長湖水質(zhì)演變特征及水環(huán)境現(xiàn)狀評價

劉建峰,張 翔,謝 平,朱志龍

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢大學(xué),湖北武漢 430072;3.湖北省水文水資源局,湖北武漢 430070)

長湖水質(zhì)演變特征及水環(huán)境現(xiàn)狀評價

劉建峰1,2,張 翔1,2,謝 平1,2,朱志龍3

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢大學(xué),湖北武漢 430072;3.湖北省水文水資源局,湖北武漢 430070)

利用湖北省長湖2001—2011年的水質(zhì)監(jiān)測資料,分析了長湖年際及月際的水質(zhì)演變規(guī)律。結(jié)果表明,2005年長湖水質(zhì)達(dá)到最差,然后呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢,至2011年,長湖水質(zhì)已有明顯改善。在1個水文年內(nèi),長湖的水質(zhì)優(yōu)劣順序依次是：豐水期,平水期,枯水期。利用模糊綜合評價方法對2011年長湖水質(zhì)狀況進(jìn)行評價,結(jié)果表明,該年3個水期長湖水質(zhì)狀況的最大隸屬等級為Ⅰ類,水質(zhì)較好。利用卡爾森指數(shù)法對長湖2011年豐水期進(jìn)行富營養(yǎng)化評價,結(jié)果表明,除習(xí)家口水域外,全湖水體基本上處于中度富營養(yǎng)化水平。對長湖水環(huán)境壓力進(jìn)行分析,結(jié)果表明,長湖的生態(tài)系統(tǒng)正面臨衰退困境,而主要污染物的年入湖量已大大超出長湖的納污能力。

水質(zhì)；模糊綜合評價；卡爾森指數(shù)法；富營養(yǎng)化；水環(huán)境壓力；長湖

近30年來,在人類活動的強(qiáng)烈干擾下,我國湖泊由貧-中營養(yǎng)狀態(tài)為主逐步向富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變,富營養(yǎng)化湖泊的數(shù)量和面積呈逐年增加的趨勢[1]。富營養(yǎng)化不僅表現(xiàn)為湖泊中藻類等浮游植物過度生長,同時還伴隨著一系列水質(zhì)惡化過程。整個湖泊生態(tài)系統(tǒng)也伴隨著富營養(yǎng)化的發(fā)展,呈現(xiàn)出生物多樣性下降、生態(tài)系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定的現(xiàn)象[2]。

長湖是湖北省第3大湖泊和重要的保護(hù)濕地。從20世紀(jì)90年代開始,長湖水質(zhì)急劇惡化,富營養(yǎng)化水平不斷提高,湖泊各項功能的發(fā)揮受到嚴(yán)重制約。目前關(guān)于長湖水環(huán)境的已有研究重點主要集中在水質(zhì)評價、水生生物及污染源調(diào)查等方面[3],尚無有關(guān)長湖水質(zhì)演變特征的研究。筆者利用2001—2011年的水質(zhì)監(jiān)測資料,分析長湖水質(zhì)的演變特征,對長湖水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行評價,旨在為長湖水環(huán)境治理提供依據(jù)和借鑒。

1 研究區(qū)概況

長湖地處湖北省荊門市沙洋縣,在荊州市沙市區(qū)和潛江市亦有分布。長湖水域范圍介于東經(jīng)112°12憶04″～112°30憶25″、北緯30°21憶55″～30°31憶22″,水面面積122.5 km2,是湖北省第3大湖泊。長湖水域及水質(zhì)監(jiān)測點分布見圖1。近些年來,由于受到長湖流域及周邊城鎮(zhèn)工業(yè)廢水、生活污水、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污水、農(nóng)業(yè)面源污染,以及湖泊圍欄網(wǎng)養(yǎng)殖的影響,長湖水體受到嚴(yán)重的有機(jī)污染[3]。根據(jù)近11年長湖各監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測資料,長湖所有水質(zhì)監(jiān)測站點大多數(shù)年份的水質(zhì)均處于Ⅳ～劣Ⅴ類,超標(biāo)污染指標(biāo)主要為TP、TN、CODMn等。

圖1 長湖水域及水質(zhì)監(jiān)測點分布

2 長湖水質(zhì)演變特征分析

2.1 長湖水質(zhì)年際變化

根據(jù)2001—2011年長湖水質(zhì)監(jiān)測資料,得到長湖年平均水質(zhì)濃度數(shù)據(jù),采用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評價：

式中：Pij為污染物分指數(shù);Cij為污染物實測質(zhì)量濃度;Ci0為污染物Ⅲ類評價標(biāo)準(zhǔn)值;∑Pi為綜合污染指數(shù);∑Pj為綜合污染分指數(shù);m為指標(biāo)個數(shù),n為系列年份數(shù)[4]。

根據(jù)水體具體情況,選取TP、TN、CODMn、BOD5作為評價因子。通過計算,得到各年污染物分指數(shù)和綜合污染指數(shù),見表1。由表1可知：評價期內(nèi),長湖水質(zhì)處于不達(dá)標(biāo)狀態(tài),其中2001—2005年,綜合污染指數(shù)基本呈遞增趨勢,說明長湖水質(zhì)不斷惡化;至2005年,綜合污染指數(shù)達(dá)到最大,然后又逐漸減小,說明長湖水質(zhì)有所好轉(zhuǎn);至2011年,各污染因子的質(zhì)量濃度基本降到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值以下,說明長湖水質(zhì)已明顯改善。在各項污染因子的綜合污染分指數(shù)按從大到小順序排序為：TP,TN,BOD5,CODMn。

表1 長湖各污染物污染分指數(shù)和綜合污染指數(shù)(年際)

2001—2011年,長湖各項水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度變化情況見圖2。從圖2可知,2004—2010年時段內(nèi),TP、TN基本上處于嚴(yán)重超標(biāo)狀態(tài),CODMn、BOD5則輕度超標(biāo)。其中,TP質(zhì)量濃度在2005年達(dá)到峰值,之后總體呈明顯下降趨勢;TN質(zhì)量濃度呈波狀形變化,峰值同樣出現(xiàn)在2005年;CODMn質(zhì)量濃度的年際變化比較平穩(wěn),在2005年之后,基本呈下降趨勢,2010—2011年,已達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值以下; BOD5的質(zhì)量濃度變化趨勢比較明顯,2007年之前逐年增加,而2007年之后又基本呈直線下降態(tài)勢?？梢钥闯?這4個指標(biāo)的質(zhì)量濃度變化趨勢并不同步,但近幾年總體上呈下降趨勢。

2.2 長湖水質(zhì)年內(nèi)變化

根據(jù)2001—2011年長湖水質(zhì)監(jiān)測資料,分別統(tǒng)計各月份的主要污染因子污染分指數(shù)及綜合污染指數(shù)系列均值,見圖3。

從圖3可知,4項主要污染物中,CODMn超標(biāo)的月份最少,月際間基本無變化;TN在3月份的污染分指數(shù)最大,其他月份均處于相對較低水平;BOD5的變化趨勢與TN正好相反;TP污染分指數(shù)和綜合污染指數(shù)的變化趨勢基本同步。分析綜合污染指數(shù)變化趨勢,可知,豐水期(6—9月)的水質(zhì)明顯優(yōu)于枯水期(10月—次年1月)和平水期(2—5月)。在枯水期末,水質(zhì)達(dá)到最差,然后逐漸好轉(zhuǎn),至平水期末,水質(zhì)達(dá)到最優(yōu),然后水質(zhì)又有所惡化。根據(jù)水質(zhì)變化趨勢,可判斷5月份之后長湖水質(zhì)持續(xù)改善至豐水期末。而實際上TP污染分指數(shù)和綜合污染指數(shù)在夏季均出現(xiàn)了明顯的上升。

圖2 長湖TP、TN、CODMn、BOD5質(zhì)量濃度變化趨勢

圖3 長湖各污染物污染分指數(shù)和綜合污染指數(shù)月際變化情況

根據(jù)2010年對長湖污染源情況調(diào)查分析的結(jié)果,農(nóng)業(yè)面源污染為長湖流域主要污染源,農(nóng)業(yè)面源污染等標(biāo)污染負(fù)荷占全流域污染物總負(fù)荷的52.8%,而在排放的各項農(nóng)業(yè)面源污染物中,TP的污染負(fù)荷比高達(dá)74.8%。每年6—7月,長湖流域農(nóng)業(yè)活動強(qiáng)烈,污水量較大,TP質(zhì)量濃度上升,成為主要農(nóng)業(yè)面源污染源。而隨著夏季來臨,水溫升高,水產(chǎn)養(yǎng)殖進(jìn)入旺季,對水質(zhì)也產(chǎn)生不利影響。

3 長湖水環(huán)境現(xiàn)狀評價

3.1 水質(zhì)現(xiàn)狀模糊綜合評價

利用單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法來評價水質(zhì)狀況,雖然簡單易行,但不夠客觀全面,因此,筆者采用模糊綜合評價法[4-5]對長湖水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評價。由于平水期、豐水期和枯水期長湖水質(zhì)有明顯差異,因此分別選取平水期、豐水期和枯水期3個水期的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行評價。

a.根據(jù)長湖水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[6]構(gòu)建隸屬函數(shù)。根據(jù)TP的5級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建各水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)：

式中：Sij為第i個評價因子第j類評價標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量濃度值。同理,可求出其他各項指標(biāo)的隸屬函數(shù)(DO大小順序相反)。

b.將2011年3個水期的5項水質(zhì)指標(biāo)(TP, TN,NH3-N,CODMn,DO)的實測質(zhì)量濃度均值代入對應(yīng)的隸屬函數(shù),建立監(jiān)測結(jié)果的單因子模糊評價矩陣R：

c.確定各污染因子的權(quán)重,得到權(quán)重系數(shù)模糊子集A。對于越小越優(yōu)型指標(biāo),計算公式為：di= ci/c0i;對越大越優(yōu)型指標(biāo),計算公式為：di=c0i/ci(di、ci、c0i分別為第i種評價指標(biāo)的權(quán)重、實測質(zhì)量濃度和各水質(zhì)類別質(zhì)量濃度的均值)。然后,進(jìn)行歸一化處理,得到各污染因子的權(quán)重系數(shù)：ri= di/∑di,則權(quán)重系數(shù)模糊集A={r1,r2,r3,r4,r5}。根據(jù)以上方法,得權(quán)重系數(shù)模糊集：

由模糊復(fù)合運算可以得到模糊綜合評價矩陣：

d.加權(quán)綜合判斷[7]。實際中最常用的判斷方法是最大隸屬度原則,但在某些情況下使用最大隸屬度原則有些勉強(qiáng),損失信息較多,甚至得出不合理的評價結(jié)果。因此,在模糊綜合評價矩陣的基礎(chǔ)上,為了利用信息進(jìn)一步進(jìn)行判斷,把評價矩陣B與等級分布矩陣C=(1,2,3,4,5)T相乘,得到一個綜合評價等級D=(B·C)T。計算結(jié)果見表2。

表2 采用不同評價方法對2011年長湖水質(zhì)評價結(jié)果的比較

e.評價結(jié)果分析。由表2中的評價結(jié)果可知：根據(jù)最大隸屬度原則,2011年平水期、豐水期、枯水期水質(zhì)的綜合評價等級均為Ⅰ類;而根據(jù)加權(quán)綜合判斷,平水期、豐水期、枯水期水質(zhì)綜合評價等級依次為1.56、1.97、1.76。由此可知,2011年長湖水質(zhì)總體較好。不過,根據(jù)規(guī)范中的單因子評價方法, 2011年長湖3個水期的水質(zhì)等級分別為：劣Ⅴ類、Ⅴ類、Ⅴ類,屬嚴(yán)重超標(biāo)。評價結(jié)果的差異是由兩種評價方法基于不同的原則造成的。單因子評價法中,超標(biāo)最嚴(yán)重的污染因子對整個評價結(jié)果起決定作用,而模糊綜合評價法則充分考慮了各污染因子對評價結(jié)果的貢獻(xiàn),并把貢獻(xiàn)按權(quán)重進(jìn)行分配,其評價結(jié)果是各參評污染因子綜合作用的結(jié)果。

3.2 富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價

3.2.1 富營養(yǎng)化評價

由于長湖全年基本上處于富營養(yǎng)化狀態(tài),其中以夏季富營養(yǎng)化水平最高,因此只需對夏季富營養(yǎng)化狀況做出評價,即可反映長湖全年富營養(yǎng)化狀況。采用中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》中推薦的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法,對長湖監(jiān)測水域進(jìn)行富營養(yǎng)化評價,評價結(jié)果見表3。

表3 富營養(yǎng)化評價結(jié)果

由表3可知,除習(xí)家口水域為中營養(yǎng)水平外,其他水域基本上處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。其中后港水域的富營養(yǎng)化程度最高,這與后港水域的湖灣位置及其污染物排放類型有密切關(guān)系。在湖心位置,富營養(yǎng)化程度相對較低,但也達(dá)到了中度富營養(yǎng)化水平。習(xí)家口水域為長湖的出流處,水質(zhì)相對較好,未發(fā)生富營養(yǎng)化。整體來看,除習(xí)家口水域外,其他水域的富營養(yǎng)化水平均較高,各水域的富營養(yǎng)化水平差異不大。

3.2.2 富營養(yǎng)化類型分析

Redfield等[8]認(rèn)為浮游植物在光合作用中吸收一定的N/P原子比,該比值為16,當(dāng)ρ(TN)/ρ(TP)＞7時,則浮游植物生長受磷限制。統(tǒng)計2011年夏季各水域TN、TP質(zhì)量濃度值,進(jìn)行富營養(yǎng)化類型分析,分析結(jié)果見表4。

表4 2011年夏季各水域ρ(TN)/ρ(TP)值

由表4可以看出,除后港和關(guān)沮口水域ρ(TN)/ ρ(TP)＜7,浮游植物生長受氮限制外,其他水域均受磷限制。因此,要想控制長湖的富營養(yǎng)化進(jìn)程,關(guān)鍵在于控制磷的污染負(fù)荷,而對外源輸入的控制成為關(guān)鍵。

3.3 長湖水環(huán)境壓力分析

根據(jù)上文分析可知,目前長湖水質(zhì)正在逐步好轉(zhuǎn),但TP、TN等指標(biāo)仍然超標(biāo)嚴(yán)重,富營養(yǎng)化水平較高。因此,查明長湖承受的水環(huán)境壓力,才能有效地治理水質(zhì)污染,恢復(fù)其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及美學(xué)價值。

3.3.1 生態(tài)壓力

20世紀(jì)50年代至今,長湖33 m水位對應(yīng)的湖面面積減少了31.3%,相應(yīng)容積減少了1.45億m3。水體的透明度從1985年的2 m以上降到20世紀(jì)90年代的不到1m,至2011年,水體的透明度已降至0.5m以下,而在圈湖養(yǎng)殖區(qū)水體透明度甚至更低。在水生生物方面,與1985年相比,長湖的水生植物覆蓋率與生物量分別降低了54.85%和69.78%,尤以挺水植被與浮水植被面積喪失最嚴(yán)重。此外,長湖魚類資源從原來的60多種降至2011年的30多種,且質(zhì)量也已大不如前[3]。由此可知,長湖正面臨著水生生物多樣性減少、生態(tài)結(jié)構(gòu)功能退化的困境。目前越來越多的研究認(rèn)為,以水生高等植物為優(yōu)勢的湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)退化、功能喪失,是湖泊出現(xiàn)藻型富營養(yǎng)化現(xiàn)象和水質(zhì)惡化的內(nèi)因[2,8]。由此可見,長湖可能會出現(xiàn)“富營養(yǎng)化—生態(tài)結(jié)構(gòu)退化—加劇富營養(yǎng)化”的惡性循環(huán)。

3.3.2 納污壓力

根據(jù)2010年長湖流域污染物調(diào)查結(jié)果,流域內(nèi)農(nóng)業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污染、工業(yè)污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染的貢獻(xiàn)率分別為58.7%,31.0%,6.5%,3.8%。從2011年長湖水環(huán)境容量計算結(jié)果(表5),可知長湖污染物入湖量已超過其納污能力。

表5 長湖水環(huán)境容量及污染物排放情況t/a

4 結(jié) 論

長湖的主要污染因子為TP、TN、CODMn、BOD5等,其中又以TP、TN超標(biāo)最為嚴(yán)重。從2005年以來,長湖水質(zhì)整體狀況有所改善,但個別指標(biāo)仍然嚴(yán)重超標(biāo),使得水質(zhì)一直處于Ⅳ類及以下類別。長湖各水期水質(zhì)變化比較明顯,水質(zhì)以豐水期最優(yōu),平水期次之,枯水期最差,一般情況下水質(zhì)最優(yōu)的月份為5月。根據(jù)模糊綜合水質(zhì)評價結(jié)果,2011年長湖水質(zhì)最大隸屬等級為Ⅰ類,主要貢獻(xiàn)污染物為TP、TN。長湖的富營養(yǎng)化水平較高,除習(xí)家口水域外,全湖水體基本上處于中度富營養(yǎng)化水平。長湖目前面臨著較大的水環(huán)境壓力,水生態(tài)結(jié)構(gòu)退化明顯,污染物入湖量嚴(yán)重超標(biāo)。

[1]許其功,曹金玲,高如泰,等.我國湖泊水質(zhì)惡化趨勢及富營養(yǎng)化控制階段劃分[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34 (11)：147-151.(XU Qigong,CAO Jinling,GAO Rutai,et al.Trend of water quality deterioration and eutrophication control phases partition in China[J].Environmental Science&Technology,2011,34(11)：147-151.(in Chinese))

[2]秦伯強(qiáng),高光,朱廣偉,等.湖泊富營養(yǎng)化及其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)[J].科學(xué)通報,2013,58(10)：855-864.(QIN Boqiang,GAOGuang,ZHUGuangwei,etal.Lake eutrophication and its ecosystem response[J].Chinese Science Bulletin,2013,58(10)：855-864.(in Chinese))

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[6]GB 3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

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Variation of water quality and present water environment assessment of Changhu Lake

LIU Jianfeng1,2,ZHANG Xiang1,2,XIE Ping1,2,ZHU Zhilong3
(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security, Wuhan University,Wuhan 430072,China; 3.Hydrology and Water Resources Bureau of Hubei Province,Wuhan 430070,China)

Based on water quality monitoring data from the period of 2001 to 2011 in Changhu Lake,in Hubei Province,the inter-annual and inter-monthly variations of water quality of the lake are analyzed.The results show that the water quality was worst in 2005,and then gradually became better.In 2011,the water quality improved significantly.In a hydrological year,the water quality diminished over the following stages：the wet period,the normal period,and the dry period.The method of fuzzy comprehensive evaluation was used to evaluate the water quality of the lake in 2011.The results show that the maximum membership degree was I for the three periods, indicating that the water quality was good.The Carlson trophic state index was adopted for eutrophication assessment of the water quality in the wet period.The results show that all the water areas were in a state of moderate eutrophication,except for the Xijiakou water area.Analysis of water environmental pressure shows that the Changhu Lake ecosystem is facing the challenge of degradation.In addition,the amount of the main pollutants into the lake has exceeded its water environmental capacity.

water quality;fuzzy comprehensive evaluation;Carlson trophic state index method;eutrophication; water environmental pressure;Changhu Lake

X824

A

10046933(2014)04001805

20140216 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.005

國家自然科學(xué)基金(51279143,51179131);國家社會科學(xué)基金(12&ZD215)

劉建峰(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境及水生態(tài)。E-mail：liujf_whu@163.com