代曉穎，徐 棟,2，武俊梅，豐 俊，鄒書成，尹 珩

(1：武漢市環(huán)境保護科學研究院，武漢 430015) (2：中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室，武漢 430072) (3：武漢市環(huán)境監(jiān)測中心，武漢 430015) (4：中國地質大學(武漢)湖北省水環(huán)境污染系統(tǒng)控制和治理工程技術研究中心，武漢 430074)

武漢市擁有166個面積大于0.05 km2的湖泊，素有“百湖之市”的美稱，湖泊水域藍線控制面積為867.07 km2. 湖泊是武漢市最具特色的自然資源，不僅具有休閑娛樂、科研教育的社會價值，更具有調蓄洪澇、供應水源、氣候調節(jié)等生態(tài)功能. 然而近幾十年來隨著城市化進程的不斷推進，大量營養(yǎng)鹽等污染物排入湖泊水體，導致湖泊水質下降、藍藻暴發(fā)，湖泊富營養(yǎng)化問題突出[1-3]，湖泊的生態(tài)功能受到威脅. 根據(jù)《2005年武漢市環(huán)境狀況公報》，2005年武漢市Ⅴ類及劣Ⅴ類湖泊占比達61.2%[4]，中心城區(qū)湖泊水環(huán)境問題突出. 隨著生態(tài)環(huán)境保護理念的加強，2006-2009年間“清水入湖”工程、生態(tài)式水質凈化工程等相繼實施，此后湖泊水質惡化趨勢得到一定遏制[5]. 在武漢市生態(tài)環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃實施期間，通過出臺“一湖一策”等系列政策文件，推進黑臭水體工程整治、城鎮(zhèn)污水處理設施建設等項目的實施[6-7]，開展了系統(tǒng)的水污染防治工作，水生態(tài)環(huán)境保護取得進一步成效，但部分區(qū)域水環(huán)境污染問題仍然存在.

2014年武漢市被列為第二批全國水生態(tài)文明城市建設試點市，湖泊水環(huán)境是武漢市水生態(tài)文明建設的重要部分. 科學分析“十三五”期間武漢市湖泊水質變化特征，是“十四五”期間進一步改善湖泊水環(huán)境的前提，也將為2035年美麗中國目標的實現(xiàn)打下基礎. 目前應用較多的湖泊水質評價方法有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價法、主成分分析法等[8-11]. 現(xiàn)有針對湖泊水環(huán)境的研究多以單個湖泊為研究對象，綜合評價判斷湖泊水質變化[12-14]；或從具體水質指標的角度對湖泊水環(huán)境質量時空變化進行分析[15-17]，較少有對大范圍內的多個湖泊水質進行時空變化研究. 本文以武漢市166個湖泊為研究對象，分析2015-2019年間水質變化趨勢，重點分析其空間變化特征，定性與定量相結合來識別武漢市湖泊目前存在的主要問題，探討武漢市水環(huán)境污染的影響因素，為評估“十三五”以來武漢市湖泊水質總體變化，進一步有針對性地制定及實施湖泊水環(huán)境改善策略提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢市(29°58′～31°22′N，113°41′～115°05′E)是國家中心城市，湖北省省會城市，長江經濟帶沿線重要節(jié)點城市，全市總面積8569.15 km2. 2019年末全市常住人口1121.20萬人，全市實現(xiàn)地區(qū)生產總值(GDP)16223.21億元. 武漢地處江漢平原東部，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，全市地勢平坦，中間低平，南北低山丘陵隆起. 長江及其最大支流漢江在武漢交匯，市內河港溝渠交織，湖泊庫塘星羅棋布，全市水域面積2117.6 km2，約占總面積的四分之一. 全市列入保護目錄的湖泊共166個，長江南岸主要有東湖、湯遜湖等，長江北岸主要有漲渡湖、后官湖等(1)武漢市自然資源及社會經濟數(shù)據(jù)來源于《武漢年鑒(2020)》及《2019年武漢市國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》..

1.2 采樣方法

水質數(shù)據(jù)來源于武漢市環(huán)境監(jiān)測中心在2015-2019年對166個湖泊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)湖泊面積大小等因素，每個湖泊設置1～11個采樣點不等(圖1). 對南湖、湯遜湖、東湖等89個湖泊進行逐月采樣，取月均監(jiān)測數(shù)值代表年湖泊水質狀況，對崇仁湖、巨龍湖、西賽湖等77個湖泊每年豐水期(6-9月)監(jiān)測1次. 監(jiān)測指標包括24項地表水常規(guī)指標，本文選取溶解氧(DO)、pH、化學需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD)、總磷(TP)、總氮(TN)和氨氮(NH3-N) 8項指標作為湖泊水質分析評價的主要指標.

圖1 武漢市地形及湖泊分布Fig.1 Landform and lakes in Wuhan

1.3 數(shù)據(jù)處理與評價方法

1.3.1 湖泊水質類別評價 湖泊水質類別現(xiàn)狀依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)中相應類別標準，進行單因子評價. 湖泊水體富營養(yǎng)化狀況按照湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及分級標準[18]計算與評價.

1.3.2 綜合污染指數(shù)分析 采用綜合污染指數(shù)法對湖泊水質進行綜合評價，計算公式如下[19-20]：

(1)

(2)

式中，Pi為水質因子i的污染指數(shù)；Ci為水質因子i的實測濃度，mg/L；Li為《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)中水質因子i的Ⅲ類標準值，mg/L；n為水質因子個數(shù)；P為綜合污染指數(shù).

由于湖泊中DO濃度越高，表明水質越好[21]，故DO污染指數(shù)計算公式為：

Pi=0，Ci≥8

(3)

(4)

Pi=1+(Li-Ci)，Ci<4

(5)

湖泊酸堿度計算公式為:

(6)

(7)

式中，Lx為 pH下限值，Ls為 pH上限值.

1.3.3 動態(tài)度分析 依據(jù)湖泊不同時期的綜合污染指數(shù)，采用動態(tài)度分析方法[22]對湖泊水質研究期內變化程度進行分析. 計算公式為：

(8)

式中，S為研究期內湖泊綜合污染指數(shù)動態(tài)度，Pm為研究最終年份m湖泊綜合污染指數(shù)，Pn為研究初始年份n湖泊綜合污染指數(shù). 當m-n=1時，S代表年動態(tài)度.

2 結果與分析

2.1 2015-2019年武漢市湖泊水質的時間變化特征

武漢市166個湖泊中，150個湖泊在區(qū)界以內，16個湖泊屬于跨區(qū)湖泊，為易于進一步分析，將跨區(qū)湖泊劃入其所占面積最大的區(qū)內. 2019年武漢市Ⅲ類及以上湖泊相較2015年增加57.14%，劣Ⅴ類湖泊減少約18.92%. 2015年全市湖泊綜合污染指數(shù)均值為0.9684，2019年為0.8935，與2015年相比下降7.74%，湖泊水環(huán)境質量總體出現(xiàn)一定程度的好轉.

根據(jù)2015-2019年湖泊水質綜合污染指數(shù)年動態(tài)度與總體動態(tài)度的特征，將武漢市湖泊水質變化趨勢分為4種類型(表1). 2015-2019年南湖等3個湖泊綜合污染指數(shù)年動態(tài)度均為負值，表明湖泊水質在此期間持續(xù)好轉. 2015-2019年外沙湖等湖泊綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度為負，年動態(tài)度有正有負，表明湖泊水質總體呈好轉趨勢，但水質不能實現(xiàn)穩(wěn)定改善，期間出現(xiàn)波動. 2015-2019年湯遜湖等湖泊綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度為正，年動態(tài)度有正有負，表明水質總體呈波動變差的趨勢. 2015-2019年漢陽墨水湖水質綜合污染指數(shù)年動態(tài)度均為正值，水質持續(xù)變差. 總體來說，2015-2019年水質總體呈現(xiàn)好轉的湖泊多于水質總體變差的湖泊，且水質持續(xù)變差的湖泊極少，“十三五”期間湖泊水環(huán)境治理取得一定成效. 但水質穩(wěn)定好轉的湖泊較少，實現(xiàn)湖泊水質持續(xù)向好較為困難.

表1 2015-2019年武漢市湖泊水質變化趨勢*

如表2所示，相較于2015年，2019年共有38個湖泊營養(yǎng)狀態(tài)好轉，93個湖泊營養(yǎng)狀態(tài)保持穩(wěn)定，30個湖泊營養(yǎng)狀態(tài)惡化，5個湖泊因實施治理工程無法比較. 2015年重度富營養(yǎng)湖泊中有6個到2019年轉為輕度富營養(yǎng)湖泊，有5個轉為中度富營養(yǎng)湖泊，2015年重度富營養(yǎng)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)均得到有效改善. 2015年輕度富營養(yǎng)湖泊中近80%營養(yǎng)狀態(tài)穩(wěn)中逐步好轉，中度富營養(yǎng)湖泊中超過90%營養(yǎng)狀態(tài)穩(wěn)中逐步好轉. 與2015年相比，2019年中營養(yǎng)及輕度富營養(yǎng)湖泊數(shù)量增多，占比超過60%. 從湖泊營養(yǎng)狀態(tài)來看，“十三五”期間武漢市湖泊總體呈向好趨勢，但仍有青山北湖、金湖、后湖等部分湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)惡化. 湖泊富營養(yǎng)化主要源于氮磷營養(yǎng)物、耗氧有機物等污染物的輸入.

表2 2015-2019年武漢市湖泊營養(yǎng)狀態(tài)轉移矩陣*

2015-2019年武漢市湖泊總磷平均質量濃度主要呈現(xiàn)下降趨勢(圖2a)，但2019年仍有47%的湖泊總磷濃度劣于Ⅳ類評價標準，湖泊總磷平均質量濃度(0.14 mg/L)不能達到Ⅳ類評價標準，北太子湖、墨水湖等25個湖泊總磷濃度不能達到Ⅴ類評價標準，僅內沙湖總磷滿足Ⅱ類評價標準.

2015-2019年武漢市湖泊氨氮平均質量濃度變化趨勢與總磷相似(圖2b). 2019年平均質量濃度在5年中最低，2019年只有約14%的湖泊不能達到Ⅲ類評價標準. 2015-2019年武漢市湖泊化學需氧量平均質量濃度略有波動(圖2c)，2019年明顯下降，2019年化學需氧量不能達到Ⅳ類評價標準的湖泊占比為22%. 2015-2019年武漢市湖泊高錳酸鹽指數(shù)平均質量濃度波動幅度較為明顯(圖2d)，2015-2017年平均質量濃度逐年下降，2018明顯上升，2019年小幅下降. 2015-2019年武漢市湖泊主要污染物濃度總體均呈下降趨勢，磷元素始終是制約湖泊水質的主要因子，耗氧有機污染物、氮元素次之. 磷元素的控制是進一步改善武漢市湖泊水環(huán)境的關鍵.

圖2 2015-2019年武漢市湖泊水質指標變化趨勢Fig.2 Variations of the water quality indexes of lakes in Wuhan from 2015 to 2019

2.2 2015-2019年武漢市湖泊水質的空間變化特征

武漢市湖泊眾多且分布較廣，將分別采用以行政區(qū)劃為依據(jù)和以流域水系結構劃分為依據(jù)的湖泊水質空間分析. 以行政區(qū)劃為依據(jù)的湖泊水質空間分析，可以反映各行政區(qū)整體發(fā)展對于湖泊水質的影響，并為相關職能部門有針對性地進行區(qū)域水質管理與規(guī)劃提供依據(jù). 以流域水系結構劃分為依據(jù)的湖泊水質空間分析，可以反映流域河湖連通關系對水質的影響，并為進一步的水環(huán)境治理工程提供科學參考.

2.2.1 以行政區(qū)劃為依據(jù)的湖泊水質空間分析 結合相關資料，將江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)(化工區(qū))、東湖生態(tài)旅游風景區(qū)視為中心城區(qū)，黃陂區(qū)、新洲區(qū)、蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)、江夏區(qū)、東湖新技術開發(fā)區(qū)、武漢經濟技術開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))視為新城區(qū). 武漢市約80%湖泊位于新城區(qū)內，中心城區(qū)湖泊數(shù)量較少且集中，因此在探討湖泊水質空間變化特征時將武漢市中心城區(qū)作為整體進行分析.

根據(jù)各區(qū)湖泊水質綜合污染指數(shù)變化幅度，將綜合污染指數(shù)動態(tài)度分為4個等級(表3). 如圖3所示，2015年新洲區(qū)、蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)、武漢經濟技術開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))及江夏區(qū)湖泊水質綜合污染指數(shù)均較高. 2015-2019年黃陂區(qū)與東西湖區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度升高，水質小幅下降；中心城區(qū)、蔡甸區(qū)與東湖新技術開發(fā)區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度小幅下降，水質小幅提升；江夏區(qū)與武漢經濟技術開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))動態(tài)度明顯下降；新洲區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度大幅降低. 2019年湖泊水質總體綜合污染指數(shù)最高的是東西湖區(qū).

圖3 2015和2019年各區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)及總體動態(tài)度Fig.3 Comprehensive pollution index of lakes in different districts in 2015 and 2019 and dynamic degree of comprehensive pollution index of lakes in different districts

表3 湖泊綜合污染指數(shù)動態(tài)度分級

2015-2019年中心城區(qū)重度富營養(yǎng)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)均得到改善，中營養(yǎng)湖泊數(shù)量增多(圖4). 武漢經濟技術開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))、江夏區(qū)已無重度富營養(yǎng)狀態(tài)湖泊，東湖新技術開發(fā)區(qū)中度富營養(yǎng)湖泊水質均好轉，黃陂區(qū)湖泊整體營養(yǎng)狀態(tài)好轉. 但東西湖區(qū)重度富營養(yǎng)湖泊增多，蔡甸區(qū)仍有少量重度富營養(yǎng)湖泊.

圖4 各區(qū)湖泊不同營養(yǎng)狀態(tài)占比變化Fig.4 The proportion change of different eutrophication status of lakes in different districts

2.2.2 以流域水系結構為依據(jù)的湖泊水質空間分析 受地形條件、江河分割和人工堤壩等因素的影響，武漢市湖泊分布形成以若干大湖為中心的水系流域結構，主要分為東湖-沙湖水系、湯遜湖水系、北湖水系、后湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系、東西湖水系、西湖水系、魯湖-斧頭湖-梁子湖水系、武湖水系、漲渡湖水系和泛區(qū)水系[5].

2015-2019年，后湖水系及武湖水系中度富營養(yǎng)化湖泊增多，東西湖水系重度富營養(yǎng)化湖泊增多，泛區(qū)水系整體營養(yǎng)狀態(tài)顯著好轉，其他水系營養(yǎng)狀態(tài)均穩(wěn)中向好. 2015-2019年，北湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系、東西湖水系及后湖水系綜合污染指數(shù)上升(表4)，其他水系綜合污染指數(shù)均降低. 2019年墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系及東西湖水系綜合污染指數(shù)總體較高，武湖水系次之.

表4 各水系概況及綜合污染指數(shù)變化

北湖水系內青山北湖，墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系內龍陽湖、墨水湖，湯遜湖水系內黃家湖、南湖雖然位于中心城區(qū)，但綜合污染指數(shù)較高. 武湖水系和后湖水系中后湖、黃陂湯湖等多個位于新城區(qū)的湖泊水質較差.

3 討論

近年通過實施截污工程、植物生態(tài)修復等系列工程措施，中心城區(qū)湖泊水質提升總體取得了一定的成效[23-24]，但中心城區(qū)北湖水系、墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系、湯遜湖水系仍有待改善. 城市地表徑流、排口排污及底泥內源污染物釋放是中心城區(qū)湖泊水環(huán)境較為突出的污染源. 根據(jù)武漢市統(tǒng)計年鑒，到2017年底約有61%的常住人口居住在武漢市中心城區(qū)，但污水處理設施尚不完善，雨污分流管網(wǎng)有待進一步健全，一方面生活生產污水通過排口排入湖泊，另一方面城市地表徑流攜帶多種污染物輸入湖泊水體[25]. 湯遜湖水系內黃家湖等湖泊水質不達標，南湖水質近年持續(xù)改善，但綜合污染指數(shù)仍在較高水平. 湯遜湖水系雖總體湖泊面積大，但排污問題突出. 城市地表徑流對黃家湖的氮磷營養(yǎng)物質貢獻率均較高[26]，南湖周邊污水直排，雨季溢流問題突出[27]. 水系內的港渠、河流也存在污水排放的問題，進而對水系內湖泊水質產生影響. 北湖水系內青山北湖位于武漢重要的化工區(qū)，工業(yè)污水漏排偷排現(xiàn)象有待改善.

外源污染物的輸入致使湖泊底泥中逐漸積累較多的有機物、氮磷營養(yǎng)物等污染物，底泥與上覆水持續(xù)存在著物質交換，當?shù)啄啾粩噭訒r，底泥中的污染物將大量向水體中釋放，造成水質惡化[28]，江蘇太湖的水質就受到其底泥的影響[29]. 位于漢陽區(qū)的墨水湖、龍陽湖周邊有化工區(qū)、生活區(qū)，早期因工業(yè)廢水、生活污水排放積累了較多的污染物，墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系整體水質基礎較差，底泥內源污染影響較大.

東西湖區(qū)東西湖水系、黃陂區(qū)武湖水系、后湖水系水環(huán)境問題較為突出，農業(yè)生產、生活帶來的面源污染、工業(yè)污水排放是影響湖泊水環(huán)境的主要因素. 武漢市農用地主要集中在新城區(qū)，農業(yè)生產活動多在新城區(qū)進行，新城區(qū)的農業(yè)面源污染風險較高[30-31]. 黃陂區(qū)后湖、武湖、李家大湖等多個湖泊周邊均存在農業(yè)種植、水產養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖，化肥、農藥、養(yǎng)殖廢水等污染物在降水和灌溉過程中，通過地表徑流、農田排水等方式流入水體，使得湖泊中氮磷及有機物濃度升高. 江蘇洪澤湖富營養(yǎng)化也與周邊地區(qū)農業(yè)生產中使用化肥、農藥關系密切[32]. 東西湖區(qū)作為武漢市重要的農副產品生產加工基地，水環(huán)境受到加工產生的副產品、廢棄物以及水產養(yǎng)殖、種植業(yè)的直接影響. 2016年東西湖區(qū)龍王溝全湖種植蓮藕，化肥的施用導致湖泊中氮、磷濃度顯著升高. 禁養(yǎng)區(qū)出現(xiàn)水產養(yǎng)殖等農業(yè)活動也是導致水質較難實現(xiàn)持續(xù)改善的原因.

1970s以來，武漢市湖泊面積經歷了大幅萎縮的過程，建筑用地的填占導致武漢市湖泊呈現(xiàn)破碎度高、連通性低的特征，南太子湖、金湖等湖泊斑塊數(shù)明顯增多[33]. 水域面積減少、斑塊數(shù)量增多，將導致湖泊的流動性變差、自凈能力降低[34]. 東西湖水系、后湖水系內湖泊面積多數(shù)小于1 km2，且水質較差，墨水湖-龍陽湖-南(北)太子湖水系內湖泊破碎度高，污染物輸入后，自身凈化能力低.

“十三五”期間武漢市湖泊水質治理總體取得了一定成效，但保持水質持續(xù)向好的趨勢較難，“十四五”期間對總磷的控制仍然是提升水質的關鍵. 中心城區(qū)青山北湖、南湖等湖泊綜合污染指數(shù)較高，需進一步加強排口治理、開展底泥疏浚等工程措施，東西湖區(qū)、黃陂區(qū)等新城區(qū)整體水質仍有待提升，需強化農業(yè)面源污染控制、工業(yè)污染防治及生態(tài)修復.

4 結論

1)2019年全市湖泊綜合污染指數(shù)均值為0.8935，與2015年相比下降7.74%，2015-2019年多數(shù)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)穩(wěn)中好轉. 2015-2019年湖泊水質總體呈向好趨勢，但湖泊水質多出現(xiàn)波動，較難實現(xiàn)持續(xù)改善.

2)武漢市湖泊主要超標污染物為總磷、氨氮、化學需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，4種污染物平均質量濃度在2015-2019年間整體呈下降趨勢，磷元素始終是制約湖泊水質的主要因子，磷的控制是進一步改善湖泊水環(huán)境的關鍵.

3)2015-2019年間武漢市中心城區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)下降，重度富營養(yǎng)狀態(tài)湖泊消失，水質總體好轉，“十三五”期間水環(huán)境治理取得一定成效. 但中心城區(qū)內青山北湖、墨水湖、龍陽湖等湖泊綜合污染指數(shù)較高，東西湖區(qū)、黃陂區(qū)等新城區(qū)水質相對較差.

4)中心城區(qū)與新城區(qū)的發(fā)展定位、城市化程度等不盡相同，導致影響其轄區(qū)內水環(huán)境質量的主導因素不同，排口等污染源對中心城區(qū)湖泊水質影響較大，工業(yè)污染、農業(yè)面源污染對新城區(qū)湖泊水質影響較大. 湖泊的破碎化導致湖泊自凈能力降低，對于湖泊水質也有一定影響. 同時，水系內連通港渠的水質治理也需加以重視，水環(huán)境質量提升需綜合考慮水系內各個湖泊及連通河流、港渠情況，采取系統(tǒng)性治理措施.

致謝：論文研究成果為《武漢市水生態(tài)環(huán)境保護“十四五”規(guī)劃》編制提供支撐，在此感謝合作單位武漢市環(huán)境監(jiān)測中心提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，感謝長江生態(tài)環(huán)境保護修復聯(lián)合研究武漢駐點團隊對論文的指導及支持.