沙湖水环境污染因子时空分布规律及水质评价.pdf

77环境科学导刊2023，42（4）CN 53-1205/XISSN 1673-9655沙湖水环境污染因子时空分布规律及水质评价徐志鹏1，陈 捷2，朱 翔3，朱 文1，李云中1，汪龙眠3，苏欢欢1(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)摘 要：基于2020年沙湖水质数据分析水环境污染因子时空分布情况，并运用水质指标法及内梅罗指数法综合评价沙湖水质，为沙湖后续治理提供理论依据。结果表明：38月沙湖水质均达到 GB 38382002地表水环境质量标准类标准，11月及以后，除局部水质恶化为类标准外，其余仍达到类标准；同批次不同点位的污染因子浓度存在一定差异；总氮和总磷是沙湖水质超标的主要污染因子。两种水质评价方法结果均表明2020年311月沙湖水质变化平稳且湖泊处于轻度污染状态。关键词：沙湖；水环境污染因子；时空分布；水质评价中图分类号：X82 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2023）04-0077-07收稿日期：2022-11-15基金项目：宁夏回族自治区重点研发项目（2019BFG02028）。作者简介：徐志鹏(1997-)，男，扬州人，工程硕士，昆山市水利设计院有限公司助理工程师。研究方向：水污染控制与生态修复。通信作者：苏欢欢(1981-)，女，苏州人，工学硕士，昆山市水利设计院有限公司高级工程师。研究方向：水环境治理及设计。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（106224.95E，384820.53N）、沙滩南（1062024.68E，384751.88N）、鸟岛（1062228.98E，384736.69N）、湖心（1062134.97E，384836.19N）、假日酒店码头（1062233.53E，38498.33N）、沙滩北（1062118.14E，384819.09N）、国控点（1062054.64E，384845.85N）、沙滩西南（1062038.28E，384812.23N）和自动站（1062052.49E，384913.38N）。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12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 38382002地表水环境质量标准进行测定6，具体测定方法见表1。环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月78表1 水环境污染因子测定方法测定指标方法参考标准总氮（TN）碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法GB 1189489总磷（TP）钼酸铵分光光度法GB 1189489叶绿素（Chl.a）紫外分光光度法氨氮（NH3-N）纳氏试剂分光光度法HJ 5352009高锰酸盐指数（CODMn）酸性高锰酸盐法(滴定）GB 1189489硝酸盐（NO3-N）紫外分光光度法GB 1189489溶解氧（DO）电化学探头法HJ 5062009氟化物（F-）离子色谱法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：Ci,kCiCi,k+1,20ii kii ki k ni kccInIcc+=+;CiCi,1,Ii=0;Ci,5Ci,Ii=100.（1）式中：Ci第i个参数的浓度；Ci,k、Ci,k+1k类和k+1类的第i个参数的正常浓度；nGB 38382002中第i个参数的相同标准值的数量；Ii,kk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、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水资源质量级（优）级（较好）级（中等）级（较差）级（差）WQI分值0WQI2020WQI4040WQI6060WQI8080WQI1001.3.2 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：()22/2maxIPP=+（2）11niiPPn=（3）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；Pn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评分标准水质类别类类类类类Pi值01358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评定等级级（优）级（较好）级（中等）级（较差）级（差）综合指数I22I44I55I7I71.4 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2020年总氮平均值为 0.81 mg/L，变化范围在0.581.51 mg/L，全年大部分时间达到地表水类标准，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。原因可归结为沙湖11月份补充大量的黄河水，而11月黄河补水总氮浓度变化范围在2.315.17 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。沙湖水环境污染因子时空分布规律及水质评价徐志鹏792.1.2 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0.020.06 mg/L，总磷浓度整体上达到地表水类标准，但冬季部分区域（自动站、湖心东）总磷浓度达到地表水类标准。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 g/L，浓度变化范围在019 g/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。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0.040.39 mg/L，达到地表水类标准。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3.35.5 mg/L，达到地表水类标准。沙湖全年高锰酸盐指数的浓度相差不大。除图1 沙湖总氮时空分布图总氮/（mg/L）总氮/（mg/L）总氮/（mg/L）总氮/（mg/L）3月总氮浓度分布图5月总氮浓度分布图8月总氮浓度分布图11月总氮浓度分布图0.58-0.6120.613-0.6440.645-0.6770.678-0.7090.71-0.7410.742-0.7730.774-0.8060.807-0.8380.839-0.870.69-0.720.721-0.750.751-0.780.781-0.810.811-0.840.841-0.870.871-0.90.901-0.930.931-0.960.69-0.7810.782-0.8720.873-0.9630.964-1.0541.055-1.1451.146-1.2371.238-1.3281.329-1.4191.42-1.510.64-0.6570.658-0.6730.674-0.690.691-0.7070.708-0.7230.724-0.740.741-0.7570.758-0.7730.774-0.79环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月80图2 沙湖总磷时空分布图图3 沙湖叶绿素a时空分布图总磷/（mg/L）总磷/（mg/L）总磷/（mg/L）总磷/（mg/L）叶绿素a/（g/L）叶绿素a/（g/L）叶绿素a/（g/L）叶绿素a/（g/L）3月总磷浓度分布图5月总磷浓度分布图8月总磷浓度分布图11月总磷浓度分布图3月叶绿素a浓度分布图5月叶绿素a浓度分布图8月叶绿素a浓度分布图11月叶绿素a浓度分布图图4 沙湖氮氮时空分布图0.02-0.0230.024-0.0270.028-0.030.031-0.0330.034-0.0370.038-0.040.041-0.0430.044-0.0470.048-0.050.02-0.0220.023-0.0240.025-0.0270.028-0.0290.03-0.0310.032-0.0330.034-0.0360.037-0.0380.039-0.040-0.5560.557-1.1111.112-1.6671.668-2.2222.223-2.7782.779-3.3333.334-3.8893.89-4.4444.445-59.001-9.7799.78-10.55610557-11.33411.335-12.11112.112-12.88912.89-13.66613.667-14.44414.445-15.22115.222-15.9993.003-4.784.781-6.5586.559-8.3358.336-10.11210.113-11.88911.89-13.66713.667-15.44415.445-17.22117.222-18.9993-3.6673.668-4.3344.335-55.001-55.001-5.6675.668-6.3336.334-77.001-7.6667.667-8.3338.334-90.03-0.0320.033-0.0340.035-0.0370.038-0.0390.04-0.0410.042-0.0430.044-0.0460.047-0.0480.049-0.050.02-0.0220.023-0.0240.025-0.0270.028-0.0290.03-0.0310.032-0.0330.034-0.0360.037-0.0380.039-0.04氨氮/（mg/L）氨氮/（mg/L）0.216-0.2350.236-0.2540.255-0.2730.274-0.2920.293-0.3120.313-0.3310.332-0.350.351-0.3690.37-0.3880.038-0.0520.053-0.0650.066-0.0790.08-0.0930.094-0.1060.107-0.120.121-0.1340.135-0.1470.148-0.1613月氨氮浓度分布图5月氨氮浓度分布图氨氮/（mg/L）氨氮/（mg/L）0.06-0.0750.076-0.0890.09-0.1040.105-0.1180.119-0.1330.134-0.1470.148-0.1620.163-0.1760.177-0.1910.055-0.0610.062-0.0670.068-0.0730.074-0.0790.08-0.0840.085-0.090.091-0.0960.097-0.1020.103-0.1088月氨氮浓度分布图11月氨氮浓度分布图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511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。沙湖水环境污染因子时空分布规律及水质评价徐志鹏812.1.6 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0.320.41 mg/L，达到地表水类标准。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6.3712.9 mg/L，达到地表水类标准。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。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5 沙湖CODMn时空分布图CODMn/（mg/L）CODMn/（mg/L）CODMn/（mg/L）CODMn/（mg/L）3月CODMn浓度分布图8月CODMn浓度分布图5月CODMn浓度分布图11月CODMn浓度分布图3.9-3.9893.99-4.0784.079-4.1674.168-4.2564.257-4.3444.345-4.4334.434-4.5224.523-4.6114.612-4.73.6-3.7673.768-3.9343.935-4.14.101-5.2674.268-4.4334.434-4.64.601-4.7674.768-4.9334.934-5.13.9-4.0784.079-4.4334.257-4.4334.434-4.6114.612-4.7894.79-4.9674.968-5.1445.145-5.3225.323-5.53.3-3.5453.546-3.7893.79-4.0344.035-4.2784.279-4.5224.523-4.7674.768-5.0115.012-5.2555.256-5.5图6 沙湖硝酸盐时空分布图硝酸盐/（mg/L）硝酸盐/（mg/L）0.318-0.3220.323-0.3250.326-0.3290.33-0.3330.334-0.3360.337-0.340.341-0.3440.345-0.3470.348-0.3510.344-0.3510.352-0.3580.359-0.3660.367-0.3730.374-0.380.381-0.3870.388-0.3950.396-0.4020.403-0.4093月硝酸盐浓度分布图5月硝酸盐浓度分布图硝酸盐/（mg/L）硝酸盐/（mg/L）0.37-0.3730.374-0.3750.376-0.3780.379-0.380.381-0.3830.384-0.3850.386-0.3880.389-0.390.391-0.3930.323-0.3260.327-0.3280.329-0.3310.332-0.3330.334-0.3360.337-0.3380.339-0.3410.352-0.3430.344-0.3468月硝酸盐浓度分布图11月硝酸盐浓度分布图环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月82图7 沙湖溶解氧时空分布图图8 沙湖氟化物时空分布图溶解氧/（mg/L）溶解氧/（mg/L）10.5-10.76710.768-11.03311.034-11.311.301-11.56711568-11.83311.834-12.112.101-12.36612.367-12.63312.634-12.96.37-6.5146.414-6.6576.658-6.86.801-6.9436.944-7.0877.088-7.237.231-7.37373.74-7.5177.518-7.668月溶解氧浓度分布图11月溶解氧浓度分布图溶解氧/（mg/L）溶解氧/（mg/L）10.4-10.44410.445-10.48910.49-10.53310.534-10.57810.579-10.62210623-10.66710.668-10.71110712-10.75610757-10.87.5-7.6897.69-7.8787.879-8.0678.068-8.2568.257-8.4448.445-8.6338.634-8.8228.823-9.0119.012-9.23月溶解氧浓度分布图5月溶解氧浓度分布图氟化物/（mg/L）氟化物/（mg/L）8月氟化物浓度分布图11月氟化物浓度分布图0.55-0.5560.557-0.5610.562-0.5670.568-0.5720.573-0.5780.579-0.5830.584-0.5890.59-0.5940.595-0.60.6-0.6090.61-0.6180.619-0.6270.628-0.6360.637-0.6440.645-0.6530.654-0.6620.663-0.6710.672-0.68氟化物/（mg/L）氟化物/（mg/L）3月氟化物浓度分布图5月氟化物浓度分布图0.76-0.7630.764-0.7670.768-0.770.771-0.7730.774-0.7770.778-0.780.781-0.7830.784-0.7870.788-0.790.8-0.8040.805-0.8090.81-0.8130.814-0.8180.819-0.8220.823-0.8270.828-0.8310.832-0.8360.837-0.845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58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58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级（较好）水平。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月的沙湖综表5 沙湖水质指标评价结果监测时间WQI水资源质量评价3月34.44级（较好）5月35.35级（较好）8月36.72级（较好）11月38.69级（较好）平均值36.30级（较好）表6 沙湖内梅罗指数法评价结果监测时间综合指数（I值）评定等级3月2.19级（较好）5月2.13级（较好）8月2.31级（较好）11月2.44级（较好）平均值2.27级（较好）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）平均值为沙湖水环境污染因子时空分布规律及水质评价徐志鹏832.27，可见沙湖整体水质变化平稳且达到级（较好）水平。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311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，38月沙湖整体水质为地表水类；11月及以后，局部水质恶化为地表水类，但大部分区域水质仍达到地表水类标准。（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311月沙湖水质变化平稳且湖泊全年处于轻度污染状态。参考文献：1 OKI T,Kanae S.Global hydrological cycles and world water resourcesJ.science,2006,313(5790):1068-1072.2 王健,徐望朋,马方凯,等.城市湖泊治理思考与建议J.人民长江,2022,53(2):41-47,71.3 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heavy metals.The results showed that the heavy metal content in the drinking water sources of the 26 towns all met the requirements of the Drinking Water Sanitation Standard(GB 57492006),and the overall pollution degree was relatively low.Seasonal change has a significant impact on the heavy metal concentration in the water source,and the metal concentration in the wet period was 1.09.9 times higher than that in the dry season.The water quality in the Karst water resources field was more sensitive to seasonal changes.The health risk assessment results showed that the health risk of water sour