林日彭,倪兆奎,郭舒琨,4,龔佳健,4,王圣瑞,4*

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近25年洞庭湖水質演變趨勢及下降風險

林日彭1,2,3,倪兆奎2,3,郭舒琨2,3,4,龔佳健2,3,4,王圣瑞1,2,3,4*

(1.南昌大學資源環(huán)境與化工學院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室,江西 南昌 330031；2.北京師范大學水科學研究院,北京 100875；3.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；4.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002)

利用1991~2015年水質數據研究了洞庭湖水質演變特征,識別了主要驅動因子,并探討了水質下降對其生態(tài)風險影響.結果表明,1991~2015年間,洞庭湖水質總體呈下降趨勢,TN和TP是影響水質變化的主要指標,其濃度年均值分別介于1.060~2.072mg/L和0.026~0.146mg/L;其中,1991~2002年間,TN和TP濃度均顯著上升,多元回歸分析顯示水位和泥沙淤積是導致洞庭湖TN和TP濃度升高的主要因素; 2003~2015年間,TN濃度進一步明顯上升,而TP濃度維持高位,波動變化,氮、磷負荷輸入量和水位是影響TN和TP濃度變化的主要因素.洞庭湖生態(tài)風險等級則由輕微風險轉變?yōu)橹械蕊L險,TP是影響生態(tài)風險的主要水質指標;受洪水、農業(yè)面源污染和城市化等影響,洞庭湖磷風險時空差異較大,1991~2008年間,各湖區(qū)磷風險均有所升高,其中西洞庭湖磷風險增長幅度最大;2009~2015年,各湖區(qū)磷風險均有所降低,其中西洞庭湖下降幅度最大,而東洞庭湖下降幅度較小.因此,進一步控制入湖氮磷負荷、優(yōu)化水位及重點關注磷風險是保護洞庭湖水生態(tài)的重要舉措.

洞庭湖水質演變；驅動因子；磷風險；TN和TP

洞庭湖是我國第二大淡水湖泊,是長江流域重要的調蓄湖泊和水源地,其分流和調蓄作用對長江中下游防洪和水資源利用舉足輕重[1].此外,洞庭湖也是我國重要的淡水資源儲備地,更是洞庭湖區(qū)乃至長江中下游民眾重要的生活飲用水源地,其水質狀況直接影響區(qū)域生態(tài)平衡和民眾身體健康.然而,相關研究表明[2-6],近25年來隨著流域社會經濟的快速發(fā)展,洞庭湖水質呈明顯下降趨勢,已經影響了當地飲用水安全與湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康.

目前,針對洞庭湖水污染問題研究較多.王旭等[7]的研究成果表明,洞庭湖水質變化與水位和流量有較好相關性,隨流量與水位下降,洞庭湖水質呈逐漸下降趨勢;張光貴等[8]采用內梅羅指數法對三峽工程運行前后洞庭湖水質進行了評價,表明洞庭湖水質變化與流域氮磷污染加劇和來水來沙量等有關;姜加虎等[9]認為泥沙淤積使洞庭湖洲灘面積擴張,導致洞庭湖各湖區(qū)水質差異.然而,已有研究更多的是關注洞庭湖水質變化,而針對變化原因解析,特別是針對水質下降風險問題的研究則較少,而這一問題正是洞庭湖保護治理需要解決的關鍵問題之一.研究洞庭湖水質下降原因,并探討其風險對針對性的提出保護治理對策建議具有重要意義.

基于以上考慮,本文利用1991~2015年水質監(jiān)測數據,研究探討了洞庭湖水質演變的階段性特征,識別了洞庭湖水質下降的主要驅動因素,并評估了不同區(qū)域水質下降風險,以其為保障洞庭湖的水環(huán)境安全提供理論和數據支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洞庭湖是長江中下游大型通江湖泊,由西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖組成,具有高水湖相,低水河相的水文特征.它吸納長江荊江段松滋、藕池、太平三口的分流,同時接納湘、資、沅、澧四水,最后在城陵磯匯入長江,構成了一個龐大且復雜的吞吐型湖泊系統(tǒng).

洞庭湖處于復雜的“江-湖-庫”系統(tǒng)中,是與長江互聯(lián)互通的重要調蓄湖泊,江湖水情變化對流域水資源利用與水環(huán)境產生了一系列影響[10-11],三峽水庫運行,減緩了洞庭湖泥沙淤積速率,減少了上游來水量,給洞庭湖水環(huán)境質量造成了一定影響[12-13].

1.2 數據來源與樣品采集

1991~2015年洞庭湖水質數據來源于中國環(huán)境科學研究院洞庭湖江湖關系變化野外觀測研究站和湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心;水位與徑流輸沙量數據來源于湖南省水利水電勘測設計總院,湖南省水情日報表(http://www.hnsw.com.cn)和湖北省江河水情報表,其他數據來源于湖南省統(tǒng)計年鑒和相關文獻.

本研究所用監(jiān)測點位根據湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,全湖共設11個監(jiān)測斷面(圖1),包括西洞庭湖的南嘴、蔣家嘴和小河嘴;南洞庭湖的萬子湖、楊柳站、橫嶺湖和虞公廟;東洞庭湖的鹿角、東洞庭湖、洞庭湖出口和岳陽樓.每個監(jiān)測斷面設左、中、右3條垂線,分別采集表層(0.5m)水樣.

圖1 洞庭湖水質監(jiān)測斷面

本研究所用水質指標TN用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法(HJ636—2012),TP用鉬銻抗分光光度法,CODMn用酸性法,CODCr用重鉻酸鉀法,NH3-N用納氏試劑光度法[14]測定.各指標水質類別根據地表水環(huán)境質量標準劃分[15].

1.3 統(tǒng)計分析方法

利用Excel2016進行數據整理,采用SPSS19.0進行數據統(tǒng)計、Pearson相關性分析以及回歸分析、選用Spearman秩相關系數進行Daniel趨勢檢驗,使用OriginPro8.0作圖.

2 結果與分析

2.1 洞庭湖水質演變趨勢

總氮、總磷、氨氮、化學需氧量(CODCr)和高錳酸鉀指數是湖泊研究中常用的水質指標,本研究通過分析以上5個指標變化,探究洞庭湖水質歷史變化趨勢.為便于對比分析,根據25年水文突變過程,以及長江中上游及湖南四水流域水利工程建設與運行時間[16-20],將近25年分成三個階段;第1階段1991~2002年(三峽工程運行前);第2階段2003~ 2008年(三峽運行初期);第3階段2009~2015年(三峽運行后期).

洞庭湖TN濃度在1991~2015年間總體呈波動上升趨勢,波動范圍在1.060~2.072mg/L之間,TN濃度由接近III類水質轉為V類水質(圖2);其中1991~2002年間波動較大,TN濃度總體處于IV類水質,在1999年出現峰值;2003~2008年間變化平穩(wěn), TN濃度保持在IV類水質;2008年以后明顯升高,該階段TN平均濃度是上一階段的1.3倍,TN濃度上升到V類水質.

TP年均濃度變化趨勢不如TN明顯,表現為有升有降,基本在IV類水平線上波動,其變化在0.026~ 0.146mg/L之間.其中1991~2002年間波動較大,TP濃度從較好的III類水質上升到IV類水質,在1999年出現峰值;2003~2008年間TP濃度總體處于V類水質,該階段TP平均濃度是上一階段的2.13倍;2008年以后開始呈下降趨勢,TP濃度也從V類水質下降為IV類水質.

化學需氧量(CODCr)年均濃度變化較大,出現了多次突變.其中1991~2002年間,CODCr濃度由極好的I類水質轉為較好的III類水質,其最大值是最小值的2.5倍;2003年以后CODCr濃度在I類水平線上浮動.

圖2 1991~2015年洞庭湖主要水質指標的逐年變化趨勢

高錳酸鉀指數和氨氮的年均濃度都處于較好的II類水質,都出現了先上升后下降的趨勢,其中高錳酸鉀指數在第3階段的平均濃度較前兩階段平均濃度縮小了50%,氨氮在第3階段平均值較第2階段也縮小了近30%.

各指標近25年趨勢檢驗結果表明(表1),TN年均濃度的秩相關系數為0.764,表明TN年均濃度呈極顯著上升趨勢(<0.01),即近25年,洞庭湖水質總氮指標呈加重趨勢;TP年均濃度的秩相關系數為0.462,表明TP年均濃度呈顯著上升趨勢(<0.05),與李有志等[5]得出的結論一致,即總磷也是影響洞庭湖水質的關鍵指標;而對于CODCr、高錳酸鉀指數和氨氮的年均濃度均呈不顯著上升和下降趨勢,對洞庭湖水質影響較小.

表1 洞庭湖TN、TP、CODMn、NH3-N和CODCr演變特征統(tǒng)計分析

注:值>0表明呈上升趨勢,>W表明達到顯著或極顯著水平.

2.2 洞庭湖各湖區(qū)水質演變特征

洞庭湖各湖區(qū)水質長期變化趨勢定量分析結果(表2)表明,過去25年里洞庭湖3個湖區(qū)TN濃度均呈極顯著上升趨勢(>0,<0.01),TP濃度也呈顯著上升趨勢(>0,<0.05),而CODCr、高錳酸鉀指數、NH3~N濃度總體呈不顯著上升趨勢,其引起洞庭湖水質下降主要與TN和TP濃度升高有關.

表2 洞庭湖各湖區(qū)TN、TP、CODCr、CODMn和NH3-N演變特征統(tǒng)計分析

注:值>0表明呈上升趨勢,>W表明達到顯著或極顯著水平.

圖3 1991~2015年洞庭湖各湖區(qū)TN和TP演變特征

就洞庭湖水質的空間分布而言,TN和TP濃度在東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖變化各不相同,其中TN濃度總體表現為東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖(圖3).就變化趨勢而言,南洞庭湖和西洞庭湖TN濃度在2009年之前總體處于IV類水質,之后開始出現顯著上升,水質一度由III類上升為V類甚至達到了劣V類,這一趨勢與全湖TN濃度變化趨勢相似,而東洞庭湖TN濃度在2009年之前就出現了IV類和V類水質,對洞庭湖全湖TN濃度貢獻最大;TP濃度在東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖變化差異性極小,3個湖區(qū)TP濃度都由較好的III類水質變成了V類水質,與全湖TP濃度變化相似,就變化趨勢而言,2003年之前,西洞庭湖TP濃度總體高于東洞庭湖和南洞庭湖,而2009年以后,東洞庭湖TP濃度高于西洞庭湖和南洞庭湖.

3 討論

3.1 洞庭湖各階段水質變化驅動因子分析

隨著三峽工程的運行,江湖關系演變將對洞庭湖地區(qū)及長江中下游的防洪、水資源、水環(huán)境產生重要影響,洞庭湖來水來沙及城陵磯水位變化是江湖關系演變的重要表現.加之洞庭湖流域經濟社會迅速發(fā)展,入湖污染負荷的逐年增加,洞庭湖水質呈下降趨勢[21].因此,針對以上因素分析洞庭湖各階段水質變化驅動因子至關重要.

本研究用入湖徑流量表示入湖水量、水位用城陵磯年平均水位表示、洲灘用年洲灘面積表示、泥沙用年泥沙淤積量表示,入湖污染負荷選用氮磷污染負荷表示,所用數據均為年均值.通過與主要水質指標相關性和回歸分析得出各階段驅動因素(本研究采用回歸分析中的數據服從正態(tài)分布和殘差方差齊性;Pearson相關性分析中的數據大多數服從正態(tài)分布但氨氮出現略微偏態(tài),對略微偏態(tài)的數據用Spearman方法進行分析).

通過1991~2015年間洞庭湖及各湖區(qū)水質變化趨勢可知(圖2和圖3),影響其水質變化的主要水質指標為TN和TP.從主要水質指標與影響因子相關性分析可知(表3).TN和TP與水位、泥沙淤積量和氮磷負荷入湖量呈顯著相關(<0.05).其中TN與水位呈極顯著相關(<0.01),與王旭等[7]研究結果一致;由于入湖泥沙是TP的重要來源[22],TP與泥沙淤積量呈極顯著相關(<0.01),由洞庭湖TP濃度年際變化趨勢(圖2)與年泥沙淤積量變化可見(圖4).

表3 洞庭湖主要水質指標與影響因子之間的Pearson相關性分析

注:*表示顯著相關(<0.05);**表示極顯著相關(<0.01).

表4 水質指標與影響因子之間的回歸分析的標準化系數

在1991~2002年間,洞庭湖水質總體處于IV類,TN和TP是影響洞庭湖水質的主要指標,根據回歸分析結果可知(表4),該時期洞庭湖TN和TP指標主要受水位和泥沙淤積量的影響.由于該階段洞庭湖爆發(fā)多次洪水(1996、1998、1999)[23],攜帶大量農業(yè)面源污染物,導致湖泊水體的氮、磷等污染物濃度升高[24-25].加之,這一階段洞庭湖來沙量巨大,“三口”年均來沙7×107~1×108t,“四水”來沙1.6×107~2.8×107t[26],而泥沙作為水體中氮、磷等污染物遷移轉化的重要載體,在這一時期呈波動上升趨勢(圖4),使湖泊氮、磷濃度進一步升高.申銳莉等[27]研究也認為洪水明顯導致了洞庭湖水質下降,說明這一時期洞庭湖流域面源污染較嚴重,其主要是水土流失、水產養(yǎng)殖、農藥化肥、畜禽量糞便等污染造成的[28].在空間分布上,東洞庭湖受影響最大,其主要是東洞庭湖是洞庭湖湖水的匯集地,污染物在此積累[4,29],加之長江水流頂托作用,使大量懸浮物聚集在東洞庭湖出口[30],而南洞庭湖受影響最小,原因是洞庭湖來水來沙主要是通過西洞庭湖的“三口”進入.

在2003~2008年間,洞庭湖水質總體處于IV類到V類,根據回歸分析結果可知(表4),該時期TN和TP主要受氮磷入湖負荷量和水位影響.由于自2003年后,洞庭湖受城市工業(yè)污染比重開始下降,農業(yè)污染比重開始逐漸上升[31],導致氮、磷入湖負荷量呈現逐年遞增的趨勢,遞增速率達到了6.72萬t/y(圖4).加之,這一階段水位較上一階段總體呈下降趨勢,使得湖泊面積開始縮小,減小了水體的自凈能力[32-34],排入的氮磷污染物不能及時被稀釋,導致TN和TP濃度較上一階段明顯升高.而由于三峽工程的運行,減緩了長江輸入洞庭湖泥沙的淤積速率(圖4),減少了洞庭湖上游的來水量,改變了水位變化規(guī)律[35-36],導致TN和TP濃度增長速度放緩,這一結論與申銳莉等[3]的研究結果相符.

在2009~2015年間,洞庭湖水質總體處于V類,根據回歸分析結果可知(表4),該時期TN、TP濃度主要受氮磷入湖負荷量和水位影響,雖然總入湖負荷量呈下降趨勢,但氮負荷入湖量呈增加趨勢(圖4)與王巖等[37]的研究結果一致,而磷負荷入湖量呈下降趨勢,泥沙作為TP的重要來源[22],這一時期也呈下降趨勢(圖4).因此,TP濃度在該時期處于波動,TN濃度出現了顯著增長趨勢(圖2和圖3).加之三峽工程的運行和嚴重干旱等原因導致入湖水量減少,水體交換不暢,削弱了湖泊水體自凈能力[2,38-39],因而造成了洞庭湖水質的進一步下降.

3.2 洞庭湖水質下降風險

通過上文分析可知,洞庭湖水質呈下降趨勢,水質下降風險成為保護洞庭湖水環(huán)境需要關注的重要問題.區(qū)域風險評價是指受一個或多個脅迫因素影響后,對不利后果出現的可能性進行評估[40].在比較各種區(qū)域風險評價方法的基礎上,本研究選取盧宏瑋等[41]所用氮磷污染風險值法對洞庭湖生態(tài)風險進行評價,以表征洞庭湖水質下降風險.

3.2.1 氮、磷污染風險值的確定 由于氮、磷是洞庭湖主要污染指標,其濃度對洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)產生了一定影響,因而將氮磷指標作為重要因素納入生態(tài)風險評價體系非常必要的,由此得出的評價結果也更為系統(tǒng)和全面,而氮、磷污染對生態(tài)系統(tǒng)的危害系數是根據其毒性大小制定,因此引入氮、磷毒性系數.根據盧宏瑋等[41]所得出的氮、磷毒性系數1.4和27,由此氮、磷的風險值可由下獲得:

式中:為毒性污染指數,C為第種污染物的實測濃度;C為第種污染物的標準濃度(該污染物的國家地面水環(huán)境質量標準三類標準);K為第種污染物的毒性危害系數;—污染物種類.

3.2.2 風險評價 根據1991~2015年間氮磷風險值變化(圖5),并結合洞庭湖生態(tài)風險水平相關研究[18-19,42]可知,洞庭湖在1991~2015年間生態(tài)風險由輕微向中等風險轉變,TP是影響洞庭湖生態(tài)風險最主要的水質指標,對生態(tài)系統(tǒng)的危害由輕微向中等轉變(表5);而TN對生態(tài)系統(tǒng)的危害一直屬于輕微狀態(tài),對洞庭湖生態(tài)風險貢獻較小.

表5 Pi與危害程度的關系

就空間分布而言,在1991~2015年間,各湖區(qū)TP風險對洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)危害大小不一,其中,在1991~2008年間,各湖區(qū)磷風險均有所升高,其中西洞庭湖磷風險值增長幅度最大,對洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)危害最大,其對生態(tài)風險貢獻最大,在1999、2004、2008年對該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)造成了強的危害,主要是由于爆發(fā)的特大洪水,導致大量的農業(yè)面源污染物進入到水體中,以及干旱引起的水位下降,導致水體自凈能力下降,使得污染物濃度上升;2009~2015年間,洞庭湖生態(tài)風險等級穩(wěn)定在中等水平[42-43],各湖區(qū)磷風險出現下降趨勢,但東洞庭湖下降幅度較小,對洞庭湖生態(tài)風險貢獻變大,主要是因為東南部城市化過程,使流入東洞庭湖泥沙量大為增加,帶入的磷含量相應的增多.為此,針對洞庭湖因水質下降而導致洞庭湖生態(tài)風險轉變,需針對洞庭湖磷風險進行控制,尤其需針對東、西湖區(qū)的磷風險進行控制.

4 結論

4.1 近25年(1991~2015),洞庭湖TN和TP濃度的年均值分別為1.060~2.072mg/L和0.026~0.146mg/L, TN濃度呈極顯著上升趨勢(<0.01),TP濃度呈顯著上升趨勢(<0.05),是影響洞庭湖水質的主要水質指標;空間分布上,總氮濃度差異性較大,表現為東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖,而總磷濃度空間差異較小,不同湖區(qū)趨于均勻.

4.2 不同階段洞庭湖水質影響因素差異較大,其中1991~2002年間,洞庭湖水質主要受水位和泥沙淤積影響;2003~2015年間的兩個階段,主要受入湖氮磷負荷和水位影響.

4.3 全湖而言,近25年,洞庭湖水體TP濃度升高對水質下降風險貢獻較大,TN貢獻較低;不同湖區(qū), 1991~2008年間,西洞庭湖磷風險增長幅度最大,是洞庭湖生態(tài)風險貢獻最大的湖區(qū);2009年以后,東洞庭湖磷風險下降幅度最小,對洞庭湖生態(tài)風險貢獻變大.

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The trend and downside risk of water quality evolution in Dongting Lake in recent 25 years.

LIN Ri-peng1,2,3, Ni Zhao-kui2,3, GUO Shu-kun2,3,4, GONG Jia-jian2,3,4, WANG Sheng-rui1,2,3,4*

(1.Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization, Ministry of Education, School of Resources Environmental & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China；2.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；4.College of Hydraulic& Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)., 2018,38(12)：4636~4643

The evolution characteristics of water quality and major driving factors were investigated by using the data from 1991 to 2015 in Dongting Lake. The effects of declining of water quality on aquatic ecological risks also discussed in this study. The results showed that the water quality declined from 1991 to 2015. TN and TP were the major indexes that caused water quality decline, with the concentrations ranged from 1.06~2.07 and 0.026~0.146, respectively. From 1991 to 2002, the concentrations of TN and TP increased significantly, which could be the effects of water level and sedimentation according to the multiple regression analysis. From 2003 to 2015, TN concentration continuous to increase but TP was relatively stable, which resulted from nitrogen and phosphorus load input and water level. The level of ecological risk of Dongtimg Lake transformed from slightly to moderately from 1991 to 2015. The flood and enhanced agricultural nonpoint source pollution and urbanization were the main drivers, from 1991~2008, the risk all increased in different, especially in western district of Dongting Lake. From 2009 to 2015, the risk in different regions declined, the decrease of eastern district were more significant than western district. Therefore, to protect aquatic ecosystem of Dongting Lake, optimization of hydrologic condition, control of nutrients loading and particular focus on P risk were the most important strategies.

the water quality evolution of Dongting Lake；driving factors；phosphorus risk；TN and TP

X524

A

1000-6923(2018)12-4636-08

林日彭(1992-),男,江西上饒人,南昌大學碩士研究生,主要從事湖泊水環(huán)境研究.

2018-05-20

國家科技支撐計劃課題(2014BAC09B02);萬人計劃項目(312232102)

*責任作者, 教授, wangsr2017@bnu.edu.cn