武汉市南太子湖污染成因及改善对策

武汉市南太子湖污染成因及改善对策
蒋田雨1，胡伟桐2，钟云涛3，秦祖殿1，丰 俊1，张国娟4
（1. 武汉市环境保护科学研究院，湖北 武汉 430000；
2. 武汉市辐射和危险固体废物污染防治管理中心，湖北 武汉 430000；
3. 武汉华正环境检测技术有限公司，湖北 武汉 430000；
4. 武汉市环境监测中心，湖北 武汉 430000）
摘 要： 根据2010~2019年南太子湖水质监测年均值数据，结合水质综合污染指数和综合水质标识指数等分析评价方法，对南太子湖水质变化趋势及主要污染因子贡献率进行了分析。

结果表明，近年来南太子湖水质整体提升，2019年水质综合指数明显下降；水质状况未达到Ⅳ类水质要求，TP 是影响水质的首要指标，其次为TN 、COD 和BOD 5。

通过调研排口及周边区域环境，得出农业污染、生活污水、底泥污染和城市径流等污染是造成南太子湖水污染的主要原因，建议采用控源截污、完善污水处理系统和清淤疏浚等措施改善水质。

关键词： 南太子湖；水质评价；主要污染因子；污染成因；改善对策中图分类号： X824文献标志码： A DOI ：10.16803/ki.issn.1004 − 6216.2021.04.018
Pollution causes and improvement countermeasure of Nantaizi Lake in Wuhan
JIANG Tianyu 1，HU Weitong 2，ZHONG Yuntao 3，QIN Zudian 1，FENG Jun 1，ZHANG Guojuan 4
（1. Wuhan Research Academy of Environmental Protection Sciences, Wuhan Hubei 430000, China ；2. Wuhan Radioactive and Dangerous Solid Waste Pollution Management Center, Wuhan Hubei 430000, China ；3. Wuhan Huazheng Environmental Testing
Co., Ltd., Wuhan Hubei 430000, China ；4. Wuhan Environmental Monitoring Center, Wuhan Hubei 430000, China ）Abstract ： Based on the water quality monitoring data of Nantaizi Lake from 2010 to 2019, the variation trends of the water quality and the pollution contribution of the main pollution index were analyzed by the water quality comprehensive pollution index and comprehensive water quality identification index analysis methods. The results showed that the overall water quality in Nantaizi Lake had been improved continuously, and the water quality comprehensive index significantly decreased in 2019. The water quality was mostly above the Class Ⅳ level and TP was the primary factor affecting the water quality, followed by TN, COD, BOD 5. By investigating the sewage outfalls and the surrounding environment, the urban and rural domestic sewage, agricultural pollution,sediment pollution, surface runoff were the main causes of the water pollution in Nantaizi Lake. The treatment countermeasures such as controlling sources, improving the sewage treatment system and dredging should be adopted to realize the improvement of the water quality.
Keywords ： Nantaizi Lake ；water quality assessment ；main pollution index ；pollution causes ；improvement countermeasure
CLC number ： X824
武汉市地处长江与汉江交汇处，市内湖泊众多，被誉为“百湖之市” [1]；武汉优于水而忧于水，依托丰富的湖泊资源，居民的日常生活和城市经济发展发生巨大变化。

城中湖具有调蓄雨水、防洪排涝、调污治污、维持生态平衡等重要作用[2]。

人类经济社会活动高度依赖水系功能[3]，但随着城市化
进程的加快，城中湖遭受不同程度的污染，水质状况恶化直接影响湖泊周边的居民生活、市容市貌，成为区域生态环境亟待改善的突出问题[4]。

加之人们对水环境的要求不断提高，城市水系也逐渐成为关注的焦点和研究的热点[5]。

南太子湖流域跨武汉经济开发区（汉南区）、汉
收稿日期：2020 − 08 − 27
作者简介：蒋田雨（1988 − ），女，硕士研究生、工程师。

研究方向：水环境治理对策。

E-mail ：271814519@ 通信作者：胡伟桐（1988 − ），男，博士研究生、高级工程师。

研究方向：环境管理研究。

E-mail ：574925171@
引用格式：蒋田雨，胡伟桐，钟云涛，等. 武汉市南太子湖污染成因及改善对策[J ]. 环境保护科学，2021，47（4）：
112 − 116.
阳区，前者属于新城区，后者属于中心城区。

东临东风大道（318国道），西南侧为太子湖路、神龙大道，北侧为太子湖北路。

南太子湖南北最大纵距1.4 km，东西最大横距4.3 km，水域面积达4.46 km2，周边有居民小区、农田等。

根据“大湖+”战略定位，南太子湖功能为防洪排涝、景观娱乐等，近年来周边新建了众多大规模工程，积聚了优质资源。

然而，武汉市环境质量公报显示，南太子湖水质情况不容乐观，自2008年起长期处于劣V类水质，未达到《武汉市地表水环境功能区类别》的Ⅳ类水质功能区划标准[6]；湖泊面积萎缩率近三分之一，湖泊区域水环境质量受到污染，水体富营化严重，影响城市环境和水资源利用[7]。

因此，对南太子湖水质变化情况进行综合评价，制定有针对性的水环境治理措施将有助于提升南太子湖水环境整治决策的精准性[8 − 9]，对更加科学地制定水污染防治措施有着重要的参考价值。

1 数据来源及评价方法
1.1 数据来源
南太子湖水质监测项目包括pH、透明度、DO、电导率、TP(以P计)、TN、COD Cr（以下标为COD）、BOD5、NH3-N、COD Mn、叶绿素等24项常规指标，监测频次为单月监测，常规监测由武汉市环境监测中心进行。

1.2 水质评价和分析方法
数据整理、统计与绘图使用office2017版本软件。

1.2.1 水质评价方法 水质评价是根据《地表水资源质量评价技术规程(SL395－2007)》的要求，参照《地表水环境质量评价办法(试行)》中的评价方法，各水质类别划分方法采用的是《地表水环境质量标准(GB3838－2002)》。

水质类别Ⅰ~Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类分别对应优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染五级。

1.2.2 水质综合污染指数法 本次水质分析采用水质综合污染指数法[10]。

水质综合污染指数法中非溶解氧指标的污染指数计算，见式（1~4）。

式(1～4)中，S i为单项污染指数；i为主要污染物；C i为污染物i的浓度值；C si为污染物i的评价标准限值；P n为各项污染物污染指数之和；P为监测点位的综合污染指数；P为某一测次的平均综合污染指数，Q i为污染物i对水质污染分担率。

水质综合指数法的综合水质污染程度判定标准为：当P≤0.8时，综合污染类别为达标；当0.8<P≤1.0时，综合水质类别为基本达标；当1.0<P≤2.0时，综合水质类别为污染；当P>2.0时，综合水质类别为重污染。

1.2.3 综合水质标识指数法 综合水质识别指数[11]表达，见式（5）。

式(5)中，I为综合水质标识指数，X1为综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置，数值按四舍五入原则确定；X3为劣于水环境功能区目标的单项水质指标个数；X4为综合水质类别与水环境功能区类别的比较结果，算法参照文献[12]。

综合水质标识指数法的水质污染程度判定标准为：当1.0≤I≤2.0时，综合水质类别为Ⅰ类；当2.0<I≤3.0时，综合水质类别为Ⅱ类；当3.0<I≤4.0时，综合水质类别为Ⅲ类；当4.0<I≤5.0时，综合水质类别为Ⅳ类；当5.0<I≤6.0时，综合水质类别为Ⅴ类；当6.0<I≤7.0时，综合水质类别为劣Ⅴ类，不黑臭；当I>7.0时，综合水质类别为劣Ⅴ类，黑臭。

2 结果与分析
2.1 基本理化指标
根据文献[13]及数据可获取性，选取透明度、电导率为基本物理指标，评价南太子湖水体的视觉感官性及杂质情况；pH、DO、TN、TP和叶绿素为基本化学指标，评价南太子湖水体的酸碱性、含氧情况及生物量情况。

2010～2019年间，南太子湖pH、DO、透明度、电导率、TN、TP和叶绿素等7项基本理化指标情况，见表1。

表1可知，南太子湖水体pH基本稳定在7.95～8.51之间，呈中性偏碱。

DO平均值为8.28 mg/L，最大值出现在2011年（9.42 mg/L），最小值出现在
第 4 期蒋田雨　等：武汉市南太子湖污染成因及改善对策113
2016年（7.50 mg/L），湖泊10年间水体含氧量较充足。

透明度在31～52 cm之间，平均值为43 cm，水体较为浑浊。

电导率波动较大，平均值为431 μS/cm，表明水中含有杂质较多。

TP平均浓度较高（0.257 mg/L）且波动较大，最大值出现在2012年0.342 mg/L，最小值出现在2010年0.187 mg/L。

TN与TP情况相似，平均浓度较高（3.11 mg/L）且波动较大，最大值出现在2012年4.46 mg/L，最小值出现在2019年1.46 mg/L。

南太子湖叶绿素均值为97.40 μg/L，最大值出现在2012年为196.00 μg/L，最小值出现在2019年34.00 μg/L。

叶绿素、TN、TP的极值出现的年份基本一致，可初步判断为TN、TP浓度较高导致南太子湖浮游植物生物增多，进而引起叶绿素值升高。

表 1 2010~2019年南太子湖水环境基本指标情况
统计量pH DO/mg·L−1透明度/cm电导率/μS·cm−1TN/mg·L−1TP/mg·L−1叶绿素/μg·L−1最大值8.519.4252497 4.460.342196.00 最小值7.957.5031322 1.460.18734.00平均值8.238.2843431 3.110.25797.40中位数8.218.2648441 2.970.25293.80
2.2 综合水质变化趋势
根据南太子湖超标因子，选取COD、BOD5、TN、NH3-N和TP 5项主要污染因子采用综合污染指数法和综合水质标识指数法分析南太子湖P、I值情况可见，2010～2019年南太子湖水质变化可分为3个阶段，见表2。

表 2 南太子湖水质变化及综合水质类别判定
t/a P综合污染类别I综合水质类别2010 1.43污染 4.94Ⅳ类
2011 2.03重污染 6.15劣Ⅴ类，不黑臭2012 2.12重污染 6.35劣Ⅴ类，不黑臭2013 1.76污染 5.65Ⅴ类
2014 1.50污染 5.04Ⅴ类
2015 1.30污染 4.53Ⅳ类
2016 1.51污染 4.73Ⅳ类
2017 1.53污染 5.04Ⅴ类
2018 1.58污染 4.94Ⅳ类
2019 1.18污染 4.03Ⅳ类
（1）第一阶段为2010～2012年，这一时期南太子湖水质恶化，表现为水质综合污染指数P由1.43上升至2.12，水质综合标识指数I由4.94上升至6.35。

其污染程度由污染达到重污染，综合水质类别由Ⅳ类下降至劣Ⅴ类不黑臭。

（2）第二阶段为2013～2018年，这一时期南太子湖水质波动好转，表现为两项水质指数变化幅度较小，除2016和2017年略有上升外，均为下降趋势；综合水质污染指数P在1.30～1.76之间，污染类别均为污染；水质综合标识指数I在4.53～5.65之间，综合水质类别在2017年为Ⅴ类，其余均为Ⅳ类。

（3）第三阶段为2019年，南太子湖水质明显提高，表现为2019年水质综合指数P（1.18）及综合水质标识指数I（4.03）较2018年均有大幅下降，达到10年间最低值。

总体而言，2010～2019年，南太子湖水质有所波动，但总体稳定并持续向好。

2.3 主要污染因子浓度变化
为定性研究南太子湖水质的变化原因，对COD、BOD5、TN、NH3-N、TP 5项主要污染因子10年间浓度变化趋势进行分析，见图1。

COD呈先上升再下降的趋势，浓度变化最小（图1a），浓度介于32～41 mg/L之间，均高于Ⅳ类
114环境保护科学第 47 卷
水质标准（30 mg/L ）。

除2011年COD 浓度高于Ⅴ类标准外，其余年份均处于Ⅳ类～Ⅴ类水质标准之间，可判断出近10年南太子湖有机物污染状况有所改善[14]。

BOD 5浓度呈现出有升有降的波动变化（图1a ），
表现为：2011年较2010年出现明显上升，2012～2015年浓度波动下降并在2015年达到最低值，处于Ⅳ类水质标准；2016～2019年浓度再次上升。

整体来看，除2015、2016年低于Ⅳ类标准（6 mg/L ）外，其余年份均处于Ⅳ～Ⅴ类水质标准间。

图 1 2010～2019年南太子湖污染因子浓度变化
NH 3-N 及TN 浓度均呈现出波动下降的趋势（图1b ）。

NH 3-N 浓度处于0.79～2.56 mg/L 之间，在2012年达到高峰后逐渐降低，2017年后略有回升，并于2019年达到最低，较2010年下降46.83%。

2011～2013年浓度高于Ⅴ类水质标准，在2013年后稳定低于Ⅳ类水质标准（1.5 mg/L ），改善效果较为明显。

TN 浓度处于1.46～4.46 mg/L 之间，2019年达到最低，较2010年下降50.00%，略低于Ⅳ类水质标准（1.5 mg/L ），其余年份TN 浓度值均高于Ⅴ类水质标准（2.0 mg/L ）。

TP 浓度并无显著趋势性变化（图1c ）。

TP 浓度处于0.187～0.342 mg/L 之间，高于Ⅳ类水质标准（0.10 mg/L ）。

2010年浓度处于Ⅳ类～Ⅴ类水质之间，2011～2019年浓度值均为高于Ⅴ类水质标准（0.20 mg/L ）。

总体而言，2010～2019年，TN 、TP 基本高于Ⅴ类水质标准，与目标水质浓度相差较大；COD 、BOD 5浓度基本处于Ⅳ类～Ⅴ类水质之间，与目标水质浓度仍有一定差距；2013年后NH 3-N 稳定达到Ⅳ类水质标准。

2.4 主要污染因子的污染分担率分析
进一步分析各因子污染分担率Q i ，见图2。

图 2 2010～2019年南太子湖主要污染因子对
水质变化污染分担率
图2可知，2010～2019年对水质影响最大的均为TP ，Q i 最高值出现在2016年（41.17%），最低值出现在2010年（26.14%），平均值达到32.44%。

其次为TN ，Q i 最高值出现在2017年（28.85%），最低值出现在2019年（16.48%），平均值为25.73%。

COD 、BOD 5 的Q i 相差较小，Q i 最高值均出现在2019年，且平均值均为15%左右。

NH 3-N Q i 除2012、2013年外均最小。

2019年TP 、TN Q i 较先前得到缓解，COD 、BOD 5 的Q i 有所上升。

可见TP 、TN 的控制措施初见成效，使得COD 、BOD 5的贡献有所增强。

因此TP 、TN 的控制对整体水质的改善起到一定作用，但仍需继续推进；COD 、BOD 5
第 4 期蒋田雨　等：武汉市南太子湖污染成因及改善对策115
的防治仍不可忽视。

3 水污染成因分析
流域污染源调查评价是污染治理的基础[15]。

根据监测数据分析、现场排口调查、周边区域调研以及查阅相关方案等资料，综合分析南太子湖的水体污染原因有以下5个方面。

3.1 点源污染仍然存在
一是排污口依然存在，且个别排污口TN、TP、COD等污染物浓度较高[16]，对水质影响较大。

二是连通港渠来水水质不佳，南太子湖通过连通港渠分别与三角湖、龙阳湖、北太子湖、后官湖和墨水湖等湖泊相连通，根据武汉市环境质量公报显示，上述多数湖泊常年水质不佳，部分水体氮磷超标严重。

3.2 农业生产污染较大
一是在南太子湖流域零星分散着菜地，大多采用落后的引水漫灌的灌溉方式，农田中含有大量未被充分利用的氮磷等营养物质，在降雨集中的月份易溶性氮磷随地表径流进入水体，影响湖泊水质。

二是南太子湖围网养殖依然存在，投饵投肥、鱼类粪便等存在于水体，导致湖泊水质恶化。

3.3 内源污染较为突出
根据文献[16]方案，南太子湖底泥中污染物含量较高，特别是靠近工业区、居住区的雨污排口密集的水域TN、TP浓度较高，水上的人为活动扰动了湖泊底泥，导致湖泊水质受到底泥TN、TP污染。

3.4 城镇生活污染严重
文献[16]方案显示，南太子湖入湖污染物中氮磷的主要来源为城镇生活污水，其原因一是南太子湖周边管网不健全，大量生活污水经雨水管排湖。

二是流域内仅有两个污水处理厂，随着该区域的高速发展，其处理能力已无法满足区域内污水的全处理，未处理的污水入湖对湖泊水质影响较大。

三是污水处理厂脱氮除磷的效果相对较差，尾水排放的一级A排放标准中TP、TN浓度限值仍高于Ⅳ类水质标准。

四是南太子湖周边区域市政管道混错接现象较为严重，其源头多数为居民小区和企事业单位。

3.5 城市径流不容忽视
南太子湖周边均为高度城市化区域，地面硬化比例较大，渗透性较差。

降雨时，地面污染物被雨水冲刷形成含高浓度污染物的初期雨水，初期雨水未经收集处理设施直排入湖，加重了湖泊污染物负荷。

综上所述，南太子湖排口浓度较高、农业种植养殖、城镇生活污水、底泥污染、城市径流是造成南太子湖水质较差的主要原因。

4 水质改善对策建议
根据前文南太子湖水体的污染成因，要实现南太子湖水环境质量的改善建议采取以下措施：（1）排查南太子湖区域内排污口，取缔封堵非法排污口，严格控制新（改、扩）建排污口；改善南太子湖内连通港渠及有水质交换的湖泊水质。

（2）推广先进的农业灌溉技术和耕作方式，积极引导农民使用测土配方施肥，减少不合理化肥投入，提高耕地质量和科学施肥水平，减轻农业种植污染；湖泊水域内全面禁止围网、拦网、网箱养殖，推广不投肥、不投药、不投饲的生态养殖模式。

（3）加快新建并扩建流域内污水处理厂及配套管网收集措施，加速企业污水接管，生活污水及农业废水能够有效处理。

（4）对南太子湖底泥进行清淤疏浚，尤其是靠近工业区、居住区及排口附近的水域进行清淤，有效去除沉积物中的营养物质，降低内源污染的影响；同时通过改性粘土固磷等有效措施，减少湖泊底泥的释放。

（5）推进南太子湖区域内的雨污分流及初期雨水收集处理设施的建设，降低径流污染带来的影响。

5 结论
（1）2010～2019年南太子湖水质均处于劣V类，未达到水功能区标准。

10年间水质经历了2010～2012水质恶化、2013～2018水质波动好转及2019水质明显提高3个阶段。

主要污染物中TP、TN浓度与目标水质浓度相差最大；COD、BOD5浓度与目标水质浓度仍有一定差距；2013年后NH3-N稳定达到Ⅳ类水质标准。

TP、TN为影响湖泊水质的关键因子，但COD、BOD5对水质的影响也不容忽视。

（2）现场调查发现影响湖泊水质的主要因素为个别排污口污染物浓度较高、周边农业生产生活带来的污染依然存在、湖泊底泥污染物浓度较高、城市生活污染日益凸显以及城市径流污染等。

（3）建议通过采取取缔非法排污口，改善连通
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