劉韜 夏智宏, 朱浪,

（1 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062；2 江漢平原生態(tài)氣象遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，荊州 434025；3 荊州市氣象局，荊州 434020）

0 引言

長(zhǎng)湖位于江漢平原荊州市東北部，是湖北省第三大淡水湖泊，湖北四湖水系的上游，夾于漢江與長(zhǎng)江之間，兼具調(diào)蓄、灌溉、漁業(yè)、生活水源等多種自然和社會(huì)功能。長(zhǎng)湖流域是湖北省重要的糧棉油生產(chǎn)基地和水產(chǎn)基地，湖泊水位季節(jié)性變化明顯[1-3]。以往對(duì)長(zhǎng)湖水質(zhì)的研究多集中于污染源、水質(zhì)變化、環(huán)境容量等方面，對(duì)于水體污染物變化與氣象因素間關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)研究還相對(duì)較少。大量研究表明，氣象因素——尤其是降雨、氣溫等因素，對(duì)流域內(nèi)污染物質(zhì)的時(shí)空分布存在顯著影響[4-6]。因此，系統(tǒng)分析長(zhǎng)湖水體污染的時(shí)空分布特點(diǎn)及其與氣象因素間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)于保障南水北調(diào)工程上游供水安全，保障長(zhǎng)湖周邊城市居民生產(chǎn)、生活用水質(zhì)量，以及長(zhǎng)湖水體污染治理和生態(tài)恢復(fù)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 區(qū)域概況

長(zhǎng)湖位于荊州、荊門(mén)、潛江三市交界處，多年平均水位為29.0 m，現(xiàn)存湖泊面積約132.7 km2。湖水主要由拾橋河、龍會(huì)橋河、太湖港、廣平港匯入，由習(xí)家口、劉岺閘經(jīng)四湖總干渠流入洪湖（圖1）。

圖1 研究區(qū)域概況圖Fig. 1 Map of the studied area

1.2 數(shù)據(jù)獲取

水質(zhì)數(shù)據(jù)為荊州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站提供的2014—2017年原始水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為戴家洼、習(xí)家口、關(guān)沮口、橋河口（圖1）。從2014年1月起，每?jī)蓚€(gè)月監(jiān)測(cè)1次，監(jiān)測(cè)頻率為每年6次，采樣監(jiān)測(cè)一般在當(dāng)月上旬進(jìn)行。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于荊州市氣象局，包括月平均氣溫、月平均降雨量與月日照時(shí)長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)時(shí)段和頻率與水質(zhì)數(shù)據(jù)一致，并單獨(dú)提取2014—2017年強(qiáng)降雨記錄。

1.3 研究方法

分別對(duì)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行時(shí)空分析，找出主要水體污染指標(biāo)，對(duì)污染數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析和相關(guān)性分析，探討氣象因素與長(zhǎng)湖水體污染變化間的內(nèi)在聯(lián)系。

水質(zhì)分析依照《湖北水功能區(qū)劃》（鄂政函〔2003〕101號(hào)）規(guī)定，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確定超標(biāo)的污染物。

水體污染指標(biāo)與氣象因素間的相關(guān)性分析在SPSS 16.0軟件中完成，相關(guān)性分析選擇Pearson算法，計(jì)算各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)。通過(guò)這些指標(biāo)的時(shí)空相關(guān)性分析，探究水質(zhì)時(shí)空變化的原因，及其與氣象因素間的內(nèi)在聯(lián)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)湖水質(zhì)狀況

2014—2017年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，長(zhǎng)湖水質(zhì)的主要問(wèn)題是富營(yíng)養(yǎng)化，超標(biāo)指標(biāo)為總磷（TP）、總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）和五日生化需氧量（BOD5），且水質(zhì)狀況存在明顯的時(shí)空差異。資料顯示，長(zhǎng)湖水體污染中的TP和TN超過(guò)50%來(lái)源于周邊農(nóng)村生活污水、種植業(yè)污染、畜禽養(yǎng)殖污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等非點(diǎn)源污染，TP的點(diǎn)源污染主要來(lái)自城鎮(zhèn)生活污水，TN的點(diǎn)源污染則來(lái)源于城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水等；COD超過(guò)70%來(lái)自于城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水等點(diǎn)源污染[1]。

從時(shí)間變化看，2016—2017年長(zhǎng)湖水質(zhì)相對(duì)2014和2015年有所好轉(zhuǎn)（表1），且主要污染指標(biāo)呈季節(jié)性變化。從空間分布看，TP、TN的變化規(guī)律在戴家洼、關(guān)沮口和橋河口3處比較接近，習(xí)家口監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP和TN濃度明顯低于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD和BOD5的年平均值差異相對(duì)較小。

表1 長(zhǎng)湖各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要污染指標(biāo)及污染程度Table 1 The main pollution indexes and polluted degrees at observed sites

2.2 氣象條件對(duì)水質(zhì)的影響

除上述原因外，氣象因素變化會(huì)對(duì)非點(diǎn)源污染的運(yùn)移和擴(kuò)散產(chǎn)生顯著影響[4-6]。長(zhǎng)湖2014—2017年TP、TN、COD、BOD5和降雨曲線、溫度曲線對(duì)比結(jié)果顯示：TP濃度變化呈明顯的季節(jié)性波動(dòng)，7—10月濃度較高，低值一般出現(xiàn)在1—5月；TN的峰值一般出現(xiàn)在冬季（11月—次年3月）；COD和BOD5的變化規(guī)律則不明顯（圖2和圖3）。

各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的TP、TN、COD、BOD5與降雨、溫度之間的相關(guān)性分析結(jié)果（表2）顯示，戴家洼、關(guān)沮口和橋河口TP的變化與降雨呈正相關(guān)，在習(xí)家口相關(guān)性較弱。對(duì)比2014—2017年長(zhǎng)湖地區(qū)強(qiáng)降雨數(shù)據(jù)（表3）也顯示，每次強(qiáng)降雨期間TP的值都較高，說(shuō)明強(qiáng)降雨會(huì)造成非點(diǎn)源來(lái)源的TP輸入量增加，導(dǎo)致水體TP濃度上升。4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的TN濃度高值都出現(xiàn)在冬季，應(yīng)與當(dāng)?shù)卮焊笆┯没视嘘P(guān)。所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的COD和BOD5與氣象因素間的相關(guān)性都較弱，因?yàn)槠湮廴驹粗饕巧钗鬯凸I(yè)廢水等點(diǎn)源污染，受氣候影響較小。

圖2 長(zhǎng)湖主要污染指標(biāo)：（a）TP，（b）TN，（c）COD和（d）BOD5及降雨變化曲線Fig. 2 Variations of the main pollution indexes (a) TP, (b) TN, (c) COD, (d) BOD5 and rainfall

圖3 長(zhǎng)湖主要污染指標(biāo)：（a）TP，（b）TN，（c）COD和（d）BOD5及溫度變化曲線Fig. 3 Variations of the main pollution indexes (a) TP, (b) TN, (c) COD, (d) BOD5 and temperature

表2 各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)污染指標(biāo)與氣溫、降水的相關(guān)性分析Table 2 Correlations of the pollution indexes with temperature and rainfall at observed sites

表3 2014—2017年長(zhǎng)湖地區(qū)強(qiáng)降雨記錄Table 3 Statistics of the heavy rainfall in years between 2014 and 2017

3 小結(jié)

2014—2017年，長(zhǎng)湖水質(zhì)問(wèn)題主要是富營(yíng)養(yǎng)化，超標(biāo)指標(biāo)為總磷、總氮、化學(xué)需氧量和五日生化需氧量。長(zhǎng)湖入水口和出水口的水質(zhì)差異明顯，出水口的水質(zhì)要好于入水口。水體污染指標(biāo)的空間分布主要受到位置和水文特征的影響。

盡管這幾年長(zhǎng)湖水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，但仍未達(dá)標(biāo)?？偭?、總氮、化學(xué)需氧量和五日生化需氧量等污染指標(biāo)濃度呈現(xiàn)出不同程度的季節(jié)性波動(dòng)。其中長(zhǎng)湖入水口附近的總磷變化與降雨變化呈正相關(guān)，且受強(qiáng)降雨影響明顯；水體中總氮濃度的峰值一般出現(xiàn)在冬季，應(yīng)與春耕前化肥的施用有關(guān)。