基于時空分布的陽澄湖營養(yǎng)化進程及其趨勢

梁長蓂，李　新，冉　霞（.蘇州科技學(xué)院　環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇　蘇州　5009；.蘇州市　環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，江蘇　蘇州　5000）

·生命科學(xué)·

基于時空分布的陽澄湖營養(yǎng)化進程及其趨勢

梁長蓂1，李新1，冉霞2
（1.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，江蘇蘇州215000）

目的：研究陽澄湖營養(yǎng)狀態(tài)變化.方法：基于2002－2012年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以生態(tài)學(xué)指標(biāo)（葉綠素a）、營養(yǎng)鹽指標(biāo)（總氮、總磷）及理化指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)、透明度）作為評價因子，運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和Arc-GIS反距離權(quán)重插值法對時空分布下的陽澄湖營養(yǎng)程度進行了定量判別，并用spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗法對其變化趨勢進行分析.結(jié)果：陽澄湖總體呈輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，TLI值西湖＞中湖＞東湖.年際間各湖區(qū)TLI值波動平穩(wěn)，最大TLI值為60.7，出現(xiàn)在2008年的西湖.結(jié)論：整體變化大致可以分為直線上升、緩慢波動和水質(zhì)轉(zhuǎn)好3個階段；空間上由西湖向東湖遞減，南側(cè)水質(zhì)略優(yōu)于北側(cè)；湖泊營養(yǎng)狀況總體得到好轉(zhuǎn)，SD呈顯著上升趨勢，TN、TP和CODMn呈高度顯著下降趨勢，TLI呈顯著下降趨勢.

時空分布；陽澄湖；營養(yǎng)狀態(tài)；趨勢；spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗法

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、人口的持續(xù)增長、城市規(guī)模的不斷擴張，太湖流域水環(huán)境質(zhì)量日益惡化，湖泊富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，藍藻水華暴發(fā)頻繁［1－2］.經(jīng)過20多年來的治理，近年太湖流域水環(huán)境呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢，但水環(huán)境質(zhì)量惡化現(xiàn)象并沒有得到徹底扭轉(zhuǎn)，湖泊富營養(yǎng)化以及藍藻爆發(fā)仍是主要的水環(huán)境問題.尤其是2007年5月，由于太湖湖區(qū)內(nèi)的貢湖爆發(fā)了大面積藍藻，致使無錫發(fā)生了嚴(yán)重的供水危機，引起了世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注［3－4］.水體富營養(yǎng)化程度評價作為水環(huán)境治理中的重要基礎(chǔ)性工作，是對水體富營養(yǎng)化發(fā)展過程中某一階段營養(yǎng)狀況的定量描述，判斷該水體的營養(yǎng)狀態(tài)，從而為水環(huán)境管理及富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù)［5］.目前，水體富營養(yǎng)化沒有統(tǒng)一的評價方法，國內(nèi)外諸多學(xué)者對湖泊富營養(yǎng)化程度的定量評價已開展較多研究，誕生了很多不同評價方法［1，6－12］，這些方法有其各自的優(yōu)缺點.這些研究雖能夠定量判別湖泊的富營養(yǎng)化程度，但是反映其時空分布下的富營養(yǎng)化進程并預(yù)測其發(fā)展趨勢的研究并不多見.本研究基于2002～2012年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以生態(tài)學(xué)指標(biāo)（葉綠素a）、營養(yǎng)鹽指標(biāo)（總氮、總磷）及理化指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)、透明度）作為評價因子，運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和ArcGIS反距離權(quán)重插值法對時空分布下的陽澄湖富營養(yǎng)化程度進行了定量判別，分析了營養(yǎng)狀況的進程，并用季節(jié)性肯德爾檢驗法對其變化趨勢進行了分析，從而為陽澄湖水環(huán)境管理和改善提供理論支持.

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)域

陽澄湖（120°66′－120°84′N，31°35′－31°49′E）位于蘇州市區(qū)的東北部，跨蘇州市區(qū)、工業(yè)園區(qū)及昆山市，是太湖流域重要的淡水湖泊之一［13］.陽澄湖作為蘇州“四角山水”的重要組成部分，是蘇州重要的戰(zhàn)略備用水源，水質(zhì)變化關(guān)系到湖區(qū)周邊近百萬居民的飲用水供給與安全問題；同時它還承擔(dān)著養(yǎng)殖、旅游、航運和維持生態(tài)平衡的作用.陽澄湖東西寬約11 km，南北長約17 km，總面積約119 km2，分為東湖、中湖、西湖3個湖區(qū)，其中東湖最大，3湖之間有河道相通［14］.3湖平均水深分別為1.70 m、1.80 m、2.65 m，最大水深5 m，湖內(nèi)常水位2.90 m左右，容積1.7億m3.陽澄湖有出入湖河道63條，其中西面和北面以入湖為主，東面和南面以出湖為主［15］.

1.2監(jiān)測數(shù)據(jù)

為研究陽澄湖營養(yǎng)狀況的進程和變化趨勢，從《蘇州環(huán)境質(zhì)量報告書》中篩選出陽澄湖2002－2012年各年常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取的監(jiān)測指標(biāo)主要包括生態(tài)學(xué)指標(biāo)（葉綠素a）、營養(yǎng)鹽指標(biāo)（總氮、總磷）及理化指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)、透明度），各指標(biāo)監(jiān)測值為每年豐、平、枯3個時期監(jiān)測3次，取其平均值得到.對于個別缺失數(shù)據(jù)，運用內(nèi)插、外推以及插值等方法補全數(shù)據(jù)，并運用SPSS19.0的缺失值替換功能，以臨近點均值、中位數(shù)或點處的線性趨勢進行替換.在監(jiān)測點位的選取方面，為了保證研究數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并考慮到各個湖區(qū)間指標(biāo)的比較，選取西、中、東湖區(qū)的南北兩個監(jiān)測點.運用SPSS19.0對2002～2012年陽澄湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征進行分析，結(jié)果如表1.水質(zhì)監(jiān)測點位如圖1所示.

表1　2002－2012年陽澄湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)特征Table 1　The characteristics of water quality monitoring data of 2002－2012

由表中數(shù)據(jù)可以看出，從2002－2012年，Chl-a與其平均值相比離散程度較大，其他指標(biāo)離散程度不大；所有指標(biāo)為右偏分布，其中CODMn濃度較小的年份占多數(shù)，偏斜的程度大；所有指標(biāo)分布比正態(tài)分布平緩，為扁平分布.

圖1　陽澄湖水質(zhì)監(jiān)測點位分布圖Fig.1　Water quality monitoring sites in Yangcheng Lake

1.3研究方法

首先運用中華人民共和國環(huán)境保護部于2004年頒布的《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》的湖泊（水庫）富營養(yǎng)化狀況評價方法，即綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法［16］，計算出各監(jiān)測點的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，定量判斷處各湖區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài).根據(jù)TLI（Σ）的數(shù)值，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊（水庫）營養(yǎng)狀態(tài)進行分級［17－18］，分級標(biāo)準(zhǔn)如下表2所示.

表2　湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2　Grading standard of lake trophic state

再次，由于盛行風(fēng)向和沿岸開閘口的作用，加之出入河道水質(zhì)的不同以及周邊地區(qū)排污量的差別，導(dǎo)致陽澄湖水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)在水平空間上存在著明顯的差異，因此運用ArcGIS軟件對陽澄湖的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行空間插值，插值方法選取反距離加權(quán)法［19］，取距離權(quán)為2次方.

最后，采用spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗法［20］對水質(zhì)指標(biāo)和TLI（Σ）進行分析.秩相關(guān)系數(shù)是描述兩要素之間相關(guān)程度的一種統(tǒng)計指標(biāo)，它用途廣泛，是很多行業(yè)在統(tǒng)計分析中常用的方法.其基本思想是，給出時間周期Y1…Yn和其相應(yīng)數(shù)值C（即月均值、季均值或年均值C1…Cn），將C從大到小排列好.秩相關(guān)系數(shù)的計算公式：；式中：di為變量Xi和變量Yi的差值，di＝Xi－Yi；Xi為周期1到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時間順序排列的序號.

查spearman秩相關(guān)系數(shù)表，將秩相關(guān)系數(shù)｜rs｜同spearman秩相關(guān)系數(shù) Wp進行比較，當(dāng)｜rs｜＞W(wǎng)p則表明變化趨勢有顯著意義，如果rs值為負(fù)則表明在指標(biāo)變化呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢；當(dāng)值為正則表明在評價時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計量指標(biāo)變化呈上升趨勢或加重趨勢.當(dāng)｜rs｜≤Wp則表明變化趨勢沒有顯著意義，說明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn).

2　結(jié)果與討論

2.1營養(yǎng)化進程研究

運用綜合營養(yǎng)指數(shù)法計算出陽澄湖2002－2012年東湖、中湖、西湖的TLI（Σ），具體結(jié)果如圖2.由圖可以看出陽澄湖近年來水質(zhì)主要呈輕度富營養(yǎng)水平.從時間上看，富營養(yǎng)化程度總體呈下降趨勢，大致可以分為3個階段.第1階段為2002－2003年，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值直線上升，這與陽澄湖周邊的農(nóng)業(yè)、圍網(wǎng)養(yǎng)殖和工業(yè)污染密切相關(guān).陽澄湖的圍網(wǎng)養(yǎng)殖業(yè)及湖邊餐飲較發(fā)達，規(guī)模過大的養(yǎng)殖活動和不合理的養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)對湖內(nèi)水草及底棲動物的多樣性和生物量破壞嚴(yán)重［21］，營養(yǎng)鹽含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致湖水水質(zhì)呈現(xiàn)不斷惡化的趨勢.第2階段為2003－2008年，數(shù)值呈波浪形緩慢波動趨勢，2007年少雨高溫等突發(fā)性環(huán)境因素曾對湖泊的營養(yǎng)物濃度和藻類生產(chǎn)力產(chǎn)生過短暫影響，但并未改變污染物輸入增加而引起湖泊富營養(yǎng)化程度總體加劇的趨勢，從而導(dǎo)致TLI（Σ）高峰值出現(xiàn)在2008年，西湖TLI（Σ）值達60.7，處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài).另外，蘇州市政府于2007年又1次將圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積進行了大規(guī)?？s減，并在沿岸300～1 000 m范圍內(nèi)形成了自然的空曠水域，養(yǎng)殖區(qū)按照《陽澄湖大閘蟹網(wǎng)圍養(yǎng)殖規(guī)程》進行生態(tài)養(yǎng)殖.這一政策的實施使得在2008年后陽澄湖TLI（Σ）值明顯降低，但退養(yǎng)區(qū)由于之前投加養(yǎng)料造成底泥中積累了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，造成退養(yǎng)區(qū)（Y04點位）水體漂浮著大量微囊藻、顫藻、魚腥藻等水華生物.第3階段為水質(zhì)好轉(zhuǎn)階段（2008－2012年），經(jīng)過一系列水環(huán)境治理工程和措施的實施，富營養(yǎng)化程度逐年降低.

圖2　各湖區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Fig.2　The Comprehensive Trophic State Index of lake areas

2.2空間差異性分析

運用ArcGIS軟件對2002－2012年陽澄湖的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行空間插值，具體結(jié)果見圖3.從圖3可以看出，雖然歷年營養(yǎng)狀況分布略有不同，但東湖南側(cè)水源地附近的營養(yǎng)狀況一直良好.總體來看，富營養(yǎng)化水平由西湖至東湖遞減，南側(cè)普遍優(yōu)于北側(cè).2007年以來的一系列措施使得總體富營養(yǎng)化程度得到好轉(zhuǎn)，但空間變化仍不穩(wěn)定，說明污染物質(zhì)的削減并不會快速改善湖泊富營養(yǎng)化程度.

圖3　陽澄湖營養(yǎng)狀況分布圖Fig.3　Trophic state distribution of Yangcheng Lake

2.3水環(huán)境變化趨勢分析

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗對陽澄湖各監(jiān)測點富營養(yǎng)化相關(guān)評價指標(biāo)年均值和TLI（Σ）值進行分析，具體結(jié)果見表3.結(jié)果表明：水質(zhì)參數(shù)濃度無顯著變化的占77.7%；變化顯著（ɑ＝0.05）的占16.7%；濃度變化及其顯著（ɑ＝0.01）的占5.6%，說明水質(zhì)參數(shù)濃度趨勢以無顯著變化為主，各監(jiān)測點水質(zhì)狀況變化較為穩(wěn)定.就葉綠素a而言，只有中湖北呈顯著下降趨勢，其他監(jiān)測點位變化趨勢不明顯，但北側(cè)總體指標(biāo)優(yōu)于南側(cè).在透明度指標(biāo)中，僅東湖南呈顯著上升趨勢，這與風(fēng)向及湖體流態(tài)有關(guān)，東南側(cè)為下風(fēng)向.總氮指標(biāo)在北側(cè)監(jiān)測點整體呈顯著下降趨，其中東湖北的監(jiān)測點有極其顯著的下降趨勢，這與近些年來嚴(yán)格控制入湖河道的氮含量有關(guān).中湖南側(cè)的相關(guān)系數(shù)為正值，可能與該地區(qū)農(nóng)家樂等旅游業(yè)的發(fā)展有關(guān).總磷指標(biāo)作為評價富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一，雖然無明顯變化趨勢，但由于秩相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，說明整體還是趨于好轉(zhuǎn)的態(tài)勢.高錳酸鹽指數(shù)整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，秩相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，且中湖北呈顯著下降趨勢，東湖南下降趨勢及其顯著，達所有指標(biāo)中的最小值－0740.在TLI（Σ）中，陽澄湖富營養(yǎng)化水平整體呈下降趨勢，且北側(cè)的相關(guān)指標(biāo)變化趨勢較南側(cè)顯著，東湖呈顯著下降趨勢，這與該點靠近昆山飲用水水源地，受到了有關(guān)部門的重視有關(guān).

3　結(jié)論與建議

（1）運用ArcGIS反距離權(quán)重插值法對時空分布下的陽澄湖富營養(yǎng)化程度進行了定量判別，陽澄湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)整體呈輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，數(shù)值上西湖＞中湖＞東湖.年際間各湖區(qū)指數(shù)值波動基本相同，最大值出現(xiàn)在2008年的西湖，TLI（Σ）值為60.7.整體變化大致可以分為直線上升、緩慢波動和水質(zhì)轉(zhuǎn)好3個階段.

表3　Spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗結(jié)果Table 3　Spearman's rank correlation coefficient test results

（2）雖然歷年營養(yǎng)狀況分布略有不同，但東湖南側(cè)水源地附近的營養(yǎng)狀況一直良好.總體來看，富營養(yǎng)化水平由西湖至東湖遞減，南側(cè)普遍優(yōu)于北側(cè).

（3）spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗法分析了不同水期年水環(huán)境變化趨勢，湖泊營養(yǎng)狀況總體近年來得到好轉(zhuǎn)，SD呈顯著上升趨勢，TN、TP和CODMn呈高度顯著下降趨勢，TLI（Σ）呈顯著下降趨勢.

陽澄湖承擔(dān)著養(yǎng)殖、旅游、航運多重功能，因此仍需關(guān)注湖體富營養(yǎng)化情況，長期開展水環(huán)境生態(tài)安全管理措施才能保證水質(zhì).

［1］夏琨，王華，韓沂樺，等.基于突變理論的太湖富營養(yǎng)化程度判別［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（4）：183－188.

［2］陳小華，李小平，陳曦，等.太湖流域典型中小型湖泊富營養(yǎng)化演變分析（1991－2010年）［J］.湖泊科學(xué)，2013，25（6）：846－853.

［3］YANG M，YU J，LI Z，et al.Taihu Lake not to blame for Wuxis woes［J］.Science，2008，319（）：158.

［4］GUO L.Doing battle with the green monster of Taihu Lake［J］.Science，2007，317（）：1166.

［5］李安峰，潘濤，楊沖，等.水體富營養(yǎng)化治理與控制技術(shù)綜述［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（16）：9041－9044.

［6］馬正華，王騰，周炯如.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的太湖富營養(yǎng)化時空變化預(yù)測［J］.常州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，25（3）：62－65.

［7］尚佰曉，王莉，王爽，等.鐵嶺蓮花湖水體富營養(yǎng)化評價［J］.濕地科學(xué)，2014，12（1）：97－101.

［8］呂明捷，杜云，榮超，等.基于相關(guān)系數(shù)定權(quán)的集對分析法在湖泊富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011，9（1）：96－98，138.

［9］麻素挺，葉海仁.珊溪庫區(qū)富營養(yǎng)化灰色聚類評價及防治對策［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（6I）：402－ 405.

［10］武國正，徐宗學(xué)，李暢游.基于分形理論的水體富營養(yǎng)狀況評價及其驗證［J］.水資源保護，2012，28（4）：12 －16.

［11］吳傳慶，蓋嘉翔，王橋，等.湖泊富營養(yǎng)化遙感評價模型的建立方法［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27（5）：77 －82.

［12］吳妍，薛媛媛，吳福全.改進密切值法在陽澄湖水質(zhì)評價中的應(yīng)用［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2015，第3期：39 －42.

［13］劉洋，姚敏，辛玉婷，等.陽澄湖水污染成因分析及整治對策研究［J］.污染防治技術(shù)，2014，27（4）：55 －59.

［14］魏代春，蘇婧，陳學(xué)民，等.陽澄湖和蟢湖微囊藻毒素分布及其與富營養(yǎng)化因子的關(guān)系［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2014，8（6）：2322－2328.

［15］桂智凡，薛濱，姚書春，等.陽澄湖水質(zhì)現(xiàn)狀及原因探討［J］.地理科學(xué)，2011，31（12）：1487－1492.

［16］王鶴揚.綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法在陶然亭湖富營養(yǎng)化評價中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37（9）：188－194.

［17］朱麗楠，官滌，王永軍，等.典型湖庫富營養(yǎng)化的模糊綜合評價研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2012，21 （9）：1131－1136.

［18］王明翠，劉雪芹，張建輝.湖泊富營養(yǎng)化評價方法及分級標(biāo)準(zhǔn)［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2002，18（5）：47－49.

［19］趙娟.ArcGIS插值方法對比及其在云南省土壤污染狀況調(diào)查中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2010，29（1）：85－87.

［20］萬黎，毛炳啟.Spearman秩相關(guān)系數(shù)的批量計算［J］.環(huán)境保護科學(xué)，2008（10），34（5）：53－55.

［21］鮑方印，趙潔，崔峰，等.女山湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖對水質(zhì)和大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的影響［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2012，12（2）：23－27.

［責(zé)任編輯：劉蔚綏］

A spatiotemporal eutrophication process and the changing trends in Yangcheng Lake

LIANG Changming1，LI Xin1，RAN Xia2
（1.School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou City Environmental Emergency and Accident Investigation Center，Suzhou 215000，China）

Aim：Study on changes in the nutritional status of Yangcheng Lake，phased on water quality monitoring data from.Methods：The eutrophication levels of Yangcheng Lake were quantitatively discriminated by the Comprehensive Trophic State Index method and inverse distance weighted interpolation method of ArcGIS，and Spearman's rank correlation coefficient test was applied to analyze change trend，in which series of the environmental factors were considered including the ecological indicator of Chla，the nutrient indicator of TN and TP，the physical and chemical indicator of SD and CODMn.Results：Overall Yangcheng Lake was in mild eutrophication level，TLI value of West Lake is the largest，East Lake is the smallest.The fluctuation of TLI value in each lake area was the same，the maximum value ap-peared in West Lake in 2008，and the TLI value was 60.7.Conclusion：The whole change can be divid-ed into three stages：straight line，slow wave and water quality improvement.On the space，water quality is better from West Lake to East Lake and from.The trophic state of the lake has been improved in recent years.The SD shows a significant upward trend，and the TP，CODMnand TN are highly decreased，andTLI decreased significantly.

temporal and spatial distribution；Yangcheng Lake；trophic state；trends；spearmans rank correlation coefficient test

X171

A

1000－9965（2015）06－0443－05

10.11778/j.jdxb.2015.06.001

2015－07－13

國家自然科學(xué)基金重大專項（2012ZX07506－002、2012ZX07101－001）

梁長蓂（1991－），女，研究方向：水污染控制工程

李新（1955－），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，Mobile：18305146195，E－mail：suzhoulixin＠126.com