星海湖水體富營養化現狀調查及成因分析

馬忠平

(石嘴山市水利勘察設計室，石嘴山 753000)

湖泊是我國最重要的淡水資源之一，具有防洪排澇、蓄水供水、水產養殖及氣候調節等多種功能，對社會經濟的發展起著不可估量的作用。近幾十年來，由于湖泊流域社會經濟快速發展，污染治理措施滯后，致使我國眾多湖泊隨著外源營養物質的持續流入，水體藻類發展逐漸占優，水體濁度增加，水生植物減少，水體富營養化程度普遍較高，湖泊處于“水華”頻發的高生態風險狀態。這種狀況危及地區的飲水安全，進而威脅到湖泊生態系統安全，并在一定程度上制約了流域社會經濟的可持續發展[1]。對我國重點湖泊生態安全進行調查與評估是開展湖泊保護工作的重要內容之一，在當前狀況下已刻不容緩。

星海湖是寧夏回族自治區石嘴山市大武口區內面積最大的湖泊濕地，其水域面積達到23.42 km2。在發揮防洪調洪、蓄水補水功能的同時，星海湖集濕地保護、改善生態、休閑旅游、水產種養等多功能于一體，對當地的經濟、生態和社會發展有著重要的影響[2]。隨著城市化進程的推進，星海湖的污染狀況日趨嚴重。本研究結合當地實際情況，對星海湖現有水體的污染狀況尤其是富營養化現狀進行詳細調查，并結合周邊污染源分析星海湖的污染成因，為后續制定污染防治措施提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

星海湖毗鄰市區，分為北域、東域、中域、南域、西域、新月海等為主體的市區水系。星海湖周邊的水體污染源分為點源污染和非點源污染。點源污染主要為星海湖南域、中域、北域灌溉渠(第二農場渠)的黃河水補水口以及北域、中域、南域島嶼的公園等生活、娛樂設施產生的生活污染源；非點源污染包括干濕沉降、山洪水以及漁業養殖污染等[3]。

1.2 采樣分析

2011年3月至2016年11月期間逐月對星海湖北域常年監測點位(圖1)的透明度(SD)、葉綠素a(Chl.a)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)、化學需氧量(COD)進行檢測。為全面了解星海湖流域水體環境質量現狀，2017年5月23—25日對星海湖流域各區域水體及周邊水系進行了補充監測點(圖1)的布置和采樣檢測。監測分析方法按《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)及《水和廢水監測分析方法》(第四版增補版)中有關規定執行(表1)。

●星海湖北域常年監測點；H1—H9星海湖流域湖水補充監測點；Z1—Z4星海湖周邊水系補充監測點圖1 星海湖樣品采集點Fig.1 Sample collecting points of Xinghai Lake

檢測項目分析方法方法來源檢測下限∕mg·L-1透明度塞氏盤法《水和廢水監測分析方法》第四版-葉綠素a-《水和廢水監測分析方法》第四版-高錳酸鹽指數高錳酸鉀法GB 11892—890.5總磷鉬酸銨分光光度法GB 11893—890.01總氮堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法GB 11894—890.05COD重鉻酸鹽法CB 11914—895

1.3 綜合營養狀態指數法評價分級標準

采用綜合營養狀態指數法[4-5]評價湖泊富營養化狀況，評價指標包括透明度(SD)、葉綠素a(Chl.a)、總磷(TP)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(CODMn)。湖泊營養狀態分級標準見表2。

表2 湖泊富營養狀態分級

1.4 成因分析調查方法

調查主要采取實地踏勘的方式提供污染源的基礎數據，通過前期數據收集、記錄及后續計算分析，保證數據來源的可靠性與真實性。部分數據由石嘴山市環保局提供。

2 結果與分析

2.1 星海湖富營養化程度

以2011—2016年的總氮、總磷指標為例，在取樣期間總氮、總磷濃度整體呈上升趨勢(圖2)?？偟|量濃度均超過《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標準(≤1 mgL)，其中2016年8月總氮質量濃度最高，達到4.315mgL；總磷質量濃度在2015年、2016年均超過《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標準(≤0.05 mgL)，2016年8月質量濃度最高，達到0.4 mgL。浮游植物葉綠素a的含量是表征水體藻類含量的生物指標，也是衡量水體初級生產力的重要指標，2011—2016年葉綠素a含量變化較大，在1—83mgm3，2016年9月含量最高，達82.22 mgm3；2011年3月含量最低，為1.82 mgm3。

圖2 2011—2016年星海湖流域水體常年監測點總氮(a)、總磷(b)濃度和葉綠素a含量(c)Fig.2 The concentration of total nitrogen(a)，total phosphorus(b)and chlorophyll a content(c)at the routine monitoring points in Xinghai Lake from 2011 to 2016

湖泊生態系統是一個復雜的整體，僅利用單一因素作為指標劃分湖泊營養類型具有片面性。為全面考察星海湖流域的營養狀態，采用綜合營養狀態指數法(TLI)對2011—2016年常年監測點和2017年5月23—25日補充監測點的數據進行分析。

由表3可知，2011—2014年星海湖流域水體綜合營養指數在54.71—56.86，屬于輕度富營養。2015年和2016年星海湖流域水體綜合營養指數分別是62.01和65.35，屬于中度富營養。2011—2016年，星海湖流域富營養化程度先減輕后加重，2014年富營養化程度最輕，綜合營養指數為54.71，仍為輕度富營養。

表3 星海湖流域常規監測點2011—2016年綜合營養指數評價結果

星海湖補充監測點位水質富營養化程度評價表明：南域為輕度富營養化,東域為重度富營養化，其余各域均為中度富營養化，周邊水體均為中度富營養化(Z4為黃河水)，水體富營養化程度嚴重(表4)。

表4 星海湖流域補充監測點位綜合營養指數評價結果

2.2 污染成因

通過實地調查和資料收集分析發現，星海湖的主要污染源為漁業養殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降等,其中漁業養殖和水源輸入造成污染的貢獻最大。根據實地勘測結果，并參照全國污染源普查中水產養殖污染源和城鎮生活源排污系數計算， 2016年星海湖漁業養殖排入的COD、TP、TN分別為 198.62 t、5.68 t、29.74 t，由生活污水排入的COD、TP、TN分別為31.54 t、1.79 t、22.38 t[6]；黃河水是星海湖的主要補給水源，據觀測數據計算，2016年通過黃河補水輸入星海湖的COD、TP、TN分別為 308.73 t、23.15 t、3.27 t[6]；山洪水也是重要的COD污染源，根據相關洪水研究資料(由石嘴山市環保局提供)，計算出2016年北域、南域、中域COD的入湖量分別為57 t、28.75 t和1.5 t，總計87.25 t；星海湖每年通過干濕沉降方式輸入的污染負荷為TN 40.03 t、TP 0.13 t。由漁業養殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降以及湖水自身所形成的主要污染負荷見圖3。

圖3 2016年星海湖 COD(a)、TN(b)、TP(c)負荷組成分析Fig.3 Load composition analysis of COD(a)，TN(b)and TP(c)in Xinghai Lake in 2016

從污染負荷比例分析，COD、TN、TP均是湖水自身累計的污染物，占主導地位，占比分別為67%、27%和36%。在外源污染中，COD、TN、TP的主要污染源分別是黃河補水、干濕沉降和漁業養殖，占比分別為16%、25%和33%。2016年輸入星海湖的COD、TN和TP分別為 626.14 t、 115.30 t和10.88 t。由于歷史原因，星海湖各流域湖底存在高差，各流域之間水位不同，彼此隔斷，分別從大渠開口獨立補水，湖水只進不出，又不能連通循環和外排，水體只有蒸發和滲漏，外源性營養物質逐漸濃縮富集，使富營養化程度逐漸加重。

3 討論與結論

湖泊富營養化現象的發生，主要是湖內氮、磷等營養物質的大量增加所致。氮和磷常被單獨或共同認為是陸地生態系統初級生產力的主要營養現狀因子[7]。已有專家學者根據我國湖泊的實際情況及相關富營養化的調查資料提出了我國湖泊營養狀態的分類標準，在該標準中，總磷質量濃度為0.02—0.05 mgL，總氮質量濃度為0.4—1.2 mgL時，湖泊處于中營養狀態;總磷總氮濃度高于該范圍時，可認為湖泊處于富營養狀態[8]。同時,國內已有學者將10 mgm3葉綠素a作為劃分水體富營養化的標準閾值[9]。根據上述的分類標準及標準閾值規定，2015—2016年期間的星海湖處于絕對的富營養狀態，流域水質呈逐漸惡化趨勢。常規監測點水質由2011—2014年的輕度富營養轉變為2015—2016年的中度富營養，通過對星海湖不同水域和周邊水系的補充監測發現，星海湖不同水域中輕度、中度和重度富營養化現象并存。在星海湖流域的部分水域已有可見藍藻，在下風向有大片水華出現，而藍藻水華暴發是湖泊水體富營養化的一個重要表征[10]。星海湖的主要污染源為漁業養殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降等，其中漁業養殖和水源輸入造成污染的貢獻最大。在外源污染中，COD、TN、TP的主要污染源分別是黃河補水、干濕沉降和漁業養殖，分別占比為16%、25%和33%。因此，針對星海湖的污染現狀和污染來源，要加強外源性污染控制，一方面嚴格控制養殖業廢水以及生活污水等污染源入湖，消減氮磷的流入；另一方面應減少農田化肥農藥的施用量，尤其控制農田灌溉后退水流入水體，從源頭上控制星海湖輸入性水源的氮磷含量，從而有效減緩星海湖湖泊水體的富營養化進程。