張 迪,王 華,莊 巍，袁偉皓，曾一川，田瑩瑩

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042)

引 言

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

鄱陽(yáng)湖(E115°49′～116°46′，N28°11′～29°51′)位于江西省北部長(zhǎng)江中下游南岸(圖1)，是我國(guó)第一大淡水湖，也是國(guó)際重要濕地。流域涉及南昌、新建、進(jìn)賢等30個(gè)縣市區(qū)，上游承接贛江、撫河、信河、饒河、修河五條主要河流來(lái)水，經(jīng)湖區(qū)調(diào)蓄后由湖口注入長(zhǎng)江，是一個(gè)典型的通江湖泊，對(duì)調(diào)節(jié)長(zhǎng)江徑流以及在維系區(qū)域水量平衡與生態(tài)安全方面發(fā)揮著重要作用[15～18]。湖區(qū)以松門(mén)山為界可分為南北兩部分，北面為入江水道，湖體窄而深，長(zhǎng)40km，寬3～5km，最窄處約為2.8km，構(gòu)成北部湖區(qū)；南部構(gòu)成主湖體，湖泊寬而淺，長(zhǎng)133km，最寬處達(dá)74km，且水面面積與庫(kù)容隨季節(jié)變幅較大。根據(jù)近50年觀測(cè)資料，鄱陽(yáng)湖水位高程為9m時(shí)(湖口水文站，吳淞基面)，湖區(qū)面積為204.5km2；水位高程為14m時(shí)，面積為2 692km2；水位高程為18m時(shí)，面積為3 155km2，歷年最高水位22.59m時(shí)(1998年7月31日)，湖區(qū)水面面積4 500km2，容積3.4×1010m3。歷年最低水位5.9m時(shí)(1963年2月6日)，面積僅為146km2[19～21]。

圖1 研究區(qū)域地理位置及主要監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)分布圖Fig.1 Geographical location of the study area and distribution map of the main station

2 研究方法

2.1 R/S分析法

表1 Hurst指數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The discriminant standard of Hurst

2.2 相關(guān)性分析

運(yùn)用R3.6.1計(jì)算鄱陽(yáng)湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的Pearson系數(shù)并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，設(shè)置0.01和0.05兩種顯著性水平，p<0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義相關(guān)，p<0.01則表示顯著相關(guān)。Pearson系數(shù)計(jì)算的具體公式如下[26-27]：

式中，r為兩點(diǎn)位相關(guān)系數(shù)，xi、yi分別為研究點(diǎn)位營(yíng)養(yǎng)鹽含量年均值序列，n為年數(shù)，取n=30，lxx、lyy分別為變量x、y的離均差平方和，lxy為變量x、y的離均差積和。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1，相關(guān)度越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)度越弱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可將相關(guān)程度分為以下幾種情況：當(dāng) 0.8≤│r│<1 時(shí)，視為極強(qiáng)相關(guān)；0.6≤│r│<0.8 時(shí)，視為強(qiáng)相關(guān)；0.4≤│r│<0.6 時(shí)，視為中等程度相關(guān)；│r│<0.4 時(shí)，說(shuō)明變量之間的相關(guān)程度極弱，或視為不相關(guān)。

3 結(jié)果與討論

3.1 鄱陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)鹽演變趨勢(shì)分析

圖2 鄱陽(yáng)湖近30年主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)位氨氮年均濃度演變趨勢(shì)分析Fig.2 Analysis of the evolution trend of concentration at major monitoring points in Poyang lake in the past 30 years

圖3 鄱陽(yáng)湖近30年主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)位總磷年均濃度演變趨勢(shì)分析Fig.3 Analysis of the evolution trend of TP concentration at major monitoring points in Poyang lake in the past 30 years

TP年均濃度存在兩個(gè)峰值點(diǎn)，在1988～1993年間整體處于較高水平，在1993年達(dá)到峰值，平均濃度為0.071mg/L，為Ⅳ類(lèi)水濃度水平；1993～2000年期間，濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，于2000年降至一個(gè)相對(duì)較低的濃度水平，該年9個(gè)站點(diǎn)的平均值為0.027mg/L，除信江東支外，基本處于Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；之后又處于上升趨勢(shì)，在2014年達(dá)到第二次最大值，峰值范圍為0.105 mg/L，整體處于Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。各站點(diǎn)中濃度最高的為鄱陽(yáng)，近30年均值為0.101mg/L，峰值為0.260 mg/L，出現(xiàn)在2014年，谷值為0.015 mg/L，出現(xiàn)在1998年。濃度最低的是修河口，近30年均值為0.041mg/L，峰值為0.065mg/L，出現(xiàn)在2018年，谷值為0.011 mg/L，出現(xiàn)在1998年。此外，信江東支濃度也處于較高水平，可能與排入信江的污染物濃度有關(guān)。

鄱陽(yáng)的氨氮、總磷濃度常年居高，是因?yàn)槭艿金埡又Я鳂?lè)安河的工業(yè)污水排放影響，而修河口處于鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)的北部出口，且根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，修河對(duì)鄱陽(yáng)湖的氮磷排放也處于一個(gè)相對(duì)較低的水平，鄱陽(yáng)站的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度經(jīng)湖區(qū)調(diào)蓄后有了顯著的減小，至修河口處水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。

鄱陽(yáng)湖不同點(diǎn)位營(yíng)養(yǎng)鹽濃度實(shí)測(cè)結(jié)果變化過(guò)程線直觀上反映了近30年來(lái)營(yíng)養(yǎng)鹽的波動(dòng)特征。為進(jìn)一步揭示營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)間序列的分形特征，現(xiàn)采用R/S分析法計(jì)算序列的Hurst指數(shù)(部分?jǐn)M合結(jié)果見(jiàn)圖4)。分析可知，各監(jiān)測(cè)斷面營(yíng)養(yǎng)鹽序列的Hurst指數(shù)均大于0.5，說(shuō)明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽序列呈現(xiàn)出較強(qiáng)的持續(xù)性，鄱陽(yáng)湖各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)自2014年至今均呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)趨勢(shì)，即表示一段時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽將持續(xù)當(dāng)前的小幅度波動(dòng)演變趨勢(shì)。

圖4 鄱陽(yáng)湖部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與Log10n相關(guān)性Fig.4 The correlation between and log10n in each monitoring sectionof the Poyang Lake

3.2 鄱陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)鹽空間分異特征

并進(jìn)一步定量分析鄱陽(yáng)湖各點(diǎn)位營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)特征，運(yùn)用R3.6.1計(jì)算Pearson系數(shù)并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 鄱陽(yáng)湖主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度相關(guān)性Fig.5 Correlation of concentration in main monitoring

圖6 鄱陽(yáng)湖主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP濃度相關(guān)性Fig.6 Correlation of TP concentration in main monitoring points of the Poyang Lake

分析可知：(1)各點(diǎn)位間氨氮較總磷總體呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性特征；(2)位于北部湖區(qū)的蛤蟆石和星子氨氮和總磷均表現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.8(p<0.01)、0.46(p<0.01)，原因是北部湖區(qū)湖體狹長(zhǎng)，寬度較窄，流速較快，兩站點(diǎn)之間的水質(zhì)呈現(xiàn)了較好的傳遞性。(3)位于中部湖區(qū)的鄱陽(yáng)、棠蔭、都昌、蚌湖的氨氮呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，從湖泊水體的流向來(lái)看，4個(gè)站點(diǎn)位于主湖體的中泓線，站點(diǎn)之間傳遞了鄱陽(yáng)的湖流條件，呈現(xiàn)了相似的水質(zhì)變化趨勢(shì)，但是水質(zhì)因子濃度經(jīng)過(guò)湖區(qū)水體的調(diào)蓄后有了明顯的減小，說(shuō)明湖區(qū)水量增多起到了稀釋的作用；(4)贛江主支、信江東支、修河口與之間表現(xiàn)出相較弱的相關(guān)性，原因可能是分別來(lái)自贛江、信江、修河的河流在不同位置匯入鄱陽(yáng)湖，相互之間水流交換較弱。(5)修河口和鄱陽(yáng)的相關(guān)性極低，原因是站點(diǎn)之間位置較遠(yuǎn)，鄱陽(yáng)站點(diǎn)水質(zhì)經(jīng)湖區(qū)調(diào)蓄后流至修河口已不具有鄱陽(yáng)站點(diǎn)的水質(zhì)特性。

4 結(jié)論與建議

本文研究結(jié)果表明：鄱陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)鹽濃度自2006年左右開(kāi)始呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，在2014年左右達(dá)到峰值，全湖水質(zhì)處于Ⅳ～Ⅴ水濃度水平，2015～2018年有一定幅度的下降，并預(yù)測(cè)了一段時(shí)間內(nèi)的上升趨勢(shì)；且全湖不同湖區(qū)不同監(jiān)測(cè)斷面也表現(xiàn)出一定的差異性，北部湖區(qū)水質(zhì)優(yōu)于南部湖區(qū)，鄱陽(yáng)常年處于較高濃度水平，修河口則處于較低濃度水平。鄱陽(yáng)和信江東支可能是由于距離饒河流域入湖口較近，樂(lè)安河是饒河的主要支流，近年來(lái)樂(lè)安河流域工業(yè)排放大量氮磷超標(biāo)的污水。修河口處于鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)出口，湖區(qū)污染物在流經(jīng)整個(gè)湖區(qū)后經(jīng)湖泊調(diào)蓄到北部湖區(qū)后水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，且作為通江湖泊的鄱陽(yáng)湖，在年內(nèi)汛期7～9月份、枯季11～12月份會(huì)發(fā)生長(zhǎng)江水倒灌的現(xiàn)象，對(duì)鄱陽(yáng)湖水質(zhì)交換也起到一定作用。

鄱陽(yáng)湖近30年的水質(zhì)演變趨勢(shì)與江西省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程密切相關(guān)，為保證鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展，建議嚴(yán)格流域污染源控制和加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，對(duì)位于繞河入湖處的鄱陽(yáng)、信江東支斷面常年處于較高濃度水平的情況，建議進(jìn)一步針對(duì)饒河流域做污染源調(diào)查和污染源強(qiáng)分析；建議下一步研究可對(duì)長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖的江水交換水量和水質(zhì)做相關(guān)性分析，以期制定靈活的彈性污染限制排放政策。