以沙湖為例探究寧夏內(nèi)陸封閉型湖泊水體污染原因

田林鋒，羅桂林，馬映雪，姜文娟

1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082 2.石嘴山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，寧夏 石嘴山 753000 3.寧夏理工學(xué)院，寧夏 銀川 753000

湖泊是自然環(huán)境作用力影響下逐漸形成的一類(lèi)相對(duì)獨(dú)立的水環(huán)境自然生態(tài)系統(tǒng)[1-2]，是地球水圈的重要組成部分，也是地球陸地表層系統(tǒng)各要素相互作用的連接點(diǎn)，其作為地球上重要的淡水資源庫(kù)、洪水調(diào)蓄庫(kù)和物種基因庫(kù)，與人類(lèi)水產(chǎn)與生活息息相關(guān)?！吨袊?guó)湖泊志》和第二次全國(guó)湖泊調(diào)查，將中國(guó)主要湖泊區(qū)域劃分為五大類(lèi)[3]，分別為青藏高原區(qū)、西北干旱區(qū)、云貴高原區(qū)、東北平原與山地區(qū)和東部平原區(qū)。其中西北干旱區(qū)主要為封閉式湖泊，這一類(lèi)湖泊主要面臨水體蒸發(fā)量大，補(bǔ)水量少，礦化度高，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，水環(huán)境質(zhì)量不斷下降等問(wèn)題[4-6]。沙湖為西北干旱區(qū)典型的封閉式高原湖泊，其前身為寧夏農(nóng)墾集團(tuán)有限公司前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)漁湖，1989年開(kāi)發(fā)建設(shè)旅游區(qū)。隨著多年的旅游開(kāi)發(fā)，沙湖生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水環(huán)境質(zhì)量逐年下降，環(huán)境問(wèn)題日趨加重，雖然國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)沙湖污染特征進(jìn)行過(guò)相關(guān)分析，但鮮有直觀(guān)揭示沙湖水質(zhì)變化原因的報(bào)道[7-12]。

筆者采用污染源調(diào)查和污染物總量核算方法，對(duì)沙湖周邊區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量污染狀況進(jìn)行研究，探究沙湖多年來(lái)水體污染物總量累計(jì)及水質(zhì)突變性原因，同時(shí)通過(guò)數(shù)學(xué)模式核算沙湖周邊污染物遷移轉(zhuǎn)化及對(duì)沙湖水體水環(huán)境質(zhì)量的影響程度，揭示沙湖水體主要污染原因及污染變遷規(guī)律，為沙湖水污染防治提供技術(shù)支撐，也為西北地區(qū)其他高原封閉式湖泊研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域

沙湖(地理坐標(biāo)為38°39′27.97″N，104°04′58.66″E)位于銀川平原北部，緊鄰賀蘭山東麓，為洪積平原區(qū)蝶形洼地，主要由地下溢水、大氣降水和農(nóng)田退水等形成?？偯娣e約為80 km2，蓄水量約為4 796萬(wàn)m3，平均水深約為2.2 m，其中水域面積為42 km2，核心水域約為21.8 km2，沙漠面積為22 km2。該區(qū)域?qū)侔敫珊祷哪貐^(qū)，為溫帶大陸性氣候。沙湖區(qū)域年均降雨量約為173 mm，蒸發(fā)量約為982 mm，蒸發(fā)量約為降雨量的10倍，年平均溫度為 9.5 ℃，晝夜溫差一般可達(dá)12～15 ℃。

1.2 樣品的采集與分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，沙湖周邊區(qū)域地表水主要包括老三排沙湖段、艾依河沙湖段、農(nóng)發(fā)辦漁湖、農(nóng)墾集團(tuán)漁湖、湖東濕地、農(nóng)墾集團(tuán)水稻田、隔離溝及東一支渠，故該次水樣采集共設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，涵蓋沙湖周邊3 km范圍內(nèi)所有地表水水域及沙湖主要補(bǔ)水,同時(shí)結(jié)合沙湖日常監(jiān)督性監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置情況，共設(shè)置3個(gè)沉積物采樣點(diǎn)(圖1)。

圖1 沙湖周邊水域分布Fig.1 Distribution of waters around the Shahu Lake

水樣采集：根據(jù)寧夏自然氣候環(huán)境，每年8—9月為寧夏集中降雨期，同時(shí)也是農(nóng)作物施肥階段。此時(shí)，沙湖補(bǔ)水量大，其周邊均存在大范圍蓄水，可以全面衡量沙湖最大污染程度和污染因子影響能力，故該次采樣時(shí)間確定為2017年8月下旬。每次采集的水樣均在水面下0.5 m處，每個(gè)點(diǎn)位采集3次，樣品混合均勻靜置0.5 h后用吸管一次或幾次移取水樣，然后加入相應(yīng)固定劑帶回實(shí)驗(yàn)室分析。采集樣品嚴(yán)格按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)。

沉積物采集：采用柱狀采樣器采集沙湖表層 0～10 cm 的沉積物樣品，將其混合均勻后裝入聚乙烯袋，帶回實(shí)驗(yàn)室在開(kāi)放狀態(tài)以 4 000 r/min的速度離心 20 min，離心液作為間隙水保存在 4 ℃ 冰箱中待測(cè)。離心后鮮樣進(jìn)行含水量測(cè)試，同時(shí)參照土壤檢測(cè)方法對(duì)沉積物中的CODMn、TP、TN、氟化物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果僅作為參考(表1)。

表1 水樣分析方法及儀器設(shè)備Table 1 The analysis methods and equipment for water quality

1.3 污染物核算

為進(jìn)一步量化沙湖水體主要污染物通量，利用數(shù)學(xué)模式，按照沙湖蓄水量約4 796萬(wàn)m3核算沙湖現(xiàn)有水體各項(xiàng)污染物總量。

(1)

式中：V為沙湖水體理論蓄水量，萬(wàn)t；S為沙湖核心水域面積，km2；H為沙湖平均水深，m。

(2)

式中：Mi為第i種污染物在沙湖水體中總量，t；Ci為第i種污染物在沙湖水體中監(jiān)測(cè)濃度，mg/L；V為沙湖水體理論蓄水量，萬(wàn)t。

1.4 質(zhì)量控制

為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，水樣及底質(zhì)的采集、保存、實(shí)驗(yàn)室分析和數(shù)據(jù)處理全過(guò)程均按照《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證手冊(cè)(第二版)》的要求執(zhí)行。監(jiān)測(cè)分析方法采用國(guó)家有關(guān)部門(mén)頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，監(jiān)測(cè)人員均持有環(huán)境監(jiān)測(cè)上崗合格證，所有監(jiān)測(cè)儀器均經(jīng)過(guò)相關(guān)部門(mén)檢定、校準(zhǔn)和比對(duì)。采取了平行樣分析、加標(biāo)回收分析和質(zhì)控樣對(duì)比分析等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)質(zhì)量控制措施。

2 結(jié)果與討論

2.1 沙湖周邊水域環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

沙湖為封閉式獨(dú)立水體，除東一支渠黃河補(bǔ)水外，其他水域與沙湖均未直接連通，為進(jìn)一步核算沙湖周邊獨(dú)立水體主要污染物含量，筆者對(duì)沙湖周邊水域水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，沙湖周邊地表水中老三排沙湖段、艾依河沙湖段、農(nóng)墾集團(tuán)漁湖、湖東濕地和東一支渠為劣V類(lèi)水質(zhì)，農(nóng)發(fā)辦漁湖為V類(lèi)水質(zhì)，農(nóng)墾集團(tuán)水稻田和隔離溝為Ⅳ類(lèi)水質(zhì)。其中CODMn的質(zhì)量濃度范圍為4.5～13.2 mg/L(最大超標(biāo)1.2倍)，CODCr質(zhì)量濃度范圍為17～67 mg/L(最大超標(biāo)2.4倍)，TP質(zhì)量濃度范圍為0.04～0.34 mg/L(最大超標(biāo)5.8倍)，TN質(zhì)量濃度范圍為0.28～2.49 mg/L(最大超標(biāo)1.5倍)，氟化物質(zhì)量濃度范圍為0.4～1.45 mg/L(最大超標(biāo)0.5倍)。8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中，CODMn污染程度為6#>7#>3#>2#>8#> 1#>5#>4#，CODCr污染程度為6#>7#>2#>3#>8#>1#> 5#>4#，TP污染程度為8#>7#>1#>6#>2#>4#>5#>3#，TN污染程度為8#>6#>7#>1#>3#>4#>2#>5#，氟化物污染程度為7#>6#>5#>2#>3#>4#>1#>8#。由此可見(jiàn)，污染超標(biāo)最嚴(yán)重的為T(mén)P，次之為CODCr，其中營(yíng)養(yǎng)元素TP和TN在黃河補(bǔ)水中監(jiān)測(cè)濃度較高，有機(jī)污染物在漁湖中監(jiān)測(cè)濃度較高，氟化物在沙湖周邊原有濕地中監(jiān)測(cè)濃度較高。分析原因可能是由于黃河來(lái)水懸浮物攜帶大量的磷和氮，而水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中飼料及糞便等很容易造成水體有機(jī)物污染，湖東濕地地下水滲透和水體蒸發(fā)過(guò)程中很容易將氟化物等難降解污染物不斷積累。

表2 沙湖周邊水質(zhì)類(lèi)別統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of water quality category around the Shahu Lake mg/L

2.2 污染物累計(jì)量核算

根據(jù)石嘴山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站多年監(jiān)測(cè)結(jié)果，2012年以來(lái)沙湖主要污染指標(biāo)為CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物，其余監(jiān)測(cè)指標(biāo)均符合地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值[13]。按照單因子評(píng)價(jià)法，沙湖水質(zhì)在2012、2013年均符合地表水Ⅲ類(lèi)良好標(biāo)準(zhǔn)，2014年降為地表水Ⅳ類(lèi)輕度污染，從2015年開(kāi)始水質(zhì)急劇惡化，主要污染指標(biāo)濃度明顯升高(圖2)。從各年度主要污染物總儲(chǔ)蓄量(表3)可以看出，2015年相比2013年主要污染物CODMn增加124.7 t，CODCr增加585 t，TP增加0.6 t，TN增加9.6 t。這些污染物含量的增加，導(dǎo)致沙湖水質(zhì)變?yōu)榱覸類(lèi)，水體主要污染物CODCr濃度同比升高74%，CODMn濃度同比升高48%，氟化物濃度同比升高39%，主要污染物濃度達(dá)到多年峰值。2016年后，部分污染物濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但由于污染物總量較大，水體污染依然較重。分析污染物濃度下降原因可能是2016年中央對(duì)寧夏開(kāi)展環(huán)保督查，相關(guān)部門(mén)對(duì)沙湖采取一系列水質(zhì)改善措施，包括水生植物的種植和黃河補(bǔ)水預(yù)處理等，水環(huán)境質(zhì)量有所改善。

圖2 2012—2017年8月沙湖主要污染物監(jiān)測(cè)濃度變化Fig.2 The monitoring concentration variation of major pollutants in the Shahu Lake from 2012 to August 2017

表3 2012—2017年沙湖水體污染物總量統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the total amount of pollutants in the Shahu Lake in 2012—2017 t

2.3 內(nèi)源性污染物遷移轉(zhuǎn)化

2.3.1 底泥污染物釋放

大量的氮、磷和有機(jī)物會(huì)沉積在水體底泥中，隨著水體溫度、pH、溶解氧等自然條件的變化，底泥中沉積的氮、磷和有機(jī)物等會(huì)釋放進(jìn)入水體[14]。底泥中污染物一方面可被微生物直接攝入，進(jìn)入食物鏈，參與水生生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)；另一方面，污染物可在一定的物理化學(xué)及環(huán)境條件下，從底泥中釋放出來(lái)重新進(jìn)入水體，形成內(nèi)源污染負(fù)荷[15]。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，沙湖底泥的平均厚度約為0.2 m，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,底泥平均含水率約為43%。在特定條件下，沉積物孔隙水中污染物具備60%的釋放能力[16]，由此預(yù)測(cè)孔隙水向沙湖水體轉(zhuǎn)移的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體總污染物的6.4%、6.6%、16.6%、14.2%、31.4%(表4)。分析原因可能是由于沙湖為淺水湖泊，成湖時(shí)間短，其補(bǔ)水主要為黃河來(lái)水和少量降雨及周邊地下水，所以水體氧含量較高，沉積物厚度不大，加之其礦化度高，TP等主要污染物多被礦化，難以有效釋放，導(dǎo)致孔隙水中污染物向沙湖水體輸送量不高。分析結(jié)果表明，沙湖底泥可能是最主要的內(nèi)源性污染，其在特定條件下通過(guò)釋放作用經(jīng)間隙水向沙湖水體擴(kuò)散污染物。

表4 沙湖底泥對(duì)污染物釋放統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of pollutant release from the Shahu Lake sediment

2.3.2 水體蒸發(fā)與地質(zhì)影響

根據(jù)沙湖區(qū)域氣象條件分析，沙湖年蒸發(fā)量約為2 140萬(wàn)m3，占沙湖總庫(kù)容的45%，水量蒸發(fā)會(huì)使水中各項(xiàng)污染物累積濃縮[17-18]。沙湖流域地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水，含水層巖性主要為細(xì)砂、粉細(xì)砂和少量中砂。沙湖特有的地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致沙湖區(qū)域滲透性較強(qiáng)，在不考慮補(bǔ)水及外來(lái)污染物進(jìn)入湖體的情況下，沙湖年蒸發(fā)作用可使沙湖各污染物監(jiān)測(cè)濃度在原有基礎(chǔ)上升高45%左右，加之地下水和沙湖水體會(huì)存在一定的交換和影響作用，具體情況有待進(jìn)一步分析。

2.3.3 水生植物自身吸收

據(jù)調(diào)查，沙湖水生植物主要以蘆葦和菖蒲為主，目前沙湖蘆葦種植面積約為3.47×106m2(原有蘆葦面積約為2.67×106m2，2017年新增0.8×106m2)。按照蘆葦吸收氮11.1 g/(m2·a)，吸收磷3.72 g/(m2·a)計(jì)算[19-20]：沙湖蘆葦每年對(duì)水體TP和TN的削減量分別為12.9 、38.4 t，這可能是導(dǎo)致沙湖多年來(lái)TP和TN有效輸入總量降低的主要原因。因此，通過(guò)及時(shí)打撈腐敗的挺水植物，定期對(duì)蘆葦、菖蒲等植物進(jìn)行收割和清理，可將氮磷等污染物轉(zhuǎn)移出沙湖生態(tài)系統(tǒng)，減少挺水植物腐敗落葉進(jìn)入沙湖水體，避免二次污染。

2.4 外源性污染物遷移轉(zhuǎn)化

2.4.1 黃河補(bǔ)水污染物輸入

據(jù)調(diào)查，2014年之前黃河水未經(jīng)沉淀直接補(bǔ)入沙湖，由于黃河泥沙含量大，大量懸浮物攜帶有機(jī)物、TP、TN等污染物直接進(jìn)入沙湖，對(duì)沙湖水體影響較大[21-23]。從2012年開(kāi)始，黃河補(bǔ)水每年向沙湖輸入大量污染物，隨著近年補(bǔ)水量的增加，污染物輸送量也隨之增加(表5)。2015年全年補(bǔ)水2 853萬(wàn)m3，導(dǎo)致沙湖水體CODCr增加1 626 t，TP增加1.99 t，TN增加45 t，氟化物增加46 t。這些污染物含量的增加，導(dǎo)致沙湖水體迅速惡化，水體水質(zhì)由2014年的Ⅳ類(lèi)降為劣V類(lèi)。2017年黃河補(bǔ)水?dāng)y帶的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體污染總量的49%、30%、279%、99%、13%。研究結(jié)果表明，黃河補(bǔ)水可能是沙湖水體污染的主要原因，通過(guò)對(duì)黃河補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)處理，可以在短期內(nèi)最大限度地改善沙湖水質(zhì)。

表5 近年黃河補(bǔ)水為沙湖輸入污染物統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics on the input pollutants of the Yellow River in recent years t

通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同年度沙湖水體各污染物總量與沙湖補(bǔ)水量，可以分析黃河補(bǔ)水對(duì)沙湖水體的污染程度(圖3)。研究結(jié)果表明，除TN外，其他污染總量和沙湖補(bǔ)水存在較強(qiáng)的相關(guān)性。CODMn、CODCr、TP、氟化物和沙湖黃河補(bǔ)水線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.953 3、0.909 9、0.918 8、0.951 2。

圖3 黃河補(bǔ)水與沙湖水體污染物總量變化趨勢(shì)Fig.3 Linear graph of the trend of the total amount of pollutants in the Yellow River hydration and the Shahu Lake

2.4.2 周邊面源污染物間接滲入

為進(jìn)一步核實(shí)沙湖周邊水域污染物轉(zhuǎn)移量，對(duì)周邊水域污染物總量進(jìn)行核算，并從污染物總量角度分析污染程度和遷移轉(zhuǎn)化通量。沙湖區(qū)域主要以砂質(zhì)土為主，參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究成果[24-25]，沙湖區(qū)域污染物擴(kuò)散系數(shù)取0.1進(jìn)行估算。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，沙湖周邊面源污染主要來(lái)源于農(nóng)墾集團(tuán)水稻田。雖然該區(qū)域水質(zhì)較好，但其面積大，且分布在沙湖周邊，其通過(guò)滲透作用可向沙湖水體輸送的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占沙湖當(dāng)年水體污染物總量的19.86%、15.22%、45.83%、30.77%、17.97%，其他面源污染物輸入量所占比例較小。研究結(jié)果表明，沙湖周邊面源性污染不容忽視，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中氮、磷的使用通過(guò)一定途徑可進(jìn)入水體環(huán)境，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量造成較大的影響，退耕還濕可在一定程度上緩解沙湖水質(zhì)污染現(xiàn)狀，具體情況有待進(jìn)一步深入研究,詳見(jiàn)表6。

表6 沙湖周邊水域污染物轉(zhuǎn)移量統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistical table of agricultural non-point source pollutants

3 結(jié)論

1)從多年監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，按照地表水水質(zhì)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，沙湖水體主要超標(biāo)項(xiàng)目為CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物。多年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水體重金屬、氨氮等污染物濃度較低，基本達(dá)到地表水Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值。沙湖為封閉式水體，排水量較小，水體蒸發(fā)過(guò)程中大量污染物積累留在沙湖內(nèi)部，導(dǎo)致污染物濃度升高。同時(shí)水體蒸發(fā)導(dǎo)致礦化度升高，水體自?xún)裟芰p弱，各種污染物進(jìn)入沙湖后短時(shí)間內(nèi)難以自然降解。

2)研究結(jié)果表明，沙湖水體污染主要存在內(nèi)源性釋放污染和外源性間接輸入污染，其中內(nèi)源性污染主要是沙湖水體污染物釋放，其通過(guò)孔隙水向沙湖水體轉(zhuǎn)移的CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體總污染物的6.4%、6.6%、16.6%、14.2%、31.4%；外源性污染主要是黃河補(bǔ)水和沙湖周邊面源性污染，其通過(guò)滲透作用向沙湖輸入CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物分別占水體總污染物的72%、48%、331%、133%、32%。

3)黃河補(bǔ)水為沙湖主要補(bǔ)水來(lái)源，由于黃河補(bǔ)水泥沙量大，TP、TN、有機(jī)物背景值較高，加之沙湖補(bǔ)水缺少有效凈化系統(tǒng)，大量污染物隨黃河補(bǔ)水進(jìn)入沙湖。黃河補(bǔ)水污染物CODMn、CODCr、TP、TN、氟化物輸入量占沙湖水體污染物總量的49%、30%、279%、99%、13%，是沙湖最主要的外源性污染來(lái)源。

4)沙湖周邊存在大面積的農(nóng)業(yè)種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖等潛在污染源，這些潛在污染源污染物總量較大，雖然未直接進(jìn)入沙湖，但其滲透作用會(huì)對(duì)沙湖水體造成一定的影響，其中沙湖周邊面源污染導(dǎo)致CODMn、CODCr、TP、TN和氟化物污染占污染物總量的23%、18%、52%、34%、19%。