張 琍,陳曉玲*,張 媛,陳莉瓊,張 鵬

(1.武漢大學(xué),測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430079；2.江西師范大學(xué),鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330022；3.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站湖北 武漢 430079；4.水利部中科院水工程生態(tài)研究所,湖北 武漢 430079 )

水文地貌分區(qū)下鄱陽湖豐水期水質(zhì)空間差異及影響機(jī)制

張 琍1,2,陳曉玲1,2*,張 媛3,陳莉瓊1,張 鵬4

(1.武漢大學(xué),測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430079；2.江西師范大學(xué),鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330022；3.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站湖北 武漢 430079；4.水利部中科院水工程生態(tài)研究所,湖北 武漢 430079 )

在2011年7月鄱陽湖豐水期水質(zhì)參數(shù)采樣分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合Delft3D水動(dòng)力模型結(jié)果,針對(duì)鄱陽湖湖區(qū)建立了8個(gè)水文地貌分區(qū),分析了豐水期總懸浮泥沙(TSS),總磷(TP)、總氮(TN)與葉綠素a(Chla)濃度的空間分布特征,研究了各分區(qū)下的水質(zhì)因子之間的關(guān)系.結(jié)果表明,鄱陽湖豐水期平均 TSS濃度為 33.65mg/L,遠(yuǎn)高于 2003年以前 10mg/L的平均濃度水平;平均氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分別為 1.61mg/L及0.075mg/L,已達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生條件,而平均Chla濃度為5.99μg/L,并未達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體臨界值.Chla與其他各水質(zhì)因子無顯著相關(guān)性,而高泥沙濃度區(qū)域的 TP與 TSS呈現(xiàn)顯著相關(guān)性.在不同鄱陽湖水文地貌分區(qū)下,高強(qiáng)度湖泊采砂活動(dòng)的北部高流速水域TSS濃度高于河口三角洲水域3倍;TN,TP營(yíng)養(yǎng)鹽濃度表現(xiàn)為流域面源污染負(fù)荷大的贛江,饒河河口三角洲水域≥高強(qiáng)度湖泊采砂活動(dòng)的北部高流速水域>流域污染負(fù)荷較小的修水河口三角洲水域及中部湖心水域.Chla則受營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平與水動(dòng)力因素共同作用而表現(xiàn)為河流交換速度慢且高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水域>水流交換速度快且高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水域>水流交換速度慢且低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水域,其中饒河信江潼津河河口三角洲水域Chla濃度最高,平均水平達(dá)到12.53μg/L,超過了富營(yíng)養(yǎng)化水體的臨界值.

鄱陽湖；營(yíng)養(yǎng)鹽；水動(dòng)力；水質(zhì)；水文地貌分區(qū)

水參數(shù)的空間分布特征是進(jìn)行湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要依據(jù),對(duì)各水質(zhì)因子進(jìn)行空間分布規(guī)律的研究是進(jìn)行湖泊及流域污染機(jī)理研究的重要基礎(chǔ)[1].近年來,鄱陽湖流域及鄱陽湖環(huán)湖區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)面源污染及流域水土流失[2]導(dǎo)致鄱陽湖水質(zhì)日益呈現(xiàn)惡化趨勢(shì).2007年后,鄱陽湖曾先后爆發(fā)過幾次小范圍藍(lán)藻水華[3].自從2001年長(zhǎng)江干流全面禁砂后,采砂活動(dòng)作為鄱陽湖周邊經(jīng)濟(jì)致富重要途徑,大大改變了鄱陽湖水體透明度[4],嚴(yán)重影響了鄱陽湖魚類[5]及水生植物的生長(zhǎng)[6].故影響水體透明度的水體總懸浮泥沙濃度、反映水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度[7-9]、表征湖泊藻類生物量的葉綠素a濃度[10]等,是反映目前鄱陽湖水質(zhì)現(xiàn)狀的主要參數(shù).

影響鄱陽湖水質(zhì)的因素主要有外源和內(nèi)源兩類,一是流域及湖泊周邊農(nóng)業(yè)面源污染輸入及工業(yè)、生活污水的輸入對(duì)鄱陽湖水質(zhì)的影響[11].鄱陽湖受到來自贛江、撫河、信江、修水和饒河五河來水后匯入長(zhǎng)江,其水質(zhì)變化主要受到整個(gè)流域及五河來水的影響[12-13].鄱陽湖流域及鄱陽湖周邊人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,其中以工農(nóng)業(yè)廢水排放及湖泊漁業(yè)養(yǎng)殖對(duì)水質(zhì)的影響尤為嚴(yán)重[14-15];二是湖泊采砂活動(dòng)及風(fēng)浪等水動(dòng)力因素引起的底質(zhì)再懸浮,直接導(dǎo)致鄱陽湖總懸浮泥沙濃度空間分布發(fā)生變化,同時(shí),泥沙作為營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬等的載體,伴隨著采砂活動(dòng)而再懸浮和輸移[16].進(jìn)而對(duì)鄱陽湖水環(huán)境與水生態(tài)帶來重要影響[4].由此可知,湖泊水質(zhì)因子的空間分布主要受到流域外源污染輸入的影響,而湖泊周邊的城鎮(zhèn)的污染輸入及湖泊內(nèi)部采砂活動(dòng)也不能忽視.

研究表明,淺水湖泊水動(dòng)力過程決定著水體內(nèi)部各種營(yíng)養(yǎng)鹽、泥沙和能量的輸移與轉(zhuǎn)化[17-19],并通過加快營(yíng)養(yǎng)鹽交換及稀釋水體來影響水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的分布與存在形式[20].同時(shí),使得內(nèi)源性污染物質(zhì)在湖泊中再懸浮,改變水體環(huán)境因子如懸浮泥沙、透明度、pH值和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度[21-24],進(jìn)而影響水體富營(yíng)養(yǎng)化和藻類生長(zhǎng)情況,加重或減低湖泊不同區(qū)域的污染情況[25-28].鄱陽湖作為我國(guó)第一大淡水湖,是季節(jié)性、吞吐型的通江淺水湖泊,具有范圍廣、高動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)[29],水動(dòng)力條件相當(dāng)復(fù)雜.由于南高北低的湖盆形態(tài)[30]、復(fù)雜的湖體特征入出流結(jié)構(gòu),湖區(qū)流場(chǎng)變化復(fù)雜,流向呈現(xiàn)出整體向北、局部渦漩的特征.故考慮了水動(dòng)力特征及五河輸入影響而對(duì)整個(gè)湖區(qū)進(jìn)行的水文地貌分區(qū),有利于鄱陽湖水質(zhì)空間分布規(guī)律的研究,并對(duì)評(píng)價(jià)鄱陽湖富營(yíng)養(yǎng)化水平及分布狀況有著重要的指示作用,可針對(duì)不同水文地貌分區(qū)水域提供更為有效的湖泊管理措施,進(jìn)一步控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化與水質(zhì)污染的進(jìn)程.

本文通過對(duì)2011年7月鄱陽湖豐水期水質(zhì)調(diào)查56個(gè)站點(diǎn)表層水樣的分析,結(jié)合水動(dòng)力模型,建立了鄱陽湖水文地貌分區(qū)圖,分析了 6個(gè)水文地貌分區(qū)中水體TN、TP、TSS與Chl a的空間分布特征,探討了水動(dòng)力因素影響下鄱陽湖總氮(TN)、總磷(TP)、總懸浮泥沙(TSS)與葉綠素a(Chl a)的空間分布規(guī)律及其影響因素.最后,利用Pearson相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析了各水質(zhì)因子之間關(guān)系并探討各水質(zhì)因子之間關(guān)聯(lián)規(guī)律.針對(duì)鄱陽湖的不同分區(qū)下水質(zhì)情況,提出合理的保護(hù)及治理措施.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 鄱陽湖湖區(qū)及采樣點(diǎn)分布

鄱陽湖區(qū)主要位于鄱陽湖流域五河入湖斷面以下鄱陽湖湖體范圍內(nèi)[31],五河來水及長(zhǎng)江水位的變化,鄱陽湖湖區(qū)水位隨著季節(jié)的變化明顯.2011年7月15～24日(星子水位在15m左右),對(duì)鄱陽湖豐水期湖面進(jìn)行了8d的湖泊調(diào)查,采集了56個(gè)站點(diǎn)的表層水樣,將用于總懸浮泥沙、總氮、總磷,葉綠素a等水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)的樣品低溫保存,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,站點(diǎn)分布如圖1所示.

圖1 2011年7月鄱陽湖采樣點(diǎn)位Fig.1 Location of in situ stations in Poyang Lake on July, 2011

1.2 數(shù)據(jù)采集方法及分析

水樣采用中科院水生所研制的“中型排氣式”有機(jī)玻璃采水器,為了防止風(fēng)浪干擾,表層水的采樣深度為水面以下0.5m.量取100mL水樣儲(chǔ)存于聚乙烯瓶中,并加硫酸酸化至 pH值小于 2,置于 4℃冰箱保存,帶回實(shí)驗(yàn)室做水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽分析.水樣總磷總氮實(shí)驗(yàn)室分析,首先調(diào)節(jié)水樣pH值至中性,水樣通過高溫滅菌鍋消解 30min,后 TN分析選用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-1989)[32],TP分析選用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法(GB 11894-1989)[31],利用全自動(dòng)間斷式化學(xué)分析儀Smartchen200進(jìn)行測(cè)量.總懸浮泥沙濃度(TSS)經(jīng) 0.45μm的聚酯纖維濾膜過濾后,45℃烘干至恒重,在實(shí)驗(yàn)室用計(jì)量天平測(cè)得總懸浮泥沙濃度.葉綠素(Chl a)采取直徑 0.45μm孔徑的醋酸纖維濾膜過濾,并液氮罐保存到實(shí)驗(yàn)室,用90%的丙酮溶液進(jìn)行色素萃取,最后提取上清液定容,采用熒光計(jì)測(cè)量,獲取Chla濃度.

1.3 考慮水動(dòng)力條件影響的鄱陽湖水文地貌分區(qū)方法

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立湖泊水動(dòng)力模型,對(duì)湖區(qū)內(nèi)部水動(dòng)力分區(qū)模擬,得到湖區(qū)內(nèi)水體流速分布圖.并在此基礎(chǔ)上考慮湖底地形,水體連通性、生態(tài)結(jié)構(gòu)功能及生境一致性等原則對(duì)鄱陽湖進(jìn)行水動(dòng)力分區(qū).

圖2 鄱陽湖2011年7月流速Fig.2 Flow velocity of Poyang Lake on July, 2011

2 結(jié)果與討論

2.1 考慮水動(dòng)力條件影響的鄱陽湖水文地貌分區(qū)

基于2011年7月的五河流域出口觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)流速、流向及鄱陽湖水位、水下地形數(shù)據(jù),利用Delft3D模型對(duì)鄱陽湖進(jìn)行水動(dòng)力連續(xù)數(shù)值模擬,得到鄱陽湖觀測(cè)期間的鄱陽湖流速圖[33](圖 2),依據(jù)流速模擬結(jié)果,鄱陽湖豐水期水域主要可分為北部高流速水體區(qū),南部次高流速水體區(qū),湖泊中部及東部低流速與西部流速空間差異較大的河口水體區(qū)及相對(duì)靜止的阻斷水體區(qū).參考星子站多年平均水位時(shí)遙感影像上的湖泊特征,結(jié)合地形、水體連通性與生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能及生境一致性等原則分出的鄱陽湖水文地貌分區(qū)圖[31]以及考慮湖泊流速對(duì)鄱陽湖進(jìn)行的邊緣水體,過渡水域及河道型水體的分區(qū)[34],本文最終對(duì)把鄱陽湖豐水期湖面分為松門山以北高流速河道型水域(I),松門山以南高流速湖泊型水域(II),松門山以南低流速湖泊型過渡水域(III),贛江中支南支流速空間差異較大的河口三角洲水域(IV),修水與贛江西支流速空間差異較大河口三角洲水域(V),饒河信江潼津河低流速河口三角洲水域(VI),撫河、信江河口河漫灘低流速濕地型水域(VII),鄱陽湖靜止型人工湖汊(包括軍山湖、內(nèi)外珠湖、康山大湖等)邊緣水域(VIII)等8個(gè)分區(qū),如圖2所示.表1也詳細(xì)描述了8個(gè)水文地貌分區(qū)的基本特性.

圖3 鄱陽湖湖域水文地貌分區(qū)Fig.3 Hydro-geomorphological maps of Poyang Lake

2.2 鄱陽湖豐水期水關(guān)鍵水質(zhì)因子特征總體分析

根據(jù)2011年7月鄱陽湖56個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)值求平均得到,如表2所示,從TSS分析可知,鄱陽湖平均總懸浮泥沙濃度為(33.65±28.1)mg/L,動(dòng)態(tài)范圍在10～200mg/L,大大高于2000～2002年湖泊總體總懸浮泥沙濃度水平,2000～2002年濃度范圍為0～20mg/L,平均濃度僅為10mg/L左右[4].采砂活動(dòng)成為鄱陽湖治理的重要議題.2011年7月鄱陽湖湖區(qū)水體總氮總磷平均值分別為(1.49±0.7)mg/L和(0.075±0.04)mg/L,一般認(rèn)為當(dāng)水體總氮、總磷濃度分別達(dá)到0.2,0.02mg/L時(shí),就有可能發(fā)生“水華”現(xiàn)象[35].由此可見,鄱陽湖氮磷水平已達(dá)到水體富營(yíng)養(yǎng)化的條件.但從作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的最直接指示因子—Chl a濃度,鄱陽湖全湖平均濃度為(5.99±4.7)μg/L,動(dòng)態(tài)范圍在 1.07～15.07μg/L之間,70%的站點(diǎn)Chl a濃度低于國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)提出的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊 8μg/L的臨界值[36].就本次觀測(cè)數(shù)據(jù)分析,鄱陽湖氮磷比在24:1左右.日本湖泊專家板本提出的當(dāng)?shù)诐舛缺人竭_(dá)到10:1～25:1之間時(shí),藻類的生長(zhǎng)與氮磷的濃度會(huì)呈現(xiàn)線性關(guān)系[37].研究表明[38-39],N:P大于 7:1,磷就為主導(dǎo)水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程限的制性因子,故與其他淺水湖泊類似,鄱陽湖也是一個(gè)磷限制湖泊.根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知,鄱陽湖已具備富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生條件,但鄱陽湖并未出現(xiàn)“藻華”等嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化問題,這主要是因?yàn)檑蛾柡且粋€(gè)的過水性湖泊,換水周期較短,氮磷的積累效應(yīng)不突出,這一特殊的水文特征,也成為鄱陽湖水水體尚未嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的重要原因[40].

表1 鄱陽湖水文地貌分區(qū)特征Table 1 The Characters of the Hydro-geomorphological sections in Poyang Lake

2.3 不同水文地貌分區(qū)下鄱陽湖豐水期水體的水質(zhì)空間分布特征及其影響因素分析

由于野外布點(diǎn)限制,本文僅對(duì)前面 6個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析,由于未對(duì)信江撫河低流速河漫灘濕地型河口水域、鄱陽湖人工湖汊水域部分進(jìn)行采樣,故無法分析這2個(gè)區(qū)域的情況.

表2 鄱陽湖全湖平均TSS、TN、TP和Chla濃度值Table 2 Average concentration of TN,TP,TSS and Chl a of Poyang Lake

表3 不同分區(qū)下TN、TP,TSS和Chla平均濃度值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Average TN, TP, TSS, Chla concentrations in different hydro-geomorphological areas

表 3顯示,在鄱陽湖水文地貌分區(qū)圖中的 6個(gè)區(qū)域中,湖泊北部的2個(gè)高流速水體區(qū)域TSS濃度是其他水域水體的3倍TN和TP濃度水平較高,但 Chl a濃度則在同等氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽條件下,其濃度水平低于全湖均值.而在低流速及流速空間差異較大的湖泊型過渡水域及河口三角洲水域中,TN、TP及Chl a濃度的高低則因流域不同而有所差異.湖泊東部的饒河信江潼津河河口水域TN、TP及Chl a濃度最高,湖泊南部的贛江中支、南支河口水域次之,湖泊西部的而修河贛江西支河口水域較低,湖泊中部的松門山島以南湖泊型水體區(qū)域最低.

從TSS濃度水平來看,主要表現(xiàn)為I>II>IV> VI>III>V,北部2個(gè)高流速水體區(qū)域TSS濃度水平要大大高于河口三角洲水域,約高出3倍左右.北部高流速水體區(qū)域的高濃度泥沙水平,主要是受到湖區(qū)采砂運(yùn)砂等人為活動(dòng)的影響,其次是由于水體流動(dòng)速度快引起的底質(zhì)再懸浮.在 3個(gè)河口三角洲水域中又以贛江中支南支河口三角洲水域的TSS濃度水平最高,這與贛江流域水土流失是鄱陽湖5個(gè)子流域中最嚴(yán)重直接相關(guān)[41].

從TN,TP營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分布來看,TN表現(xiàn)為VI>IV>II>I>V>III,TP則表現(xiàn)為IV>II>I>VI>V> III.受到外源、內(nèi)源及湖泊水動(dòng)力的影響,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分布總體呈現(xiàn)出以下分區(qū)特點(diǎn):(1)外源污染輸入為主的河口三角洲區(qū)域.一個(gè)是東部饒河信江潼津河河口低流速水域(VI)與南部贛江中支南支河口三角洲水域(IV),氮磷都處于湖區(qū)內(nèi)最高濃度水平.贛江、饒河流域上游流域?yàn)榻魇〖Z食主產(chǎn)區(qū),農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染嚴(yán)重,氮肥使用量高[14],除了面源污染外,信江上游的磷礦開發(fā)[13,42]等多個(gè)因素對(duì)其下游水域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度有積極貢獻(xiàn).由于流域沿途城鎮(zhèn)較多,位于東部饒河河口水域附近的鄱陽縣水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)[13],含有大量有機(jī)物,氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的生產(chǎn)及生活污水直接排放入湖,導(dǎo)致入湖營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平偏高.而水域位于湖區(qū)東部湖灣及河口入湖三角洲區(qū)域,水體交換速度相較北部高流速水域更慢,其水動(dòng)力條件更加有利于營(yíng)養(yǎng)鹽的滯留.湖區(qū)西部的修水贛江西支河口三角洲水域及湖區(qū)中部的松門山島南部低流速湖泊性水域,氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度最低.流域內(nèi)以林地為主且人為活動(dòng)影響相對(duì)較少區(qū)域的河口水域及靠近濕地且外源輸入較少的湖心水域氮磷濃度最低.修水流域林地覆蓋面積大,農(nóng)業(yè)面源污染及工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)較少[14],整體水平上較其他河口三角洲比較,外源污染輸入較少.而在松門山島南部低流速湖泊過渡水域氮磷濃度最低,此區(qū)域位于濕地自然保護(hù)區(qū)且為草型底質(zhì),水生植物的生長(zhǎng)很大程度的吸收并消耗營(yíng)養(yǎng)鹽,加上基本無外部污染源輸入及采砂活動(dòng)影響,故保持了較好的低營(yíng)養(yǎng)鹽水平.(2)內(nèi)源污染為主、外源輸入次之的北部高流速水域.湖區(qū)北部2個(gè)高流速水體區(qū)域 TN濃度相對(duì)低于東部及南部河口三角洲水域,而 TP濃度保持與東部和南部河口三角洲水域相當(dāng).總體上看,北部2個(gè)高速流速水域主要受到湖泊采砂運(yùn)砂等人類活動(dòng)的影響,湖區(qū)周邊都昌、星子等城鎮(zhèn)工業(yè)生活污水排放及周邊農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染也對(duì)湖泊水域的水質(zhì)惡化貢獻(xiàn)明顯.湖泊采砂運(yùn)砂等人類活動(dòng)及較快的水動(dòng)力條件帶來的底泥再懸浮,引起的底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放到上覆水,使得水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加.但是,由于區(qū)內(nèi)水體交換速度較快,水動(dòng)力條件導(dǎo)致氮磷滯留效應(yīng)降低,故 TN濃度相對(duì)東部及南部河口水域偏低,而 TP濃度與湖區(qū)東部南部河口三角洲水域TP濃度水平相當(dāng),都處于0.08mg/L以上的高濃度水平.TP主要受到水域內(nèi)TSS濃度的影響而呈現(xiàn)較高濃度水平,除去采砂活動(dòng)造成的底質(zhì)再懸浮向水體釋放出的 TP外,泥沙本身具有對(duì)磷的強(qiáng)烈吸附特征[43],使得 TP跟隨懸浮泥沙進(jìn)行遷移運(yùn)動(dòng),高TSS濃度的北部高流速水域內(nèi)TP濃度也呈現(xiàn)較高水平.

Chl a濃度水平來表現(xiàn)為VI>IV>II>III>I>V.由于水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平、水溫及水動(dòng)力條件是影響藻類生長(zhǎng)的主要影響因素[16].在水溫條件相差不大的 7月份,水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平與湖泊水動(dòng)力條件是影響 Chl a空間分布的重要因素.鄱陽湖區(qū)Chl a濃度分布主要呈現(xiàn)如下分區(qū)特點(diǎn):(1)水體交換速度偏緩,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高的河口三角洲水域,Chl a濃度偏高.其中,湖區(qū)東部饒河信江潼津河河口三角洲水域 Chl a濃度最高,達(dá)到12.53μg/L,為所有區(qū)域中唯一一個(gè)平均值超過8μg/L的富營(yíng)養(yǎng)化臨界值的水域,由于饒河流域上游鄱陽縣漁業(yè)較為發(fā)達(dá)[12],氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽豐富,且位于鄱陽湖東部湖灣,水流速度較緩,不利于水體交換,導(dǎo)致藻類生長(zhǎng).而贛江中支,南支河口三角洲水域流速空間差異較大,水體交換速度相對(duì)于饒河河口三角洲水域偏快,雖然營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高,Chl a濃度僅次于饒河河口三角洲水域,但濃度比饒河河口三角洲水域低一倍左右.(2)水體交換速度快,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平較高的北部高流速水域,Chl a濃度偏低.在松門山島北部高流速過江水道水域,由于其高流速及高泥沙濃度的特征,導(dǎo)致藻類生長(zhǎng)受到水體交換及光照條件的限制[28],呈現(xiàn)出高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度低 Chl a濃度的特征.(3)水體交換速度慢,且營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平較低水域,Chl a濃度較低.松門山島南部湖泊型過渡水域水體交換速度慢,雖然營(yíng)養(yǎng)鹽濃度處于全湖最低水平,但是 Chl a濃度并非全湖最低水平;而同等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平下,平均水體流速偏快一些的修水贛江西支河口三角洲水域Chl a濃度最低.

2.4 不同水文地貌分區(qū)下鄱陽湖豐水期水體TN,TP,TSS與Chl a之間的關(guān)系

影響鄱陽湖的水體水質(zhì)參數(shù)濃度水平及空間分布的主要有上游流域營(yíng)養(yǎng)鹽輸入,復(fù)雜的水動(dòng)力條件及高泥沙濃度水平等 3個(gè)主要因素.下面通過參數(shù)間相關(guān)性分析,找出影響鄱陽湖水環(huán)境的主要因子.

表4 TN,TP,TSS與Chla之間的相關(guān)系數(shù)及顯著性水平Table 4 Relationships between TN, TP, TSS and Chla

由表4可以看出,在北部2個(gè)高流速水體區(qū)域及流速變化較大的贛江中支南支河口三角洲3個(gè)水域,TP與TSS濃度都在顯著性0.1的水平上呈現(xiàn)顯著相關(guān);而此3個(gè)區(qū)域也恰好是懸浮泥沙濃度較高的3個(gè)區(qū)域,說明在高流速高泥沙濃度的水體中,TP與TSS具有較高的相關(guān)性,總懸浮泥沙濃度分布對(duì)湖泊內(nèi)總磷的分布影響較大.同時(shí),從康山到湖口由南至北貫穿鄱陽湖主航道沿水流方向上,由于此主航道剛好穿越 3個(gè)高泥沙濃度區(qū)域,故沿水流方向,TP與TSS變化規(guī)律較為一致.而由于途中都昌星子等城鎮(zhèn)城市工業(yè)生活污水的輸入[14-15],導(dǎo)致 TP濃度在這些城市所在點(diǎn)附近有所波動(dòng).如圖4所示.

圖4 康山到湖口鄱陽湖主航道TP,TSS沿水流方向變化規(guī)律Fig.4 Trends of TP, TSS concentrations along the flow direction from Kangshan station to Hukou Station

由于磷是鄱陽湖富營(yíng)養(yǎng)化的限制因素,故在高泥沙濃度水域,泥沙已經(jīng)成為了水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素,它不僅自身作為一種污染物影響湖泊水質(zhì),同時(shí)也影響著水體的營(yíng)養(yǎng)鹽分布及富營(yíng)養(yǎng)化程度.而在低泥沙濃度的河口三角洲區(qū)域(饒河信江潼津河河口三角洲水域及修河贛江西支河口三角洲水域),TP與TSS在此區(qū)域并不呈現(xiàn)相關(guān)性.因?yàn)檫@ 2個(gè)水域不僅 TSS濃度本身偏低,且受到流域上游外源污染輸入的影響較大.

TN與TSS濃度總體上不具備顯著相關(guān)性.雖然有區(qū)域看似存在樣關(guān)性,但除去底質(zhì)再懸浮因素及偶然性外,不具備普遍規(guī)律.總的規(guī)律上看,在高流速高泥沙濃度北部高流速水體區(qū)域,TN與TSS呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);而在河口三角洲區(qū)域TN與TSS則呈現(xiàn)正相關(guān).

在Chl a與TN、TP的相關(guān)性分析中,總體上除偶然性外,在各區(qū)域不存在顯著相關(guān)性,且常常呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).可以看出,氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平達(dá)到一定的數(shù)值后,若無大幅度濃度的改變,藻類生長(zhǎng)并不會(huì)受到明顯影響,故水動(dòng)力及水溫因素才是影響鄱陽湖藻類生長(zhǎng)主導(dǎo)因素.由于夏季藻類生長(zhǎng),其生長(zhǎng)過程中消耗水體中營(yíng)養(yǎng)鹽,導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與葉綠素a濃度呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)[44].

在Chl a與TSS的相關(guān)性分析中,由于泥沙影響水體透明度,導(dǎo)致藻類生長(zhǎng)受限[25],Chl a與TSS在不同分區(qū)中總體上呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān).但是在水體泥沙濃度相對(duì)較低且水體交換速度較慢的饒河信江潼津河河口三角洲水域,Chla與TSS呈現(xiàn)顯著正相關(guān),表明若水體內(nèi)懸浮泥沙濃度較低,泥沙所攜帶的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)還是會(huì)促進(jìn)藻類生長(zhǎng).

流域土地利用、水土保持措施及流域內(nèi)污染物排放對(duì)下游湖泊的水質(zhì)影響重大.治理贛江饒河流域上游的農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)非點(diǎn)源污染及工業(yè)生活污水等點(diǎn)源污染排放,并提出有效的流域水土保持管理措施是從源頭改善鄱陽湖水質(zhì)的重要手段.

鄱陽湖采砂活動(dòng)日益頻繁,并且正在向南部湖區(qū)擴(kuò)充.針對(duì)湖區(qū)采砂活動(dòng)提出有效的管理辦法是防止鄱陽湖水體內(nèi)源污染的必要措施.

由于水體交換速度快的是鄱陽湖藻類生長(zhǎng)的限制性條件,假設(shè)鄱陽湖控湖工程建設(shè),改變了鄱陽湖的水動(dòng)力條件,減緩了水體交換速度,鄱陽湖將會(huì)有“藻華”爆發(fā)的可能.

3 結(jié)論

3.1 鄱陽湖全湖水體總懸浮泥沙濃度偏高,目前全湖平均懸浮泥沙濃度已達(dá)到2003年全湖平均懸浮泥沙濃度的 3倍.氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平已達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過富營(yíng)養(yǎng)化湖泊標(biāo)準(zhǔn),但并未出現(xiàn)藻類大范圍生長(zhǎng)的情況,僅有饒河信江潼津河河口三角洲水域 Chl a達(dá)到了富營(yíng)養(yǎng)化湖泊濃度水平.鄱陽湖氮磷比達(dá)到24:1,屬于磷限制淺水湖泊.

3.2 TSS,TN,TP與 Chl a在湖區(qū)內(nèi)空間分布主要受到上游流域及湖泊周邊外源污染輸入及湖區(qū)內(nèi)采砂活動(dòng)等人為活動(dòng)的影響. 特別對(duì)于北部高流速水體區(qū)域,采砂活動(dòng)引起的水體的高泥沙濃度特征已經(jīng)嚴(yán)重影響了鄱陽湖水質(zhì),不僅影響鄱陽湖“一湖清水”,還對(duì)水域內(nèi)總磷濃度的增加貢獻(xiàn)明顯,對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化造成威脅.

3.3 鄱陽湖天然的水動(dòng)力條件及水體交換周期是影響其水質(zhì)變化及空間分布的另一個(gè)主要因素.在全湖范圍內(nèi),水體交換速度較快的北部高流速水域和南部贛江中支、南支河口三角洲水域,雖然TN,TP營(yíng)養(yǎng)鹽濃度達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平,作為富營(yíng)養(yǎng)化指示因子的 Chl a濃度水平卻低于營(yíng)養(yǎng)化湖泊臨界值;而在水體交換較慢的東部及中部水域,在相同的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平下,Chla濃度則較高,尤其以饒河信江潼津河河口三角洲水域最為明顯.

3.4 鄱陽湖總懸浮泥沙對(duì)水質(zhì)影響明顯,TP濃度與TSS濃度具有一定的相關(guān)性.鄱陽湖作為磷限制湖泊,泥沙除了自身是一種水質(zhì)污染物外還是一種影響湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因子. Chl a與TN,TP及TSS之間并不呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,表明藻類的生長(zhǎng)雖受到營(yíng)養(yǎng)鹽等因素的制約,但當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度達(dá)到藻類生長(zhǎng)水平后,水溫水動(dòng)力等其他因素對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響更為顯著.

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致謝：感謝南昌大學(xué)葛剛教授對(duì)鄱陽湖水文地貌分區(qū)圖中針對(duì)分區(qū)方法所給出的建議.

Spatial distribution of water quality and its impacting factor in the wet season of Poyang Lake using the hydro-geomorphological partitions.

ZHANG Li1,2, CHEN Xiao-lin1,2*, ZHANG Yuan3, CHEN Li-qiong1, ZHANG Peng4
(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China；2.Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China；3.Hubei Environmental Monitoring Central Station, Wuhan 430079, China；4.Institute of Hydroecology, Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430079, China). China Environmental Science, 2014,34(10)：2637～2645

Based on the in situ measurements from the field survey in July, 2011, the objective of this paper was to investigate the spatial distribution of the total suspended sediment (TSS), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and chlorophyll a (Chl a), where their impacting factors were also studied by dividing the lake into 8 hydro- geomorphological partitions considering the hydrodynamic conditions. Results show that the TSS concentration was 33.65mg/L, which was three times higher than that of the average conditions before 2003. The N, P concentrations were 1.61mg/L and 0.075mg/L respectively, which appears much higher than the requirements of eutrophication. The average Chl a concentration was 5.99 μg/L, which was smaller than the threshold of being a eutrophic lake. Correlation analysis showed that TP and TSS were significantly correlated with each other in high sediment concentration regions, while no significant correlation was observed between the Chl a and other water quality parameters. In different hydro-geomorphological sections, due to pollution inputs from the watershed and sand mining activities within the lake, the TSS concentration of the northern high velocity water regions was three times higher than the river estuary area. TN and TP concentrations of the Ganjiang and Raohe river estuary area was larger than the northern high velocity water regions, where Xiuhe River estuary area andsome central lake area showed minimum TN and TP concentration. The hydrodynamics also played an important role in regulating the spatial distribution of TSS, TN, TP and Chl a in the lakes, Chl a concentration of the river estuary area was larger than the northern high velocity regions, while the Rao-Xin-Tong Jin River estuary area even reached 12.53μg/L, exceeding the low bound value of being a eutrophic lake.

t：Poyang Lake；nutrients；hydrodynamic conditions；water quality；hydro-geomorphological partitions

X143

：A

：1000-6923(2014)10-2637-09

張 琍(1981-),女,湖北武漢人,講師,武漢大學(xué)博士研究生,主要從事水環(huán)境方向研究.發(fā)表論文7篇.

2013-12-25

國(guó)家“863”項(xiàng)目(2012AA12A304);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41331174,41301366,41101415);國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目;鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江西師范大學(xué))開放基金項(xiàng)目(PK2012005)

* 責(zé)任作者, 教授, cxl@lmars.whu.edu.cn