方鳳滿,金高潔,高超

(1.安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽蕪湖241003;2.安徽師范大學(xué)附屬中學(xué),安徽蕪湖241000)

水環(huán)境問(wèn)題關(guān)系到人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,各地水環(huán)境問(wèn)題日益突出,有關(guān)水環(huán)境質(zhì)量及評(píng)價(jià)方面的研究也越來(lái)越多[1-4]。巢湖近年來(lái)水環(huán)境問(wèn)題日益突出,已成為我國(guó)5大淡水湖中污染最為嚴(yán)重的湖泊之一。有關(guān)巢湖流域水環(huán)境的研究主要為巢湖流域的非點(diǎn)源污染物來(lái)源、分布特征及控制對(duì)策研究[5],巢湖水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)及主要指標(biāo)和限制因子分析[6],巢湖水相、沉積相和生物相中重金屬污染分析[7]。以上工作多從微觀的環(huán)境學(xué)角度分析巢湖水環(huán)境狀況,而從宏觀角度分析巢湖水質(zhì)參數(shù)時(shí)空分布的不多。本文以巢湖湖體12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多年監(jiān)測(cè)資料分析其水環(huán)境時(shí)空分布特征,理清水環(huán)境演變軌跡,為更好地科學(xué)地認(rèn)識(shí)巢湖水環(huán)境變遷提供基礎(chǔ),亦為巢湖水環(huán)境治理提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

巢湖流域位于安徽省中部,總面積約 13 350 km2。巢湖居流域中心,是我國(guó)聞名的第5大淡水湖。其水域地理位置東經(jīng) 117°16′54″—117°51′46″,北緯 31°25′28″—31°43′28″。湖泊東西兩端向北翹起,中間向南突出,成“凹”字形。湖泊長(zhǎng)度約54.5 km,最大寬度約21.0 km,平均寬度約15.1 km。主要入湖河流有杭埠河、豐樂(lè)河、派河、南淝河、柘皋河、白石天河等。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

巢湖水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)由安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、安徽省環(huán)保局和巢湖市環(huán)保局提供的湖體12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1995—2007年CODMn,TP,NH3—N,TN,Chla和pH值等逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用距平值分析水環(huán)境時(shí)序特征。因監(jiān)測(cè)水環(huán)境要素時(shí)段序列長(zhǎng)短不一致,選取1995—1999年各指標(biāo)均值作為長(zhǎng)序列(1995—2007年)距平基線,而選取2000—2004年作為短序列(2000—2007年)距平基線。依據(jù)湖盆12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)指標(biāo)數(shù)值,結(jié)合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置,通過(guò)空間柵格插值生成新數(shù)據(jù)集,獲得反映離散狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)集暗含的空間特征、空間格局等信息,并使用湖盆邊界對(duì)插值空間進(jìn)行控制。

3 巢湖水環(huán)境時(shí)空變化特征

3.1 巢湖水環(huán)境時(shí)間變化特征

3.1.1 高錳酸鹽指數(shù)(CODM n)巢湖湖盆水環(huán)境CODMn各年距平(相對(duì)于1995—1999年)如圖1所示。湖盆CODM n在1995—2007年間呈現(xiàn)一定程度的波動(dòng),尤其是2000年以后,呈不斷下降趨勢(shì),但總體線性趨勢(shì)斜率為-0.0015,接近于0,表明其在1995—2007年間總體變化不大。

3.1.2 總磷(TP)巢湖水體TP的距平如圖1所示。自1995年以后,TP總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在2003年出現(xiàn)小幅度的增減反彈,但其幅度甚小,整體而言巢湖水體TP含量基本維持不變,且多為富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)水體。

3.1.3 總氮(TN)和氨氮(NH3—N)若總氮濃度超過(guò)0.3 mg/L(如果氮是限制因素)時(shí),藻類(lèi)會(huì)過(guò)量繁殖。1995—2007年,巢湖湖盆水體的 NH3—N,TN呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖2)。

圖1 湖盆1995—2007年 CODMn,TP距平(相對(duì)于1995—1999年)

圖2 湖盆1995—2007年 NH3—N距平(相對(duì)于1995—1999年)和2000—2007年TN距平(相對(duì)于 2000—2004年)

3.1.4 葉綠素a(Chla)表征藻類(lèi)數(shù)量的葉綠素a(Chla)含量大于 10 mg/m3即認(rèn)為達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化。由圖3可知,湖泊葉綠素水平除2003年外基本維持在一個(gè)很小的幅度變化。2003年因溫度、日照等外界因素誘發(fā)藍(lán)藻大面積暴發(fā),導(dǎo)致葉綠素濃度激增,近年來(lái)呈現(xiàn)微弱的下降。

3.1.5 pH值 湖泊水中有機(jī)質(zhì)分解會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸,降低酸度,酸雨也會(huì)造成水體酸化,但富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)造成藻類(lèi)泛濫,水有變堿趨勢(shì)[8]。多數(shù)時(shí)間巢湖水體pH值在7.66～8.2之間,呈現(xiàn)堿性特征,自 2000年之后水體pH值呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)(圖3),其線性趨勢(shì)斜率達(dá)-0.021 5,反映湖盆水體有酸化發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 湖盆2000—2007年葉綠素、pH值距平(相對(duì)于2000—2004年)

3.2 巢湖水環(huán)境空間分布特征

因1999年12月31日巢湖流域開(kāi)展以排污達(dá)標(biāo)為主題的“零點(diǎn)行動(dòng)”,因而將1995—2007年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分割為1995—1999年和2000—2007年2個(gè)時(shí)段,取兩時(shí)段的多年平均值,利用Kriging插值到空間上,形成各要素面平均來(lái)模擬水環(huán)境要素空間分布特征并比較其在2個(gè)時(shí)段的變化差異。

3.2.1 高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)巢湖湖盆水環(huán)境CODMn均值在西湖區(qū)(忠廟—姥山以西)濃度上、空間分布上均有所擴(kuò)大,由南淝河入湖口等地?cái)U(kuò)張至派河、豐樂(lè)河入湖口等處;而東湖區(qū)(忠廟—姥山以東)CODMn濃度卻有所減少,由 1995—1999年最低CODM n濃度4.38 mg/L下降為2000—2007年間的4.04 mg/L,反映巢湖水環(huán)境質(zhì)量的明顯的區(qū)域差異性。

3.2.2 總磷(TP)2000—2007年水體TP濃度范圍(0.101 8～0.334 2 mg/L)較 1995—1999年(0.142 2～0.350 7 mg/L)低,表明2000—2007年間整個(gè)湖盆TP濃度有所下降。但值得注意的是,在圖4a中TP第 2分級(jí)范圍大小為0.153 0～0.165 9 mg/L,此濃度在圖4b中相當(dāng)于第4分級(jí),表明此濃度的湖盆水體空間范圍擴(kuò)張到姥山、忠廟一線,即原先1995—1999年的2級(jí)水質(zhì)已由東湖區(qū)擴(kuò)張到西湖區(qū)邊緣,2000—2007年?yáng)|湖區(qū)水質(zhì)有所改善;但西湖區(qū)2個(gè)時(shí)段10級(jí)水體濃度差距并不大,仍較穩(wěn)定地分布于橋南、南淝河入湖口一帶,反映1995—2007年間巢湖湖盆磷營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入較穩(wěn)定地集中來(lái)源于該地區(qū),主要可能與南淝河等入湖河流有關(guān)。

3.2.3 氨氮(NH3—N)1995—1999年間巢湖NH3—N濃度較高地區(qū)集中在西湖區(qū)的派河入湖口、塘西等地,到2000—2007年,NH3—N高濃度地區(qū)從派河入湖口、塘西一帶轉(zhuǎn)至南淝河、橋南一帶且面積有所收縮;同時(shí),東湖區(qū)1級(jí)水域范圍由東南沿湖擴(kuò)大到近乎整個(gè)東半湖區(qū)。但是巢湖壩口地區(qū)NH3—N濃度仍屬于2級(jí)水域,水質(zhì)仍有待改善。

3.2.4 總氮(TN)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)限值中湖泊水體 TN Ⅴ類(lèi)水質(zhì)極值為 2.0 mg/L。2000—2007年間巢湖 TN超標(biāo)情況嚴(yán)重,西半湖全部以及東半湖西部地區(qū)均為Ⅴ類(lèi)水質(zhì)。氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素多數(shù)來(lái)源于工業(yè)點(diǎn)源污染和農(nóng)業(yè)面源污染,巢湖湖盆東南側(cè)靠近山丘、崗地,且山丘、崗地呈向長(zhǎng)江傾斜地勢(shì),匯入巢湖的集水面積小,流水在匯入巢湖過(guò)程中帶入的營(yíng)養(yǎng)鹽可能亦較少,這可能是巢湖東南部沿岸湖區(qū)水環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值較低的原因之一。

圖4 湖盆1995—1999年,2000—2007年TP均值

3.2.5 葉綠素a(Chla)巢湖湖盆葉綠素含量超標(biāo)亦非常嚴(yán)重,僅僅有東湖區(qū)部分地區(qū)在10 mg/m3以下,其中,在塘西、南淝河入湖口、橋南一線為湖泊葉綠素含量最高地區(qū),年均值最高達(dá)79.53 mg/m3。2003年8月6日,該地區(qū)Chla濃度曾經(jīng)達(dá)到5 040 mg/m3,造成湖盆大面積藍(lán)藻暴發(fā)。

3.2.6 pH值 湖湖盆呈現(xiàn)弱堿性特征,主要因湖泊富營(yíng)養(yǎng)化泛濫的藻類(lèi)導(dǎo)致[8],pH值最低地區(qū)為巢湖壩口水域,而pH值最大地區(qū)為姥山、忠廟以西的西湖區(qū),尤其以塘西、橋南一帶為最。值得注意的是pH值在東半湖的槐林沿湖水域明顯升高,可能與槐林地區(qū)發(fā)達(dá)的漁網(wǎng)工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。槐林為全國(guó)最大的漁網(wǎng)生產(chǎn)基地之一,漁網(wǎng)所需要的高分子聚合物——聚酰胺單絲生產(chǎn)過(guò)程中一般要用堿做為催化劑,在洗滌干燥的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生堿性廢水。這些工業(yè)廢液,經(jīng)排放之后匯入巢湖,對(duì)水體pH值產(chǎn)生影響,導(dǎo)致槐林沿湖地區(qū)pH值較東湖區(qū)其它地區(qū)高。

4 巢湖水環(huán)境時(shí)空演變成因初步分析

4.1 豐富的外源匯入加劇水環(huán)境壓力

巢湖每年接納大量未經(jīng)達(dá)標(biāo)處理的工業(yè)和生活污水,加之農(nóng)業(yè)化肥流失,土壤侵蝕以及臨湖岸線崩塌等面源污染的影響,豐富的外來(lái)物質(zhì)匯入造成較大水環(huán)境壓力。(1)流域人口迅速增加,產(chǎn)生大量的生活污染,加大對(duì)水環(huán)境的壓力。尤其是2000年之后巢湖流域城市化進(jìn)程加快,流域內(nèi)兩座城市(合肥、巢湖),9個(gè)縣級(jí)城鎮(zhèn),共計(jì)943.47萬(wàn)人,是安徽省人口最密集的地區(qū)之一。巢湖流域2005—2007年生活污水平均年排放量為1.78×108m3,NH3—N和TP年排放量分別為5 204.89 t和575.39 t,流域內(nèi)第一大城市合肥市NH3—N和TP排放量占總排放量的67.19%和69.80%,流經(jīng)該市的南淝河由于流程短,無(wú)“活水源頭”,水體自?xún)裟芰^弱,將大量污染物質(zhì)帶入巢湖,這也是巢湖水環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)在南淝河口等地呈現(xiàn)比較集中的主要緣由。(2)流域內(nèi)大量的工業(yè)廢水排入巢湖。巢湖流域內(nèi)有若干高新科技區(qū)、工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),例如合肥的桃花工業(yè)區(qū)在派河上游,舒城縣開(kāi)發(fā)區(qū)在豐樂(lè)河上游,這些開(kāi)發(fā)區(qū)的工業(yè)污染順河而下,造成派河、豐樂(lè)河入湖口處水環(huán)境污染嚴(yán)重。但隨著工業(yè)企業(yè)治污能力的提高,工業(yè)污染排放總量逐步降低,帶來(lái)巢湖水體環(huán)境改善[9]。(3)過(guò)量的施用化肥、農(nóng)藥,使農(nóng)業(yè)面源對(duì)巢湖的污染越來(lái)越嚴(yán)重。巢湖流域水土流失嚴(yán)重,流域內(nèi)植被覆蓋率低,僅為15.2%,低于全省平均水平28.9%;流域內(nèi)水土流失面積達(dá)1 773 km2,占流域總面積的19%。水土流失致使化肥、農(nóng)藥等非點(diǎn)源污染物匯入巢湖,其中磷污染是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要影響因素。巢湖流域非點(diǎn)源磷污染地主要集中在西南部以及南淝河、十五里河等地區(qū),這可以解釋水體中TP和葉綠素高濃度地區(qū)穩(wěn)定分布于上述地帶的原因。

4.2 持續(xù)的內(nèi)源釋放加重富營(yíng)養(yǎng)化程度

巢湖長(zhǎng)期接納流域內(nèi)河流輸送來(lái)的大量污染物,日積月累積聚于湖底,形成湖盆內(nèi)污染源。長(zhǎng)期淤積形成的湖泊底泥中積聚了大量氮磷,并且持續(xù)向水體釋放。巢湖底泥釋放的氮磷貢獻(xiàn)量約占全湖總負(fù)荷的20%,已是巢湖不可忽視的重要污染內(nèi)源[10]。巢湖水體中的一些藻類(lèi)如藍(lán)藻門(mén)的Gomphosphaeria和近年來(lái)頻繁引起水華的微囊藻(Microcystis)在冬季不發(fā)生形態(tài)上的變化,而只是以休眠的方式存在于底泥的表面,這些藻類(lèi)在底泥中長(zhǎng)期存活,在適當(dāng)條件下(如春末夏初)由底泥上升到水體中,加劇藍(lán)藻暴發(fā)現(xiàn)象[10]。

4.3 適宜的生長(zhǎng)環(huán)境易誘發(fā)大規(guī)模藍(lán)藻暴發(fā)

巢湖為大型半封閉淺水湖泊,水土界面物質(zhì)交換劇烈,氮磷積聚釋放頻繁。巢湖氮磷比一般為(10～15)∶1,夏季水溫為25℃～30℃,適宜藍(lán)藻生長(zhǎng)繁殖,遇持續(xù)高溫天氣,藍(lán)藻易迅速爆發(fā)[9]。有學(xué)者[11]對(duì)湖泊水體葉綠素 a濃度與上月降雨量進(jìn)行雙側(cè)Person檢驗(yàn),其相關(guān)系數(shù)為0.809,表明葉綠素a含量變化與流域地表徑流帶入湖區(qū)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)數(shù)量顯著相關(guān)。2003年8月巢湖流域藍(lán)藻暴發(fā),7月流域平均降水量達(dá)366 mm,而西南部山區(qū)達(dá)到430 mm,占全年降水量的1/3左右,大量降水帶來(lái)豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),尤其是來(lái)自西部山區(qū)農(nóng)作物地區(qū)的大量磷、氮等營(yíng)養(yǎng)元素的匯入最終導(dǎo)致了藍(lán)藻暴發(fā)。

5 結(jié)論

近年來(lái)巢湖水環(huán)境問(wèn)題日益突出,研究其水環(huán)境時(shí)空分布特征,可為巢湖水環(huán)境變遷研究提供依據(jù)。

(1)時(shí)間序列上,巢湖水環(huán)境要素中的CODM n,TP濃度在1995—2000年間變幅不明顯,而 TN和NH3—N濃度下降趨勢(shì)較顯著,葉綠素指標(biāo)除2003年因藍(lán)藻暴發(fā)大幅增加外,變幅較微弱。

(2)空間分布上,CODMn高濃度地區(qū)在西湖區(qū)有所擴(kuò)張,TP空間范圍向西湖區(qū)有所收縮,NH3—N高濃度地區(qū)從派河入湖口、塘西一帶轉(zhuǎn)至南淝河、橋南一帶且面積有所收縮,TN和葉綠素在西湖區(qū)濃度仍高于東湖區(qū),pH值在東湖區(qū)槐林一帶較高?？傮w上,東湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量比西湖區(qū)好,整個(gè)巢湖近年來(lái)水環(huán)境有改善趨勢(shì)。

(3)巢湖水環(huán)境時(shí)空演變與其特殊的地理環(huán)境有密不可分的關(guān)系。巢湖是流域內(nèi)水系的總匯入,而出水口又為人工調(diào)節(jié)所限制,當(dāng)然流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)更是造成水環(huán)境污染的直接原因?？傮w上與豐富的外源匯入加劇水環(huán)境壓力、持續(xù)的內(nèi)源釋放加重富營(yíng)養(yǎng)化程度、適宜的生長(zhǎng)環(huán)境等因素有關(guān)。

(4)理清巢湖水環(huán)境時(shí)空分布特征,如何合理有效地利用取得的時(shí)空分布特征去制定巢湖水環(huán)境的高效治理將是后續(xù)研究的方向,探究從流域角度出發(fā),實(shí)施流域生態(tài)管理,實(shí)現(xiàn)治理管理一體化將是努力的目標(biāo)。

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