張 民，史小麗，陽 振，陳開寧

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,南京 210008)

巢湖為我國五大淡水湖之一，位于安徽省中部，是我國水污染防治的重點水體. 面積約787.4 km2，流域面積9258.0 km2，年內(nèi)水位變幅大，透明度低，湖濱帶水生植被分布較少[1]. 巢湖入湖河流約33條，其中主要出入湖河流有9條，包括南淝河、十五里河、派河、杭埠河、柘皋河、雙橋河、兆河、白石天河、裕溪河；隨著流域內(nèi)人口的增加，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)大量工業(yè)廢水、生活污水排放入湖，導(dǎo)致湖水的營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)增加[2]，湖泊富營養(yǎng)化進程加快[3]. 巢湖的近30年的富營養(yǎng)化可分為3個階段： 1984-1994年是巢湖水質(zhì)的主要惡化階段；1995-2007年是巢湖的水質(zhì)逐步改善階段；2008-2013年，巢湖的污染物濃度維持在較高水平波動[4]. 巢湖的富營養(yǎng)化在空間分布上主要表現(xiàn)為由西向東逐步降低的趨勢[5]，這是湖泊外源污染負荷主要來源于流域西北部所致[6]. 巢湖的藍藻水華與污染的空間分布相似，也主要分布于西部湖區(qū)[4,7].

隨著近年來巢湖治理力度的逐步加大，特別是“十二五”以來巢湖水專項系列課題在巢湖流域西部落地，地方政府深入整治南淝河、十五里河、派河3條西部主要入湖污染河流，巢湖的水體污染得到部分改善，污染的空間格局出現(xiàn)了一系列變化，但是藍藻水華并沒有得到有效控制，甚至出現(xiàn)部分時段的較大面積水華事件. 因此，為有效評估“十二五”以來巢湖水體環(huán)境的總體變化，本文通過對2012-2018年巢湖17個點位的逐月監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，闡述了近年來巢湖水質(zhì)和藻情的變化特征，并在流域空間尺度上分析了巢湖流域水污染治理的進展和不足，以期為后續(xù)治理方向的調(diào)整提供支撐.

1 研究方法

1.1 野外調(diào)查

野外調(diào)查于2012-2018年進行，每月中旬采樣一次，共17個采樣點位，具體位置見圖1. 其中點位3、5、6代表東部湖區(qū)，點位7、9、10代表中部湖區(qū)，點位12、13代表西部湖區(qū)，點位2代表雙橋河河口，點位4代表柘皋河河口，點位8代表兆河河口，點位11代表杭埠河河口，點位14代表南淝河河口，點位15代表塘西河河口，點位16代表派河河口，點位17代表十五里河河口. 采樣現(xiàn)場利用 Yellow Spring Instruments(YSI 6600, USA)在原位測定環(huán)境因子，包括水溫、溶解氧(DO)、pH、濁度、氧化還原電位和電導(dǎo)率.

1.2 室內(nèi)分析

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，R軟件平臺[10]的ggplot2、mgcv等程序包和ArcGIS 9.3進行相關(guān)分析和制圖[11-12]. 各變量變化趨勢的顯著性通過廣義加性混合模型(GAMM)和線性回歸模型檢驗確定，其中線性回歸模型顯著性通過P值確定，P<0.05為顯著變化，GAMM模型方法則是通過對模型擬合曲線進行求導(dǎo)，利用各時間點導(dǎo)數(shù)與零的顯著性差異來確認(rèn)顯著性，因此該方法的顯著性具有時間的分段性，本研究將兩種方法均具有顯著性的趨勢認(rèn)定為顯著性變化.

圖1 巢湖采樣點位分布Fig.1 Distribution of Lake Chaohu showing the location of the sampling sites

2 結(jié)果

2.1 湖體總體水質(zhì)變化

2012-2018年間巢湖水體總磷、總氮、葉綠素a和藻藍素濃度均呈現(xiàn)顯著升高的趨勢. 其中總磷濃度由2012年的0.107 mg/L升高至2018年的0.125 mg/L，較2012年升高了16.6%；總氮濃度由2012年的2.127 mg/L升高至2018年的2.170 mg/L，較2012年升高了2.0%；葉綠素a濃度由2012年的20.45 μg/L升高至2018年的37.10 μg/L，較2012年升高了81.4%；藻藍素濃度由2012年的25.66 μg/L升高至2018年的82.09 μg/L，較2012年升高了220%. 銨態(tài)氮濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，由2012年的0.427 mg/L降低至2018年的0.352 mg/L，較2012年下降了17.4%. 高錳酸鹽指數(shù)沒有顯著變化(圖2).

2.2 各湖區(qū)水質(zhì)和藻情變化

2012-2018年間，西部湖區(qū)總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和銨態(tài)氮4個指標(biāo)中，高錳酸鹽指數(shù)和銨態(tài)氮濃度下降趨勢顯著，總磷和總氮濃度均值在2018年低于2012年，但下降趨勢并不顯著(圖3)，各指標(biāo)下降幅度分別為13.1%、14.4%、6.3%和33.8%，至2018年平均濃度分別為0.160(Ⅴ類)、3.091(劣Ⅴ類)、5.194(Ⅲ類)和0.689 mg/L(Ⅲ類).

中部湖區(qū)總磷和總氮濃度呈現(xiàn)明顯的升高趨勢，升高幅度為31.5%和22.8%，高錳酸鹽指數(shù)沒有明顯的變化趨勢，銨態(tài)氮濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(圖3)，下降15.8%，4個指標(biāo)至2018年平均濃度分別為0.118(Ⅴ類)、2.024(劣Ⅴ類)、4.784(Ⅲ類)和0.217 mg/L(Ⅱ類).

圖2 2012-2018年巢湖水體總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、銨態(tài)氮、葉綠素a和藻藍素濃度變化趨勢(黑色實線為LOESS回歸線，灰色區(qū)域為95%置信區(qū)間，紅色實線表示線性回歸顯著升高，藍色實線表示線性回歸顯著下降)Fig.2 The variation trend of total phosphorus, total nitrogen, CODMn, chlorophyll-a and phycocyanin concentrations from 2012 to 2018 in Lake Chaohu (The black lines are the locally weighted scatterplot smoothing (LOESS) regression fitted to the response curve. The gray areas are the approximate 95% confidence intervals on the fitted function. The red lines indicate significant increasing trends with the linear regression. The blue lines indicate significant decreasing trends with the linear regression)

東部湖區(qū)總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)呈現(xiàn)明顯的升高趨勢，升高幅度分別為73.7%、15.8%和9.0%，銨態(tài)氮濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，但是2018年明顯反彈，較2012年增加22.8%(圖3)，4個指標(biāo)至2018年平均濃度分別為0.094(Ⅳ類)、1.436(Ⅳ類)、4.406(Ⅲ類)和0.201 mg/L(Ⅱ類).

圖3 2012-2018年巢湖不同湖區(qū)水體總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和銨態(tài)氮濃度變化趨勢(黑色實線為LOESS回歸線，灰色區(qū)域為95%置信區(qū)間，紅色實線表示線性回歸顯著升高，藍色實線表示線性回歸顯著下降)Fig.3 The variation trend of total phosphorus, total nitrogen, CODMn and from 2012 to 2018 in Lake Chaohu (The black lines are the locally weighted scatterplot smoothing (LOESS) regression fitted to the response curve. The gray areas are the approximate 95% confidence intervals on the fitted function. The red lines indicate significant increasing trends with the linear regression. The blue lines indicate significant decreasing trends with the linear regression)

3個湖區(qū)中，西部和中部湖區(qū)水華藍藻沒有顯著的增加趨勢，但是2018年明顯高于前幾年，其中西部湖區(qū)葉綠素a和藻藍素濃度較2012年分別增加52%和125%，中部湖區(qū)增加64.4%和219%；而東部湖區(qū)葉綠素a和藻藍素濃度均呈現(xiàn)顯著的增加趨勢，增加幅度分別為159%和404%(圖4).

2.3 水華藍藻組成及分布的演變

根據(jù)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，2012-2018年巢湖藍藻水華的面積并沒有顯著的變化趨勢(圖5)，但是2018年9月份，巢湖，尤其是中東部巢湖出現(xiàn)較大面積藍藻水華，面積約為440 km2，同期葉綠素a和藻藍素濃度也明顯偏高(圖4). 巢湖的水華藍藻主要以微囊藻(Microcystis)和魚腥藻(Dolichospermum)為優(yōu)勢種類，兩種藻在季節(jié)上和空間上相互演替，通常夏季東部巢湖以魚腥藻為優(yōu)勢種類，但生物量相對較低. 2018年巢湖這種演替模式被打破，夏季東部湖區(qū)優(yōu)勢藍藻被微囊藻所取代(圖6)，微囊藻的大量繁殖、上浮集聚增加了該湖區(qū)藍藻水華的面積和持續(xù)時間.

2.4 入湖河流水質(zhì)變化

根據(jù)巢湖主要入湖污染河流河口的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：西部3條主要入湖污染河流(南淝河、十五里河-塘西河和派河)的總磷、總氮和銨態(tài)氮濃度均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，下降幅度均超過30%(圖7). 但是中部湖區(qū)的兆河、東部湖區(qū)的雙橋河和柘皋河總磷濃度顯著增加，升高幅度分別為49.2%、76.6%和47.5%. 杭埠河作為巢湖最大的入湖水量來源，雖然在2018年部分月份出現(xiàn)水質(zhì)下降情況，但是其總體上水質(zhì)下降趨勢并不明顯，因此對全湖水質(zhì)變化的影響有限(圖8).

3 討論

3.1 巢湖水質(zhì)和藻情的變化

2012-2018年巢湖總體總氮和總磷濃度顯著升高，其中總磷濃度升高幅度較大，總氮濃度升高有限. 銨態(tài)氮濃度下降顯著，銨態(tài)氮主要來源于人和動物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可達2.5～4.5 kg，雨水徑流以及農(nóng)用化肥的流失也是氮的重要來源，因此銨態(tài)氮的下降表明巢湖流域近年來對于這幾方面的污染控制取得了明顯的效果. 近年來，隨著巢湖流域內(nèi)污水管網(wǎng)接管率的提升、城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施的完善以及畜禽養(yǎng)殖的管控，使得生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水的直排狀況得到有效的控制，這可能是流域內(nèi)各條河流及各湖區(qū)銨態(tài)氮濃度下降的最直接原因. 葉綠素a和藻藍素濃度升高顯著，而且其升高幅度明顯高于總氮和總磷濃度的升高幅度，這有悖于通常認(rèn)為的藻類生物量與營養(yǎng)鹽水平線性相關(guān)的觀點，其可能是適宜的氣象條件與營養(yǎng)鹽增加的疊加作用[13]，也可能是藻類組成變化后的物種補償效應(yīng)或者空間補償效應(yīng)的結(jié)果[14].

巢湖的富營養(yǎng)化在空間分布上表現(xiàn)為由西向東逐步降低的趨勢[4-5]，2012-2018年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示巢

圖4 2012-2018年巢湖不同湖區(qū)水體中葉綠素a和藻藍素濃度變化趨勢(黑色實線為LOESS回歸線，灰色區(qū)域為95%置信區(qū)間，紅色實線表示線性回歸顯著升高)Fig.4 The variation trend of chlorophyll-a and phycocyanin concentrations from 2012 to 2018 in Lake Chaohu(The black lines are the locally weighted scatterplot smoothing (LOESS) regression fitted to the response curve. The gray areas are the approximate 95% confidence intervals on the fitted function. The red lines indicate significant increasing trends with the linear regression)

圖5 2012-2018年巢湖藍藻水華面積變化趨勢(藍色為分位回歸線)Fig.5 The variation of the cyanobacterial bloom area from 2012 to 2018 (The blue lines are the quantile regression lines)

圖6 2012-2018年7-9月巢湖東部湖區(qū)魚腥藻與微囊藻生物量的比例Fig.6 The biomass ratio of Dolichospermum to Microcystis from July to Septemper in 2012-2018, in east region of Lake Chaohu

圖7 2012-2018年南淝河、十五里河-塘西河和派河水質(zhì)變化趨勢(黑色實線為LOESS回歸線，灰色區(qū)域為95%置信區(qū)間，藍色實線表示線性回歸顯著下降)Fig.7 The variation trend of water quality from 2012 to 2018 in Nanfei River, Shiwuli-Tangxi River and Paihe River (The black lines are the locally weighted scatterplot smoothing (LOESS) regression fitted to the response curve. The gray areas are the approximate 95% confidence intervals on the fitted function. The blue lines indicate significant decreasing trends with the linear regression)

圖8 2012-2018年杭埠河、兆河、雙橋河和柘皋河水質(zhì)變化趨勢(黑色實線為LOESS回歸線，灰色區(qū)域為95%置信區(qū)間，紅色實線表示線性回歸顯著升高，藍色實線表示線性回歸顯著下降)Fig.8 The variation trend of water quality from 2012 to 2018 in Hangbu River, Zhaohe River, Shuangqiao River and Zhegao River (The black lines are the locally weighted scatterplot smoothing (LOESS) regression fitted to the response curve. The gray areas are the approximate 95% confidence intervals on the fitted function. The red lines indicate significant increasing trends with the linear regression. The blue lines indicate significant decreasing trends with the linear regression)

湖富營養(yǎng)化的這種空間分布模式正在發(fā)生改變，雖然其仍然呈現(xiàn)由西向東逐漸降低的趨勢，但是這種趨勢已經(jīng)明顯變緩. 即西部湖區(qū)的營養(yǎng)鹽水平下降趨勢或變化不顯著，而中東部營養(yǎng)鹽水平顯著增加，使得巢湖湖體富營養(yǎng)化的空間差異縮小. 中東部湖區(qū)營養(yǎng)鹽水平的升高也導(dǎo)致巢湖整體營養(yǎng)鹽水平呈現(xiàn)升高的趨勢，尤其是總磷濃度，2018年較2012年升高了16%. 中東部湖區(qū)總磷濃度的升高與南部兆河、東部雙橋河和柘皋河總磷濃度的升高具有一致性，可見這3條河的入湖總磷負荷升高，是導(dǎo)致中東部湖區(qū)營養(yǎng)鹽水平升高的最直接因素，也是導(dǎo)致巢湖營養(yǎng)鹽水平呈現(xiàn)升高趨勢的主要原因.

巢湖的優(yōu)勢水華藍藻為魚腥藻和微囊藻[15]，而總磷濃度是影響兩種藻時空分布的主要驅(qū)動因素之一[16]. 微囊藻和魚腥藻在季節(jié)上和空間上相互演替，通常魚腥藻在4-6月份開始大量生長，呈全湖分布，微囊藻在6-10月在西部巢湖占據(jù)優(yōu)勢，西部的魚腥藻消失，但在東部巢湖魚腥藻依然占據(jù)優(yōu)勢，但生物量相對較低，10月-次年1月，東部巢湖的魚腥藻生物量大量增加，并逐步擴張至西部巢湖，至2-3月，溫度較低，兩種藻生物量均較低[16]. 2015年以前，巢湖中東部水華呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢[17-18]，夏季巢湖東部主要以魚腥藻為優(yōu)勢水華藍藻，雖然部分時間也能發(fā)現(xiàn)微囊藻水華的出現(xiàn)，但是通常持續(xù)時間較短. 由于魚腥藻相對喜歡偏低的溫度，因此受夏季高溫影響，魚腥藻的生物量并不高. 但是2018年夏季巢湖中東部，由于總磷濃度的升高，促進了優(yōu)勢藍藻的演替，原來的優(yōu)勢種類魚腥藻被微囊藻替代，相對于魚腥藻，微囊藻更喜歡高溫[19]，在高磷、高溫環(huán)境的共同作用下，微囊藻快速繁殖. 另外，相對于魚腥藻，微囊藻具有更強的上浮能力，因此大量繁殖的微囊藻更容易上浮集聚，形成表面可見的藍藻水華，并在風(fēng)的作用下水平遷移擴散，是造成2018年巢湖藍藻水華異常的重要原因.

綜上所述，巢湖2012-2018年水質(zhì)和藻情的變化是相互聯(lián)動的，雖然西部巢湖的入湖河流和湖體營養(yǎng)鹽水平有所下降，但是距離控制藍藻水華發(fā)生的營養(yǎng)鹽閾值仍有較大差距，因此其藍藻水華強度并未減弱；而中西部巢湖，由于入湖河流污染的增加，導(dǎo)致湖體內(nèi)營養(yǎng)鹽水平增加，以及連鎖的優(yōu)勢水華藍藻種類轉(zhuǎn)變，進一步增加了藍藻水華的強度. 可見巢湖近年來水質(zhì)的轉(zhuǎn)變有導(dǎo)致水華藍藻強度增加、呈全湖分布的趨勢，增加了巢湖藍藻水華治理的難度，同時微囊藻的增加，提升了東部湖區(qū)的藻毒素水平[20-21]，增加了巢湖市飲用水安全的風(fēng)險.

3.2 巢湖流域污染治理和藍藻水華防控建議

1)統(tǒng)籌全流域污染源頭治理工作，在強化西部入河污染治理的同時，加大南部和東部入河污染治理的力度.

巢湖西部3條主要入湖污染河流——南淝河、十五里河-塘西河和派河的治理成效顯著，但是距離治理目標(biāo)仍有較大差距，對西部湖區(qū)水質(zhì)提升的拉動作用仍顯不足，無法滿足控制西部湖區(qū)藍藻水華的需求，因此必須進一步強化這3條河小流域內(nèi)的截污、治污工作. 同時針對南部兆河、東部雙橋河和柘皋河污染物濃度升高的趨勢，必須加大對這3條河流域內(nèi)的污染治理工作力度. 針對杭埠河應(yīng)該增加其清水產(chǎn)流功能的保育工作，同時強化舒城縣的污染治理工作. 具體治理工作應(yīng)以規(guī)范排水行為為出發(fā)點，著重解決城市地下污水管網(wǎng)問題，切實杜絕污水散排；加快城鎮(zhèn)污水處理廠的建設(shè)和提標(biāo)改造，加大運行監(jiān)管力度，有效提高污水處理廠的處理能力和處理效率；嚴(yán)格控制養(yǎng)殖污染，加快推進農(nóng)業(yè)面源污染治理；全面排查上游清水來源河流，如杭埠河、豐樂河、白石天河和兆河等的污染來源，切實做好源頭控制和流域保育工作.

2) 持續(xù)做好河道與湖體生態(tài)修復(fù)工作.

入湖河流是污染物進入巢湖的主要通道，因此要以小流域為單元，推進河道及河道周邊濕地的修復(fù)工作，在推進黑臭河道治理的同時增加梯級濕地建設(shè)，因地制宜地利用自然條件，構(gòu)建濕地網(wǎng)絡(luò)，有效削減入河和入湖污染物總量. 選擇對農(nóng)村搬遷和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較小的圩區(qū)開展退圩還湖，構(gòu)建圩區(qū)濕地. 在市域范圍內(nèi)建設(shè)雨水蓄積型濕地. 沿環(huán)城公園水系分段建設(shè)景觀游憩型濕地. 在農(nóng)村地區(qū)建設(shè)河塘濕地、農(nóng)田濕地和溝渠強化濕地，最大限度削減、滯留、消除村莊生活污水，進一步提高對農(nóng)村的氮磷攔截能力.

擴大湖濱濕地建設(shè)，優(yōu)化巢湖水位，促進春季水生植被萌發(fā)，實施凈水漁業(yè)，調(diào)控巢湖食物網(wǎng)，加快推進湖體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，提升湖泊生態(tài)系統(tǒng)凈化能力與環(huán)境容量. 在濱湖岸帶建設(shè)生態(tài)隔離帶，從而有效防止污水直接面對巢湖，亦可作為污水處理場中水凈化的最后載體. 通過岸帶緩沖區(qū)建設(shè)，利用疏浚底泥和人工介質(zhì)吹填，構(gòu)建具有水陸交錯特性的基底環(huán)境，種植蘆葦以及具有一定抗風(fēng)浪能力的浮葉植物，利用水生植物的吸附凈化能力去除水體中的污染物，有效防止污水直接面對巢湖，同時提高湖體自凈能力.

3)開展藍藻水華監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急處置能力建設(shè).

巢湖藍藻水華的發(fā)生在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)將是一種常態(tài)化狀態(tài)，特別是東部巢湖優(yōu)勢藍藻種類的轉(zhuǎn)變，將一進步增加巢湖藍藻水華的風(fēng)險，不僅影響西部巢湖的景觀娛樂用水，而且威脅東部巢湖的飲用水安全. 因此，加強巢湖藍藻水華監(jiān)控能力建設(shè)，是把握巢湖藍藻水華動態(tài)，實施藍藻預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急處置的基礎(chǔ)，監(jiān)控能力的建設(shè)主要包括遙感、自動監(jiān)測站和人工巡測等幾個方面，其中建立常規(guī)的人工巡測制度是重中之重. 目前巢湖的藍藻水華預(yù)測預(yù)警，僅僅只是臨時性、或者以監(jiān)測為主的粗放型工作，難以實現(xiàn)對巢湖藍藻發(fā)生發(fā)展的預(yù)知，更難以指導(dǎo)巢湖藍藻等生態(tài)災(zāi)害的應(yīng)急處置，因此，巢湖應(yīng)建立水華藍藻預(yù)測預(yù)警工作團隊，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警的常規(guī)業(yè)務(wù)化運行，同時配備藍藻應(yīng)急處置工作團隊，實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急處置的聯(lián)動作業(yè). 藍藻水華應(yīng)急防控應(yīng)建立涵蓋藍藻應(yīng)急打撈、應(yīng)急處置、資源化利用的藍藻水華防控體系. 針對巢湖藍藻水華重點防控區(qū)和敏感區(qū)，配置藍藻智能攔擋導(dǎo)流、湖濱區(qū)高效除藻除臭裝置、藻水分離與脫水干化及資源化設(shè)備及裝置.

4 結(jié)論

1)2012-2018年巢湖全湖平均總磷和總氮濃度顯著升高，銨態(tài)氮濃度顯著下降，水華藍藻總量顯著升高.

2)2012-2018年巢湖西部湖區(qū)總磷和總氮濃度略有下降或持平，中部和東部湖區(qū)總磷濃度顯著升高，西部3條主要入湖污染河流(南淝河、十五里河和塘西河、派河)水質(zhì)明顯改善，但仍處于較高污染水平，中東部入湖河流(兆河、雙橋河和柘皋河)總磷濃度明顯升高，是中東部湖區(qū)水體營養(yǎng)鹽升高的主要污染來源.

3)2018年巢湖東部湖區(qū)以微囊藻為優(yōu)勢水華藍藻種類，取代了以往的優(yōu)勢藍藻水華種類魚腥藻，是2018年巢湖中東部湖區(qū)部分月份水華面積異常增高期間的主要種類.

4)巢湖流域污染的治理要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)全流域工作，在強化西部治理工作的同時，加大南部和東部的治理力度，避免西部湖區(qū)營養(yǎng)鹽水平尚未達到有效控制藍藻水華的程度時候，中東部湖區(qū)惡化變?yōu)樗{藻水華頻發(fā)的另一個區(qū)域.

致謝：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊-流域數(shù)據(jù)集成與模擬中心提供部分相關(guān)遙感影像數(shù)據(jù)，在此表示感謝.