三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)變化分析*

張光貴，王丑明，田　琪

(湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，岳陽 414000)

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三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)變化分析*

張光貴，王丑明，田琪

(湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，岳陽 414000)

為了解三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)變化，基于1996-2013年洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)(IP)法對三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)進行評價，并對洞庭湖水質(zhì)與主要污染物的時空變化特征進行分析. 結果表明, 1996-2013年洞庭湖IP值在1.10～2.20之間，平均值為1.63，水質(zhì)屬輕污染～污染，總體變化平穩(wěn)，但從2010年起，洞庭湖IP值連續(xù)低于其多年平均值，總體水質(zhì)趨好；主要污染物為總磷和總氮，總磷濃度變化平穩(wěn)，總氮濃度則呈顯著上升趨勢. 與三峽工程運行前相比，三峽工程運行后洞庭湖全年和汛期總氮濃度以及南洞庭湖IP值和總氮濃度顯著升高，南洞庭湖水質(zhì)顯著惡化. 洞庭湖IP值和總磷濃度的水期分布格局均由三峽工程運行前的汛期>非汛期變化為三峽工程運行后的非汛期>汛期，其空間分布格局均由三峽工程運行前的西洞庭湖>東洞庭湖>南洞庭湖變化為三峽工程運行后的西洞庭湖>南洞庭湖>東洞庭湖；從2010年起，洞庭湖IP值的空間分布格局發(fā)生新的變化，其大小順序變化為東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖. 三峽工程運行前后洞庭湖IP值與總磷濃度的時空變化與其水沙條件變化有關，總氮濃度受三峽工程運行影響較小，主要受湘江、資水、沅江和澧水“四水”流域氮污染的影響.

三峽工程；水質(zhì)；內(nèi)梅羅污染指數(shù)；時空變化；洞庭湖

三峽工程是世界上的重大水利工程，2003年6月開始蓄水運行，2010年10月成功蓄水到175 m，在防洪、發(fā)電、航運等方面發(fā)揮了非常重要的作用. 作為長江出三峽進入中下游平原后的第一個通江湖泊，洞庭湖具有調(diào)蓄長江洪水、提供飲用水和生物多樣性保護等重要生態(tài)功能，在維護區(qū)域生態(tài)平衡中具有重要作用，三峽工程對長江中下游湖泊生態(tài)環(huán)境的影響，洞庭湖首當其沖. 因此，三峽工程建設對洞庭湖生態(tài)環(huán)境的影響成為當前洞庭湖研究的重點和學術界關注的熱點問題[1-5]. 目前相關的研究主要集中在三峽工程對洞庭湖濕地植被、魚類、干旱、景觀格局、生態(tài)系統(tǒng)服務功能、東方田鼠、血吸蟲病流行等方面[6-13],然而，針對三峽工程運行前后洞庭湖水污染變化的研究尚不多見，目前只有李忠武等[4]開展了初步研究. 鑒于三峽工程運行所帶來的各種生態(tài)環(huán)境效應逐漸凸顯，全面、深入地開展三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)變化研究具有十分重要的意義.

水質(zhì)評價是環(huán)境質(zhì)量評價的主要內(nèi)容，其為水資源合理開發(fā)利用和水體污染綜合防治提供了科學依據(jù). 目前常用的方法包括單因子評價法、灰色系統(tǒng)理論法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊數(shù)學法、主成分分析法、綜合水質(zhì)標識指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法等[4,14]，其中內(nèi)梅羅污染指數(shù)法既突出了污染最為嚴重的污染因子，同時也一定程度上兼顧了其它水質(zhì)較好的參評因子對總體結果的貢獻，尤其避免了在計算過程中各因子權重人為賦值的主觀影響，在水質(zhì)評價中得到了廣泛應用[14-18]. 本研究基于1996-2013年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)進行評價，并對洞庭湖主要污染物與水質(zhì)的時空變化特征進行分析，以期為深入認識三峽工程建設對洞庭湖生態(tài)環(huán)境的影響、防控洞庭湖水質(zhì)污染提供參考和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 洞庭湖概況

洞庭湖(28°44′～29°35′N,111°53′～113°05′E)位于湖南省北部、長江中游荊江南岸，北接長江松滋、太平、藕池“三口”，南納湘、資、沅、澧“四水”，經(jīng)城陵磯匯入長江，湖體呈近似“U”字形，總流域面積25.72×104km2，集水面積104×104km2，水位33.50 m時(岳陽站，黃?；?，湖長143.00 km，最大湖寬30.00 km，平均湖寬17.01 km，湖泊面積2625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相應蓄水量167×108m3，是我國第二大淡水湖. 受泥沙淤積、筑堤建垸等自然和人類活動的影響，洞庭湖現(xiàn)已明顯地分化為西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖3個不同的水域. 洞庭湖為一典型的過水性洪道型湖泊[19]，兼具河流與湖泊雙重屬性，其水流方向大致為西洞庭湖→南洞庭湖→東洞庭湖→長江[20]. 一般地，4-9月為汛期，10月-翌年3月為非汛期.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中的水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心. 除個別斷面稍有變動外，洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測斷面基本固定，全湖共設11個監(jiān)測斷面，其中西洞庭湖區(qū)3個，分別是南嘴(S1)、蔣家嘴(S2)和小河嘴(S3)；南洞庭湖區(qū)3個，分別是萬子湖(S4)、橫嶺湖(S5)和虞公廟(S6);東洞庭湖區(qū)5個，分別是鹿角(S7)、君山(S8)、扁山(S9)、岳陽樓(S10)和洞庭湖出口(S11). 洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測斷面分布見圖1.

1.3 水質(zhì)評價方法

1.3.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)由美國敘拉古大學內(nèi)梅羅(Nemerow NL)教授于1974年提出[21],其計算公式為:

(1)

其中,

(2)

圖1 洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測斷面Fig.1 Sampling sections of water quality monitoring in Lake Dongting

1.3.2 評價因子與水質(zhì)標準的選擇已有研究結果表明，洞庭湖水質(zhì)呈現(xiàn)以氮、磷污染為主兼有機污染的特征[22]. 根據(jù)洞庭湖水質(zhì)污染特征并兼顧評價結果的可比性(監(jiān)測斷面基本固定，取樣方法一致即均取標準澄清樣，評價因子相同)，本研究選擇高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)5個監(jiān)測指標作為評價因子.

根據(jù)洞庭湖水域環(huán)境功能與保護目標[23]，選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的Ⅲ類標準作為水質(zhì)標準，CODMn、BOD5、NH3-N、TN和TP的水質(zhì)標準濃度分別為6、4、1.0、1.0和0.05 mg/L.

1.3.3 污染分擔率為找出主要污染物，引入污染分擔率ki，計算公式為：

(3)

將ki按從大到小的順序累加，確定∑ki>70%的前幾項污染物為主要污染物.

1.3.4 水質(zhì)污染分級一般來說，如果IP≤1，說明水質(zhì)較好，水體較清潔；如果IP>1，則水質(zhì)較差，水體受到污染. 內(nèi)梅羅污染指數(shù)的水質(zhì)污染分級具體為：IP≤1，清潔；15，嚴重污染[15].

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

數(shù)據(jù)經(jīng)檢查、剔除特異值等預處理后，采用Microsoft Office Excel 2003和IBM SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和分析. 水質(zhì)污染趨勢分析采用Daniel的趨勢檢驗，相關性用Pearson相關系數(shù)表示，均值差異性比較采用兩獨立樣本的t檢驗.

2 結果與分析

2.1 水質(zhì)評價結果

1996-2013年洞庭湖水質(zhì)評價結果可知，洞庭湖IP值在1.10～2.20之間，平均值為1.63，對照水質(zhì)污染分級標準，水質(zhì)屬輕污染～污染，總體變化平穩(wěn)，但從2010年起，洞庭湖IP值連續(xù)低于其平均值，總體水質(zhì)趨好(圖2).

圖2 1996-2013年洞庭湖IP值和ki的年際變化Fig.2 Annual variations of IP value and ki evaluation factors in Lake Dongting during 1996-2013

1996-2013年洞庭湖CODMn的污染分擔率在7.05%～15.12%之間，平均值為10.13%；BOD5的污染分擔率在5.34%～9.38%之間，平均值為7.35%；NH3-N的污染分擔率在3.74%～11.40%之間，平均值為6.47%；TN的污染分擔率在23.80%～42.83%之間，平均值為32.08%；TP的污染分擔率在34.60%～53.87%之間，平均值為43.98%，評價因子污染分擔率的大小順序為TP>TN>CODMn>BOD5>NH3-N，主要污染物為TP和TN(圖2). 2010年前，洞庭湖的首要污染物為TP，從2010年起，洞庭湖首要污染物為TN.

1996-2013年洞庭湖TP和TN濃度的年際變化(圖3)表明，TP濃度總體變化平穩(wěn)，與李有志等[19]得出的TP濃度呈顯著上升趨勢的結論不一致. 與IP值相似，從2010年起，洞庭湖TP濃度的年均值連續(xù)低于多年平均值，TN濃度則呈顯著上升趨勢. 趨勢檢驗結果表明，TN濃度的秩相關系數(shù)rs為0.661，大于其臨界值WP(0.564)，表明TN濃度在0.01水平(雙側)上升趨勢有顯著意義.

圖3 1996-2013年洞庭湖TP、TN濃度的年際變化Fig.3 Annual variations of TP, TN concentrations in Lake Dongting during 1996-2013

洞庭湖水質(zhì)污染的年際變化主要受TP濃度的影響，洞庭湖IP值和TP濃度具有相同的時間分布，二者的Pearson相關系數(shù)高達0.977，呈極顯著正相關(P<0.01). 從2010年起，洞庭湖總體水質(zhì)趨好與TP濃度的連續(xù)走低有較好的一致性. 有研究結果表明，入湖泥沙是洞庭湖水體TP的重要來源[24]，而洞庭湖泥沙主要來源于長江“三口”[25]，三峽工程運行后，長江“三口”來沙大幅下降，其占洞庭湖總入湖沙量的比例由1996-2002年的81.5%下降為2003-2012年的57.2%，相應地，洞庭湖泥沙沉積率由73.7%下降為11.5%(表1)，2009年后，洞庭湖出湖沙量大于入湖水量，總體呈沖刷狀態(tài)[26]，導致洞庭湖水體TP濃度下降. 2003-2008年盡管長江“三口”來沙減少，但入湖沙量仍大于出湖沙量，洞庭湖總體仍沿襲以前的淤積態(tài)勢，湖水TP濃度較高. 1999、2004和2008年洞庭湖IP值較高，水質(zhì)呈污染，主要是由于TP濃度較高所致.

2.2 三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)的水期變化

與三峽工程運行前相比，三峽工程運行后洞庭湖IP值、TP和TN濃度均有不同程度的升高，其中TN濃度顯著上升(P<0.05). 就不同水期而言，汛期洞庭湖IP值和TP濃度有所下降，而TN濃度顯著上升(P<0.05)；非汛期，洞庭湖IP值、TP和TN濃度均有不同程度的升高，但均無顯著性差異(P>0.05). 三峽工程運行前后洞庭湖IP值和TP濃度的水期分布格局發(fā)生明顯變化，均由三峽工程運行前的汛期>非汛期變化為三峽工程運行后的非汛期>汛期，TN濃度的水期分布格局沒變，仍然表現(xiàn)為非汛期>汛期. 洞庭湖IP值水期分布格局變化結果與申銳莉等[15]的研究結果基本一致(表2，圖4).

表1 三峽工程運行前后洞庭湖區(qū)來水來沙情況統(tǒng)計[25,27]

表2 洞庭湖不同水期水質(zhì)對比

圖4 1996-2013年洞庭湖不同水期IP值的年變化Fig.4 Annual variations of IP value in Lake Dongting in different water periods during 1996-2013

2.3 三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)的空間變化

與三峽工程運行前相比，三峽工程運行后西洞庭湖IP值和TP濃度有所下降，TN濃度則有所上升，但均無顯著性差異(P>0.05)；南洞庭湖的IP值、TP和TN濃度均有不同程度的上升，其中IP值和TN濃度有顯著上升(P<0.05)，水質(zhì)顯著惡化；東洞庭湖的IP值、TP和TN濃度均有不同程度的上升，但均無顯著性差異(P>0.05). 三峽工程運行前后洞庭湖IP值和TP濃度的空間分布格局發(fā)生一些變化，其大小順序均由三峽工程運行前的西洞庭湖>東洞庭湖>南洞庭湖變化為三峽工程運行后的西洞庭湖>南洞庭湖>東洞庭湖，即南洞庭湖IP值和TP濃度均超過東洞庭湖，上升為第二位，從2010年起，洞庭湖IP值的空間分布格局發(fā)生了新的變化，IP值的大小順序變化為東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖；洞庭湖TN濃度的空間分布格局沒變，仍然表現(xiàn)為東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖，此結果與王崇瑞等[28]的研究結果一致(表3，圖5).

表3 洞庭湖不同湖區(qū)水質(zhì)對比

圖5 1996-2013年洞庭湖不同湖區(qū)IP值的年變化Fig.5 Annual variations of IP values in Lake Dongting in different lake areas during 1996-2013

3 討論

一般地，洞庭湖水體汛期表現(xiàn)為淤積，非汛期表現(xiàn)為沖刷[29]，洞庭湖來水、來沙主要集中在汛期，三峽工程運行后汛期來水量減少、含沙量降低，致使TP濃度下降、IP值減小. 非汛期TP濃度的升高有兩方面的原因，一方面是來水量尤其是長江“三口”來水量減少[30]，另一方面是水面比降增大，流速增大，水體沖刷作用增強，特別是三峽水庫汛后蓄水期(9-10月)，洞庭湖出流加快[31]，加速泥沙再懸浮和底泥中TP的二次釋放. 非汛期TP濃度升高，導致其IP值增大.

三峽工程運行前洞庭湖不同湖區(qū)TP濃度的分布格局與其泥沙來源不同[30]有關，西洞庭湖區(qū)泥沙主要來源于長江“三口”，這部分入湖泥沙首先在西洞庭湖落淤后經(jīng)南洞庭湖再入東洞庭湖，同時藕池東支河泥沙直入東洞庭湖，使得不同湖區(qū)泥沙含量和TP濃度表現(xiàn)為西洞庭湖>東洞庭湖>南洞庭湖. 三峽工程運行后，由于長江“三口”來沙占洞庭湖總入湖沙量的比例減少，“四水”來沙占洞庭湖總入湖沙量的比例上升，再加上清水入湖對水體的沖刷，使得西洞庭湖泥沙含量和TP濃度下降，南、東洞庭湖泥沙含量和TP濃度上升. 2010年后，由于洞庭湖TP濃度空間分布格局進一步變化為東洞庭湖>西洞庭湖>南洞庭湖，首要污染物由TP變化為TN，再加上洞庭湖TN濃度一直呈現(xiàn)東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖的空間分布格局，使得從2010年起洞庭湖水質(zhì)污染的空間分布格局變化為東洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖. 此結果與李忠武等[4]的研究結果基本一致. 1999年西洞庭湖IP值高達4.97，水質(zhì)屬重污染，主要是由于TP濃度高，達0.339 mg/L，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類標準5.78倍.

三峽工程運行前后洞庭湖TN濃度空間分布格局的一致性，表明洞庭湖TN濃度受三峽工程運行影響較小，同時也暗示湘、資、沅、澧“四水”是洞庭湖TN的主要來源. 秦迪嵐等[23]研究結果表明，湘、資、沅、澧“四水”TN的輸入量占洞庭湖TN總輸入量的74%，其中湘江TN的輸入貢獻最大，占洞庭湖TN總輸入量的46%，資水次之，占12%，在各入湖河流中，湘江和資水入湖口TN濃度較高. 較高TN濃度的湘江與資水匯入東、南洞庭湖，造成了目前洞庭湖TN濃度的空間分布格局. 與三峽工程運行前相比，三峽工程運行后TN濃度在西、南、東洞庭湖均有不同程度的上升，其中南洞庭湖TN濃度有顯著上升，表明湘江、資水等“四水”流域氮污染不斷加劇. 另外，三峽工程運行后，洞庭湖水位降低、水量減小也是導致洞庭湖TN濃度升高的原因之一. 南洞庭湖水質(zhì)顯著惡化主要是由于TN和TP濃度的上升，尤其是TN濃度的顯著上升.

東洞庭湖成為目前洞庭湖水質(zhì)污染較重的區(qū)域，除與三峽工程的運行有關外，還受下列因素的影響：1)東洞庭湖是洞庭湖湖水的匯聚地，污染物在此累積[32]；2)東洞庭湖離洞庭湖出湖口近，受長江水流頂托，容易在出湖口附近形成污染物的富集[33]；3)作為湖南北部政治、經(jīng)濟、文化中心的岳陽市坐落于此，人類活動頻繁，日常生活與生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量氮、磷污染物會對周邊水質(zhì)造成較大影響[34].

由于三峽工程運行時間短，其對洞庭湖生態(tài)環(huán)境的影響還沒有完全顯現(xiàn)，因此本研究所得結論僅僅是初步結果，對三峽工程運行前后洞庭湖水質(zhì)的變化仍需進行長期跟蹤觀測與研究.

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Changes of water quality in Lake Dongting before and after Three Gorges Project operation

ZHANG Guanggui, WANG Chouming & TIAN Qi

(LakeDongtingEco-EnvironmentalMonitoringCenterofHunanProvince，Yueyang414000，P.R.China)

To understand the changes of water quality in Lake Dongting before and after Three Gorges Project operation, the water quality in Lake Dongting was evaluated based on the water quality monitoring data of Lake Dongting from 1996 to 2013 by using Nemerow pollution index method, and the spatial and temporal variation characteristics of water quality and main pollutants in Lake Dongting were analyzed. The results showed that theIPvalues of Lake Dongting ranged from 1.10 to 2.20, with an average of 1.63 from 1996 to 2013, the water pollution level was between light pollution and pollution, the water quality did not change significantly generally, but since 2010, theIPvalues of Lake Dongting had been continuously under the average for many years, and water quality became better. Total phosphorus and total nitrogen were the major pollutants in the lake, the concentration of total phosphorus did not change significantly, but the concentration of total nitrogen showed a significant upward trend. Comparing with the period before Three Gorges Project operation, the concentration of total nitrogen in Lake Dongting and theIPvalues and the concentration of total nitrogen in southern Lake Dongting increased significantly after Three Gorges Project operation, the water quality in southern Lake Dongting deteriorated significantly. The order ofIPvalues and the concentration of total phosphorus in different water phases changed from flood season>non-flood season to non-flood season>flood season, and in spatial distribution changed from western Lake Dongting>eastern Lake Dongting>southern Lake Dongting to western Lake Dongting>southern Lake Dongting>eastern Lake Dongting, respectively before and after the Three Gorges Project operation. Since 2010, the ranking order ofIPvalues had changed in spatial as eastern Lake Dongting>southern Lake Dongting>western Lake Dongting. The spatial and temporal changes ofIPvalue and the concentration of total phosphorus associated with changes of flow and sediment conditions in Lake Dongting before and after Three Gorges Project operation, the concentration of total nitrogen was less affected by the Three Gorges Project operation, mainly by nitrogen pollution of Xiangjiang River, Zishui River and so on in the four river basin.

Three Gorges Project; water quality; Nemerow pollution index; spatial and temporal variation; Lake Dongting

*2015-05-25收稿；2015-12-09收修改稿. 張光貴(1964～)，男，學士，高級工程師；E-mail：zhangguanggui64@163.com.