長湖流域水質時空分布特征及影響因子

余明勇，徐圣杰，徐建華

1.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070 2.武漢市環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 武漢 430015

長湖流域水質時空分布特征及影響因子

余明勇1，徐圣杰2，徐建華1

1.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070 2.武漢市環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 武漢 430015

利用2009—2014年長湖5個水質監(jiān)測點數(shù)據，采用時間序列法分析了長湖水質的時間變化規(guī)律，采用相關性分析法，分析了流域水污染的影響因子。結果表明：在時間上，長湖水污染物質量濃度季節(jié)變化明顯，COD、TN、NH3-N均為7、9月較低，1、3月較高，豐水期水質好于枯水期。入湖地區(qū)TP質量濃度7月達最高值，且7月份入湖地區(qū)的橋河口、關沮口的NH3-N、TN含量稍高于5月?？臻g上，西北部入湖地區(qū)水質劣于湖心及東南部出湖地區(qū)。工業(yè)、生活等點源污水，以耕地為主的農業(yè)非點源以及天然降水量和徑流量是影響水質的主要因素，入湖排污量、降水量和徑流量與長湖水質呈顯著相關關系(P<0.05)。

水污染;時空分布;降水;土地利用;長湖

水污染的時空分布特征與水污染影響因子密切相關，如何正確分析評價水污染的時空分布特征及其主要影響因子是目前研究的熱點問題。長湖是湖北省第三大湖泊，流域降水豐富，但時空分布不均，其特有的氣候變化特征、水系形態(tài)、地形地貌和過度開發(fā)活動等因素，加之大量工業(yè)廢水、生活污水以及農村面源污染物排入湖泊，湖泊水產養(yǎng)殖的無序過度發(fā)展，導致局部水域有機污染嚴重，富營養(yǎng)化風險水平較高。有關研究表明，近幾年長湖平均水質類別為Ⅴ類，水體受到中度污染，主要污染指標為TP、TN、NH3-N、COD、BOD5等[1]。長湖突出的水污染問題引起了國內研究者的廣泛關注，但大多數(shù)研究主要集中在富營養(yǎng)化評價、水質類別評價與達標評價[2-4]、水環(huán)境質量等級的判定[5]、底泥污染[6]、非點源負荷估算[7]等方面，對長湖水污染的時空變化特征的研究則鮮見報道，而對水污染原因的分析也僅限于污染源負荷及其特點分析[4,7]，缺乏包括水文動力、氣象條件在內的多因素研究，對各影響因子與水污染的相關性分析則未見報道。以長湖為研究對象，利用長湖5個水質監(jiān)測點數(shù)據，采用時間序列法分析了水體污染物濃度的時間變化規(guī)律，并采用相關性分析法，對長湖流域水污染的影響因子進行分析研究，便于采取針對性污染控制措施，為有效消減污染負荷、改善水環(huán)境并加強流域綜合管理提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

長湖位于湖北省荊州市東北部，范圍涉及荊州市、沙洋縣和潛江市，湖泊面積為122.5 km2，流域總面積為3 240 km2，總人口為140.62萬，其中農業(yè)人口占65%。耕地總面積較大，但農業(yè)人均耕地僅為0.12 hm2。長湖流域地勢西北高而東南低，其中山地、丘陵面積占2/3以上。流域內水系發(fā)育，長湖主要承納西北部的太湖港、龍會橋河、拾橋河及東北部的廣坪河來水，其中西北部河流來水量占流域總徑流量的92%，出流主要由長湖東南部的習家口閘、劉嶺閘分別排入四湖總干渠、田關河(圖1)。流域屬亞熱帶大陸性季風濕潤氣候，雨熱同季，雨量充沛，降雨多集中在5—9月,占全年降水量的60.8%，在此期間降雨多以暴雨形式出現(xiàn)，降雨強度大。69.7%的徑流量集中在汛期(5—9月)，豐富的降雨、徑流為長湖流域污染物質的遷移轉化提供了動力。

圖1 長湖流域水系及監(jiān)測點位布置示意圖

2 研究方法與數(shù)據資料

2.1 研究方法

采用時間序列法，分析了水體污染物濃度的時間變化規(guī)律。

2.1.1 綜合污染指數(shù)

采用綜合污染指數(shù)[8-10]對湖泊水污染狀況進行綜合評價：

(1)

式中：P為綜合污染指數(shù)；Ci為污染物i的實測濃度，mg/L；C0i為污染物i的評價標準值，mg/L。根據湖北省人民政府頒布的《湖北水功能區(qū)劃》(鄂政函[2003]101號)規(guī)定，長湖執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水質標準。

2.1.2 相關性分析方法

采用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進行Pearson相關性檢驗，計算統(tǒng)計數(shù)據的相關系數(shù)，分析環(huán)境影響因子與各水污染指標之間的相關性。

2.2 數(shù)據來源

湖泊水污染受很多因素影響，通過多種途徑收集流域水文氣象、水質、污染源及基本地理信息的相關基礎數(shù)據，主要數(shù)據及其來源見表1。

表1 數(shù)據資料來源

注：①表示數(shù)據類型為圖數(shù)據；②表示數(shù)據類型為表數(shù)據。

選取長湖湖岸附近的習家口、戴家洼、橋河口、關沮口4個監(jiān)測點及湖心監(jiān)測點水質監(jiān)測資料，習家口是長湖向中下游總干渠下泄的出口控制點，戴家洼、橋河口、關沮口分別是龍會橋河、拾橋河、太湖港流入長湖的主要控制點(圖1)。水質數(shù)據為荊門市、荊州市環(huán)境保護監(jiān)測站提供的2009—2014年原始水質監(jiān)測數(shù)據，監(jiān)測頻率為每年6次，逢單月監(jiān)測，于上旬5—10日采樣監(jiān)測。各站點的監(jiān)測次數(shù)均為36次。主要水質指標包括COD、NH3-N、TP、TN。

3 結果與分析

3.1 長湖水質時間分布特征

3.1.1 年際變化

長湖2009—2014年各污染指標年平均質量濃度的年際變化趨勢見圖2。

圖2 長湖水體污染物質量濃度年際變化過程

由圖2可見，近幾年長湖水體COD質量濃度逐漸下降，從7.78 mg/L降低至4.75 mg/L，2012—2014年質量濃度已滿足Ⅲ類水質標準；TN與NH3-N的年際變化趨勢較為一致，先呈上升趨勢，至2014年后又下降，不同的是，NH3-N各年均符合Ⅲ類水質標準，且年度變化大，其變化范圍為0.36～0.84 mg/L，而TN各年均超標，但年度變化??；TP濃度呈波浪式變化，2009—2013年年際之間差異較小，無明顯上升或下降趨勢，2014年顯著下降至最低值(0.058 mg/L)，但仍不滿足Ⅲ類水質標準。

總體上，長湖水質呈波動變化，2009—2011年水質基本呈逐漸好轉趨勢，2011—2013年呈惡化趨勢，2013—2014年又呈好轉趨勢。長湖水質在2011、2014年有所改善，2014年有機污染程度相對最輕。

3.1.2 年內變化

根據長湖各監(jiān)測點2014年水質監(jiān)測數(shù)據，分析各污染指標月平均質量濃度的年內變化，見圖3。

圖3 2014年長湖水體污染物質量濃度月變化過程

由圖3可見，COD質量濃度的年內變化情況為各監(jiān)測點COD質量濃度均符合Ⅲ類水質標準，且隨季節(jié)的變化比其他污染物小，但其年內變化規(guī)律仍十分明顯，1、3、5、11月大于7、9月，即枯水期、平水期、豐水期初期之間無顯著差異，但均高于豐水期中后期。TN質量濃度年內變化情況為變化規(guī)律明顯，3月初最高(3.49 mg/L)，長湖入湖地區(qū)(戴家洼、橋河口、關沮口)9月最低(1.40 mg/L)，1、5、7、11月之間無顯著差異；在湖心、出湖地區(qū)則為7月最低(1.12 mg/L)，1、5、11月之間無顯著差異，故總體上表現(xiàn)出枯水期>平水期>豐水期的特征。TP質量濃度年內變化情況為長湖入湖地區(qū)TP質量濃度的年內變化明顯，7月最高(0.12 mg/L)，9月次之，3月最低(0.068 mg/L)，1、5、11月之間無顯著差異；在湖心、出湖地區(qū)則為1月最高(0.088 mg/L)，5、7、11月次之，9月最低(0.046 mg/L)。NH3-N質量濃度年內變化情況為變化規(guī)律與TN極為相似，全湖均為3月初最高(1.20 mg/L)，9月最低(0.21 mg/L)，枯水期>平水期>豐水期。

3.2 長湖水質空間分布特征

長湖各主要污染指標年平均質量濃度空間分布見圖4。

圖4 長湖水體污染物質量濃度空間分布

由圖4可見，TP的空間分布規(guī)律與TN基本一致，長湖西北部地區(qū)的戴家洼、橋河口、關沮口3個監(jiān)測點之間的COD、TP、TN含量無較大差異，不同監(jiān)測點之間的波動范圍僅為 2.3%～7.0%，但西北部地區(qū)的COD、TP、TN含量分別比其他水域高出約0.4、0.016、0.5 mg/L。西北部入湖地區(qū)不同監(jiān)測點之間的NH3-N濃度差異明顯，變化范圍為0.59～0.76 mg/L，且入湖地區(qū)明顯高于東南部出湖水域約0.3 mg/L，表明長湖西北部地區(qū)的水質劣于湖心及東南部出湖地區(qū)。

4 討論

4.1 長湖水質年內變化特征分析

豐水期(5—9月)污染物質量濃度除受到污染源排放量影響外，更大程度上受到降水和徑流量稀釋作用的影響。豐水期長湖流域降水量占全年的60.8%，多年平均入湖徑流量為4.82 億m3，豐水期的水量是枯水期的7倍，降水和地表徑流大幅度增加，水體流動加快，十分有利于污染物的稀釋擴散，水環(huán)境容量增大。同時，由于豐水期水中豐富的水生植物對有機營養(yǎng)鹽的吸收消耗，地表水中污染物含量降低。隨著水量的增加，COD質量濃度穩(wěn)定下降。長湖流域雨熱同季，豐水期又是農田耕作和大量使用農藥、化肥的時期，頻率高、雨量大的降水將土壤中未被農作物吸收的“過?！钡谞I養(yǎng)元素沖刷進入河流、溝渠。7月入湖地區(qū)的TP以及位于入湖地區(qū)的橋河口、關沮口的NH3-N、TN含量與5月相比有所增加，表明豐水期流域農村面源污染對長湖水質的影響較大[11]。因此，豐水期農業(yè)非點源污染負荷量隨降水量的增加而增大，豐水期早中期污染物濃度雖下降但不是最低值，至9月COD、TN、NH3-N質量濃度下降至最低值。

枯水期(12月—次年3月上旬)的降水量占年降水量的11.8%，徑流量占年總徑流量的7.8%，由于降水量小、上游來水減少，河流、湖泊水位下降，流速減慢，不利于污染物的稀釋擴散，水環(huán)境容量較豐水期和平水期大大減??；同時冬季的低溫不利于微生物和水生生物的繁殖生長活動，致使水體的稀釋凈化能力大幅度下降[12]。此時污染物的分布受農業(yè)非點源的影響微弱，湖泊周邊荊州區(qū)等城鎮(zhèn)工業(yè)廢水和生活污水排放成為主要污染來源，導致枯水期長湖水質普遍下降，COD、TN、NH3-N質量濃度出現(xiàn)峰值，水質最差。高濃度的NH3-N是人畜排泄物和生活污水的特征，3月初NH3-N質量濃度最高，表明春季長湖流域城鎮(zhèn)生活污水對湖泊水質影響較大。

4.2 入湖污染負荷空間分布特征

長湖各湖區(qū)主要污染物負荷貢獻比例空間分布見圖5。

圖5 長湖水體污染負荷空間分布

由圖5可見，長湖西北部地區(qū)分布著荊州區(qū)中心城區(qū)以及荊州區(qū)的6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些城鎮(zhèn)排放的生活污水量、工業(yè)廢水量占全流域的93.7%(該數(shù)據來源于湖北省水利廳重大項目“湖北省長湖綜合治理與保護利用規(guī)劃”)，主要通過龍會橋河、拾橋河、太湖港排入長湖。

圖5顯示，長湖西北部水域的廟湖、海子湖、拾橋河入湖口的入湖污染負荷共占全湖總負荷的83.8%～87.6%，其中海子湖的負荷貢獻最高，占長湖總負荷的53.7%～64.6%，而后港水域、毛李水域的貢獻較小。因此，長湖污染物主要來源于西北部地區(qū)入湖河流。

東南部地區(qū)為出湖地區(qū)，經過長湖的沉淀、轉化與降解等作用，污染物濃度降低，習家口為全湖水質最好的地區(qū)，其次為湖心。因此，在空間分布上，2014年長湖污染物質量濃度總體呈現(xiàn)出西北入湖地區(qū)偏高，湖心及東南部出湖地區(qū)偏低的趨勢[3]。

4.3 長湖流域水污染影響因子分析

4.3.1 工業(yè)、生活排污量

近年來，加強了長湖流域工業(yè)污染防治，超標排污的企業(yè)實施停產治理，2010—2013年興建、擴建了4座城鎮(zhèn)污水處理廠，與2009年相比入湖COD、TN、TP、NH3-N削減量分別達4 362.71、509.38、85.71、376.69 t/a(該數(shù)據來源于湖北省水利廳重大項目“湖北省長湖綜合治理與保護利用規(guī)劃”)，至2014年COD、TN、TP濃度降至最低，水質有所好轉。利用實測的2009—2014年水質監(jiān)測數(shù)據，采用SPSS軟件分析長湖年平均水質與工業(yè)、生活污水排放量的相關關系，結果見表2。

表2 長湖水質與工業(yè)、生活污水排放量的Pearson相關系數(shù)

注：計算樣本數(shù)為30；“** ”表示顯著性水平為0.01，“*”表示顯著性水平為0.05。

由表2可知，工業(yè)、生活污水排放量與COD呈極顯著的正相關性(P<0.01)，相關系數(shù)為0.829，與TN、TP、NH3-N呈現(xiàn)顯著的正相關性(P<0.05)，相關系數(shù)為0.625～0.784，表明工業(yè)、生活污水排放減少對長湖水質改善的貢獻十分明顯。但相關研究成果表明，2014年點源COD、NH3-N負荷貢獻仍然高達62.7%、55.2%(該數(shù)據來源于湖北省水利廳重大項目“湖北省長湖綜合治理與保護利用規(guī)劃”)，高于非點源，因此，點源仍然是影響流域(特別是長湖湖汊)水質變化的主要因素之一。

4.3.2 降水條件與天然徑流量

4.3.2.1 降水

根據長湖各監(jiān)測點2009—2014年的水質監(jiān)測資料，計算各月的綜合污染指數(shù)，并采用SPSS軟件分析各監(jiān)測點月綜合污染指數(shù)與降水量的相關關系，結果見表3。

表3 降水量與綜合污染指數(shù)的相關關系

注：計算樣本數(shù)為36；“*”表示顯著性水平為0.05。

由表3可知，降水量與湖心、習家口的綜合污染指數(shù)呈顯著的負相關(P<0.05)，與戴家洼、橋河口、關沮口的綜合污染指數(shù)呈負相關，表明降水量小的月份其綜合污染指數(shù)較大，降水量大的月份綜合污染指數(shù)較小[13]，降水的稀釋作用是引起長湖水質隨季節(jié)變化的主要原因之一。

4.3.2.2 天然徑流量

利用2009—2014年水質監(jiān)測數(shù)據，分析長湖月平均水質與入湖徑流量之間的相關系數(shù)及其顯著性，結果見表4。

表4 污染物含量與入湖徑流量的Pearson相關系數(shù)

注：計算樣本數(shù)為180；“*”表示顯著性水平為0.05。

由表4可見，入湖徑流量與TN之間呈顯著的負相關(P<0.05)，與COD、NH3-N之間呈中度的負相關，與TP之間呈負相關。無論相關性明顯與否，各因子與入湖徑流量都存在負相關性，說明天然徑流量的增加，可以有效促進水質的改善，以月均徑流量為代表的水文因素是影響長湖水質變化的主要因素之一。由于徑流量與降水量呈顯著正相關關系，因此，年均降水量越大，天然徑流量也越大，其地表水水質越好。

4.3.3 土地利用類型

土地利用變化主要通過非點源污染途徑影響水質，是水體氮磷污染的另一重要驅動力。通過對長湖流域TM遙感影像進行解譯，并借助ArcMap地理信息系統(tǒng)軟件制作的2014年土地利用現(xiàn)狀見表5。

表5 2014年長湖流域主要土地利用類型的污染物負荷

由表5可見，長湖流域耕地面積最大，占總面積的36.0%，其次是林地，占26.1%。流域泥沙負荷采用土壤侵蝕模數(shù)估算。流域非點源污染負荷采用輸出系數(shù)模型估算，各污染物的輸出系數(shù)以國內外研究的經驗值和取值范圍為基礎[14-17]，經綜合分析確定長湖流域不同土地利用類型TN的輸出系數(shù)。流域內耕地的年均泥沙負荷最高，占流域總泥沙負荷的76.5%，單位面積耕地的年均泥沙負荷為2 750 t/(km2·a)，是林地的6.5倍。耕地的年均TN負荷最高，占流域TN總負荷的73.9%，單位面積TN年均負荷達到19.0 kg/(hm2·a)，大大超過林地和草地。史志華等[14]對漢江中下游農業(yè)面源氮磷負荷的研究結果表明，水田的溶解態(tài)TN質量濃度為3.5～6.5 mg/L，旱地為2.8～3.8 mg/L，林地僅為1.0～1.5 mg/L。單位面積耕地所產生的泥沙和污染物負荷遠大于其他土地利用類型，這與耕地化肥施用量較多、土質松軟、坡耕地分布范圍較廣等有密切關系。因此，耕地是長湖流域內非點源污染控制的重點[7]。

5 結論

1)在時間分布上，長湖COD、TN、NH3-N含量均在7、9月較低，1、3月較高，豐水期的水質好于枯水期。入湖地區(qū)TP質量濃度于7月達最高值，且7月位于入湖地區(qū)的橋河口、關沮口的NH3-N、TN含量稍高于5月，表明豐水期長湖流域上游農村面源對水體污染的貢獻不容忽視。3月NH3-N濃度最高，表明春季城鎮(zhèn)生活污水對湖泊水質影響較大。

2)在空間分布上，長湖西北部入湖地區(qū)各點的水質劣于湖心及東南部出湖地區(qū)。

3)長湖水質變化受多方面因素影響，其中工業(yè)、生活等點源污水，以耕地為主的非點源及天然降水量和徑流量是主要因素，入湖排污量、年均降水量和徑流量與長湖水質變化呈顯著相關關系。流域坡耕地分布廣，以耕地面積最大和污染物負荷最大為特征的土地利用類型，是影響流域非點源氮負荷的主要原因。

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Analysis of Spatial-Temporal Distribution and Impact Factors of Water Quality in Changhu Lake

YU Mingyong1,XU Shengjie2,XU Jianhua1

1.Hubei Water Resources Research Institute,Wuhan 430070,China 2.Wuhan Environmental Monitoring Centre,Wuhan 430015,China

Based on the data of five water quality monitoring spots in Changhu Lake from 2009 to 2014, time series analytic method was adopted to analyze its time variation rule of water pollutants concentration. Then impact factors of water pollution were analyzed by correlation analytic method. The results showed that in terms of temporal distribution, seasonal variation of organic pollutants concentration in Changhu Lake was obvious. COD, TN and NH3-N concentration were low in July and September, while high in January and March, which indicated that rainy seasons were better than dry seasons in respect to water quality. In the meantime, the highest concentration of TP at inlets of the lake occured in July, and the concentration of NH3-N and TN in July were higher than that of May in Qiaohekou and Guanjukou where water inflows. In terms of spatial distribution, higher concentration of pollutants appeared in the northwest and north of Changhu Lake where water inflows, and lower concentration in the center and southeast of the lake where water outflows. Wastewater discharged by point sources including industrial effluent and municipal wastewater, non-point sources, the amount of natural precipitation and runoff were the main factors affecting the variable water quality. Wastewater discharged into the lake, annual average precipitation, runoff were notably correlated (P<0.05) with water quality in Changhu Lake.

water pollution;temporal and spatial distribution;precipitation;land use;Changhu Lake

2015-08-07;

2015-11-05

水利部公益性行業(yè)科研專項(201101063)

余明勇(1977-)，男，湖北武漢人，碩士，高級工程師。

X824

A

1002-6002(2016)05- 0073- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.14