松花江流域典型城市湖泊水质评价——以落马湖为例

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＬＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

吉　林　化　工　学　院　学　报

Ｖｏｌ.３６Ｎｏ.１１Ｎｏｖ.　２０１９

　　文章编号:１００７￣２８５３(２０１９)１１￣００５３￣０５

松花江流域典型城市湖泊水质评价

———以落马湖为例

谷　风１ꎬ吴春英１ꎬ白　鹭１ꎬ赵　健２

１３２０１３)

(１.吉林化工学院资源与环境工程学院ꎬ吉林吉林１３２０２２ꎻ２.吉林省吉林市楷强检测技术有限公司ꎬ吉林吉林

摘要:对落马湖的水质进行分析ꎬ结果表明其主要污染物为ＴＮ(总氮)、ＴＰ(总磷)和挥发酚等ꎻ结合化学需氧量、溶解氧和叶绿素ａ的值ꎬ利用综合营养状态指数法判定落马湖处于重度富营养化状态ꎬ水体在Ⅳ~Ⅴ类水质标准范围.湖中氮元素充足ꎬ藻类的生长速度取决于磷元素的含量ꎬ落马湖属于磷控制性湖泊.关

键

词:环境工程学ꎻ落马湖ꎻ水质分析ꎻ水体富营养化ꎻ综合营养状态指数法

文献标志码:Ａ

ＤＯＩ:１０.１６０３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２－１２４９.２０１９.１１.０１３

中图分类号:Ｘ５２４

　　落马湖地处吉林市船营区ꎬ毗邻旅游胜地、久

负盛名的寺庙风景园林￣北山公园ꎬ是一个具有旅游休闲、娱乐、调节气候和改善城市生态环境等多种水体功能的城市湖泊.落马湖面积约５００００ｍ２ꎬ深约３ｍꎬ水道与吉林市水源地松花江相通ꎬ初建成时用来排泄汛期山上下来的雨水ꎬ１９９９年吉林市政府将落马湖及周边区域命名为落马湖公园ꎬ成为吉林市人民休闲娱乐的又一景观区域.随着经济的发展及落马湖水生态环境保护的缺失ꎬ相应领域的污染物排放量显著增加ꎬ使得湖水水质在短时间内迅速恶化.水体富营养化是其典型的表现形式ꎬ且湖泊型水体在一定营养状态下容易发生“水华”现象[１￣４]ꎬ这不仅极大的影响周围居民的生活ꎬ同时也对松花江的水质安全构成严重的威胁.因此ꎬ本文探究落马湖富营养化现状及因由ꎬ在此基础上ꎬ给出相应防治建议ꎬ以期为吉林市的城市生态文明建设、改善居民生活环境、保护饮用水安全提供理论支持.

落马湖的地理特点ꎬ在湖岸、湖心及主要进水口等处设置具有代表性的采样点６个ꎬ具体位置如图１所示.根据湖泊的季节性特征[５]ꎬ将采样时间定于２０１５年１２月至２０１６年８月(其中２月、５月、７月采样各两次)ꎬ共１２次分别对６个点位进行水样采集ꎬ现场测定透明度(ＳＤ)、ＰＨ等指标ꎬ并用０.４５μｍ的Ｍｉｌｌｉｐｒｅ滤膜将水样过滤ꎬ加硫酸酸化(ｐＨ≤２)保存带回实验室即刻进行分析.

图１　采样点设置

１　材料与方法

１.１　采样

落马湖为典型的浅水湖泊ꎬ受湖区周围人类活动影响不同ꎬ水质的水平差异较大.根据«水质采样技术指导(ＨＪ４９４￣２００９)»和«水质采样方案设计技术规定(ＨＪ４９５￣２００９)»等相关要求ꎬ结合

１.２　水质检测指标

落马湖目前主要的水体功能是景观水体ꎬ结合地表水环境质量标准(ＧＢ３８３８￣２００２)以及«水和废水监测分析方法(第４版)»ꎬ分析测定ｐＨ值、溶解氧(ＤＯ)、化学需氧量(ＣＯＤ)、高锰酸盐指数(ＣＯＤＭｎ)、生化需氧量(ＢＯＤ５)、氨氮含量(ＮＨ３￣Ｎ)、总氮(ＴＮ)、总磷(ＴＰ)、挥发酚、水体透明度(ＳＤ)和叶绿素ａ(Ｃｈｌａ)等指标.

收稿日期:２０１９￣０６￣０５

基金项目:吉林省教育厅项目(２０１６０１３６)ꎻ吉林市科技局科技创新项目(２０１６３３０１)

作者简介:谷　风(１９７２￣)ꎬ女ꎬ河北唐山人ꎬ吉林化工学院讲师ꎬ硕士ꎬ主要从事环境工程方面的研究.

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１.３　评价参数

通常选择与富营养过程最密切的项目作为评价水体富营养化的参数ꎬ包括物理指标(水色、ＳＤ、温度、悬浮物等)ꎬ化学指标(ｐＨ值、ＤＯ、ＴＮ、ＴＰ、ＣＯＤＭｎ等)和生物指标(叶绿素ａ、浮游植物、浮游动物、ＮＨ３￣Ｎ、微生物等).

总氮、总磷浓度升高ꎬ是水质变差的主要原因[６]ꎬ又考虑到各参数间有一定的内在联系ꎬ所以本次工作选ＴＮ、ＴＰ、ＣＯＤＭｎ、Ｃｈｌａ和ＳＤ五项在湖泊营养状态变化中最为密切的参数ꎬ作为定量２　结果与讨论

２.１　评价结果

采用综合营养状态指数法对落马湖水体进行富营养化评价ꎬ结果如表２~３所示.

表２　落马湖水体各采样点营养状态指数与分级采样地点ＴＬＩ富营养ＴＬＩ富营养ＴＬＩ富营养１２月￣２月

３月￣５月

６月￣８月

描述落马湖营养类型的指标.１.４　评价方法

采用中国环境监测总站推荐的湖泊富营养化评价法及分级技术规定的综合营养状态指数法对落马湖水体富营养化现状进行评价[７]状态指数计算公式为:

ꎬ综合营养ＴＬＩ(式中:ＴＬＩ(∑∑))＝为综合营养状态指数∑ｍ

ｊ＝１

Ｗｊ􀅰ＴＬＩ(ｊ)ꎬꎻＷｊ为第ｊ种参数的营养状态指数的相关权重ꎻＴＬＩ(ｊ)为第ｊ种参数的营养状态指数.

将叶绿素ａ作为基准参数ꎬ则第ｊ种参数的归一化的相关权重计算公式为:

Ｗ＝ｒ２ｉｊ

ｊ∑ｍꎬ

ｊ＝１

ｒ２ｉｊ

式中:ｒｉｊ为第ｊ种参数与基准参数叶绿ａ的相关系数ꎻｍ为评价参数的个数.

营养状态指数计算公式分别为＋:

ＴＬＩＴＬＩ(ＴＬＩ(ＣｈｌａＴＰ))＝＝１０(９１０(２.４３６.５＋１.０８６􀅰ｌｎＣｈｌａ)ꎬＴＬＩ(ＴＬＩ(ＴＮ(ＳＤ)＝ＣＯＤ)＝１０(５１０(５..４５３＋１.６２４􀅰ｌｎＴＰ)ꎬ１１８－１１..６９４􀅰ｌｎ９４􀅰ｌｎＳＤＴＮ)ꎬ

)ꎬ注:叶绿素Ｍｎ)ａ＝的单位是１０(０.１０９ｍｇ􀅰ｍ＋２.６６１􀅰ｌｎＣＯＤ－３Ｍｎ)ꎬ单位是ｍꎬ其它各项指标单位均为ｍｇ􀅰Ｌꎬ透明度－１ＳＤ采用０~１００一系列连续数字对水体富营养.

化程度进行分级ꎬ如表１所示.

表１　水体富营养化程度划分表

评分值ＴＬＩ(∑)营养状态分级

定性评价３００<ＴＬＩ(∑)≤３０贫营养５０<＝ＴＬＩ(∑)≤５０中营养

良好优

６０<ＴＬＩ(∑)≤６０((轻度)富营养轻度污染ＴＬＩＴＬＩ(∑)(∑)≤７０>７０

(中度重度))富营养富营养

中度污染重度污染

Ａ１(∑)值化等级(∑)值化等级(∑)值化等级６９.６３Ａ２６１.０６富营养中度６７.４０富营养中度６５.８５富营养中度Ａ３７２.３８富营养中度６０.３６富营养中度６８.９９富营养中度Ａ４７４.４４富营养重度７８.５３富营养重度７１.７９富营养重度Ａ５富营养重度７５.２２７６.４９富营养重度７３.８５富营养重度Ａ６

７０.３２

富营养重度８４.２１富营养

重度６１.５５

富营养重度８２.１０富营养重度富营养

中度７２.８３

富营养

重度表３　落马湖水体指标的营养状态指数与分级评价

时期

１２月￣８２.６０Ｃｈｌａ

８２.２０ＴＰ

８６.７２ＴＮ

９６.８４ＳＤ

ＣＯＤＭｎ

６３.０７(∑)ＴＬＩ７０.７２值营养程度

重度３２月月￣８４.１１８１.３５８７.２１富营养６５９７.６８６４.９２７１.２１重度８月月月￣８７.３６７９.４８９０.８１９８.７８６６.３６７２.５７富营养富营养

重度由表可知ꎬ落马湖水体营养程度为重度富营养ꎬ枯水期营养水平略低于丰水期ꎬ综合来看ꎬ落马湖水体的营养程度不随季节而有明显变化.２.２　水质现状与影响因子分析

分析各指标与叶绿素ａ的相关性ꎬ以得到落马湖水体富营养化的控制因子及落马湖水质现状ꎬ结果如图２所示.

ａ.ｐＨ值与叶绿素含量

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ｂ.溶解氧与叶绿素含量

ｃ.生化需氧量与叶绿素含量

ｄ.化学需氧量与叶绿素含量

ｅ.高锰酸盐指数与叶绿素含量

ｆ.氨氮含量与叶绿素含量

ｇ.ＴＮ含量与叶绿素含量

图２　各水质指标变化对叶绿素含量的影响

ｈ.ＴＰ含量与叶绿素含量

２.２.１　系ꎬ如图ｐＨｐＨ值为值

２ａ所示７~ꎬｐＨ８ꎬ分析其与叶绿素值稳定适中ꎬ叶绿素ａ的变化关ａ含量持续上升ꎬｐＨ值非落马湖水体富营养化的控制因子２.２.２　.

溶解氧浓度为溶解氧

２.８０~３.８０ｍｇ􀅰Ｌ－１解氧浓度最低ꎬ符合Ⅴ类水质标准ꎬ因为随着水体ꎬ平水期溶温度升高ꎬ各种生物的生命活动增强ꎬ尤其藻类繁殖大量消耗溶解氧ꎬ造成水体中溶解氧含量降低.枯水期水温较低ꎬ水中生物生命活动不强烈ꎬ消耗的溶解氧较少.丰水期溶解氧浓度升高ꎬ主要原因是下雨卷入空气中的氧气ꎬ补偿了水体中的溶解氧损失.枯水期和丰水期水中溶解氧浓度符合Ⅳ类水质标准ꎬ由图２ｂ可知溶解氧并非落马湖水体富营养化的控制因子２.２.３　.湖水中有机物含量难以直接测定有机物含量

ꎬ以生化需氧量、化学需氧量和高锰酸盐指数间接表示.根据入湖污染物来源调查ꎬ同时分析了挥发酚含量－.

湖水的生化需氧量为２.３２~２.９７ｍｇ􀅰Ｌ１到Ⅰ类水标准.考虑到水中的溶解氧值较低ꎬ会导ꎬ达致生化需氧量值也低ꎬ因此该指标不能完全反映落马湖的水质状况.

湖水化学需氧量为１０３.１７~１０７.５２ｍｇ􀅰Ｌ－１高锰酸盐指数为１０.２７~１１.６２ｍｇ􀅰Ｌ－１ꎬ符合Ⅴ类

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水标准.落马湖枯水期、平水期、丰水期化学需氧量和高锰酸盐指数均逐渐小幅上升.丰水期湖水水质本应因水量增大而好转ꎬ但是分析数据却表明化学需氧量和高锰酸盐指数在增加ꎬ这与丰水期大量雨水入湖及污水的排入ꎬ带入一定量的污染物有关.有机物含量稳定ꎬ而叶绿素ａ含量持续增高ꎬ如图２ｃ、ｄ、ｅ所示ꎬ说明湖中有足够藻类利用的有机物ꎬ有机物并非落马湖水体富营养化的控制因子.

落马湖水体中挥发酚浓度为５.１２５~５.５４２ｍｇ􀅰Ｌ－１ꎬ超过Ⅴ类水质标准５０余倍ꎬ严重污染ꎬ的数据ꎬ可见落马湖水体富营养化程度逐年加剧.２.３.２　落马湖富营养化主要影响因素

落马湖氮、磷含量从湖周到湖心、从北到南呈

现下降趋势ꎬ尤其是位于落马湖西北部５号位点的氮、磷含量明显高于湖心区附近的１号位点ꎬ说明沿岸污染物排放是导致落马湖水体污染的原因之一.落马湖地处城区旅游景点ꎬ附近商业、小型生产企业及居民等无序排放的污染物直接或通过地表径流间接进入落马湖水体ꎬ而落马湖水流缓慢ꎬ水力滞留时间较长ꎬ导致营养盐蓄积在落马湖ꎻ另外ꎬ湖中底泥也含有部分污染物和氮磷ꎬ在但挥发酚与湖水中叶绿素ａ含量无明显相关关系２.２.４　.

水体富营养化的主要影响因素是氮和磷氮、磷营养因子

.落马湖水体氨氮浓度为５.７８９~８.３５７ｍｇ􀅰Ｌ－１浓度为６.６８６~８.５１７ｍｇ􀅰Ｌ－１准ꎬ二者变化趋势相同ꎬ丰水期浓度达到最高ꎬ符合Ⅴ类水质标ꎬ总氮.水体中叶绿素ａ含量与氨氮、总氮浓度呈正相关关系ꎬ如图２ｆ、ｇ所示ꎬ说明氮元素是落马湖水体富营养化的控制因子.

落马湖水体总磷浓度为０.４００~０.４７３ｍｇ􀅰Ｌ－１符合Ⅴ类水质标准.枯水期和平水期总磷浓度无ꎬ明显变化ꎬ丰水期总磷浓度最低ꎬ分析认为与丰水期水量增大及藻类繁殖利用有关ａ说明藻类的繁殖减少了湖水中磷元素的含量含量与总磷浓度呈负相关关系ꎬꎻ如图湖水中叶绿素２ｈ所示.藻ꎬ类对氮和磷的吸收按照７.２１的质量比进行ꎬ落马湖枯水期、平水期和丰水期的总氮总磷质量比分别为１４.１４１、１５.３３１和２０.８９１ꎬ可见落马湖中氮元素充足ꎬ藻类的生长速度取决于磷元素的含量ꎬ总磷是落马湖水体富营养化的限制因子ꎬ落马湖属于磷控制湖泊.

落马湖水体透明度为０.０８６－~０.０９５ｍꎬ叶绿素含量为２０１.１~３１１.７ｍｇ􀅰ｍ３水期湖水透明度逐渐降低ꎬ叶绿素含量显著升高ꎬ枯水期、平水期、丰ꎬ归因于藻类的大量生长[８]２.３　.２.３.１　水体富营养化状况评价水体富营养化是充足营养盐落马湖富营养化变化态势

、缓慢水动力条件及适宜温度共同作用的结果[９]域的温度、光照等环境条件随季节变化较大.落马湖所在区ꎬ但水体的营养程度不随季节而有明显变化ꎬ整体呈现较重的富营养化现象.有研究表明ꎬ２０１４年落马湖总氮７４、５６及、总磷８２左右、叶绿素ａ的营养状态指数分别在[１０]ꎬ结合本研究于２０１５、２０１６年

酸性、还原条件下会释放而出污染水体.落马湖水体总氮、总磷的比值总体平均值约为１６.７９ꎬ超过淡水藻类体内的氮磷比(约为７.２１)ꎬ一般认为ꎬ当氮磷比大于１０~１４时ꎬ磷可以考虑为藻类增长的限制因素[１１￣１２]水体营养状态进程的关键元素ꎬ由此可以认为磷元素是落马湖ꎬ磷元素的持续增量汇入ꎬ将导致水体富营养化加剧[１３]暴发水华现象ꎬ进一步导致水质恶化.

ꎬ并有可能２.３.３　针对落马湖实际情况落马湖富营养化控制对策ꎬ建议采取:“外源减

排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”的治理技术路线ꎬ严格控制落马湖的入水水质ꎬ严禁向湖里投放易致污物质.为实现落马湖水体富营养化的长期有效治理ꎬ可以利用生态学原理构建食物链来解决水体富营养化问题[１４￣１５]适比例向落马湖投放鲢鱼等水生动物.ꎬ例如这对去除ꎬ以合浮游动植物、抑制水华有很好的效果[１６]外ꎬ还可以种植水生植物ꎬ投放净水微生物等均可ꎻ除此之有效去除营养盐类和有机物[１７].

３　结　　论

落马湖总体污染状况达到Ⅴ类水质ꎬ采用综合营养状态指数法对落马湖水体进行富营养化评价ꎬ年均综合营养指数７１.５ꎬ属于重度富营养ꎬ存在产生水华的风险.通过相关性分析ꎬ总磷是落马湖水体富营养化的限制因子ꎬ落马湖属于磷控制湖泊.

结合落马湖的水质特点和当地社会经济发展状况ꎬ建议落马湖的生态环境保护工作重点放在控制外源污染物质、调整水生生态系统物种组成、合理布局周边产业结构等方面ꎬ这对改善落马湖水质、保护松花江水源地安全具有重要的意义.

　　第１１期谷　风ꎬ等:松花江流域典型城市湖泊水质评价　　５７　

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ＧＵＦｅｎｇ１ꎬＷＵＣｈｕｎｙｉｎｇ１ꎬＢＡＩＬｕ１ꎬＺＨＡＯＪｉａｎ２

(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＪｉｌｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＪｉｌｉｎ１３２０２２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＪｉｌｉｎＫａｉｑｉａｎｇＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｏ.ꎬＬＴＤꎬＪｉｌｉｎ１３２０１３ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎＬａｋｅＬｕｏｍａꎬｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｔｓｍａｊｏｒｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓａｒｅＴＮ(ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ)ꎬＴＰ(ｔｏｔａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ)ａｎｄｖｏｌａｔｉｌｅｐｈｅｎｏｌ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＯｘｙｇｅｎａｓｓｅｓｓｉｎｇｔｈｅｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎｏｆＬａｋｅＬｕｏｍａꎬａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃｏｎｆｉｒｍｔｈａｔｉｔｓｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｓｈｅａｖｙｅｕｔｒｏｐｈｉｃ.ｑｕａｌｉｔｙｓｔａｎｄａｒｄｓ.Ｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｔｈｅｌａｋｅｉｓｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔꎬａｎｄｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆａｌｇａｅｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ.Ｗａｔｅｒｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｋｅｉｓｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ￣ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ.ｎｕｔｒｉｔｉｏｎｓｔａｔｅｉｎｄｅｘｍｅｔｈｏｄ

ＤｅｍａｎｄꎬＤｉｓｓｏｌｖｅｄＯｘｙｇｅｎａｎｄＣｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌａꎬｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｒｏｐｈｉｃｓｔａｔｅｉｎｄｅｘｍｅｔｈｏｄａｒｅａｐｐｌｉｅｄｆｏｒＴｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆＬａｋｅＬｕｏｍａｍｅｅｔｓｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆⅣｔｏⅤｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻｌａｋｅｌｕｏｍａꎻｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓꎻｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎꎻｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ