固城湖及其出入湖河道水質(zhì)時(shí)空分布差異與歷年變化趨勢(shì)分析

谷先坤，谷孝鴻，曾慶飛，毛志剛，李旭光，王銀平，王文俠

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京　210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049；3.江蘇省淡水水產(chǎn)研究所，江蘇 南京　210017)

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固城湖及其出入湖河道水質(zhì)時(shí)空分布差異與歷年變化趨勢(shì)分析

谷先坤1,2，谷孝鴻1①，曾慶飛1，毛志剛1，李旭光2,3，王銀平1,2，王文俠1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.江蘇省淡水水產(chǎn)研究所，江蘇 南京210017)

摘要：于2012年7月至2013年7月采集固城湖及其出入湖河道水樣，測(cè)定水體理化特征指標(biāo)，探討固城湖水質(zhì)時(shí)空分布差異，并根據(jù)2001—2012年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用PWQTrend 2010軟件分析近年來(lái)固城湖及官溪河的水質(zhì)變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：固城湖大湖區(qū)、港口河和漆橋河水質(zhì)較好，豐水期處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；小湖區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)排污口、官溪河和胥河受納污染負(fù)荷較大，豐水期處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，而枯水期大、小湖區(qū)及出入湖河道都處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。目前水質(zhì)主要受氮磷污染的影響，主要污染源為水產(chǎn)養(yǎng)殖；2001—2012年官溪河和小湖區(qū)總體上屬于Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)，大湖區(qū)則屬于Ⅲ類水質(zhì)，受高淳社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)措施的影響，官溪河總氮、總磷濃度呈顯著下降趨勢(shì)，小湖區(qū)總氮濃度，大湖區(qū)總氮、總磷濃度都呈顯著上升趨勢(shì)，因此合理規(guī)劃養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)模和模式，減少各類污染源排放量，是保證固城湖可持續(xù)發(fā)展的必要措施。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)；時(shí)空分布；變化趨勢(shì)；固城湖；出入湖河道

固城湖位于南京市高淳區(qū)西南部,其在保證當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟?、社?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境平衡等方面起著不可替代的作用[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及受人類活動(dòng)的影響,固城湖水質(zhì)不斷惡化,水體富營(yíng)養(yǎng)化速度加快,給高淳區(qū)人民的生活及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了巨大威脅[2-3]。

針對(duì)固城湖水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的研究已有很多報(bào)道。曾慶飛等[4]對(duì)蕪申線航道上下游河道及固城湖湖區(qū)的水質(zhì)和時(shí)空分布進(jìn)行了調(diào)查分析,認(rèn)為固城湖水質(zhì)好于上下游河道。楊文斌等[5]探討了春季固城湖水質(zhì)的空間分布差異,并分析了其和水草分布的相互關(guān)系。李濤等[6]對(duì)近年來(lái)固城湖污染狀況和來(lái)源進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析,發(fā)現(xiàn)湖體水質(zhì)基本上劣于水環(huán)境功能區(qū)劃所要求的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),特征污染物為總氮和總磷。但上述研究多集中在對(duì)固城湖湖區(qū)水質(zhì)的調(diào)查和分析,對(duì)所有出入固城湖的河道涉及較少,缺少對(duì)固城湖及周邊河道水質(zhì)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的分析。因此,筆者根據(jù)2012—2013年固城湖湖泊調(diào)查數(shù)據(jù)和所搜集到的2001—2012年固城湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料,分析固城湖水質(zhì)狀況及時(shí)空分布特征,評(píng)估固城湖水質(zhì)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì),以期為有效控制固城湖富營(yíng)養(yǎng)化和保護(hù)固城湖的水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1采樣點(diǎn)設(shè)置

進(jìn)出固城湖的主要河道有官溪河、港口河、胥河和漆橋河。港口河位于固城湖西南部,上游連接水碧橋河,承接皖南山區(qū)客水,是固城湖的主要補(bǔ)給河道。官溪河位于固城湖西北部,是其主要排水通道。胥河和漆橋河位于固城湖東部,雨期導(dǎo)洪泄水入湖,灌溉季節(jié)又引湖水澆灌農(nóng)田,但水流以入湖為主。在固城湖及其周邊河道共設(shè)置11個(gè)采樣點(diǎn),其中,1、3、4和10號(hào)樣點(diǎn)位于河道出入湖口,2號(hào)樣點(diǎn)位于小湖區(qū)湖心區(qū),9號(hào)樣點(diǎn)位于南湖湖心區(qū),5號(hào)樣點(diǎn)位于大湖區(qū)湖心區(qū),6號(hào)樣點(diǎn)位于固城湖西側(cè)湖濱區(qū),靠近圍墾養(yǎng)殖區(qū)排污口,7、8號(hào)樣點(diǎn)位于東側(cè)湖濱區(qū),是早期的水草密集區(qū),11號(hào)樣點(diǎn)為官溪河上游節(jié)制閘。具體點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

1.2樣品采集與分析

分別于2012年7、10月,2013年1、4和7月采集固城湖水樣。采用YSI水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)檢測(cè)水體溫度、pH值、溶解氧(DO)濃度和透明度(SD)等指標(biāo);水體中總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(以NH4+-N計(jì))、葉綠素(Chl a)和懸浮物(SS)濃度以及高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等指標(biāo)的分析參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[7]。水體的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI,It,l)按照CARLSON[8]提出的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合模型計(jì)算，計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式(1)～(2)中,It,l為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)權(quán)重;It,l,j為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);rij為以Chl a濃度為基準(zhǔn)參數(shù),第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)的相關(guān)系數(shù);m為評(píng)價(jià)參數(shù)個(gè)數(shù)。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式:

It,l,TN=10×[5.453+1.694lnρ(TN)]，

(3)

It,l,TP=10×[9.436+1.624lnρ(TP)]，

(4)

It,l,Chl a=10×[2.5+1.086lnρ(Chla)]，

(5)

It,l,SD=10×[5.118-1.94lnd(SD)]，

(6)

It,l,CODMn=10×[0.109+2.661 1lnρ(CODMn)]。

(7)

式(3)～(7)中,ρ(Chl a)為Chl a質(zhì)量濃度,mg·m-3;d(SD)為透明度,m;ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(CODMn)分別為TN、TP質(zhì)量濃度和高錳酸鹽指數(shù),mg·L-1。

港口河、漆橋河和胥河為入湖河道，官溪河為出湖河道。

圖1固城湖采樣點(diǎn)分布

Fig.1Distribution of sampling points in

Gucheng Lake and its inlets and outlets

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)固城湖及其周邊河流水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)(表1)。

表1淡水湖泊(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)

Table 1Grading of fresh water lakes and reservoirs in terms of eutrophication level

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)It,l定性評(píng)價(jià)貧營(yíng)養(yǎng)(0,30]優(yōu)中營(yíng)養(yǎng)(30,50]良好輕度富營(yíng)養(yǎng)(50,60]輕度污染中度富營(yíng)養(yǎng)(60,70]中度污染重度富營(yíng)養(yǎng)(70,100]重度污染

1.3數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1固城湖及其出入湖河道水質(zhì)時(shí)空變化特征

由圖2可知,從2012年7月至2013年7月TN濃度呈現(xiàn)先降低后逐漸升高的趨勢(shì),豐水期(7—10月)和枯水期(1—4月)ρ(TN)平均值分別為1.12和1.00 mg·L-1,豐水期大于枯水期。7月最高值出現(xiàn)在大湖區(qū)西側(cè)湖濱區(qū)(6號(hào)樣點(diǎn)),該地靠近養(yǎng)殖池塘排污口,受養(yǎng)殖池塘尾水排放的影響,其TN、NH4+-N和TP濃度都較高。

10、3、4,2,5、6、7、8、9和11、1號(hào)樣點(diǎn)分別為入湖河道、小湖區(qū)、大湖區(qū)和出湖河道樣點(diǎn)。

就全年平均水平來(lái)看,小湖區(qū)和官溪河ρ(TN)較高,分別達(dá)1.09和1.10 mg·L-1,大湖湖心區(qū)最低,為1.04 mg·L-1,超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤1.00mg·L-1)[9]。ρ(TP)從2012年7月至2013年4月逐漸降低,變化范圍為0.02～0.10 mg·L-1。胥河入湖口(4號(hào)樣點(diǎn))ρ(TP)平均值最高,其次為小湖區(qū)和官溪河,大湖湖心區(qū)最低,平均值為0.06 mg·L-1,略超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mg·L-1)[9]。ρ(NH4+-N)季節(jié)變化特征與ρ(TP)較一致,變化范圍為0.02～1.21 mg·L-1。除6號(hào)樣點(diǎn)外,小湖區(qū)和官溪河ρ(NH4+-N)平均值較高,均為0.12 mg·L-1,大湖區(qū)東側(cè)湖濱區(qū)最低,為0.07 mg·L-1。

由圖2可知，固城湖CODMn和BOD5季節(jié)變化明顯,7月最高,4月最低。7月(豐水期)絕大部分樣點(diǎn)CODMn超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤6.00 mg·L-1)[9],但差別不大,平均為9.72 mg·L-1。4月(枯水期)除漆橋河(3號(hào)樣點(diǎn))和官溪河(11號(hào)樣點(diǎn))以外,其他樣點(diǎn)都在6.00 mg·L-1以下。固城湖及其出入湖河道BOD5均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤4.00 mg·L-1)[9],出入湖河道胥河(4號(hào)樣點(diǎn))和官溪河(1和11號(hào)樣點(diǎn))較高,最高達(dá)3.41 mg·L-1,大湖區(qū)普遍較低,最低為1.02 mg·L-1。ρ(Chl a)在7、10月較高,最高達(dá)32.50 mg·L-1,1、4月較低,最低值為0.89 mg·L-1,季節(jié)差異顯著。ρ(SS)從7月至次年4月呈下降趨勢(shì),在4～42 mg·L-1之間波動(dòng),水質(zhì)較清澈。SS和Chl a濃度都表現(xiàn)出小湖區(qū)>出湖河道>入湖河道>大湖區(qū)的特點(diǎn)。糞大腸桿菌數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),季節(jié)變化上以夏、秋季為較高(平均值為437 L-1),冬、春季較低(平均值為402 L-1),固城湖小湖區(qū)和大湖區(qū)較低,而官溪河(1和11號(hào)樣點(diǎn))和胥河(4號(hào)樣點(diǎn))略高。

2.2固城湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

固城湖及其主要出入湖河道的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)見(jiàn)表2。

表2固城湖各采樣點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

Table 2TLI indices at sampling sites in Gucheng Lake and its inlets and outlets

水期水域樣點(diǎn)編號(hào)單項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)It,l,jTNTPChlaCODMnSDIt,l營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)豐水期港口河1059.8253.3461.7462.4553.2258.44輕度富營(yíng)養(yǎng)漆橋河352.9652.9859.0761.6055.5156.64輕度富營(yíng)養(yǎng)胥河 455.2766.1959.5661.6058.1060.05中度富營(yíng)養(yǎng)小湖區(qū)258.5057.6861.7761.6055.5160.24中度富營(yíng)養(yǎng)大湖區(qū)556.7958.0159.2962.4552.1857.86輕度富營(yíng)養(yǎng)662.9978.1162.8161.6055.5164.02中度富營(yíng)養(yǎng)753.1353.2456.4961.6051.1855.24輕度富營(yíng)養(yǎng)858.3454.2560.2662.8651.1857.64輕度富營(yíng)養(yǎng)959.7554.3661.3164.4553.2258.87輕度富營(yíng)養(yǎng)官溪河1157.3852.4762.8161.6061.0960.40中度富營(yíng)養(yǎng)159.4359.4662.6262.4551.1860.32中度富營(yíng)養(yǎng)枯水期港口河1052.0033.0224.3043.8349.3339.24中營(yíng)養(yǎng)漆橋河356.0235.3541.2560.5149.3347.98中營(yíng)養(yǎng)胥河 453.9228.2938.9642.7247.6442.14中營(yíng)養(yǎng)小湖區(qū)254.7826.5631.8342.7247.6040.09中營(yíng)養(yǎng)大湖區(qū)553.8530.1944.6342.2847.6443.90中營(yíng)養(yǎng)654.0729.3040.6343.5846.0942.67中營(yíng)養(yǎng)753.1628.0423.7740.2047.6437.45中營(yíng)養(yǎng)853.9933.8624.4341.1046.0938.70中營(yíng)養(yǎng)952.8828.7743.0742.7647.6443.14中營(yíng)養(yǎng)官溪河1157.8344.7943.2351.2051.1849.17中營(yíng)養(yǎng)155.1129.6936.1439.9647.6441.36中營(yíng)養(yǎng)

港口河、漆橋河和胥河為入湖河道，官溪河為出湖河道。

表2顯示，在枯水期、豐水期固城湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)對(duì)比較明顯。在豐水期,養(yǎng)殖區(qū)排污口(6號(hào)樣點(diǎn))、胥河河口(4號(hào)樣點(diǎn))、小湖區(qū)(2號(hào)樣點(diǎn))和官溪河河口(1和11號(hào)樣點(diǎn))呈中度富營(yíng)養(yǎng)化,水質(zhì)較差,其他樣點(diǎn)呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化。在枯水期,各樣點(diǎn)呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),但11號(hào)樣點(diǎn)It,l最高,所受污染較重。WANG等[10]利用“蝴蝶型突變”模型研究固城湖的營(yíng)養(yǎng)水平后發(fā)現(xiàn),豐水期富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)比枯水期明顯,河口地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)水平相對(duì)較高,筆者研究結(jié)果與之相一致。

2.3固城湖水質(zhì)歷年變化及趨勢(shì)分析

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)分析是湖泊科學(xué)研究和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[11],水質(zhì)趨勢(shì)分析是研究湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要部分,因此固城湖水質(zhì)趨勢(shì)分析對(duì)固城湖富營(yíng)養(yǎng)化研究和可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義[12]。將固城湖分為大、小湖區(qū)分別進(jìn)行討論,官溪河兩側(cè)分別連接固城湖和水陽(yáng)江,水量較大,可以作為出入固城湖的代表性河流。N、P和有機(jī)物是固城湖的主要污染物[4],因此利用高淳環(huán)境保護(hù)局提供的2001—2012年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料,選擇固城湖小湖區(qū)、大湖區(qū)和官溪河3個(gè)斷面,選取TN、TP和CODMn3個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo),探討固城湖水質(zhì)歷年的變化趨勢(shì)。

2.3.1固城湖水質(zhì)的歷年變化

如圖3所示,2001—2012年不同水域TN濃度大小依次為官溪河、小湖區(qū)和大湖區(qū)。受河道兩岸污水排放的影響,官溪河水質(zhì)波動(dòng)較大,水質(zhì)較差,與之相連的小湖區(qū)水質(zhì)也呈波動(dòng)狀態(tài)。官溪河和小湖區(qū)ρ(TN)平均值分別為(1.81±0.56)和(1.25±0.25) mg·L-1,高于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤1.0 mg·L-1)[9]。大湖區(qū)ρ(TN)在2001—2008年穩(wěn)定在1.00 mg·L-1左右,2008—2012年呈先上升后下降趨勢(shì)。大湖區(qū)ρ(TN)平均值為(1.04±0.20) mg·L-1,就TN濃度而言,官溪河、小湖區(qū)和大湖區(qū)都屬于Ⅳ類水質(zhì)。

不同水域TP濃度大小依次為官溪河、小湖區(qū)和大湖區(qū),這與TN濃度變化規(guī)律相似。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,大量氮磷污染物隨著工業(yè)廢水和生活污水等排放到水體中,因此2001—2005年3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面TP濃度都在升高。2005年之后隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)和禁磷措施的實(shí)施,小湖區(qū)和官溪河TP濃度呈下降趨勢(shì),但是波動(dòng)幅度較大,尤其是官溪河在2008年TP濃度突然升高,這可能與2008年降水較多、雨水沖刷地面帶來(lái)較多污染物匯入河流有關(guān)。大湖區(qū)ρ(TP)在2005年以后維持在較低水平(<0.05 mg·L-1),但呈逐漸上升趨勢(shì)。官溪河ρ(TP)平均值為(0.07±0.03) mg·L-1,小湖區(qū)ρ(TP)為(0.06±0.02) mg·L-1,單項(xiàng)指標(biāo)屬Ⅳ類水質(zhì),大湖區(qū)ρ(TP)為(0.04±0.01) mg·L-1,達(dá)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mg·L-1)[9]。CODMn變化較平穩(wěn),且3個(gè)斷面發(fā)展趨勢(shì)較一致,都在2002和2008年經(jīng)歷2個(gè)波峰期。官溪河、小湖區(qū)和大湖區(qū)CODMn平均值分別為(4.87±0.67)、(4.52±0.43)和(4.29±0.51) mg·L-1,均優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤6.00 mg·L-1)[9]。因此，當(dāng)前固城湖主要受氮磷污染的影響。

圖3官溪河和固城湖大、小湖區(qū)水質(zhì)歷年變化

Fig.3Variation of water quality in Guanxi

River and the main lake area and arms of

Gucheng Lake in the past years

2.3.2固城湖水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

由于天然水質(zhì)數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性、季節(jié)性和相關(guān)性等特點(diǎn),針對(duì)時(shí)間序列的水質(zhì)趨勢(shì)分析,統(tǒng)計(jì)學(xué)家Kendall提出了一種更為廣泛適用、合理的非參數(shù)檢驗(yàn)方法——季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)[13-14]。季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)的顯著性水平α可設(shè)為0.1和0.01,即當(dāng)α≤0.01時(shí),表明檢驗(yàn)具有高度顯著性水平,當(dāng)0.01<α≤0.1時(shí),表明檢驗(yàn)水平是顯著的。在α計(jì)算結(jié)果滿足上述2個(gè)條件情況下,若t為正值,表明呈現(xiàn)顯著(或高度顯著)上升趨勢(shì);若t為負(fù)值,表明呈現(xiàn)顯著(或高度顯著)下降趨勢(shì);若t為0,則表明無(wú)趨勢(shì)[15-16]。

針對(duì)固城湖大湖區(qū)、小湖區(qū)和官溪河2001—2012年的水質(zhì)序列,運(yùn)用水質(zhì)趨勢(shì)分析軟件(professional water quality trend,PWQTrend)2010版進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表3。分析結(jié)果顯示固城湖大湖區(qū)TN、TP濃度以及CODMn都呈高度顯著上升趨勢(shì),TN濃度和CODMn變化率分別達(dá)到0.040和0.694 mg·L-1·a-1,小湖區(qū)TP濃度無(wú)明顯變化趨勢(shì),TN濃度和CODMn呈高度顯著上升趨勢(shì),其變化率分別為0.031和0.083 mg·L-1·a-1。雖然官溪河TN、TP濃度變化劇烈,但總體呈顯著下降趨勢(shì),CODMn則呈顯著上升趨勢(shì)。

表3固城湖2001—2012年水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

Tabel 3Variation tendency of the water quality in Gucheng Lake during the years of 2001-2012

斷面測(cè)定指標(biāo)顯著水平/%指標(biāo)變化率/(mg·L-1·a-1)趨勢(shì)大湖區(qū)TN濃度0.010.040高度顯著上升TP濃度0.0010.0020高度顯著上升CODMn0.660.694高度顯著上升小湖區(qū)TN濃度0.250.031高度顯著上升TP濃度37.180.0001無(wú)明顯趨勢(shì)CODMn0.080.083高度顯著上升官溪河TN濃度1.35-0.065顯著下降TP濃度8.39-0.0029顯著下降CODMn8.000.039顯著上升

3討論

固城湖及其出入湖河道水質(zhì)季節(jié)變化明顯,豐水期水質(zhì)劣于枯水期,這與陳雙全等[17]的研究結(jié)果相一致。固城湖水質(zhì)的時(shí)間變化特征與湖泊水位變化密切相關(guān)。將固城湖多年月平均水位(絕對(duì)高程)與固城湖水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)固城湖多年月平均水位與TN濃度、BOD5呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與CODMn呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。劉發(fā)根等[18]研究發(fā)現(xiàn),豐水期水質(zhì)劣于枯水期,主要原因是降雨初期非點(diǎn)源污染加劇,水位上升,水質(zhì)下降。豐水期降水豐沛,入湖河流徑流量增大,導(dǎo)致湖泊水位升高。這一過(guò)程中地表徑流攜帶大量非點(diǎn)源污染物進(jìn)入湖泊[19],入湖污染物通量增大。此外,水生植物腐爛分解也是導(dǎo)致豐水期水質(zhì)較差的原因之一。唐金艷等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)沉水植物分解后水體氨氮、總磷濃度高于浮葉植物和挺水植物腐爛分解后的濃度。固城湖沉積物表層覆蓋了大量微齒眼子菜殘?bào)w[21],豐水期較高的水溫加速其腐爛分解,導(dǎo)致水質(zhì)變差。

固城湖及其出入湖河道水質(zhì)的空間分析表明,固城湖大湖區(qū)水質(zhì)較好,小湖區(qū)及官溪河和胥河水質(zhì)較差,港口河和漆橋河污染相對(duì)較輕。這主要與固城湖流域的污染狀況和水動(dòng)力條件有關(guān)。固城湖地勢(shì)總體東高西低,水流主要由東向西流動(dòng)。港口河是固城湖的主要補(bǔ)給河流,漆橋河和胥河上游分別流經(jīng)漆橋鎮(zhèn)、固城鎮(zhèn)后流入固城湖。官溪河是固城湖的主要排水通道,但當(dāng)固城湖水位較低時(shí)則會(huì)引水陽(yáng)江補(bǔ)給。小湖區(qū)與官溪河相連,在船舶航行、風(fēng)力擾動(dòng)的條件下,固城湖與官溪河存在一定的水體交換,小湖區(qū)水質(zhì)受官溪河影響較大。根據(jù)湖泊污染負(fù)荷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖4,表4),2012年全年固城湖及其出入湖河道共受納污染負(fù)荷為TN 2 175.60 t,TP 286.08 t,CODMn3 868.81 t,其中,固城湖受納污染負(fù)荷在全部水體中占比最大,TN為973.76 t,TP為117.75 t,CODMn為1 772.27 t,分別占全部水體受納污染負(fù)荷的44.76%、41.16%和45.81%,但因?yàn)楣坛呛?kù)容較大,生物資源豐富,水體自凈能力強(qiáng)[5,22-23],其水質(zhì)相對(duì)較好。

圖4固城湖及其出入湖河道受納污染負(fù)荷分配

Fig.4Distribution of pollutant loading in

Gucheng Lake and its inlets and outlets

表42012年固城湖流域主要污染源和污染負(fù)荷

Tabel4Main pollution sources and pollutant loadings in Gucheng Lake basin in 2012

t

“—”表示無(wú)數(shù)據(jù)。

高淳全區(qū)工礦企業(yè)集中分布在水陽(yáng)江—官溪河—胥河一線,大量工業(yè)廢水和生活污水進(jìn)入官溪河、胥河,縣城污水處理廠的尾水也集中排放到官溪河中。因此，官溪河受納污染負(fù)荷僅次于固城湖,TN為656.48 t,TP為88.83 t,CODMn為1 071.73 t,分別占全部水體受納污染負(fù)荷的28%～31%,胥河受納污染負(fù)荷約占全部污染負(fù)荷的15%～18%,官溪河和胥河成為出入湖河道中水質(zhì)較差的河流。港口河和漆橋河受納污染負(fù)荷較少,水質(zhì)相對(duì)較好。

根據(jù)分析結(jié)果，2001—2012年官溪河和小湖區(qū)為Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì),大湖區(qū)總體達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。官溪河總氮、總磷濃度總體呈下降趨勢(shì),而小湖區(qū)總氮濃度,大湖區(qū)總氮、總磷濃度都呈上升趨勢(shì)。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果有一定差別。如胡本龍等[24]在2009年對(duì)固城湖的水質(zhì)趨勢(shì)分析結(jié)果顯示,1996—2009年固城湖大湖區(qū)總氮、總磷濃度,小湖區(qū)總氮濃度都無(wú)明顯變化趨勢(shì),官溪河總氮、總磷濃度以及小湖區(qū)總磷濃度呈顯著上升趨勢(shì)。官溪河以及固城湖氮、磷濃度的變化與高淳社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施密不可分。根據(jù)2012年固城湖污染源及污染負(fù)荷調(diào)查結(jié)果(表4),2012年固城湖主要污染源為水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)廢水、生活污水、種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖。其中,TN負(fù)荷中水產(chǎn)養(yǎng)殖貢獻(xiàn)最大,占比為43.10%,種植業(yè)、生活污水和工業(yè)廢水污染源貢獻(xiàn)率相差不大,約為17%;TP負(fù)荷中水產(chǎn)養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率為51.12%,種植業(yè)貢獻(xiàn)率為19.83%,工業(yè)污染源貢獻(xiàn)率最小,為7.07%。水產(chǎn)養(yǎng)殖已成為固城湖的首要污染物來(lái)源。2007年后受太湖藍(lán)藻事件影響,固城湖及河道兩岸污染企業(yè)逐漸關(guān)停,鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠逐漸建成并投入使用,工業(yè)廢水和生活污水中氮磷排放得到有效控制[25]。官溪河作為承接全區(qū)工業(yè)廢水和生活污水的主要河流,其氮磷濃度理應(yīng)有所下降。而固城湖大湖區(qū)氮磷濃度的上升則與近年來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮磷輸移量不斷增大有關(guān)[26-27]。

根據(jù)《高淳統(tǒng)計(jì)年鑒》(2013版)[28],2012年全區(qū)養(yǎng)殖水面面積已達(dá)0.84萬(wàn)hm2,水產(chǎn)品總量達(dá)到4.26萬(wàn)t,其中魚類和蟹類產(chǎn)量分別為2.09萬(wàn)和1.56萬(wàn)t,占水產(chǎn)品總量的85.6%。根據(jù)周露洪等[29-30]對(duì)固城湖地區(qū)蟹類養(yǎng)殖模式的研究結(jié)果,1 hm2河蟹養(yǎng)殖池塘可產(chǎn)生氮磷污染負(fù)荷分別為27.08和7.85 kg,據(jù)此估算出高淳全區(qū)僅螃蟹養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染負(fù)荷中TN可達(dá)422.35 t·a-1,TP達(dá)122.46 t·a-1,這些氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽絕大部分匯入固城湖大湖區(qū)中。因此，合理控制養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模,優(yōu)化養(yǎng)殖模式,加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖尾水的深度處理,同時(shí)進(jìn)一步控制減少工業(yè)廢水、生活污水等污染源的排放量,削減氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入,協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的關(guān)系,是固城湖可持續(xù)發(fā)展的必要措施。

4結(jié)論

固城湖及其出入湖河道主要受氮磷污染的影響,主要污染源為水產(chǎn)養(yǎng)殖。豐水期胥河、官溪河、養(yǎng)殖區(qū)排污口及固城湖小湖區(qū)受納污染負(fù)荷較大,處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),其他河道及湖區(qū)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài);枯水期則都處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),枯水期水質(zhì)好于豐水期。所有河道中官溪河受納污染負(fù)荷最大,屬Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì),但因河流兩岸氮磷控制措施的實(shí)施,近年來(lái)總氮、總磷濃度顯著降低。固城湖受納污染負(fù)荷占全部水體的41%～46%,大湖區(qū)因自凈能力較強(qiáng)整體屬于Ⅲ類水質(zhì),但因養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大,農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮磷排放量增大,固城湖氮磷濃度顯著上升,富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇。因此,需要合理規(guī)劃養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展規(guī)模和養(yǎng)殖模式,進(jìn)一步控制各類污染源的排放量,合理協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,使固城湖能夠可持續(xù)發(fā)展。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Spatial-Temporal Variation and Developing Tendency of Water Quality in Gucheng Lake and Inlets and Outlets of the Lake.

GUXian-kun1,2,GUXiao-hong1,ZENGQing-fei1,MAOZhi-gang1,LIXu-guang2,3,WANGYin-ping1,2,WANGWen-xia1,2

(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.Freshwater Fisheries Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China)

Abstract:Water samples were collected from Gucheng Lake and its inlets and outlets during the period between July 2012 and July 2013 for analysis of physic-chemical properties (including nutrient contents, BOD5, suspended organic matter) to explore spatio-temporal variation of the water quality of the lake and based on the monitoring data accumulated during the year of 2001-2012, developing tendency of the water quality in the lake in recent years was also analyzed with the aid of Software PWQTrend 2010. Results show that the water in the main area of the lake, Gangkou River and Qiqiao River was quite good in quality and got slightly eutrophied during the wet season, but the water in arms of the lake, in waste discharge outlet of aquatic breeding zones, and in Guanxi River and Xuhe River was quite high in pollution load and got moderately eutrophied during the wet season. However, during the dry season, the water in the whole area (the main area, arms, inlets and outlets of the lake) was moderately entrophied. Currently nitrogen and phosphorus are the main water pollutants in this study area, and come mainly from aquaculture. During the year of 2001-2012, the water in Guanxi River and the arms of the lake fell generally into Grade Ⅲ/Ⅳof the “National Standard for Surface Water Quality for Drinking Water”, and the water in the main lake area did into Grade Ⅲ in quality. Total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the water of Guanxi River decreased significantly from 2001 to 2012, but TN in the arms of the lake and TN and TP in the main lake area increased significantly as affected by the economic development in Gaochun District, and some environmental protection measures. Therefore, rationally programming development scale and mode of the aquaculture in the lake and reducing waste discharge from various pollution sources are essential measures for sustainable development of Gucheng Lake.

Key words:water quality;spatio-temporal variation;changing tendency;Gucheng Lake;inlets and outlets of the lake

作者簡(jiǎn)介：谷先坤(1982—),男,江蘇鹽城人,博士生,主要研究方向?yàn)楹瓷鷳B(tài)學(xué)。E-mail: guxiankun1982@126.com

通信作者①E-mail： xhgu@niglas.ac.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD25B06)；江蘇省水利科技項(xiàng)目(2012019)；江蘇省自然科學(xué)青年基金(BK20131059)

收稿日期：2015-06-15

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.012

中圖分類號(hào)：X131；Q178

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)01-0068-08