楊 俊，饒利華，姚思鵬，張 巍，蔡婷婷

（杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 杭州 310002）

0 引言

杭州西湖是典型的城市淺水湖泊，三面環(huán)山，一面臨城。由于各種原因，西湖水體曾一度呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢。1999年起，杭州市政府實施了西湖綜合保護(hù)工程，通過底泥疏浚、截污納管、引配水、生態(tài)修復(fù)等措施，對西湖進(jìn)行了綜合整治。西湖實施綜合整治及大規(guī)模引水配水后，入湖污染負(fù)荷得到了有效控制，水體更新能力增強(qiáng)，水環(huán)境改善趨勢明顯[1-6]。

自2009年開始，西湖陸續(xù)啟動“十一五”，“十二五”多項水專項示范工程，工程包括西湖湖西水域水生植物群落優(yōu)化、錢塘江引水高效降氮、北里湖生態(tài)修復(fù)、西湖水生態(tài)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換和流場優(yōu)化等多項對西湖水環(huán)境帶來重大改善的項目，而在這一時期對西湖生態(tài)及水環(huán)境的研究大多集中在水生植物種植及生物群落優(yōu)化[7-9]，對于水質(zhì)改善的定量研究極少。

目前，西湖水質(zhì)評價采用單因子評價方法，即以其中最差的指標(biāo)來決定水質(zhì)類別，這種評價方法不能客觀反應(yīng)綜合水質(zhì)改善情況，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法可以以一組主要水質(zhì)指標(biāo)綜合評價水質(zhì)狀況，能夠根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)進(jìn)行發(fā)表評價，結(jié)果可以反應(yīng)水質(zhì)綜合整治取得的成效。

本文主要采用水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法分5 個時期分析綜合整治過程中西湖水質(zhì)的變化特點和治理成效，研究成果可為西湖今后的科學(xué)治理提供依據(jù)，并為其它城市景觀湖泊的治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

自1999年起，西湖水質(zhì)的監(jiān)測工作已經(jīng)處于常態(tài)化，目前共設(shè)有20 個覆蓋各湖區(qū)及主要入湖支流的監(jiān)測點，西湖水質(zhì)監(jiān)測頻次為每月2 次，在分析中取月均、年均值作為監(jiān)測值。西湖不同治理措施實施區(qū)域不同，同一湖區(qū)的不同監(jiān)測點水質(zhì)指標(biāo)較為接近，本次研究選用小南湖、西里湖、外湖、北里湖4 個湖區(qū)作為代表站點，采樣地位見圖1。

圖1 西湖采樣點位示意

1.2 綜合水質(zhì)評價

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是根據(jù)現(xiàn)行國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法基礎(chǔ)上建立起來的一種全新的水質(zhì)評價方法[10]。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)由整數(shù)位和3 位或4 位小數(shù)位組成，其結(jié)構(gòu)為：

式中：Q 為綜合表示指數(shù)；X1.X2為參加綜合水質(zhì)評價各指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)均值；X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的指標(biāo)個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。

式中：n 為評價指標(biāo)的個數(shù)；Pi為第i 項指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)。

式中：Pi為單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)；F1用來表示第i 項指標(biāo)的水質(zhì)類別；F2用來表示監(jiān)測值在F1類水質(zhì)變化區(qū)間所處的位置，根據(jù)公式按四舍五入的原則確定；F3用來表示水質(zhì)類別與功能區(qū)劃分類別的比較結(jié)果[11]。

1.3 水質(zhì)隨時間變化評價

綜合水質(zhì)隨時間的變化表達(dá)為：基本不變、輕微變化、顯著變化[12]。

式中：（X1，X2）r1為比較分析時間間隔內(nèi)起始時刻的綜合水質(zhì)指數(shù)；（X1，X2）r2為比較分析時間間隔內(nèi)終止時刻的綜合水質(zhì)指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

近20年西湖的主要治理進(jìn)程分以下幾個階段：①1999年，反應(yīng)西湖綜合治理前本底情況；②2000 ～2003年，西湖底泥疏浚工程共完成疏浚量346.9 萬m3（水下方），疏挖面積達(dá)到5.54 km2，西湖平均水深從疏浚前的1.65 m 加深到2.27 m，西湖北線進(jìn)行環(huán)湖截污納管；③2003 ～2009年，西湖引水規(guī)模擴(kuò)大至40 萬t/d，西湖配水工程對錢塘江水脫磷降濁處理后進(jìn)入西湖；④2010 ～2015年，西湖進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)，西里湖、小南湖、北里湖等湖區(qū)種植了水、濕生植物，對5 萬m3/d 的西湖進(jìn)水進(jìn)行了高效降氮處理，北里湖、外湖引水流場進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了湖區(qū)水流內(nèi)循環(huán)；⑤2016 ～2018年反應(yīng)西湖水體現(xiàn)狀。

20 a 來，西湖主要針對N，P 等營養(yǎng)鹽進(jìn)行綜合整治，本文選取西湖有代表性的有機(jī)污染指標(biāo)及富營養(yǎng)化指標(biāo)對西湖綜合水質(zhì)進(jìn)行評價，即CODMn，TN，TP，NH3-N，且統(tǒng)一以地表Ⅲ類水作為20 a 內(nèi)目標(biāo)水質(zhì)類別。

2.1 不同治理手段對西湖主要水質(zhì)指標(biāo)的影響

不同治理時期西湖主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。由表1可以看出，在1999 ～2003年監(jiān)測時期內(nèi)，從西湖不同湖區(qū)來看，受西湖北線截污納管影響，這一時期北里湖水質(zhì)指標(biāo)改善較為明顯，其中TP，NH3-N，CODMn分別下降32.0%，17.4%，20.0%，西里湖、小南湖水質(zhì)指標(biāo)受底泥疏浚影響較小。從主要水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)來看，受西湖底泥疏浚影響最大的為NH3-N，小南湖、西里湖、外湖、北里湖分別下降10.5%，33.8%，33.4%，17.4%。西湖底泥疏浚對TN 影響最小，各湖區(qū)TN 均為發(fā)生明顯波動。

2003 ～2009年，錢塘江大規(guī)模引水（經(jīng)預(yù)處理）進(jìn)入西湖，西湖水質(zhì)指標(biāo)濃度下降明顯，TP 平均下降幅度達(dá)43.46%，NH3-N 平均下降幅度為46.12%，CODMn下降幅度為32.58%，TN 下降11.07%。由于位于上游湖區(qū)的小南湖、西里湖較早接受到大量經(jīng)脫磷處理的補(bǔ)給水源，使得小南湖、西里湖TP 下降幅度大于外湖及北里湖，因錢塘江水TP，NH3-N 濃度較高，未經(jīng)降氮處理的水源進(jìn)入西湖，對西湖氮鹽有一定的稀釋作用，但下降幅度較小。

表1 不同治理時期西湖主要水質(zhì)指標(biāo)mg·L-1

2010 ～2015年，西湖實施了綜合生態(tài)修復(fù)，與階段②均值相比，各項水質(zhì)指標(biāo)下降幅度較大，TP，CODMn，NH3-N 平均下降幅度均在30%以上，其中NH3-N 下降幅度最大為35.79%。TP，CODMn下降幅度最大的均為西里湖，較上一階段分別下降44.9%，33.6%，TN 下降幅度最大的為北里湖，較上一階段下降16.5%，NH3-N 下降幅度最大的為外湖，較上一階段下降44.7%。北里湖、外湖引水優(yōu)化，水生植物群落構(gòu)建、引水降氮等綜合生態(tài)修復(fù)措施對西湖各項水質(zhì)指標(biāo)均有較為明顯的治理成效。

就全時期來看，西湖現(xiàn)階段水質(zhì)指標(biāo)較第一階段下降幅度顯著，TP，TN，NH3-N，CODMn下降幅度均值分別為76.4%，41.9%，87.2%，57.8%，其中下降幅度最大的為北里湖NH3-N，下降91.65%，下降幅度最小的為小南湖TN，下降32.2%。

2.2 不同治理手段對西湖綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的影響

根據(jù)各指標(biāo)濃度的年均值，結(jié)合綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)和綜合水質(zhì)評價類別標(biāo)準(zhǔn)[13-14]，得出1999 ～2018年西湖主要湖區(qū)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)變化，見圖2。由圖2 可知，近20年來，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)最高點在1999年8月，北里湖（6.033），即為北里湖在1999年8月綜合水質(zhì)類別為劣Ⅴ類，參與評價的4 個水質(zhì)指標(biāo)中有3 項未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)類別。最低點在2017年8月，小南湖（2.510），即為2017年8月小南湖綜合水質(zhì)類別已達(dá)到Ⅱ類水，參與評價的4 個水質(zhì)指標(biāo)中有1 項未達(dá)到Ⅲ類。就全時期來看，2007年起，西湖監(jiān)測湖區(qū)綜合水質(zhì)類別年均值均已達(dá)到Ⅲ類，2018年，監(jiān)測湖區(qū)均達(dá)到或接近Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2 1999 ～2018 西湖主要湖區(qū)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)變化幅度

由圖2 可以看出，1999 ～2003年，北里湖綜合水質(zhì)改善幅度最大，綜合水質(zhì)類別由劣V 類提升至Ⅳ類，1999年初，北里湖TP，TN，NH3-N，CODMn這4 項監(jiān)測指標(biāo)均未達(dá)Ⅲ類水質(zhì)類別，其中TN 屬于劣V 類，2003年底，北里湖CODMn達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)類別，NH3-N達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)類別，北里湖湖面面積較小，靠近湖濱帶，底泥沉積物N，P 含量較高，這一時期西湖北線的截污納管對其改善效果最為明顯。結(jié)合實驗結(jié)果[15]西湖底泥沉積物中的N，P 等營養(yǎng)物質(zhì)隨著西湖底泥疏浚工程的實施大幅下降，西湖內(nèi)負(fù)荷得以減輕，對西湖富營養(yǎng)化控制提供了基礎(chǔ)。由于疏浚使得表層底泥快速去除，底泥沉積物環(huán)境條件發(fā)生很大變化，沉積物化學(xué)平衡失衡，新生成沉積物的營養(yǎng)鹽釋放潛力會有所增加，隨著西湖水體之間新的化學(xué)平衡建立，營養(yǎng)鹽的釋放潛力會逐漸下降，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的變化來看，在底泥疏浚工程運(yùn)行階段西湖各湖區(qū)綜合水質(zhì)變化幅度均小于10%。1999 ～2018 西湖主要湖區(qū)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)變化幅度見圖3。

圖3 1999～2018 西湖主要湖區(qū)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)變化幅度

由圖3 可以看出，自2003年起，錢塘江引水進(jìn)入西湖前用絮凝劑進(jìn)行脫磷降濁處理，大量優(yōu)質(zhì)引水進(jìn)入西湖，小南湖是主要的引水口，其入湖配水占總引水量的60%，其中大部分水經(jīng)花港流向西里湖。由于流場面積較小，湖水滯留時間較短，在引水工程實施初期，小南湖、西里湖的綜合水質(zhì)對引水的相應(yīng)程度高于外湖，引水工程運(yùn)行至2005年底，除北里湖外，其余監(jiān)測湖區(qū)綜合水質(zhì)類別均提升至Ⅲ類，其中西里湖TP 單因子水質(zhì)類別由Ⅴ類提升至Ⅲ類。由各湖區(qū)年均綜合標(biāo)識指數(shù)計算可得，2003 ～2006年，北里湖、外湖、西里湖、小南湖綜合標(biāo)識指數(shù)分別下降16.8%，11.3%，18.3%，16.8%；2006 ～2009年，上述湖區(qū)年均綜合標(biāo)識指數(shù)分別下降10%，8%，6%，0。外湖是引配水的主要流場，但由于水域面積和水體容量大，延緩了引水對原來湖水的更替作用，北里湖距離引水口較遠(yuǎn)，湖區(qū)相對孤立，引水工程前期水體更替較緩，但隨著引水時間的推移，西湖整體綜合水質(zhì)改善，北里湖及外湖綜合水質(zhì)指標(biāo)也在引配水工程實施后得到了顯著改善。2007年，監(jiān)測湖區(qū)年均綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)均達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類，月均綜合標(biāo)識指數(shù)類別達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類的月份占83%以上。1999 ～2018年西湖主要湖區(qū)綜合水質(zhì)變化評價見表2。

表2 1999 ～2018年西湖主要湖區(qū)綜合水質(zhì)變化評價

由表2 看出，2010 ～2015年期間，西湖綜合水質(zhì)類別相對穩(wěn)定，西湖各監(jiān)測湖區(qū)綜合標(biāo)識指數(shù)波動幅度較小，平均值較階段②提升11.5%。西湖生態(tài)修復(fù)工程在西里湖、小南湖、北里湖進(jìn)行的水生植物群落構(gòu)建，對水體自凈能力提升作用明顯，在北里湖、外湖進(jìn)行的流場優(yōu)化，促進(jìn)了水體內(nèi)循環(huán)，使得綜合水質(zhì)整體穩(wěn)定提升。北里湖流場優(yōu)化工程實施后，北里湖換水周期縮短為22.5 d，改善后的流場更有利于水體流動，隨著水生植物繁殖及優(yōu)勢群落逐漸形成，水體營養(yǎng)物的吸收和生物降解作用逐步增強(qiáng)，自2010年起至2018年，西湖生態(tài)修復(fù)措施對西湖綜合水質(zhì)類別改善明顯，2018年，北里湖、外湖、西里湖、小南湖綜合水質(zhì)類別達(dá)到Ⅱ類的月份分別占16.7%，41.7%，58.3%，58.3%，其中北里湖、外湖TN 達(dá)Ⅲ類的月份分別占41.7%，50%，均為歷年來最高。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用標(biāo)識指數(shù)對西湖綜合治理效果進(jìn)行評價，可以較為全面地反映西湖水體在較長時間變化中的整體信息，其評價結(jié)果合理可靠，能整體反應(yīng)治理成效，對實際情況表述較為客觀。

（2）對1999 ～2018年水質(zhì)指標(biāo)信息的基本統(tǒng)計結(jié)果顯示，20 a 間西湖主要水質(zhì)指標(biāo)濃度下降顯著，下降幅度在32.2%～91.7%之間，平均下降幅度66%，其中北里湖NH3-N 下降幅度最大，小南湖TN 下降幅度最小。

（3）綜合標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果顯示，西湖綜合整治對綜合水質(zhì)改善效應(yīng)顯著，其中北里湖綜合水質(zhì)提升幅度最大，西里湖次之。結(jié)果顯示，自2007年起，西湖監(jiān)測湖區(qū)綜合水質(zhì)類別均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中小南湖自2016年起穩(wěn)定在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）西湖不同湖區(qū)綜合水質(zhì)受治理措施影響不同，引水及生態(tài)修復(fù)對小南湖水質(zhì)的提升效果基本一致，對西里湖、外湖、北里湖而言，引水效果大于生態(tài)修復(fù)效果。就全時期來看大量優(yōu)質(zhì)水源入湖對稀釋西湖水體營養(yǎng)鹽濃度作用顯著，生態(tài)修復(fù)在降解西湖氮鹽，提升綜合水質(zhì)方面也有很大作用，同時對于強(qiáng)化水體自凈能力及保持水體穩(wěn)定性生態(tài)修復(fù)的作用不容忽視。