巢湖水環(huán)境質量時空演變特征及成因分析

方鳳滿,金高潔,高超

(1.安徽師范大學國土資源與旅游學院,安徽蕪湖241003;2.安徽師范大學附屬中學,安徽蕪湖241000)

水環(huán)境問題關系到人口、社會、經濟可持續(xù)發(fā)展,各地水環(huán)境問題日益突出,有關水環(huán)境質量及評價方面的研究也越來越多[1-4]。巢湖近年來水環(huán)境問題日益突出,已成為我國5大淡水湖中污染最為嚴重的湖泊之一。有關巢湖流域水環(huán)境的研究主要為巢湖流域的非點源污染物來源、分布特征及控制對策研究[5],巢湖水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)及主要指標和限制因子分析[6],巢湖水相、沉積相和生物相中重金屬污染分析[7]。以上工作多從微觀的環(huán)境學角度分析巢湖水環(huán)境狀況,而從宏觀角度分析巢湖水質參數(shù)時空分布的不多。本文以巢湖湖體12個監(jiān)測點多年監(jiān)測資料分析其水環(huán)境時空分布特征,理清水環(huán)境演變軌跡,為更好地科學地認識巢湖水環(huán)境變遷提供基礎,亦為巢湖水環(huán)境治理提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

巢湖流域位于安徽省中部,總面積約 13 350 km2。巢湖居流域中心,是我國聞名的第5大淡水湖。其水域地理位置東經 117°16′54″—117°51′46″,北緯 31°25′28″—31°43′28″。湖泊東西兩端向北翹起,中間向南突出,成“凹”字形。湖泊長度約54.5 km,最大寬度約21.0 km,平均寬度約15.1 km。主要入湖河流有杭埠河、豐樂河、派河、南淝河、柘皋河、白石天河等。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

巢湖水環(huán)境質量數(shù)據(jù)由安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站、安徽省環(huán)保局和巢湖市環(huán)保局提供的湖體12個監(jiān)測點1995—2007年CODMn,TP,NH3—N,TN,Chla和pH值等逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用距平值分析水環(huán)境時序特征。因監(jiān)測水環(huán)境要素時段序列長短不一致,選取1995—1999年各指標均值作為長序列(1995—2007年)距平基線,而選取2000—2004年作為短序列(2000—2007年)距平基線。依據(jù)湖盆12個監(jiān)測點指標數(shù)值,結合各監(jiān)測點坐標位置,通過空間柵格插值生成新數(shù)據(jù)集,獲得反映離散狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)集暗含的空間特征、空間格局等信息,并使用湖盆邊界對插值空間進行控制。

3 巢湖水環(huán)境時空變化特征

3.1 巢湖水環(huán)境時間變化特征

3.1.1 高錳酸鹽指數(shù)(CODM n)巢湖湖盆水環(huán)境CODMn各年距平(相對于1995—1999年)如圖1所示。湖盆CODM n在1995—2007年間呈現(xiàn)一定程度的波動,尤其是2000年以后,呈不斷下降趨勢,但總體線性趨勢斜率為-0.0015,接近于0,表明其在1995—2007年間總體變化不大。

3.1.2 總磷(TP)巢湖水體TP的距平如圖1所示。自1995年以后,TP總體呈現(xiàn)下降趨勢,在2003年出現(xiàn)小幅度的增減反彈,但其幅度甚小,整體而言巢湖水體TP含量基本維持不變,且多為富營養(yǎng)化狀態(tài)水體。

3.1.3 總氮(TN)和氨氮(NH3—N)若總氮濃度超過0.3 mg/L(如果氮是限制因素)時,藻類會過量繁殖。1995—2007年,巢湖湖盆水體的 NH3—N,TN呈現(xiàn)下降趨勢(圖2)。

圖1 湖盆1995—2007年 CODMn,TP距平(相對于1995—1999年)

圖2 湖盆1995—2007年 NH3—N距平(相對于1995—1999年)和2000—2007年TN距平(相對于 2000—2004年)

3.1.4 葉綠素a(Chla)表征藻類數(shù)量的葉綠素a(Chla)含量大于 10 mg/m3即認為達到富營養(yǎng)化。由圖3可知,湖泊葉綠素水平除2003年外基本維持在一個很小的幅度變化。2003年因溫度、日照等外界因素誘發(fā)藍藻大面積暴發(fā),導致葉綠素濃度激增,近年來呈現(xiàn)微弱的下降。

3.1.5 pH值 湖泊水中有機質分解會產生有機酸,降低酸度,酸雨也會造成水體酸化,但富營養(yǎng)化會造成藻類泛濫,水有變堿趨勢[8]。多數(shù)時間巢湖水體pH值在7.66～8.2之間,呈現(xiàn)堿性特征,自 2000年之后水體pH值呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(圖3),其線性趨勢斜率達-0.021 5,反映湖盆水體有酸化發(fā)展趨勢。

圖3 湖盆2000—2007年葉綠素、pH值距平(相對于2000—2004年)

3.2 巢湖水環(huán)境空間分布特征

因1999年12月31日巢湖流域開展以排污達標為主題的“零點行動”,因而將1995—2007年水質監(jiān)測資料分割為1995—1999年和2000—2007年2個時段,取兩時段的多年平均值,利用Kriging插值到空間上,形成各要素面平均來模擬水環(huán)境要素空間分布特征并比較其在2個時段的變化差異。

3.2.1 高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)巢湖湖盆水環(huán)境CODMn均值在西湖區(qū)(忠廟—姥山以西)濃度上、空間分布上均有所擴大,由南淝河入湖口等地擴張至派河、豐樂河入湖口等處;而東湖區(qū)(忠廟—姥山以東)CODMn濃度卻有所減少,由 1995—1999年最低CODM n濃度4.38 mg/L下降為2000—2007年間的4.04 mg/L,反映巢湖水環(huán)境質量的明顯的區(qū)域差異性。

3.2.2 總磷(TP)2000—2007年水體TP濃度范圍(0.101 8～0.334 2 mg/L)較 1995—1999年(0.142 2～0.350 7 mg/L)低,表明2000—2007年間整個湖盆TP濃度有所下降。但值得注意的是,在圖4a中TP第 2分級范圍大小為0.153 0～0.165 9 mg/L,此濃度在圖4b中相當于第4分級,表明此濃度的湖盆水體空間范圍擴張到姥山、忠廟一線,即原先1995—1999年的2級水質已由東湖區(qū)擴張到西湖區(qū)邊緣,2000—2007年東湖區(qū)水質有所改善;但西湖區(qū)2個時段10級水體濃度差距并不大,仍較穩(wěn)定地分布于橋南、南淝河入湖口一帶,反映1995—2007年間巢湖湖盆磷營養(yǎng)鹽的輸入較穩(wěn)定地集中來源于該地區(qū),主要可能與南淝河等入湖河流有關。

3.2.3 氨氮(NH3—N)1995—1999年間巢湖NH3—N濃度較高地區(qū)集中在西湖區(qū)的派河入湖口、塘西等地,到2000—2007年,NH3—N高濃度地區(qū)從派河入湖口、塘西一帶轉至南淝河、橋南一帶且面積有所收縮;同時,東湖區(qū)1級水域范圍由東南沿湖擴大到近乎整個東半湖區(qū)。但是巢湖壩口地區(qū)NH3—N濃度仍屬于2級水域,水質仍有待改善。

3.2.4 總氮(TN)《地表水環(huán)境質量標準》標準限值中湖泊水體 TN Ⅴ類水質極值為 2.0 mg/L。2000—2007年間巢湖 TN超標情況嚴重,西半湖全部以及東半湖西部地區(qū)均為Ⅴ類水質。氮、磷等營養(yǎng)元素多數(shù)來源于工業(yè)點源污染和農業(yè)面源污染,巢湖湖盆東南側靠近山丘、崗地,且山丘、崗地呈向長江傾斜地勢,匯入巢湖的集水面積小,流水在匯入巢湖過程中帶入的營養(yǎng)鹽可能亦較少,這可能是巢湖東南部沿岸湖區(qū)水環(huán)境各項指標數(shù)值較低的原因之一。

圖4 湖盆1995—1999年,2000—2007年TP均值

3.2.5 葉綠素a(Chla)巢湖湖盆葉綠素含量超標亦非常嚴重,僅僅有東湖區(qū)部分地區(qū)在10 mg/m3以下,其中,在塘西、南淝河入湖口、橋南一線為湖泊葉綠素含量最高地區(qū),年均值最高達79.53 mg/m3。2003年8月6日,該地區(qū)Chla濃度曾經達到5 040 mg/m3,造成湖盆大面積藍藻暴發(fā)。

3.2.6 pH值 湖湖盆呈現(xiàn)弱堿性特征,主要因湖泊富營養(yǎng)化泛濫的藻類導致[8],pH值最低地區(qū)為巢湖壩口水域,而pH值最大地區(qū)為姥山、忠廟以西的西湖區(qū),尤其以塘西、橋南一帶為最。值得注意的是pH值在東半湖的槐林沿湖水域明顯升高,可能與槐林地區(qū)發(fā)達的漁網(wǎng)工業(yè)生產有關?；绷譃槿珖畲蟮臐O網(wǎng)生產基地之一,漁網(wǎng)所需要的高分子聚合物——聚酰胺單絲生產過程中一般要用堿做為催化劑,在洗滌干燥的過程中,會產生堿性廢水。這些工業(yè)廢液,經排放之后匯入巢湖,對水體pH值產生影響,導致槐林沿湖地區(qū)pH值較東湖區(qū)其它地區(qū)高。

4 巢湖水環(huán)境時空演變成因初步分析

4.1 豐富的外源匯入加劇水環(huán)境壓力

巢湖每年接納大量未經達標處理的工業(yè)和生活污水,加之農業(yè)化肥流失,土壤侵蝕以及臨湖岸線崩塌等面源污染的影響,豐富的外來物質匯入造成較大水環(huán)境壓力。(1)流域人口迅速增加,產生大量的生活污染,加大對水環(huán)境的壓力。尤其是2000年之后巢湖流域城市化進程加快,流域內兩座城市(合肥、巢湖),9個縣級城鎮(zhèn),共計943.47萬人,是安徽省人口最密集的地區(qū)之一。巢湖流域2005—2007年生活污水平均年排放量為1.78×108m3,NH3—N和TP年排放量分別為5 204.89 t和575.39 t,流域內第一大城市合肥市NH3—N和TP排放量占總排放量的67.19%和69.80%,流經該市的南淝河由于流程短,無“活水源頭”,水體自凈能力較弱,將大量污染物質帶入巢湖,這也是巢湖水環(huán)境各項指標在南淝河口等地呈現(xiàn)比較集中的主要緣由。(2)流域內大量的工業(yè)廢水排入巢湖。巢湖流域內有若干高新科技區(qū)、工業(yè)開發(fā)區(qū)、經濟技術開發(fā)區(qū),例如合肥的桃花工業(yè)區(qū)在派河上游,舒城縣開發(fā)區(qū)在豐樂河上游,這些開發(fā)區(qū)的工業(yè)污染順河而下,造成派河、豐樂河入湖口處水環(huán)境污染嚴重。但隨著工業(yè)企業(yè)治污能力的提高,工業(yè)污染排放總量逐步降低,帶來巢湖水體環(huán)境改善[9]。(3)過量的施用化肥、農藥,使農業(yè)面源對巢湖的污染越來越嚴重。巢湖流域水土流失嚴重,流域內植被覆蓋率低,僅為15.2%,低于全省平均水平28.9%;流域內水土流失面積達1 773 km2,占流域總面積的19%。水土流失致使化肥、農藥等非點源污染物匯入巢湖,其中磷污染是水體富營養(yǎng)化的重要影響因素。巢湖流域非點源磷污染地主要集中在西南部以及南淝河、十五里河等地區(qū),這可以解釋水體中TP和葉綠素高濃度地區(qū)穩(wěn)定分布于上述地帶的原因。

4.2 持續(xù)的內源釋放加重富營養(yǎng)化程度

巢湖長期接納流域內河流輸送來的大量污染物,日積月累積聚于湖底,形成湖盆內污染源。長期淤積形成的湖泊底泥中積聚了大量氮磷,并且持續(xù)向水體釋放。巢湖底泥釋放的氮磷貢獻量約占全湖總負荷的20%,已是巢湖不可忽視的重要污染內源[10]。巢湖水體中的一些藻類如藍藻門的Gomphosphaeria和近年來頻繁引起水華的微囊藻(Microcystis)在冬季不發(fā)生形態(tài)上的變化,而只是以休眠的方式存在于底泥的表面,這些藻類在底泥中長期存活,在適當條件下(如春末夏初)由底泥上升到水體中,加劇藍藻暴發(fā)現(xiàn)象[10]。

4.3 適宜的生長環(huán)境易誘發(fā)大規(guī)模藍藻暴發(fā)

巢湖為大型半封閉淺水湖泊,水土界面物質交換劇烈,氮磷積聚釋放頻繁。巢湖氮磷比一般為(10～15)∶1,夏季水溫為25℃～30℃,適宜藍藻生長繁殖,遇持續(xù)高溫天氣,藍藻易迅速爆發(fā)[9]。有學者[11]對湖泊水體葉綠素 a濃度與上月降雨量進行雙側Person檢驗,其相關系數(shù)為0.809,表明葉綠素a含量變化與流域地表徑流帶入湖區(qū)的營養(yǎng)物質數(shù)量顯著相關。2003年8月巢湖流域藍藻暴發(fā),7月流域平均降水量達366 mm,而西南部山區(qū)達到430 mm,占全年降水量的1/3左右,大量降水帶來豐富營養(yǎng)物質,尤其是來自西部山區(qū)農作物地區(qū)的大量磷、氮等營養(yǎng)元素的匯入最終導致了藍藻暴發(fā)。

5 結論

近年來巢湖水環(huán)境問題日益突出,研究其水環(huán)境時空分布特征,可為巢湖水環(huán)境變遷研究提供依據(jù)。

(1)時間序列上,巢湖水環(huán)境要素中的CODM n,TP濃度在1995—2000年間變幅不明顯,而 TN和NH3—N濃度下降趨勢較顯著,葉綠素指標除2003年因藍藻暴發(fā)大幅增加外,變幅較微弱。

(2)空間分布上,CODMn高濃度地區(qū)在西湖區(qū)有所擴張,TP空間范圍向西湖區(qū)有所收縮,NH3—N高濃度地區(qū)從派河入湖口、塘西一帶轉至南淝河、橋南一帶且面積有所收縮,TN和葉綠素在西湖區(qū)濃度仍高于東湖區(qū),pH值在東湖區(qū)槐林一帶較高?？傮w上,東湖區(qū)水環(huán)境質量比西湖區(qū)好,整個巢湖近年來水環(huán)境有改善趨勢。

(3)巢湖水環(huán)境時空演變與其特殊的地理環(huán)境有密不可分的關系。巢湖是流域內水系的總匯入,而出水口又為人工調節(jié)所限制,當然流域內人類活動更是造成水環(huán)境污染的直接原因?？傮w上與豐富的外源匯入加劇水環(huán)境壓力、持續(xù)的內源釋放加重富營養(yǎng)化程度、適宜的生長環(huán)境等因素有關。

(4)理清巢湖水環(huán)境時空分布特征,如何合理有效地利用取得的時空分布特征去制定巢湖水環(huán)境的高效治理將是后續(xù)研究的方向,探究從流域角度出發(fā),實施流域生態(tài)管理,實現(xiàn)治理管理一體化將是努力的目標。

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