某城市内湖水质评价及污染成因分析

刘加强，范秀磊，李 昂，冯启言，杨成方

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116；2.徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州 221111)

城市内湖是城市水系的重要组成部分，具有调节微气候、防洪排涝、改善生态环境等功能[1-3]。随着城市快速发展，人类活动日益频繁，且城市内湖多呈相对封闭状态，水体缺乏流动性，水体富营养化、水体水质季节性恶化问题越来越突出[4-5]。水体富营养化导致藻类和其他水生植物过量繁殖，水体透明度下降，溶解氧含量降低，进而引起水生生物大量死亡、水质恶化、发腥发臭，严重影响水域功能的发挥[6]。因此，分析城市内湖水质年际变化规律及水体氮、磷营养盐的季节变化规律，有助于揭示水体污染成因，为有效提出正确的水体富营养化控制措施提供科学依据，对改善城市人居环境和实现城市可持续发展具有重要意义[7-8]。

1 研究区域概况

某城市内湖位于苏北某市，距离市中心3 km，该湖集雨面积为59.1 km2，湖区面积达11.4 km2。其中，水域面积为3.76 km2，总库容为3 330万m3，兴利库容为905万m3，最大水深为5.1 m，平均水深为2.5 m，为典型的城市浅水型湖泊[9-10]。经过多年的开发与保护，该湖已成为一座以城市防洪为主，结合城市风景、农业灌溉、市区冲污、水产养殖、旅游开发、度假休闲和餐饮美食等综合效益功能为一体的风景旅游区[11]。

2 数据与方法

2.1 监测指标与数据

为研究湖区水质的时间变化特征，将湖区分为东湖、西湖和小南湖3部分。西湖设置采样点4处，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；东湖设置采样点4处，分别为Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ；南湖设置采样点2处，分别为Ⅸ、Ⅹ。采样点布置如图1所示，采样频次为每月3～4次。数据来源于水库管理局提供的水质监测专报，监测指标主要包括pH、DO、浑浊度、电导率、CODMn、NH3-N、TN、TP等。重点对变化幅度较大的CODMn、NH3-N、TN、TP这4项指标进行筛选和整理，统计出2013年—2018年各指标的平均含量。为考查湖区氮、磷含量的季节性变化规律，统计出2018年8月—2019年7月TN、TP的平均含量，并以6月—9月作为丰水期，3月—5月、10月作为平水期，11月—次年2月作为枯水期进行分析。

图1 采样点布置图Fig.1 Layout of Sampling Points

2.2 评价方法

采用内梅罗指数法进行水质定量评价[12]，并用污染分担率研究指标体系中各项污染因子的贡献程度[13]。执行的环境质量标准为《地表水环境质量》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类水质标准[14]。

3 结果与讨论

3.1 2013年—2018年整个湖区水质变化分析

由图2可知：2013年—2018年整个湖区的NH3-N浓度存在波动，但变化不大，NH3-N浓度为0.334～0.391 mg/L，变化率为17.1%；CODMn、TN浓度变化表现为先降低后升高，CODMn、TN的浓度分别为3.959～4.983、1.023～1.822 mg/L，变化率分别为25.9%、78.1%；TP浓度变化存在较大波动，TP的浓度为0.063～0.117 mg/L，变化率为85.7%。综上分析，2013年—2018年TN、TP浓度变化率最大，特别是2017年、2018年，CODMn、TN、TP的浓度明显高于其他年份。

图2 湖区水质年际变化规律Fig.2 Interannual Variation of Water Quality in Lake Area

3.2 水质评价

采用内梅罗指数法对湖区各部分水质监测指标进行统计评价，统计结果如表1所示。从整个湖区的内梅罗指数来看，2013年—2018年水质表现为由差转好再到恶化，其中，2015为转折点，2017年污染最为严重，2018年次之。

表1 各湖区与整个湖区年均值内梅罗指数结果Tab.1 Annual Mean Nemero Indexes of Each Lake and Whole Lake Area

将各湖区与整个湖区作为变量，导入SPSS统计软件进行定量相关性分析，采用双侧显著性检验，计算Spearman相关系数rs(rs>0正相关，rs<0负相关，其绝对值大小反映变量相关程度高低)[15]。由表2各湖区与整个湖区相关性分析结果可知，P<0.05、rs>0.8，说明各湖区与整个湖区存在正向显著极强相关关系。从相关系数rs的大小来看，西湖(1.000)>东湖(0.943)>小南湖(0.829)，说明西湖水质与整个湖区水质的相关性最强。因此，可以用西湖的水质变化情况来反映整个湖区的水质变化规律，可使水质评价工作简化，操作性更强。

表2 各湖区与整个湖区相关性分析结果Tab.2 Correlation Analysis between Each Lake and Whole Lake Area

通过污染分担率来反映污染构成，结果如表3所示。污染分担率为TP>TN>CODMn>NH3-N，且不同年份TP、TN污染分担率的和占比为75%～79%，说明TP、TN在整个污染构成体系中污染最为严重，应引起足够重视。不同年份、不同污染因子的污染指数均呈现先降低后升高的趋势，2015年、2016年是转折点，近2年(2017年、2018年)水质污染加剧。

表3 水质评价指标体系中各因子的污染指数及分担率变化Tab.3 Changes of Pollution Indexes and Share Rates of Each Factor in Water Quality Evaluation Index System

3.3 氮、磷季节变化分析

氮是生物的重要营养元素，在某些情况下也是浮游植物的限制性营养元素[16]。磷是水体初级生产力的限制性营养元素，磷的过量输入是引起水体富营养化的直接原因[16]。氮、磷含量的动态变化对于整个湖区的水质具有重要影响[16]。各湖区TN、TP平均浓度月度变化如图3所示，各湖区TN、TP年平均浓度如图4所示。

图3 湖区TN、TP平均浓度月度变化Fig.3 Monthly Change of TN and TP in Lake Area

图4 湖区TN、TP平均浓度Fig.4 Average Concentration of TN and TP in Lake Area

由图3可知，西湖、东湖及南湖的TN变化趋势非常接近，TP类似。从整个湖区来看，TP含量为0.055～0.12 mg/L，全年平均值为0.083 mg/L，2018年8月—10月TP浓度明显高于其他月份，8月TP浓度最高，达0.12 mg/L；TN浓度除1月—3月外，其他月份波动较大，TN含量为1.471～2.217 mg/L，全年平均值为1.87 mg/L，2019年6月TN浓度达到最高，达2.217 mg/L。

由图4可知，TN、TP的平均浓度分别为西湖>东湖>南湖，西湖在整个湖区中污染最为严重，主要原因是西湖上游补水河道补水线路较长，约40 km，集雨面积达28 km2，占整个湖区集雨面积的52%，且河道两侧现状为农村和部分乡镇，沿线污染未彻底治理(特别是农业面源污染)。

湖区各期营养盐浓度如表4所示，TN浓度大小为平水期>丰水期>枯水期，总体相差不大。TP浓度大小为丰水期>平水期>枯水期，丰水期浓度明显高于平水期、枯水期，这说明降雨径流携带污染进水水体，对湖区污染影响较大。

表4 湖区各期营养盐浓度Tab.4 Nutrient Salt Concentration of Each Period in Lake Area

湖区流速分布如图5所示，该湖1进3出，仅1处进水点，水量为15万 m3/d，整个湖区流速较大的区域主要为进水口和出水口附近。湖区大部分面积流速在0.2 cm/s以下，整体水动力条件不足，换水周期约为220 d，远大于国际公认的湖泊水体水力停留时间>30 d为富营养化潜在发生区的值。另外，沉积物是污染物的重要储蓄积库，在一定的环境条件下，沉积物作为内源向上浮水中释放氮磷，从而对水体产生污染[16]。相关研究中，分别将东湖和西湖10个取样点同一深度沉积物中TN、TP的含量进行平均，结果如图6所示。沉积物中TN含量东湖高于西湖，东湖和西湖TN平均含量为0.7～0.89 mg/g；沉积物中TP含量除次表层外，西湖高于东湖，东湖和西湖TP平均含量为0.068～0.11 mg/g[9]。该湖多年来未清淤，沉积物中氮磷的内源释放对水体水质的影响不容忽视。

图5 湖区流速分布示意图Fig.5 Schematic Diagram of Velocity Distribution in the Lake Area

图6 不同深度沉积物TN、TP含量对比[9]Fig.6 Comparison of TN and TP in Different Depths Sediments[9]

4 结论

(1)通过分析东湖、西湖和南湖与整个湖区的相关关系，得出各湖区与整个湖区均存在正向显著极强相关关系。其中，西湖与整个湖区的相关性最强，因此，可以用西湖的水质变化情况来反映整个湖区的水质变化规律。从水质评价结果来看，2013年—2018年湖区水质整体呈逐渐转好到污染加剧的发展趋势，特别是TP、TN在整个污染构成体系中污染最为严重。

(2)通过分析湖区氮、磷含量的季节性变化规律，得出TN浓度：平水期>丰水期>枯水期，总体相差不大；TP浓度：丰水期>平水期>枯水期，丰水期浓度明显高于平水期、枯水期，降雨径流携带污染进入水体，对湖区污染影响较大。

(3)湖区上游补水线路较长，沿线污染未彻底治理。另外，湖区仅1处补水点，整体水动力不足，该湖多年来未清淤，沉积物中氮磷的内源释放对水体水质的影响不容忽视。