沙湖水环境污染因子时空分布规律及水质评价

徐志鹏，陈 捷，朱 翔，朱 文，李云中，汪龙眠，苏欢欢

(1.昆山市水利设计院有限公司，江苏 苏州 215300；2.南京大学盐城环保技术与工程研究院，江苏 盐城 224000；3.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

0 引言

目前全球湖泊面积高达270万km2，约占全球面积的1.8%，是地球上重要的水资源库，占有全球90%以上的地表淡水资源。据估计，湖泊蓄水量远超于河流蓄水量，约是河流蓄水量的90倍[1]。湖泊不仅是人类获取资源的重要宝库，同时也在调节气候、维持生态稳定、降解污染物质、保护生物多样性、发挥人文多样性等方面发挥重要作用[2]。

目前湖泊富营养化已成为严重的全球性环境问题。据2018年水利部发布的水资源公报，对全国124个湖泊水面进行水质评价，水质超过Ⅲ类的湖泊数量占评价湖泊总数的75%，其中富营养化湖泊占总数的73.5%[3]。结合国内外众多研究人员的研究结果，湖泊水体营养物质的来源可分为外源输入和内源释放。外源输入主要是未经处理的生活污水、工业废水以及农田排水等含有大量有机物的水体；内源则来自淤泥及腐烂的水生动植物[4]。

沙湖位于宁夏回族自治区石嘴山市，地处西北半干旱地区，生态环境脆弱，随着当地旅游业和农业快速发展，水体逐渐富营养化；同时沙湖水质易受外部因素影响，如黄河补水和气候条件[5]。因此基于2020年沙湖水质数据，分析沙湖污染因子时空分布规律，并以此为基础运用两种水质评价方法综合评价沙湖水质，从而为沙湖后续治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样点布设及采集方法

于2 0 2 0 年3 月、 5 月、 8 月及1 1 月在沙湖采样。 采样点位分别是湖心东（106°22′4.95′′E，38°48′20.53′′N）、沙滩南（106°20′24.68′′E，38°47′51.88′′N）、鸟岛（106°22′28.98′′E，38°47′36.69′′N）、湖心（106°21′34.97E，38°48′36.19′′N）、假日酒店码头（106°22′33.53′′E，38°49′8.33′′N）、沙滩北（106°21′18.14′′E，38°48′19.09′′N）、国控点（106°20′54.64′′E，38°48′45.85′′N）、沙滩西南（106°20′38.28′′E，38°48′12.23′′N）和自动站（106°20′52.49′′E，38°49′13.38′′N）。

采样时间选择水面稳定时进行。采集水样前，先将采样瓶用待测水样润洗1~2次，然后将采样瓶深入湖面25 cm深的位置采样。采样结束后，水样送往监测站检测水质指标。

1.2 水样测定指标及方法

水样检测指标为总氮（TN）、总磷（TP）、叶绿素（Chl.a）、氨氮（NH3-N）、高锰酸盐指数（CODMn）、硝酸盐（NO3-N）、溶解氧（DO）以及氟化物（F-）。水质指标的测定依照《GB 3838—2002地表水环境质量标准》进行测定[6]，具体测定方法见表1。

表1 水环境污染因子测定方法

1.3 水质评价计算方法

1.3.1 水质指标法（WQI）

水质指数法（WQI）应用的环境参数分为第一组（有毒物质）和第二组（其他）。第一组（有毒物质）参数包括Cr6+、Pb和Zn，第二组参数包括F-、TN、TP、NH3-N和CODMn。每个参数的WQI值计算公式如下：

式中：Ci—第i个参数的浓度；Ci,k、Ci,k+1—k类和k+1类的第i个参数的正常浓度；n—GB 3838—2002中第i个参数的相同标准值的数量；Ii,k—k类的对应值；未检出值原则上按照检出限的1/2计量, 其指数也可简单记为Ii=0。I、II、Ⅲ、IV、V类的值分别为20、40、60、80、100。

根据Ii，每组的WQI计算是不同的。第一组的WQI计算为W（1）=Max（Ii）。对于其他参数，WQI值为Ii的平均值。最后，所有组的WQI被计算为WQI = Max（W（1, 2））。根据WQI值，将水质分为五个等级，具体见表2。

表2 湖泊水质指标分级标准

1.3.2 内梅罗指数法

本文选择总氮、总磷、氨氮、CODMn和F-作为评价因子参与评价。内梅罗指数法计算公式如下：

式中：I—内梅罗综合污染指数；Pmax—水质监测点主要污染负荷评价指数值；P—n项污染指数因子评价的均值；Pi—第i项污染指数因子评价值。

Pi评分标准见表3。

表3 Pi评分标准

内梅罗污染综合指数方法划分标准见表4。

表4 内梅罗指数法各等级划分标准

1.4 数据统计与分析

运用Excel2010处理沙湖水质数据，并用Arcgis10.7绘制水环境污染因子浓度时空分布图。

2 结果与讨论

2.1 水环境污染因子时空分布与讨论

2.1.1 总氮

如图1 所示，沙湖2 0 2 0 年总氮平均值为0.81 mg/L，变化范围在0.58~1.51 mg/L，全年大部分时间达到地表水Ⅲ类标准，但11月及以后总氮浓度急速上升，其中自动站和沙滩西南两点分别达到1.51 mg/L和1.38 mg/L，远超Ⅲ类标准。3月、5月及8月与11月相比，沙湖各点总氮浓度差异不大，11月除自动站和沙滩西南两点外浓度偏大外，其余各点相差不大。11月各点总氮浓度普遍大于其余三个月各点的浓度。

图1 沙湖总氮时空分布图

原因可归结为沙湖1 1 月份补充大量的黄河水，而1 1 月黄河补水总氮浓度变化范围在2.31~5.17 mg/L，平均浓度达到3.55 mg/L；冬季沙湖植物衰亡，形成二次污染，即便每年11月左右当地政府会收割芦苇，但芦苇地下部分仍会释放氮元素，这与唐玥[7]、王锦旗[8]的研究结论一致。同时冬季气温较低，微生物活动减少，反硝化、异化还原成铵等速率降低[9]，且宁夏地区干旱少雨，沙湖全年蒸发量约是降雨量的10倍，导致水中污染物汇集浓缩[10]，所以11月份沙湖中氮元素偏高。相反3月和5月份补水量较少、微生物活动较强及植物处于生长阶段需要吸收一定量的氮元素[11,12]，因此总氮浓度偏低。

2.1.2 总磷

由图2可得，2020年沙湖总磷年平均浓度为0.34 mg/L，浓度变化范围在0.02~0.06 mg/L，总磷浓度整体上达到地表水Ⅲ类标准，但冬季部分区域（自动站、湖心东）总磷浓度达到地表水Ⅳ类标准。

图2 沙湖总磷时空分布图

冬季部分区域总磷浓度超标。一是沙湖是封闭性湖泊，且当地干旱少雨，水体蒸发使得大量污染物遗留在沙湖内部，二是水体蒸发致矿化度升高，降低水体自净能力，导致水体中污染物降解难度升高[13]；三是沙湖每年引入大量黄河水以维持总体水量，而2020年黄河补水的总磷浓度为0.036 mg/L，高于沙湖当年总磷平均浓度，可见黄河补水的流入增加了沙湖的总磷浓度，从而使总磷浓度维持在较高水平[14]。各月份总磷浓度差距不大，但沙湖各点总磷浓度差异性较大，鸟岛、湖心东等点位全年总磷浓度都比较高，主要是因为鸟岛及周边生存着大量的鸟类，其排泄物易造成TP浓度增加以及植物衰亡引起的二次污染且鸟岛植物导致水流滞缓，沉积物磷释放增强。

2.1.3 叶绿素a

叶绿素a是浮游植物的主要组成部分之一。叶绿素a含量主要受水体理化性质及营养盐含量的影响，因此，它能够作为水体理化性质的综合指标[15]。在一定程度上，叶绿素a能够反映水体的情况[16-18]；此外，叶绿素a浓度与水环境质量息息相关，是评价水体富营养化的重要参数[19]。图3所示，2020年沙湖叶绿素a年平均值为8.19 μg/L，浓度变化范围在0~19 μg/L。叶绿素a平均浓度随着月份的增加而增加，在8月时达到顶峰，之后随着时间增加而下降，但全年叶绿素a浓度峰值出现在11月。

图3 沙湖叶绿素a时空分布图

夏季叶绿素a平均浓度最高，说明夏季适合浮游植物生长与繁殖，尤其水温对浮游动植物的影响较大，这与郑灿[15]、董俊[20]研究结论一致。而11月叶绿素a浓度出现峰值受到总氮、总磷的影响，因为氮磷是藻类生长的必需生源物质[21]。5月前鸟岛和假日酒店两点的叶绿素a浓度最高，5月后高浓度区则处于湖心点区域，主要由黄河补水的水力推动作用所致。

2.1.4 氨氮

氨氮可表征水体中溶解性无机氮，而溶解性无机氮是水生动植物吸收利用的最主要形式，若溶解性无机氮含量过高，不仅会对水生动植物产生毒害作用，也将促进水体富营养化[22,23]，因此探究氨氮时空分布对湖泊治理有重要意义。如图4所示，沙湖2020年氨氮平均浓度为0.15 mg/L，浓度变化范围在0.04~0.39 mg/L，达到地表水Ⅱ类标准。

图4 沙湖氮氮时空分布图

沙湖3月氨氮浓度处于全年最高点，这是因为沙湖地处西北半干旱地区，全年蒸发量远大于降雨量，且4月之前沙湖未进行黄河补水[5,13]。湖泊处于封闭状态，流速较低，从而降低污染物的降解速率，使氨氮浓度维持在较高水平[24]。沙滩北、国控点及湖心三点全年的氨氮浓度均处于较高水平。但总体上，沙湖氨氮浓度并不高。

2.1.5 高锰酸盐指数（CODMn）

由图5可见，沙湖高锰酸盐指数2020年平均值为4.58 mg/L，全年范围变化3.3~5.5 mg/L，达到地表水Ⅲ类标准。

图5 沙湖CODMn时空分布图

沙湖全年高锰酸盐指数的浓度相差不大。除3月以外，其余月份中鸟岛地区的高锰酸盐指数浓度普遍较高。这是因为鸟岛地区生存着大量植物，而每年5—11月是沙湖调水时期，黄河补水携带大量污染物进入沙湖，当水体中大量有机或无机污染物在水流推动下经过植物时，植物将其截留，从而造成鸟岛地区高锰酸盐指数较高。

2.1.6 硝酸盐

硝酸盐可作为水中藻类和其他植物的食物来源，若藻类有无限量的硝酸盐来源，它们的生长将不受限制，最终导致水体出现大量绿藻或蓝藻，因此监测硝酸盐是极为重要的[25]。由图6得出，沙湖2020年硝酸盐平均含量为0.36 mg/L，浓度变化范围0.32~0.41 mg/L，达到地表水Ⅰ类标准。

图6 沙湖硝酸盐时空分布图

各监测点位各月份的硝酸盐浓度相差不大。5月和8月沙湖硝酸盐整体浓度较高，其余月份浓度差距不大，主要是氨氮硝化导致的[26]，且春季溶解氧较高，会抑制反硝化进程[27]。

2.1.7 溶解氧

图7可知，沙湖溶解氧浓度在6.37~12.9 mg/L，达到地表水Ⅰ类标准。各监测点每个月份溶解氧溶度相差不大，但11月溶解氧溶度普遍较低，其它3个月份相对较高，尤其8月溶解氧浓度最高。

图7 沙湖溶解氧时空分布图

8月溶解氧溶度最高是因为8月沙湖水温较高，导致浮游植物大量繁殖，而浮游植物及水生植物的光合作用引起湖泊水体溶解氧的增加[28,29]；游客及观光船的扰动使沙湖表层水体与外界空气接触更加频繁，同时黄河补水也会携带大量氧气。而2020年11月宁夏当地平均气温处于零度以下，浮游植物数量急剧下降，且黄河补水较少以及湖面扰动减少，因此11月沙湖溶解氧浓度处于全年低点。

2.1.8 氟化物

研究表明氟化物被认为是沙湖WQI的控制参数和强预测因子，是影响沙湖水质的重要因素，沙湖氟化物浓度受黄河补水、沉积物释放等多种因素影响[5]。由图8可知，2020年沙湖氟化物浓度在0.7 mg/L上下波动，达到地表水Ⅰ类标准，且各监测位点间氟化物浓度相差不大；但5月氟化物浓度普遍高于其余3个月份，8月氟化物浓度最低。

图8 沙湖氟化物时空分布图

5月浓度偏高是因为5月前引入黄河补水不多，湖泊水面平稳；但5—8月引入较多黄河补水，虽然黄河补水涌入会造成沉积物释放氟离子[5]，但前者的稀释作用仍占主导地位，因此5—8月沙湖氟化物浓度呈现下降趋势；而11月氟化物浓度较8月又有一定上升，应该是夏季沙湖蒸发量较多且后期黄河补水量也相对减少。

2.2 水质评价结果与讨论

2.2.1 水质指标法评价结果

如表5所示，沙湖3月、5月、8月和11月的WQI值分别为34.44、35.35、36.72和38.69，呈上升趋势，但增长幅度不大且WQI（平均）=36.30，说明2020年沙湖水质状况较为平稳且水资源质量处于Ⅱ级（较好）水平。

表5 沙湖水质指标评价结果

2.2.2 内梅罗指数法评价结果

如表6所示，3月、5月、8月及11月的沙湖综合指数（I值）分别为2.19、2.13、2.31和2.44，综合指数（I值）随时间先降低后上升，但增减幅度变化不大。2020年沙湖综合指数（I值）平均值为2.27，可见沙湖整体水质变化平稳且达到Ⅱ级（较好）水平。

表6 沙湖内梅罗指数法评价结果

2.2.3 水质评价对比分析

虽然两种水质评价方法得出沙湖2020年3—11月间指数变化趋势不相同，但其变化幅度都不大。说明沙湖水质变化较为平稳，同时两种方法均得到3月、5月、8月和11月的沙湖水质处于Ⅱ级（较好）水平，因此沙湖2020年水体应处于轻度污染状态。

3 结论

（1）从时间跨度分析，3—8月沙湖整体水质为地表水Ⅲ类；11月及以后，局部水质恶化为地表水Ⅳ类，但大部分区域水质仍达到地表水Ⅲ类标准。

（2）从空间角度分析，同批次不同监测点位的各污染因子浓度存在一定差异，其中总氮和总磷是导致沙湖水质超标的主要污染因子。

（3）采用水质指标法（WQI）及内梅罗指数法分别对2020年沙湖水质综合评价，两种水质评价方法结果表明2020年3—11月沙湖水质变化平稳且湖泊全年处于轻度污染状态。