南昌市主要湖泊富营养化现状评价与防治对策

李桂玲

(南昌生态环境监测中心,江西 南昌 330038)

随着社会经济发展,工业与生活污水排放量的增大,农业面源污染加重,城市的大规模开发及受人类活动的影响,大量氮、磷等营养物质进入湖泊、河口、海湾等缓流水体,引起浮游生物等大量繁殖,水体溶解氧下降,大量水生生物死亡,造成富营养化、有机物污染、生态系统破坏等[1]。 其中,湖泊富营养化问题最为突出与严峻,水体富营养化引起水体发生水华,不仅严重危害了人类的健康,而且有可能限制湖泊流域社会和经济的可持续发展。 近年来,国内外相继出台防治对策和方法,如瑞典对小型湖泊和沼泽的水质采用水生植物和生物处理控制对策[2]；美国针对大沼泽湿地,采用湿地公园恢复天然水流状况,对排水渠道进行改造、处理流过湿地的农业污水等方法以达到恢复旧生物系统的目的[3]；太湖通过严格控制和压缩太湖流域污染重、污水排放量大的企业,鼓励无污染、高技术产业和现代第三产业的发展,在全流域大面积建设污水处理厂和乡镇建设农村生活污水的处理设施。 大力发展生态农业,控制化肥农药的使用量减轻农业面源污染的影响等措施已取得明显成效[4]。

南昌市作为江西省省会,地处长江中下游,江西省中部偏北,滨临我国第一大淡水湖——鄱阳湖,城区水系发达,江河纵横、湖泊众多,是一座与鄱阳湖滩涂河汊争斗了两千多年的“水城”,市区与赣江、抚河交汇,有瑶湖、前湖、象湖、青山湖、艾溪湖、东湖、南湖、北湖、西湖等多个湖泊。 为改善湖泊水质,2018—2022 年南昌市政府投入了大量人力、物力、财力进行河湖综合整治,但蓝藻爆发、水体出现黑臭现象仍时有发生。

本研究采用综合营养状态指数法对南昌市主要湖泊富营养状态进行评价,分析其富营养化状态及变化规律、富营养化的主导因子及影响因素,以期为南昌市湖泊的管理决策提供科学依据。

1 监测与评价

1.1 监测点位

为了解南昌市区主要湖泊的营养状况,监测部门选取南昌城区17 个主要湖泊进行监测,湖泊监测点位设置在湖心区和岸边区,采样频次为每月一次,采样时间为每月上旬。

1.2 监测项目

重点选取与富营养化相关监测指标(pH 值、叶绿素a、化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、总磷、总氮、氨氮、透明度)。

1.3 监测方法

按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)以及《水和废水监测分析方法》(第四版)中要求的方法测定。

1.4 评价方法

1.4.1 营养状态评价方法

根据中国环境监测总站《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》(总站生字〔2001〕090 号) 湖泊(水库)富营养化状况评价方法采用综合营养状态指数法,选取叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸钾指数法(CODMn)5 个参数为评价因子,进行相关加权营养状态指数评价。 综合营养指数计算公式为:

式中:TLI(∑)——综合营养状态指数；Wj——第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)——第j种参数的营养状态指数。

以Chla作为基准参数, 则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为:

式中:rij——第j种参数与基准参数Chla的相关系数,具体见表1；m——评价参数的个数。

表1 湖泊(水库)营养状态相关水质参数与Chla 的相关关系

各项目营养状态指数计算公式为:

式中:Chla——叶绿素a,mg/m3；

式中:SD——透明度,m；

式中:TP——总磷,mg/L；

式中:TN——总氮,mg/L；

式中:CODMn——高锰酸盐指数,mg/L。

采用0 ～100 的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级:TLI(∑)＜30 为贫营养；30≤TLI(∑)≤50 为中营养；TLI(∑)＞50 为富营养；50＜TLI(∑)≤60 为轻度富营养；60＜TLI(∑)≤70 为中度富营养；TLI(∑)＞70 为重度富营养[5-6]。

1.4.2 趋势检验

式中:rs——Spearma 秩相关系数；di——变量Xi和变量Yi的差值；Xi——周期1 到周期n按浓度值从小到大排列的序号；Yi——按时间排列的序号。

rs的绝对值与秩相关系数的临界值进行比较,取置信度为95%时的WP=0.9 作为判别标准。

2 结果与讨论

2.1 富营养化的总体状况:

选取2022 年东湖、前湖等17 个市区湖泊的叶绿素a、高锰酸盐指数、总磷、总氮、透明度等6个指标的监测年均值进行综合营养状态指数计算,结果如表2 所示。 除东湖、贤士湖为中营养状态外,其余15 个湖泊均为富营养状态,其中轻富营养状态6 个,占33.5%,中富营养状态7 个,占41.1%,重富营养状态2 个占11.7%,分别为老城区的西湖和工业区白水湖,说明南昌市主要湖泊富营养化仍较严重[7]。

表2 2022 年南昌市主要湖泊营养化评价结果

2.2 湖泊营养程度影响随季节变化规律

南昌市属亚热带季风湿润气候类型,四季气温变化分明,气候温暖,雨量充沛,阳光充足,无霜期长,冰冻期短。 春夏交替时常受副热带高压控制,气压低,气温高,天气闷热,常有暴雨。 每年10 月至次年4 月南昌的月平均气温为2.7 ～17.5℃；4 月—9 月月平均气温为21.9～32.8 ℃,其中8月最炎热。 春季气温的升高使水中蓝藻逐步复苏生长。 夏季气温的急剧升高使得蓝藻水华形成所需的积温时间缩短,有利于蓝藻的生长。 秋季降水的减少使水体中的污染物和营养盐浓度升高,富营养化程度加大,更有利于蓝藻的生长,水质进一步恶化。

2022 年4 月12 日,南昌市开始高温天气,使得蓝藻水华形成所需的积温时间提前,4 月下旬强对流天气频发导致5 月份蓝藻水华的出现,9月—10 月持续干旱少雨,持续时间为1961 年以来历史之最,使得水体富营养化指数高位不下。2022 年西湖、东湖、白水湖、前湖、黄家湖、象湖等6 个典型湖泊月综合营养状态曲线如图1 所示。5 月大多湖泊综合营养状态指数均出现峰值,到7月有所降低,随着持续干旱,9 月—10 月温度又有所升高,湖泊富营养化程度随季节变化十分明显,以西湖尤为突出。

选取中营养、轻度富营养、中度富营养、重度富营养典型湖泊与2022 年12 个月气温、气压、降水气象条件进行相关性分析,结果如表3 所示。结果表明,营养程度与气象条件均存在相关性,与气温存在正相关,与降水量、气压存在负相关。 其中与气温和气压的相关性总体较强,部分湖泊与降水有相关性,总体与降水量的相关性较弱[8]。

2.3 富营养化程度变化趋势

2.3.1 2018—2022 年营养状态级别变化情况

东湖、西湖、前湖、艾溪湖等9 个湖泊2018 年的营养状态级别均为中富营养化以上,统计2018—2022 年的监测数据,采用秩相关趋势法进行计算,结果见表4。 南昌市主要湖泊的富营养化指数总体呈降低趋势,全市湖泊水质逐渐得到改善,象湖由中富营养降至轻富营养,呈显著下降趋势；碟子湖、黄家湖由重富营养降至中富营养；东湖由中富营养降至中营养,呈下降趋势；西湖水质由中富营养上升至重富营养,呈上升趋势,污染出现反弹[9]。

表4 2018—2022 年南昌市典型湖泊富营养状态指数变化秩相关情况

2.3.2 污染因子变化分析

2018 年与2022 年湖泊中的化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷等污染因子的年均值如表5 所示。 与2018 年相比,2022 年湖泊中总磷浓度平均下降43.6%,总氮平均下降20.9%,氨氮平均下降18.2%,高锰酸盐指数平均下降5.7%,生化需氧量平均下降5.6%,化学需氧量平均下降4.7%,总体下降幅度排序为:总磷＞总氮＞氨氮＞高锰酸盐指数＞生化需氧量＞化学需氧量。 但是艾溪湖、瑶湖的氨氮浓度较2018 年分别上升71.0%和51.0%,相对应的总氮浓度也分别上升23.8%和10.2%；碟子湖的化学需氧量和高锰酸盐指数分别上升30.8%和10.7%,如图2 所示。 西湖除总磷外各项指标均大幅上升,水体环境质量严重恶化。[10-11]

图2 南昌市典型湖泊2022 年与2018 年各污染指标浓度比较

表5 2018 与2022 年南昌市典型湖泊各污染指标浓度年均值 mg/L

综上,南昌市主要湖泊富营养状态处于中富营养与轻富营养之间,总体呈下降趋势,其中总磷的含量下降明显,但仍有少数湖泊污染指标出现反弹,分别为艾溪湖、瑶湖的氨氮,西湖、碟子湖的化学需氧量和高锰酸盐指数,其中西湖上升为重富营养状态。

3 原因分析

3.1 治污方向和技术路线问题

单一的清淤治理方式,短期内显示水质改善,无法从根本上消除水体的富营养化,浅水封闭性湖泊,自身的流动性较差,自我净化能力较弱,暴雨期由于雨水和生活污水溢流排入,将再次引入大量的氮、磷等营养盐,随着污染的积累,湖泊富营养化出现反弹。 如西湖位于老城区孺子亭公园内,2017 年政府对公园进行改造,同时西湖进行底泥清理和水体活化等治理,水质短期内达标,但西湖为人工湖泊,地势较低,暴雨期间,西湖成为一个调蓄池,超过溢流口的雨水和污水一并流入西湖,导致水体水质恶化。 秋冬季,无外来补水,湖体水量下降,自身净化能力降低,利于营养物积累与藻类生长,导致湖泊富营养化指数升高。

3.2 农业面源和畜禽养殖污染

经济发展一方面推动了城镇化进程,使土地利用结构发生了很大变化,大量耕地变为乡镇建设用地,为满足人口对粮食的需求量,不得不通过加大化肥施用量来增加产出,过剩肥料随径流流入湖泊,成为湖泊营养盐的主要输入源。 另一方面,发展畜禽养殖、水产养殖、兴办乡镇小企业带来的污染造成湖泊水质恶化。 调查表明,流入艾溪湖的幸福水系周边乡镇大多以种植水稻、蔬菜和花卉为主,化肥和农药使用量大,沿渠畜禽养殖产生的废水、居民生活污水和垃圾、周边小作坊和小企业排放的废水随幸福渠进入艾溪湖,带来氮累积,造成湖内氨氮、总氮的显著上升。

3.3 城市污水管网建设缓慢,污水收集处理没有达到全覆盖

调查结果显示,瑶湖四周村庄没有污水收集系统,有不少村庄生活污水直接排入瑶湖,近年城市扩张,市政管网建设速度赶不上房地产开发速度,污水收集、污水处理率未达到全覆盖,瑶湖周边有多个楼盘的生活废水直接排入瑶湖,造成近年来氨氮和总氮的上升。 此外,老城区的一些污水管网设计不合理,溢流闸老化,新建泵闸提升改造工程建设缓慢,造成电排站前池污水溢流,使得湖泊水质恶化。

3.4 环保意识薄弱

一些企业主对环境不负责任,为减轻成本不自觉治理污水,甚至偷偷排污；群众的环保意识、主人翁意识、监督意识还不够强。 居民随意乱扔、乱倒垃圾等不良的生活习惯也影响水体环境。

4 对策与建议

4.1 因地制宜,采取“一湖一策”的方法

结合已取得的成果和国内外先进的科学技术,制定出合理科学的整治方案。 通过人工修复和重建湖泊生态系统,实现湖泊生态系统的良性可持续发展。 对浅型湖泊种植水草,投放食藻虫及微生物,同时投放鱼苗,完善食物链,实施立体生态修复,提高水域生态系统对各类污染物质的自净能力。

4.2 加强农业面源和农村生活污染综合治理,完善村落污水处理设施

对养殖废水、牲畜粪便等实施有效治理。 推广绿色农业,减少化肥的使用。 新建、扩建乡镇生活污水处理厂,完善城中村、老旧城区、城乡接合部生活污水收集管网,对城区老旧污水管网进行改造,排查雨污混接,企业私设暗管、污水直排、借雨水管道排污等现象,提高生活污水、工业污水收集处理率。

4.3 完善水资源保护和水污染防治管理体系

建立多部门协同管理机制,加强水资源的监测和管理。 城市排水主管部门应强化排水许可管理,加强监管和执法查处力度。 对污水未经处理直接排放或不达标排放导致水体黑臭的相关单位和工业集聚区严格执法,推动有关单位依法披露环境信息。 政府部门积极推动河湖长制,充分发挥河湖长的作用,加强统筹谋划,调动各部门密切配合,把湖泊保护和治理工作统一协调。 分级管理,条块结合,各司其职,各负其责,齐抓共管,促进对污染物排放和水质达标管理的对接,实现流域的综合治理。

4.4 开展宣传教育,提高公众环保意识

通过媒体宣传、学校教育、社会组织参与、公共设施宣传等多种形式,引导公众自觉维护治理成果,不向水体、雨水口违法排污,不向水体丢垃圾,主动保护水环境。