经济、生态和社会发展有着重要的影响[2]。随着城市化进程的推进，星海湖的污染状况日趋严重。本研究结合当地实际情况，对星海湖现有水体的污染状况尤其是富营养化现状进行详细调查，并结合周边污染源分析星海湖的污染成因，为后续制定污染防治措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

星海湖毗邻市区，分为北域、东域、中域、南域、西域、新月海等为主体的市区水系。星海湖周边的水体污染源分为点源污染和非点源污染。点源污染主要为星海湖南域、中域、北域灌溉渠(第二农场渠)的黄河水补水口以及北域、中域、南域岛屿的公园等生活、娱乐设施产生的生活污染源；非点源污染包括干湿沉降、山洪水以及渔业养殖污染等[3]。

1.2 采样分析

2011年3月至2016年11月期间逐月对星海湖北域常年监测点位(图1)的透明度(SD)、叶绿素a(Chl.a)、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)进行检测。为全面了解星海湖流域水体环境质量现状，2017年5月23—25日对星海湖流域各区域水体及周边水系进行了补充监测点(图1)的布置和采样检测。监测分析方法按《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)及《水和废水监测分析方法》(第四版增补版)中有关规定执行(表1)。

●星海湖北域常年监测点；H1—H9星海湖流域湖水补充监测点；Z1—Z4星海湖周边水系补充监测点图1 星海湖样品采集点Fig.1 Sample collecting points of Xinghai Lake

检测项目分析方法方法来源检测下限∕mg·L-1透明度塞氏盘法《水和废水监测分析方法》第四版-叶绿素a-《水和废水监测分析方法》第四版-高锰酸盐指数高锰酸钾法GB 11892—890.5总磷钼酸铵分光光度法GB 11893—890.01总氮碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法GB 11894—890.05COD重铬酸盐法CB 11914—895

1.3 综合营养状态指数法评价分级标准

采用综合营养状态指数法[4-5]评价湖泊富营养化状况，评价指标包括透明度(SD)、叶绿素a(Chl.a)、总磷(TP)、总氮(TN)和高锰酸盐指数(CODMn)。湖泊营养状态分级标准见表2。

表2 湖泊富营养状态分级

1.4 成因分析调查方法

调查主要采取实地踏勘的方式提供污染源的基础数据，通过前期数据收集、记录及后续计算分析，保证数据来源的可靠性与真实性。部分数据由石嘴山市环保局提供。

2 结果与分析

2.1 星海湖富营养化程度

以2011—2016年的总氮、总磷指标为例，在取样期间总氮、总磷浓度整体呈上升趋势(图2)。总氮质量浓度均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水标准(≤1 mgL)，其中2016年8月总氮质量浓度最高，达到4.315mgL；总磷质量浓度在2015年、2016年均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水标准(≤0.05 mgL)，2016年8月质量浓度最高，达到0.4 mgL。浮游植物叶绿素a的含量是表征水体藻类含量的生物指标，也是衡量水体初级生产力的重要指标，2011—2016年叶绿素a含量变化较大，在1—83mgm3，2016年9月含量最高，达82.22 mgm3；2011年3月含量最低，为1.82 mgm3。

图2 2011—2016年星海湖流域水体常年监测点总氮(a)、总磷(b)浓度和叶绿素a含量(c)Fig.2 The concentration of total nitrogen(a)，total phosphorus(b)and chlorophyll a content(c)at the routine monitoring points in Xinghai Lake from 2011 to 2016

湖泊生态系统是一个复杂的整体，仅利用单一因素作为指标划分湖泊营养类型具有片面性。为全面考察星海湖流域的营养状态，采用综合营养状态指数法(TLI)对2011—2016年常年监测点和2017年5月23—25日补充监测点的数据进行分析。

由表3可知，2011—2014年星海湖流域水体综合营养指数在54.71—56.86，属于轻度富营养。2015年和2016年星海湖流域水体综合营养指数分别是62.01和65.35，属于中度富营养。2011—2016年，星海湖流域富营养化程度先减轻后加重，2014年富营养化程度最轻，综合营养指数为54.71，仍为轻度富营养。

表3 星海湖流域常规监测点2011—2016年综合营养指数评价结果

星海湖补充监测点位水质富营养化程度评价表明：南域为轻度富营养化,东域为重度富营养化，其余各域均为中度富营养化，周边水体均为中度富营养化(Z4为黄河水)，水体富营养化程度严重(表4)。

表4 星海湖流域补充监测点位综合营养指数评价结果

2.2 污染成因

通过实地调查和资料收集分析发现，星海湖的主要污染源为渔业养殖、生活污水、黄河补水、山洪水、干湿沉降等,其中渔业养殖和水源输入造成污染的贡献最大。根据实地勘测结果，并参照全国污染源普查中水产养殖污染源和城镇生活源排污系数计算， 2016年星海湖渔业养殖排入的COD、TP、TN分别为 198.62 t、5.68 t、29.74 t，由生活污水排入的COD、TP、TN分别为31.54 t、1.79 t、22.38 t[6]；黄河水是星海湖的主要补给水源，据观测数据计算，2016年通过黄河补水输入星海湖的COD、TP、TN分别为 308.73 t、23.15 t、3.27 t[6]；山洪水也是重要的COD污染源，根据相关洪水研究资料(由石嘴山市环保局提供)，计算出2016年北域、南域、中域COD的入湖量分别为57 t、28.75 t和1.5 t，总计87.25 t；星海湖每年通过干湿沉降方式输入的污染负荷为TN 40.03 t、TP 0.13 t。由渔业养殖、生活污水、黄河补水、山洪水、干湿沉降以及湖水自身所形成的主要污染负荷见图3。

图3 2016年星海湖 COD(a)、TN(b)、TP(c)负荷组成分析Fig.3 Load composition analysis of COD(a)，TN(b)and TP(c)in Xinghai Lake in 2016

从污染负荷比例分析，COD、TN、TP均是湖水自身累计的污染物，占主导地位，占比分别为67%、27%和36%。在外源污染中，COD、TN、TP的主要污染源分别是黄河补水、干湿沉降和渔业养殖，占比分别为16%、25%和33%。2016年输入星海湖的COD、TN和TP分别为 626.14 t、 115.30 t和10.88 t。由于历史原因，星海湖各流域湖底存在高差，各流域之间水位不同，彼此隔断，分别从大渠开口独立补水，湖水只进不出，又不能连通循环和外排，水体只有蒸发和渗漏，外源性营养物质逐渐浓缩富集，使富营养化程度逐渐加重。

3 讨论与结论

湖泊富营养化现象的发生，主要是湖内氮、磷等营养物质的大量增加所致。氮和磷常被单独或共同认为是陆地生态系统初级生产力的主要营养现状因子[7]。已有专家学者根据我国湖泊的实际情况及相关富营养化的调查资料提出了我国湖泊营养状态的分类标准，在该标准中，总磷质量浓度为0.02—0.05 mgL，总氮质量浓度为0.4—1.2 mgL时，湖泊处于中营养状态;总磷总氮浓度高于该范围时，可认为湖泊处于富营养状态[8]。同时,国内已有学者将10 mgm3叶绿素a作为划分水体富营养化的标准阈值[9]。根据上述的分类标准及标准阈值规定，2015—2016年期间的星海湖处于绝对的富营养状态，流域水质呈逐渐恶化趋势。常规监测点水质由2011—2014年的轻度富营养转变为2015—2016年的中度富营养，通过对星海湖不同水域和周边水系的补充监测发现，星海湖不同水域中轻度、中度和重度富营养化现象并存。在星海湖流域的部分水域已有可见蓝藻，在下风向有大片水华出现，而蓝藻水华暴发是湖泊水体富营养化的一个重要表征[10]。星海湖的主要污染源为渔业养殖、生活污水、黄河补水、山洪水、干湿沉降等，其中渔业养殖和水源输入造成污染的贡献最大。在外源污染中，COD、TN、TP的主要污染源分别是黄河补水、干湿沉降和渔业养殖，分别占比为16%、25%和33%。因此，针对星海湖的污染现状和污染来源，要加强外源性污染控制，一方面严格控制养殖业废水以及生活污水等污染源入湖，消减氮磷的流入；另一方面应减少农田化肥农药的施用量，尤其控制农田灌溉后退水流入水体，从源头上控制星海湖输入性水源的氮磷含量，从而有效减缓星海湖湖泊水体的富营养化进程。