城市湖泊水体修复过程的富营养化评价——以武汉南湖为例

张航,沈来银,苗滕,张艺,周念来,周驰,郑丽萍

(1.湖北省水利水电科学研究院 湖北省水利水电科技情报中心,武汉 430070;2.武汉华大吉诺因生物科技有限公司,武汉 430072)

气候变化以及人类活动对水生态系统产生了巨大影响,由此导致的水体富营养化状况严峻[1].通过水生态修复等一系列保护措施,可以改善水体富营养化状况,减缓水生态系统的退化速率,使已经退化或损坏的水生态系统逐渐恢复,并保持其长久稳定[2-3].南湖是武汉市仅次于东湖和汤逊湖的第三大城中湖,北临东湖,南临野芷湖、汤逊湖.南湖属于汤逊湖水系,水面面积约为7.67 km2,水体容量约为2 052万m3[4-5],周边居民区、高校密集,总人口约59.4万.随着城市的不断发展,人们的经济活动对南湖水域产生了严重影响,导致水质不断恶化,水生态系统失去调节能力,水质常年综合评价为劣V类[6-9].为解决南湖突出的水环境问题,对南湖进行了水质提升综合整治工程,按照“尊重自然、生态优先”的原则,实施水生态修复工程.主要内容包括排污口生态改造、沿岸水生植物种植以及健康水生态系统管理.通过这些工程的开展,南湖富营养化程度是否能得到改善,通过生态修复期间连续的水质监测,综合分析湖区氮、磷等指标的时空变化特征与富营养化状态,探讨南湖水生态修复效果,为城市湖泊水生态治理和水质提升提供参考.

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究区域共设置13个采样位点(图1).其中小南湖位点为NH01～NH03、华农湾位点为NH04和NH05,大南湖位点为NH06～NH13,分布于敞水区和湖心,其中NH01位点位于南湖水生态修复示范区.武汉南湖属于浅水型湖泊,平均深度为2.0 m,各位点均采集表层0.5 m处水样,装入聚酯玻璃瓶,密封避光保存.监测时间从2020年4月至11月,每月监测1次.

1.2 监测与评价

监测的主要指标主要包括:水温(WT),溶解氧(DO),pH,采用便携式水质参数仪(YSI ProPlus,USA)分析,所有基本物理参数均现场测定.水体化学指标有:总氮(TN),总磷(TP),铵态氮(NH4-N),具体测定方法参照文献[10],叶绿素a(Chl.a)采用热乙醇提取,分光光度法测定[11].采用综合营养状态指数(TLI)评价湖泊富营养化状况[12].

2 结果与讨论

2.1 修复期水体指标

水体修复期间南湖水体的pH基本上在8.2～9.0之间(图2(a)),属于弱碱性水体,各采样位点pH无显著性差异,除了在9月份略微上升外,其余月份水体pH值变化范围不显著,平均值保持在8.49.水温季节性变化差异较大(图2(b)),从4月份开始,水温升高较明显,到8月份达峰值29.7 ℃,后续受降水影响,气温持续降低,从9月份之后,平均水温低于20 ℃,低于往年平均水温.水体溶解氧较高,维持在6.5 mg/L以上(图2(c)),溶解氧平均质量浓度为8.21 mg/L,饱和率达90%以上,各位点之间季节性差异不显著,表明水体属于富氧水体.

南湖水体总体透明度较低(图2(d)),监测期间平均透明度为0.27 m,最低值为0.15 m,从2020年4月至11月,透明度基本没有变化.变化趋势为冬、春季水体透明度稍微高于夏、秋季,对比效果不明显.这可能与监测期间南湖岸线大范围打桩施工,对湖泊底泥影响较大,加上风力扰动,水体颗粒性悬浮物增多,临时透明度改善措施虽然能够短暂调整水体透明度,但后期还是会受到大湖水质的影响,常年劣V类水体会影响湖泊自净能力,南湖水体总体透明度改善效果不明显.

南湖水体TN指标波动比较显著(图2(e)).TN总体平均质量浓度在1.64～3.95 mg/L之间,在2020年5月和8月平均值较低,呈现春、冬两季高,夏、秋两季低的情况.而小南湖区域的TN均高于南湖平均值,最高含量出现在11月份,TN质量浓度均超过了5 mg/L,超标现象非常严重,但总体与南湖平均值变化趋势保持一致.TN持续波动,表明南湖水体的水质正在发生剧烈的变化,考虑到水生态修复项目的施工对水体造成的影响,在南湖水生态修复工程未完工情况下,TN波动这种情况可能还会持续.

TP变化见图2(f),TP平均质量浓度为0.30 mg/L,为地表水劣V类水质.4至5月份,总磷质量浓度最低,为0.19 mg/L,到2020年8月,TP质量浓度逐渐上升,8月TP平均值达到0.81 mg/L,之后呈下降趋势,呈现中间高两边低的趋势.参考武汉周边地区天气数据,武汉地区在8月末有大量降雨,地表径流随雨水冲刷入湖,加上风浪对底泥的搅动,导致短时间内大量磷释放到水体中,TP超标非常严重.南湖周边排口分布众多(图1),有13个排口未完全实行雨污分流,部分未截留的污水仍然会进入主湖区,导致主湖区内TP质量浓度居高不下.8月份,大湖区TP平均数值异常增高,NH11位点TP质量浓度达到1.49 mg/L.在其他月份,小南湖TP值均高于同期的华农湾和大南湖,小南湖的TP超标严重影响了全湖的治理效果.

南湖的NH4-N变化情况见图2(g),监测期间内,NH4-N平均质量浓度为1.04 mg/L,达到地表水IV类水质标准.4月份最低,为0.56 mg/L,4至7月份,南湖的NH4-N呈缓慢增长趋势,8月份之后缓慢上升速度较明显,到10月份 NH4-N质量浓度最高,达到1.81 mg/L,11月份略微下降.除了小南湖的变化趋势与总体保持一致外,大南湖和华农湾的NH4-N变化趋势不显著,而且小南湖的TN远高于同期其他区域,达到6.0 mg/L(10月份)和8.7 mg/L(11月份),分别超标5.0倍和7.7倍,而南湖其他湖区NH4-N数据基本没有超标.

南湖水体的平均Chl.a质量浓度为51.85 μg/L(图2(h)),从2020年4月至6月呈下降趋势,到7月份,Chl.a平均质量浓度为87.43 μg/L,而后逐渐降低,最低值在11月份,为24.12 μg/L.三大湖湾区中小南湖的Chl.a质量浓度均高于同期其他几个湖湾,最高值出现在7月份,为251.60 μg/L,华农湾7月份平均质量浓度也达到了91.80 μg/L,远高于同期大湖区Chl.a,现场采样发现小南湖和华农湾内蓝藻聚集现象十分明显,是蓝藻水华爆发的主要区域.

2.2 湖泊水质的空间变化

根据湖泊理化因子的结果,选取2020年8月湖泊水质作为研究湖泊水质空间分布的典型代表(图3).

2020年8月,小南湖区域TN平均质量浓度为2.11 mg/L,TP平均质量浓度为0.46 mg/L,均未达到地表水V类水质标准(CTP≤0.2 mg/L,CTN≤2.0 mg/L),NH4-N平均质量浓度为1.63 mg/L,Chl.a最高质量浓度达到124.60 μg/L,透明度仅为0.25 m.华农湾片区中,TP超标15倍,达到0.79 mg/L,为劣V类水质标准,TN为1.78 mg/L,NH4-N为0.58 mg/L,均未达到V类水质标准,Chl.a为66.70 μg/L,透明度为0.27 m.大南湖情况与华农湾情况相似,除了TP超标严重以外,其他指标均在V类水质指标以内.

南湖水质的时空变化可以清晰地反映南湖各个湖区水质的基本情况,呈现出明显的空间异质性,三大片区中,大南湖水质明显优于小南湖和华农湾,其中TN(图3(a))、NH4-N(图3(c))、Chl.a(图3(d))3个指标的分布规律由高到低为小南湖、华农湾、大南湖,透明度(图3(e))分布规律由高到低为华农湾、小南湖、大南湖.TP(图2(b))在大南湖的安康路附近出现明显的异常,且已经向大南湖湖区扩散,说明附近排口溢流的污水已经严重影响了局部水质.

2.3 南湖富营养化评价

根据武汉市生态环境局发布的数据以及第三方监测数据结果显示:2018年南湖水质整体为劣Ⅴ类,TN、TP含量严重超标,北岸较南岸水质差,夏季较冬季水质差.

根据2018年12月份对南湖水生态环境调查的结果,南湖TN平均质量浓度为5.10 mg/L,TP平均质量浓度为0.21 mg/L,属于严重的高氮高磷环境,评价结果为地表水劣V类.对南湖进行水体富营养化评价,南湖的TLI在71.3～79.4之间,平均值为75.0,呈重度富营养化状态.

2018年12月至2019年7月数据显示,南湖水体仍然呈富营养化状态,TN平均质量浓度为4.60 mg/L,TP平均质量浓度为0.18 mg/L,透明度为0.35 m,Chl.a平均质量浓度为53.71 μg/L,远高于蓝藻水华爆发的可能临界质量浓度10 μg/L[13],富营养化程度与地区污染水平呈现一定的相关性,南湖整体富营养化现象仍然严重.

根据以上监测数据,对南湖水体2020年的富营养化水平进行评价,结果如图4.根据综合营养状态指数(TLI)分级标准,南湖湖区从2020年4月至11月期间,TLI指数为61.69～71.35,总体处于中度富营养化状态.4月至6月,TLI指数变化不明显,而后逐渐升高,7月和8月分别为71.35和69.64,为重度富营养化状态,而后逐渐降低,到了11月份达到最低值(图4).

从图3(f)可以看出,南湖湖区TLI指数也呈现明显的区域异质性.小南湖和华农湾区域的TLI指数明显高于大南湖湖区.2020年8月小南湖区3个监测位点的TLI指数分别为67.29、76.26和71.82,平均值为71.79,处于重度富营养化状态.华农湾区域的TLI指数也超过70.00,湖区的TLI指数变化范围为65.95～69.43,处于中度富营养化状态.从历年TLI指数来看,2008年是75.00,2019年是68.26,2020年为65.86,TLI指数逐年下降.图4从4月至11月,总体呈现下降趋势,表明南湖生态修复治理措施取得初步成效,湖区水体自净能力得到初步恢复,后期有望通过控源截污、生态修复等措施将水体TLI指数降低到60以下,改变湖区的营养状态分级.

目前南湖周边已经开展了雨水收集系统管网和排口雨污分流改造工作,但是污水管网泄露,排口溢流导致进入南湖的污水仍然不少,前期沉积的底泥污染导致氮磷物质的再释放也影响了湖区水质的净化,水动力条件不足致使南湖的污染难以有效地转移和疏散.经过连续8月的监测,发现南湖水质改善效果不明显,目前仍是地表水V类水质.短期的数据难以说明生态修复工程实施后对南湖水质的实质影响,因此后期需要继续加强对南湖水质的监测,特别是对已开展水生态修复的区域.

3 治理建议

加强对南湖周边排口的升级改造,避免排口溢流污染,及时对污染排口进行监测与查处,对难以处理的排口进行生态化改造,拦截入湖污染物;摸清南湖水生植物恢复的边界条件,在整个南湖周边逐渐恢复沉水植物;对蓝藻水华进行预防和削减,防止示范区内蓝藻水华大量爆发,创造良好的恢复条件;有条件地开展东湖-南湖-野芷湖-汤逊湖等“四湖水系连通工程”,改善水动力条件,使区域水体活起来,带动部分污染物出湖,削减污染存量.