以沙湖为例探究宁夏内陆封闭型湖泊水体污染原因

田林锋，罗桂林，马映雪，姜文娟

1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200082 2.石嘴山市环境监测站，宁夏 石嘴山 753000 3.宁夏理工学院，宁夏 银川 753000

湖泊是自然环境作用力影响下逐渐形成的一类相对独立的水环境自然生态系统[1-2]，是地球水圈的重要组成部分，也是地球陆地表层系统各要素相互作用的连接点，其作为地球上重要的淡水资源库、洪水调蓄库和物种基因库，与人类水产与生活息息相关。《中国湖泊志》和第二次全国湖泊调查，将中国主要湖泊区域划分为五大类[3]，分别为青藏高原区、西北干旱区、云贵高原区、东北平原与山地区和东部平原区。其中西北干旱区主要为封闭式湖泊，这一类湖泊主要面临水体蒸发量大，补水量少，矿化度高，生态系统脆弱，水环境质量不断下降等问题[4-6]。沙湖为西北干旱区典型的封闭式高原湖泊，其前身为宁夏农垦集团有限公司前进农场渔湖，1989年开发建设旅游区。随着多年的旅游开发，沙湖生态系统遭到破坏，水环境质量逐年下降，环境问题日趋加重，虽然国内多位学者对沙湖污染特征进行过相关分析，但鲜有直观揭示沙湖水质变化原因的报道[7-12]。

笔者采用污染源调查和污染物总量核算方法，对沙湖周边区域水环境质量污染状况进行研究，探究沙湖多年来水体污染物总量累计及水质突变性原因，同时通过数学模式核算沙湖周边污染物迁移转化及对沙湖水体水环境质量的影响程度，揭示沙湖水体主要污染原因及污染变迁规律，为沙湖水污染防治提供技术支撑，也为西北地区其他高原封闭式湖泊研究提供参考。

1 实验部分

1.1 研究区域

沙湖(地理坐标为38°39′27.97″N，104°04′58.66″E)位于银川平原北部，紧邻贺兰山东麓，为洪积平原区蝶形洼地，主要由地下溢水、大气降水和农田退水等形成。总面积约为80 km2，蓄水量约为4 796万m3，平均水深约为2.2 m，其中水域面积为42 km2，核心水域约为21.8 km2，沙漠面积为22 km2。该区域属半干旱荒漠地区，为温带大陆性气候。沙湖区域年均降雨量约为173 mm，蒸发量约为982 mm，蒸发量约为降雨量的10倍，年平均温度为 9.5 ℃，昼夜温差一般可达12～15 ℃。

1.2 样品的采集与分析

根据实地调查，沙湖周边区域地表水主要包括老三排沙湖段、艾依河沙湖段、农发办渔湖、农垦集团渔湖、湖东湿地、农垦集团水稻田、隔离沟及东一支渠，故该次水样采集共设置8个监测断面，涵盖沙湖周边3 km范围内所有地表水水域及沙湖主要补水,同时结合沙湖日常监督性监测点位设置情况，共设置3个沉积物采样点(图1)。

图1 沙湖周边水域分布Fig.1 Distribution of waters around the Shahu Lake

水样采集：根据宁夏自然气候环境，每年8—9月为宁夏集中降雨期，同时也是农作物施肥阶段。此时，沙湖补水量大，其周边均存在大范围蓄水，可以全面衡量沙湖最大污染程度和污染因子影响能力，故该次采样时间确定为2017年8月下旬。每次采集的水样均在水面下0.5 m处，每个点位采集3次，样品混合均匀静置0.5 h后用吸管一次或几次移取水样，然后加入相应固定剂带回实验室分析。采集样品严格按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)开展监测，监测结果按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ 类标准限值进行单因子评价。

沉积物采集：采用柱状采样器采集沙湖表层 0～10 cm 的沉积物样品，将其混合均匀后装入聚乙烯袋，带回实验室在开放状态以 4 000 r/min的速度离心 20 min，离心液作为间隙水保存在 4 ℃ 冰箱中待测。离心后鲜样进行含水量测试，同时参照土壤检测方法对沉积物中的CODMn、TP、TN、氟化物进行检测，检测结果仅作为参考(表1)。

表1 水样分析方法及仪器设备Table 1 The analysis methods and equipment for water quality

1.3 污染物核算

为进一步量化沙湖水体主要污染物通量，利用数学模式，按照沙湖蓄水量约4 796万m3核算沙湖现有水体各项污染物总量。

(1)

式中：V为沙湖水体理论蓄水量，万t；S为沙湖核心水域面积，km2；H为沙湖平均水深，m。

(2)

式中：Mi为第i种污染物在沙湖水体中总量，t；Ci为第i种污染物在沙湖水体中监测浓度，mg/L；V为沙湖水体理论蓄水量，万t。

1.4 质量控制

为保证监测数据准确、可靠，水样及底质的采集、保存、实验室分析和数据处理全过程均按照《环境水质监测质量保证手册(第二版)》的要求执行。监测分析方法采用国家有关部门颁布的标准分析方法，监测人员均持有环境监测上岗合格证，所有监测仪器均经过相关部门检定、校准和比对。采取了平行样分析、加标回收分析和质控样对比分析等实验室内质量控制措施。

2 结果与讨论

2.1 沙湖周边水域环境质量现状

沙湖为封闭式独立水体，除东一支渠黄河补水外，其他水域与沙湖均未直接连通，为进一步核算沙湖周边独立水体主要污染物含量，笔者对沙湖周边水域水质进行监测，监测结果见表2。

由表2可见，沙湖周边地表水中老三排沙湖段、艾依河沙湖段、农垦集团渔湖、湖东湿地和东一支渠为劣V类水质，农发办渔湖为V类水质，农垦集团水稻田和隔离沟为Ⅳ类水质。其中CODMn的质量浓度范围为4.5～13.2 mg/L(最大超标1.2倍)，CODCr质量浓度范围为17～67 mg/L(最大超标2.4倍)，TP质量浓度范围为0.04～0.34 mg/L(最大超标5.8倍)，TN质量浓度范围为0.28～2.49 mg/L(最大超标1.5倍)，氟化物质量浓度范围为0.4～1.45 mg/L(最大超标0.5倍)。8个监测点位中，CODMn污染程度为6#>7#>3#>2#>8#> 1#>5#>4#，CODCr污染程度为6#>7#>2#>3#>8#>1#> 5#>4#，TP污染程度为8#>7#>1#>6#>2#>4#>5#>3#，TN污染程度为8#>6#>7#>1#>3#>4#>2#>5#，氟化物污染程度为7#>6#>5#>2#>3#>4#>1#>8#。由此可见，污染超标最严重的为TP，次之为CODCr，其中营养元素TP和TN在黄河补水中监测浓度较高，有机污染物在渔湖中监测浓度较高，氟化物在沙湖周边原有湿地中监测浓度较高。分析原因可能是由于黄河来水悬浮物携带大量的磷和氮，而水产养殖过程中饲料及粪便等很容易造成水体有机物污染，湖东湿地地下水渗透和水体蒸发过程中很容易将氟化物等难降解污染物不断积累。

表2 沙湖周边水质类别统计Table 2 Statistical table of water quality category around the Shahu Lake mg/L

2.2 污染物累计量核算

根据石嘴山市环境监测站多年监测结果，2012年以来沙湖主要污染指标为CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物，其余监测指标均符合地表水Ⅲ类标准限值[13]。按照单因子评价法，沙湖水质在2012、2013年均符合地表水Ⅲ类良好标准，2014年降为地表水Ⅳ类轻度污染，从2015年开始水质急剧恶化，主要污染指标浓度明显升高(图2)。从各年度主要污染物总储蓄量(表3)可以看出，2015年相比2013年主要污染物CODMn增加124.7 t，CODCr增加585 t，TP增加0.6 t，TN增加9.6 t。这些污染物含量的增加，导致沙湖水质变为劣V类，水体主要污染物CODCr浓度同比升高74%，CODMn浓度同比升高48%，氟化物浓度同比升高39%，主要污染物浓度达到多年峰值。2016年后，部分污染物浓度呈现下降趋势，但由于污染物总量较大，水体污染依然较重。分析污染物浓度下降原因可能是2016年中央对宁夏开展环保督查，相关部门对沙湖采取一系列水质改善措施，包括水生植物的种植和黄河补水预处理等，水环境质量有所改善。

图2 2012—2017年8月沙湖主要污染物监测浓度变化Fig.2 The monitoring concentration variation of major pollutants in the Shahu Lake from 2012 to August 2017

表3 2012—2017年沙湖水体污染物总量统计Table 3 Statistics of the total amount of pollutants in the Shahu Lake in 2012—2017 t

2.3 内源性污染物迁移转化

2.3.1 底泥污染物释放

大量的氮、磷和有机物会沉积在水体底泥中，随着水体温度、pH、溶解氧等自然条件的变化，底泥中沉积的氮、磷和有机物等会释放进入水体[14]。底泥中污染物一方面可被微生物直接摄入，进入食物链，参与水生生态系统的循环；另一方面，污染物可在一定的物理化学及环境条件下，从底泥中释放出来重新进入水体，形成内源污染负荷[15]。

经现场调查，沙湖底泥的平均厚度约为0.2 m，经实验室测试,底泥平均含水率约为43%。在特定条件下，沉积物孔隙水中污染物具备60%的释放能力[16]，由此预测孔隙水向沙湖水体转移的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分别占水体总污染物的6.4%、6.6%、16.6%、14.2%、31.4%(表4)。分析原因可能是由于沙湖为浅水湖泊，成湖时间短，其补水主要为黄河来水和少量降雨及周边地下水，所以水体氧含量较高，沉积物厚度不大，加之其矿化度高，TP等主要污染物多被矿化，难以有效释放，导致孔隙水中污染物向沙湖水体输送量不高。分析结果表明，沙湖底泥可能是最主要的内源性污染，其在特定条件下通过释放作用经间隙水向沙湖水体扩散污染物。

表4 沙湖底泥对污染物释放统计Table 4 Statistical table of pollutant release from the Shahu Lake sediment

2.3.2 水体蒸发与地质影响

根据沙湖区域气象条件分析，沙湖年蒸发量约为2 140万m3，占沙湖总库容的45%，水量蒸发会使水中各项污染物累积浓缩[17-18]。沙湖流域地下水主要为松散岩类孔隙水，含水层岩性主要为细砂、粉细砂和少量中砂。沙湖特有的地质环境导致沙湖区域渗透性较强，在不考虑补水及外来污染物进入湖体的情况下，沙湖年蒸发作用可使沙湖各污染物监测浓度在原有基础上升高45%左右，加之地下水和沙湖水体会存在一定的交换和影响作用，具体情况有待进一步分析。

2.3.3 水生植物自身吸收

据调查，沙湖水生植物主要以芦苇和菖蒲为主，目前沙湖芦苇种植面积约为3.47×106m2(原有芦苇面积约为2.67×106m2，2017年新增0.8×106m2)。按照芦苇吸收氮11.1 g/(m2·a)，吸收磷3.72 g/(m2·a)计算[19-20]：沙湖芦苇每年对水体TP和TN的削减量分别为12.9 、38.4 t，这可能是导致沙湖多年来TP和TN有效输入总量降低的主要原因。因此，通过及时打捞腐败的挺水植物，定期对芦苇、菖蒲等植物进行收割和清理，可将氮磷等污染物转移出沙湖生态系统，减少挺水植物腐败落叶进入沙湖水体，避免二次污染。

2.4 外源性污染物迁移转化

2.4.1 黄河补水污染物输入

据调查，2014年之前黄河水未经沉淀直接补入沙湖，由于黄河泥沙含量大，大量悬浮物携带有机物、TP、TN等污染物直接进入沙湖，对沙湖水体影响较大[21-23]。从2012年开始，黄河补水每年向沙湖输入大量污染物，随着近年补水量的增加，污染物输送量也随之增加(表5)。2015年全年补水2 853万m3，导致沙湖水体CODCr增加1 626 t，TP增加1.99 t，TN增加45 t，氟化物增加46 t。这些污染物含量的增加，导致沙湖水体迅速恶化，水体水质由2014年的Ⅳ类降为劣V类。2017年黄河补水携带的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分别占水体污染总量的49%、30%、279%、99%、13%。研究结果表明，黄河补水可能是沙湖水体污染的主要原因，通过对黄河补水进行预处理，可以在短期内最大限度地改善沙湖水质。

表5 近年黄河补水为沙湖输入污染物统计Table 5 Statistics on the input pollutants of the Yellow River in recent years t

通过统计不同年度沙湖水体各污染物总量与沙湖补水量，可以分析黄河补水对沙湖水体的污染程度(图3)。研究结果表明，除TN外，其他污染总量和沙湖补水存在较强的相关性。CODMn、CODCr、TP、氟化物和沙湖黄河补水线性相关系数分别达到0.953 3、0.909 9、0.918 8、0.951 2。

图3 黄河补水与沙湖水体污染物总量变化趋势Fig.3 Linear graph of the trend of the total amount of pollutants in the Yellow River hydration and the Shahu Lake

2.4.2 周边面源污染物间接渗入

为进一步核实沙湖周边水域污染物转移量，对周边水域污染物总量进行核算，并从污染物总量角度分析污染程度和迁移转化通量。沙湖区域主要以砂质土为主，参考国内现有研究成果[24-25]，沙湖区域污染物扩散系数取0.1进行估算。根据监测结果分析，沙湖周边面源污染主要来源于农垦集团水稻田。虽然该区域水质较好，但其面积大，且分布在沙湖周边，其通过渗透作用可向沙湖水体输送的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分别占沙湖当年水体污染物总量的19.86%、15.22%、45.83%、30.77%、17.97%，其他面源污染物输入量所占比例较小。研究结果表明，沙湖周边面源性污染不容忽视，农业生产过程中氮、磷的使用通过一定途径可进入水体环境，对水环境质量造成较大的影响，退耕还湿可在一定程度上缓解沙湖水质污染现状，具体情况有待进一步深入研究,详见表6。

表6 沙湖周边水域污染物转移量统计Table 6 Statistical table of agricultural non-point source pollutants

3 结论

1)从多年监测结果来看，按照地表水水质Ⅲ类标准评价，沙湖水体主要超标项目为CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物。多年监测结果显示水体重金属、氨氮等污染物浓度较低，基本达到地表水Ⅱ类标准限值。沙湖为封闭式水体，排水量较小，水体蒸发过程中大量污染物积累留在沙湖内部，导致污染物浓度升高。同时水体蒸发导致矿化度升高，水体自净能力减弱，各种污染物进入沙湖后短时间内难以自然降解。

2)研究结果表明，沙湖水体污染主要存在内源性释放污染和外源性间接输入污染，其中内源性污染主要是沙湖水体污染物释放，其通过孔隙水向沙湖水体转移的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分别占水体总污染物的6.4%、6.6%、16.6%、14.2%、31.4%；外源性污染主要是黄河补水和沙湖周边面源性污染，其通过渗透作用向沙湖输入CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分别占水体总污染物的72%、48%、331%、133%、32%。

3)黄河补水为沙湖主要补水来源，由于黄河补水泥沙量大，TP、TN、有机物背景值较高，加之沙湖补水缺少有效净化系统，大量污染物随黄河补水进入沙湖。黄河补水污染物CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物输入量占沙湖水体污染物总量的49%、30%、279%、99%、13%，是沙湖最主要的外源性污染来源。

4)沙湖周边存在大面积的农业种植和水产养殖等潜在污染源，这些潜在污染源污染物总量较大，虽然未直接进入沙湖，但其渗透作用会对沙湖水体造成一定的影响，其中沙湖周边面源污染导致CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物污染占污染物总量的23%、18%、52%、34%、19%。