黄冈市典型城市湖泊水体污染物分布特征及环境质量评价

项文霞， 陈茂林， 刘明昊， 蔡三维， 程晨曦， 陈建含

(湖北省地质局 第三地质大队，湖北 黄冈 438000)

湖泊是重要的生态资源，具有提供水源、调节水文、涵养生态等多种功能，特别是在调节碳循环方面起到重要作用[1-3]。湖泊也是城市生态系统的重要组成部分，随着城市化进程的加快和城市人口的激增，人为活动迫使湖泊污染加重，造成湖泊水质和生态功能下降，引发一系列水环境问题[4-5]。因此，查明城市湖泊的水质污染状况、特征，对保护湖泊生态环境安全具有重要意义。

黄冈市境内水系发达，有216 km长江岸线、166座湖泊、1 237座水库、3 731条河流，其中本次研究的湖泊位于黄冈城东新区，是典型的城市湖泊[6]。城东新区是黄冈市正着力构建的湖滨生态宜居区和国家级临空经济示范协同区的重要组成区域，因此该湖泊的水环境质量受到城建、环保、农业、水利等部门和当地居民的关注[7-8]。本文选取黄冈市某典型城市湖泊为研究对象，通过水体采样和检测，分析水质指标情况，并采用不同的评价方法进行水环境质量评价，以期为湖泊生态环境保护和修复提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于长江之滨，水面面积3.77 km2，湖岸曲折，湖汊众多(图1)，主要有调蓄、灌溉、养殖和旅游等功能。其周边地势平坦低洼，海拔高度低，相对高差10～30 m；地形地貌比较单一，北部为低丘陵岗地，南部为平原湖区。该区属亚热带季风气候，日照充足，雨量充沛，四季分明。年降雨量为1 273.3 mm，雨季多集中在6—7月份，暴雨常与汛期同步，内涝外洪同时发生，入伏多干旱。常年气温-6～36℃，年均气温约17℃。

图1 样点分布图Fig.1 Distribution map of sample points

2 材料与方法

2.1 样品采集

结合该湖泊水面分布及周边环境特征，将采样点布设在入湖口、出湖口、湖心和其他代表性位置，共设置采样点16个，其中湖泊中布点13个，编号为S1—S13；上游人工渠布点3个，编号为S14—S16(图1)。采样点定位采用GPS定位仪确定，采样时间为2021年7月中旬(丰水期)和12月中旬(枯水期)，具体采样方法参照《水质 采样技术指导》(HJ 494—2009)[9]。

2.2 检测方法

选取的水样检测指标共8项，分别为pH、溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、叶绿素a(Chl.a)。检测方法分别为：pH和DO采用多参数水质监测仪现场测定；TP采用钼酸铵分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；CODMn采用酸性高锰酸钾法；BOD5采用稀释与接种法；NH3-N采用纳氏试剂分光光度法；Chl.a采用分光光度法。

2.3 水质评价方法

采用单因子污染指数法、综合污染指数法对该湖泊水质进行评价，评价标准参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[10]。

2.3.1单因子污染指数法

单因子污染指数法是目前应用广泛、操作简便的一种水质评价方法，通过水质检测数据可以直观体现各指标的污染程度，并将计算结果中最差指标的评价级别作为整体的水质评价等级[11-12]。本次以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[10]规定的Ⅲ类水质标准值为评价准则，计算单项指标超标倍数，计算公式为：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi为第i种指标的单因子污染指数；Ci为第i种指标的实测浓度；Si为第i种指标的评价标准值。

2.3.2综合污染指数法

单因子污染指数法的各评价指标之间互不关联，不能全面反映水体污染的综合情况，而采用综合污染指数法则可以解决这一问题[11-12]。运用综合污染指数法评价时，首先对各水质评价指标进行单独评价，然后在此基础上利用加权平均等计算方法，将多种指标进行综合评价，计算公式为：

(2)

式中：Pj为综合污染指数；Pi为第i种指标的单因子污染指数；n为参与评价的指标数量。

该评价方法反映了各污染物对水体污染状况的综合影响，Pj值表征水环境质量的分级标准见表1。

表1 地表水水质分级标准Table 1 Classification standard of surface water quality

3 结果与讨论

3.1 检测结果

湖泊水样丰水期检测结果为：pH 7.6～8.1(弱碱性)，DO 5.26～6.12 mg/L，TP 0.20～0.45 mg/L，TN 0.80～2.22 mg/L，CODMn11～29 mg/L，BOD52.3～6.7 mg/L，NH3-N 0.047～0.412 mg/L，Chl.a 31～185 μg/L；枯水期检测结果为：pH 7.7～8.3(弱碱性)，DO 3.24～4.36 mg/L，TP 0.03～0.13 mg/L，TN 0.67～1.03 mg/L，CODMn7～15 mg/L，BOD52.1～3.5 mg/L，NH3-N 0.103～0.557 mg/L，Chl.a 4～11 μg/L。

上游人工渠水样丰水期检测结果为：pH 7.2～8.0，DO 5.26～6.11 mg/L，TP 0.06～0.20 mg/L，TN 1.07～1.64 mg/L，CODMn18～21 mg/L，BOD54.6～6.0 mg/L，NH3-N 0.040～0.443 mg/L，Chl.a 68～88 μg/L；枯水期检测结果为：pH 7.4～7.7，DO 3.45～3.77 mg/L，TP 0.10～0.26 mg/L，TN 1.43～4.38 mg/L，CODMn18～25 mg/L，BOD54.2～5.8 mg/L，NH3-N 0.644～1.240 mg/L，Chl.a 9～21 μg/L。

3.2 水质时空分布特征

将各样品TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N、Chl.a的检测结果作直方图(图2)，并以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[10]规定的Ⅲ类水质标准值作为基准进行评价。在时间上，该湖泊水质在枯水期和丰水期存在明显差异，总体上枯水期水质明显优于丰水期水质。在枯水期，除S1—S4水样的TP超标外，其余样品的各指标均未超标；而在丰水期，所有样品除NH3-N含量未超标外，其他5项指标均出现不同程度的超标或接近超标，个别指标如Chl.a、TP、TN超标严重。以上说明该湖泊明显遭受了污染，尤其是湖水中Chl.a、TP、TN含量整体较高，表明水体呈富营养化状态[13]，超过了水体自净能力。现场调查发现，该湖泊西部、北部及周边地区存在较多居民地、农田、养殖塘等，居民生活污水和垃圾的随意排放、农业生产中化肥和农药的大量施用、湖泊中大密度网箱养殖等，都导致含磷、氮等元素的污染物排入湖泊，造成湖水中营养物质过量输入[14-15]，而且主要在丰水期输入湖泊。而该湖泊在枯水期受外源影响减小，水质污染可以自净化。

图2 样品检测结果直方图Fig.2 Histogram of sample test results

与湖水相比，上游人工渠水的水质则表现出不同，除Chl.a含量仍然表现为枯水期优于丰水期外，其他5项指标则表现为枯水期劣于丰水期，尤其是TP、TN。究其原因，可能因为上游人工渠在丰水期水量增多，渠水向湖泊径流过程中将TP、TN等典型人为污染物输入湖泊，造成湖泊污染物输入量增加而渠水污染物含量降低；而人工渠在枯水期排入湖泊水量减少，造成湖泊污染物输入量相对减少而渠水污染物含量相对增加。

考虑到该湖泊水质污染主要出现于丰水期，因此绘制了该湖泊丰水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N、Chl.a含量空间分布图(图3)。在空间上，湖泊各指标表现出明显的不均匀性，其西北部水质最差，其次为中部，而南部和东北部水质相对较好。同时，各指标空间分布特征相似，说明污染源可能为同一来源[16]，污染物可能主要来源于湖泊西北方向。通过现场调查和遥感影像图(图1)可知，湖泊西北部和西部的工程建设活动等人为活动强度明显高于南部、东部和东北部，因此推测人为活动带来了近源污染物输入，人为活动强度的不同造成了水质污染程度出现空间差异性[17-18]。

图3 水质指标空间分布图Fig.3 Spatial distribution of water quality index

3.3 水环境质量评价

3.3.1单因子污染指数评价

选择TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N作为评价因子进行水质评价，以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[10]规定的Ⅲ类水质标准值作为评价依据，采用公式(1)计算得出该湖泊各样品5项评价因子的单因子污染指数，结果如表2所示。由表2可知，湖泊丰水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N的单因子污染指数分别为4.00～9.00、0.80～2.22、0.55～1.45、0.58～1.68、0.09～0.41，除NH3-N外均超标，超标率分别为100%、84.6%、38.5%、69.2%；枯水期TP、TN、CODMn、BOD5、NH3-N的单因子污染指数分别为0.60～2.60、0.67～1.03、0.40～0.75、0.53～0.88、0.10～0.56，仅TP存在超标情况，超标率为30.8%。单因子污染指数反映的湖泊水质时间分布情况与前文分析一致，该湖泊在丰水期遭受污染，污染程度由高到低的指标分别为TP、TN、BOD5、CODMn。

表2 单因子污染指数法评价结果Table 2 Evaluation results of single-factor pollution index method

3.3.2综合污染指数评价

在计算得出各评价因子的单因子污染指数基础上，按照公式(2)求得各样品的综合污染指数(表3)。由表3可知，该湖泊丰水期各样品的综合污染指数为1.30～2.84，平均值为2.23；枯水期各样品的综合污染指数为0.57～1.01，平均值为0.67。该湖泊在丰水期主要为严重污染，水质状况极差；在枯水期主要为轻污染，水质状况一般。

表3 综合污染指数法评价结果Table 3 Evaluation results of comprehensive pollution index method

基于以上分析，建议加强该湖泊污染防治和生态治理，主要从控制外源出发[19]，重点开展农业面源污染治理，加强周边生活污水处理，适时清淤并进行生物修复[20]，从而使其富营养化问题得到有效解决。

4 结论

(1) 在黄冈市某典型城市湖泊13个采样点分别采集丰水期(7月)和枯水期(12月)水样，以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定的Ⅲ类水质标准值作为评价依据，表明在时间上，该湖泊水质在枯水期明显优于丰水期，丰水期除NH3-N外，其他5项指标均出现不同程度的超标，超标程度由高到低分别为Chl.a、TP、TN、BOD5、CODMn；在空间上，该湖泊西北部水质最差，其次为中部，而南部和东北部水质相对较好。

(2) 水质综合污染指数评价结果表明，该湖泊在丰水期主要为严重污染，水质状况极差；在枯水期主要为轻污染，水质状况一般。

(3) 湖泊水体污染与人为活动外源过量输入磷、氮等污染物有关，而且人为活动强度的不同造成了水体污染程度出现空间差异性，污染物可能主要来源于湖泊西北方向。