陶然亭湖富营养化状况分析

陶然亭湖富营养化状况分析

近年来，中国湖泊的富营养化形势十分严峻。富营养化是水体质量的严重威胁，是水体环境保护的一个极其重要的问题。因此,研究湖泊及水体的富营养化变化规律,针对其形成原因,提出有针对性的措施改善湖泊及水体质量就非常重要。1湖泊富营养化评价方法介绍1.1水体富营养化机理富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养性物质,使水体中藻类以及其他水生生物异常过度繁殖,水体透明度和溶解氧下降,造成水质恶化,使水域生态和水功能受到阻碍和破坏,严重时甚至发生水华,给水资源的利用造成破坏,给湖泊水环境及其生态系统带来严重后果的过程。富营养化可分为天然富营养化和人为富营养化。在自然条件下,湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态,沉积物不断增多,不过这种自然过程非常缓慢,通常需要几千年甚至上万年。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象,可以在短时期出现。水体富营养化后,即使切断外界营养物质的来源,也很难自净和恢复到正常水平。因此有必要建立一种科学、统一的评价方法,以便加强对湖泊的管理,保护湖泊生态环境。1.2水体富营养化的评价方法湖泊富营养化评价,就是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系,对湖泊的营养状态做出准确的判断。目前中国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法(卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TLI))、营养度指数法和评分法。在实践中发现营养度指数法计算步骤繁琐、耗时长,不如综合营养指数法简便易行;而评分法在实际应用过程中,如果某一参数的评分值明显低于(或高于)其他参数的评分值,表明该参数的变化除了受富营养化的影响外,其他因子对该参数的影响亦较大,故该参数应删除,往往删除的参数受人为因素的干扰较多,影响结果的准确性。故对于湖泊水体富营养化的研究,通常采取综合营养状态指数法。本文对陶然亭湖的富营养化评价采取综合营养状态指数法。1.3测定参数和方法根据中国环境监测总站制定的《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》,选取叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)共五项参数。其中,叶绿素a采用丙酮萃取分光光度法进行测定,总磷采用过硫酸钾氧化-钼酸铵分光光度法进行测定,总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定,透明度采用塞氏盘法进行测定,高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法进行测定。监测频次:除2006年只进行4-12月(1月至3月结冰期除外)共9次的监测外,其余年份均是一年进行12次监测。综合营养状态指数法计算公式为:式中,TLI(∑)表示综合营养状态指数;TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。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:rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数;m为评价参数的个数。中国湖泊的chla与其他参数之间的相关关系rij、r2ij和Wj如表1所示。营养状态指数计算公式:采用0~100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级,如表2所示。2陶然亭湖富营养化评价结果2.1陶然亭湖公园概况陶然亭公园位于北京市宣武区南二环陶然桥西北侧,是以北京城南的燕京名胜陶然亭为中心规划设计修建的一座城市园林。陶然亭湖位于陶然亭公园内,湖水面积14万m2,包括东湖、西湖、南湖,平均水深在1m~1.5m,蓄水量24万m2。根据《北京市地表水环境功能区划方案》,陶然亭湖为第三类人体非直接接触的一般景观水域,水质目标为Ⅳ类。2.2陶然亭湖营养状态评价结果选取2006年-2010年五年间的叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)五项参数的年均值,按照综合营养状态指数法计算公式进行计算,得出2006年-2010年陶然亭湖营养状态评价结果,如表3和图1所示。从表3和图1可以看出,叶绿素a(chla)浓度基本呈现下降趋势,从2006年的最高值128.4mg/m3降到2010年的26.36mg/m3,透明度(SD)呈现逐年上升的趋势,从2006年的0.52m上升到2010年的0.85m,高锰酸盐指数(CODMn)浓度呈现下降趋势,从2006年的最高值16.0mg/L降到2010年的8.5mg/L,总磷(TP)和总氮(TN)浓度五年间呈现波动的变化趋势。2006年-2010年间,陶然亭湖的营养状态指数呈现逐年下降的趋势,营养状态指数从73下降到62,营养级别也从重度富营养下降至中度富营养。2.3陶然亭湖富营养化程度的季节动态分别按月份选取叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)五项参数的数值,按照综合营养状态指数法计算公式进行计算,得出2006年-2010年陶然亭湖各月份营养状态评价结果,如表4至表8及图2至图6所示。从表4和图2中可以看出,2006年5~11月除7月外,营养级别均为重度富营养,表明陶然亭湖在夏季和秋季富营养化程度较高,冬季富营养程度较低。从表5和图3中可以看出,2007年3月、5月、6月、8月、9月富营养化程度较重,其他月份为中度和轻度富营养,表明富营养化高峰出现在盛夏和初秋,冬季和春季较低。从表6和图4中可以看出,2008年6月达到富营养化程度最大,为重度富营养,4月~5月、7月~9月为中度富营养,其他月份均为轻度富营养,表明2008年富营养化程度高峰依然集中在夏季和秋季,冬季和春季较低。从表7和图5中可以看出,2009年4月~11月除10月为重度富营养外,均为中度富营养,表明2009年富营养化程度高峰集中在夏季和秋季,冬季和春季较低。从表8和图6中可以看出,2010年5月~10月为富营养化程度的高峰,为中度富营养,全年没有出现重度富营养,2010年富营养化程度高峰出现在夏季和秋季,冬季和春季较低。通过对表4至表8及图2至图6的分析可以看出,2006年-2010年陶然亭湖富营养化程度随季节变化十分明显,富营养化程度在夏季和秋季形成高峰,冬季和春季一般较低。另外,对2006年-2010年陶然亭湖各富营养化程度月份占全年比例进行统计分析,如表9和图7所示。从表9和图7中可以看出,2006年-2010年,重度富营养月份占全年比例逐年下降,从66.7%下降至0,中度及轻度富营养月份之和占全年比例逐年上升,表明2006年-2010年陶然亭湖富营养化程度在一定程度上有所改善。3水体富营养化效应2006年-2010年陶然亭湖营养级别基本在重度富营养至中度富营养之间,虽然营养状态指数呈现逐年下降的趋势,但2010年陶然亭湖仍为中度富营养。分析原因如下:根据《北京市地表水环境功能区划方案》,北京市区湖泊按照功能分为三类:一是集中式饮用水源地,水质目标为Ⅱ类;二是重要景观游览水域、一般鱼类保护区及游泳区,水质目标为Ⅲ类;三是人体非直接接触的一般景观水域,水质目标为Ⅳ类。陶然亭湖为第三类人体非直接接触的一般景观水域,水质目标为Ⅳ类。由于水资源严重短缺,目前一般景观湖泊补水主要依靠污水处理厂的再生水补给,陶然亭湖就属于这种情况,其水源来自高碑店污水处理厂的再生水,再生水已成为北京的第二水资源。《城市污水再生利用-景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)标准规定了将再生水回用于景观环境时的水质要求,但存在的问题是规定的再生水景观水质标准与地表水景观水质标准之间有较大差距。再生水中氨氮、总磷和总氮水质标准值是地表水景观水体Ⅳ类标准的3.3倍、5倍和10倍。因此,当再生水补入一般景观湖泊时,由于再生水氮、磷含量高,使得一般景观湖泊水体氮、磷含量也明显增高,加剧了富营养化程度。例如,2006年5月对陶然亭湖以及再生水补水口进行总氮指标的同步监测,补水口总氮含量为31.2mg/L,湖水总氮为16.8mg/L。除此之外,富营养化形成的原因可能还有湖泊自身的内源污染,湖泊底泥及沉积物含有一定量的氮磷物质,可以通过溶解进入水体,形成氮磷的二次污染。底泥是湖泊的重要组成部分,其含有大量的营养元素有机碳、氮和磷,以及活泼元素铁、锰和硫。富营养化形成的原因还有外源污染,对于陶然亭湖来说,城市雨水径流污染及人类活动的增多有可能同样引起湖泊的富营养化。4污水处理厂再生水向城市水体排放(1)污水处理厂再生水水质与一般景观湖泊的水质相比,水质较差,加重了补给湖泊富营养程度。建议污水处理厂加强污水治理技术研究及推广,推广深度处理与污水回用等技术,加大对氮、磷的处理和控制,是降低富营养化风险的重要途径,同时采取措施进一步提高污水处理厂再生水出水的排放标准,提高处理效率;同时再生水出水可采取湿地处理,水质达到地表水环境Ⅳ类标准要求后再对湖泊进行补给。(2)建议进一步加大对雨污合流排水管网的改造,解决暴雨期溢流生活污水直接向城市河湖排放的问题,以减少城市雨水径流污染对湖泊富营养化的影响。(3)采取定期或不定期向水体深层曝气以补充氧,使水和底泥界面经常保持有氧状态,有利于抑制湖泊底部底泥磷释放。(4)利用生物-生态修复技术对水中污染物进行转移、降解等从而净化水体,降低湖泊的富营养化程度。这种方法处理效果较好,工程造价较低,消耗能量较少,运行成本较低。国内已经有不少利用微生物群成功控制水体富营养化的案例。5陶然亭湖富营养化的主要表现(1)本文采取综合营养状态指数法对陶然亭湖2006年-2010年年均值进行营养状态的分析和总结,得出2006年-2010年陶然亭湖的营养状态指数呈现逐年下降的趋势,营养级别从重度富营养下降至中度富营养。(2)采取综合营养状态指数法对陶然亭湖20