南湖富營(yíng)養(yǎng)化與氣象影響因子的關(guān)系研究

覃鴻 劉學(xué) 黃菊梅 王波

（1 湖南省岳陽(yáng)市氣象局 414000；2 湖南省華容縣氣象局 414200；3 湖南省岳陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境局 414000）

0 引言

南湖位于岳陽(yáng)市中心城區(qū)南側(cè)，西臨東洞庭湖，是岳陽(yáng)城區(qū)最大的天然湖泊。20世紀(jì)80年代南湖清澈見(jiàn)底，主要受納集雨區(qū)域內(nèi)的地表水徑流和部分經(jīng)二至三級(jí)天然氧化塘處理后的生活廢水，并用作飲用水源。但自20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于岳陽(yáng)城市化進(jìn)程加快，沿湖特別是北岸人口劇增，以及度假區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)，并在開(kāi)發(fā)建設(shè)中填埋了90%以上的天然氧化塘，導(dǎo)致大量城市污水未經(jīng)處理直接排入南湖，南湖水質(zhì)迅速惡化[1-2]。南湖已由20世紀(jì)70年代初的草型湖轉(zhuǎn)變?yōu)樵逍秃鷳B(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化[3]。

湖泊水體中氮、磷逐漸富集，致使浮游藻類(lèi)異常增殖，水生生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，進(jìn)而使水體透明度下降，水質(zhì)惡化[4-5]。國(guó)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展合作組織(OECD)將“水體中由于營(yíng)養(yǎng)鹽的增加而導(dǎo)致藻類(lèi)和水生植物生產(chǎn)力的增加、水質(zhì)下降等一系列的變化，從而使水的用途受到影響”的現(xiàn)象定義為湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化。水華是富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程最為明顯的表征。地理、水文和氣象特征為水華暴發(fā)提供了合適的溫度和水動(dòng)力條件，是水華暴發(fā)的外因，草型湖向藻型湖的轉(zhuǎn)變以及氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的高負(fù)荷輸入更利于藍(lán)藻生長(zhǎng)[6]。大量研究表明，氣象因素對(duì)流域內(nèi)水質(zhì)變化存在顯著影響，水文氣象因子對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華暴發(fā)具有很重要的驅(qū)動(dòng)作用[7-13]。近些年南湖水質(zhì)惡化，自2008年首次出現(xiàn)藍(lán)藻水華后，至今南湖每年都會(huì)出現(xiàn)藍(lán)藻水華現(xiàn)象，而目前對(duì)南湖水質(zhì)作進(jìn)一步研究的很少。因此，本文基于最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)近年來(lái)南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并且對(duì)南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化與氣象因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，以期為南湖水環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 區(qū)域概況

南湖是洞庭湖東岸的一個(gè)大湖灣，原與洞庭湖相通，后因修筑大堤，與洞庭湖相分隔，僅出口處建有一個(gè)與洞庭湖相通的控制性閘口，成為了一個(gè)幾近封閉的湖泊，湖水補(bǔ)給依賴(lài)湖面降水、集雨區(qū)徑流水。南湖現(xiàn)有水面面積為11.83 km2，沿湖岸線(xiàn)50 km，平均水深3 m，最大水深9 m，最高控制水位27.68 m，正常蓄水量為3549萬(wàn) m3，集雨面積約為150 km2，是岳陽(yáng)抗御城市內(nèi)澇、容納城區(qū)集水的重要水體。

1.2 數(shù)據(jù)

水質(zhì)數(shù)據(jù)為岳陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的2004—2018年原始水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為位于南湖北岸的麥子港（29°35′N(xiāo)，113°11′E）以及南湖湖心（29°33′N(xiāo)，113°11′E ）（圖1）。每月在兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)取樣1次，監(jiān)測(cè)頻率為每年12次，采樣監(jiān)測(cè)一般在當(dāng)月上旬進(jìn)行。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于岳陽(yáng)氣象觀(guān)測(cè)站。選取了月平均氣溫、月平均降雨量、月平均日照、月平均氣壓、月平均風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)段和頻率與水質(zhì)數(shù)據(jù)一致。若某次的某一水質(zhì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為觀(guān)測(cè)缺失值，則該日的氣象指標(biāo)值也不計(jì)入分析中。常年氣候值采用30年平均值（1981—2010年），湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI(Σ)）常年值采用15年平均值（2004—2018年）。冬季為上年12月—當(dāng)年2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月。

圖1 研究區(qū)域概況和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig. 1 Study area and location of monitoring points

1.3 研究方法

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)按照綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)。選擇Pearson算法對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，探討氣象因子與南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化間的內(nèi)在聯(lián)系。富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)的年、季、月變化趨勢(shì)分別選取年度、季度、月度算術(shù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.4 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站制定的《湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)規(guī)定》［14］，選取葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）等為參數(shù)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，對(duì)南湖水體營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，TLI(j)代表第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，wj的計(jì)算公式為：

表1 中國(guó)湖泊（水庫(kù)）部分參數(shù)與Chla的相關(guān)關(guān)系[14]Table 1 Correlation between some parameters of Chinese lakes (reservoirs) and Chla [14]

各參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Chla單位為mg/m3，SD單位為m，其他指標(biāo)單位均為mg/L。

湖泊（水庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)見(jiàn)表2，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)。在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營(yíng)養(yǎng)程度越重。

2 結(jié)果與分析

2.1 南湖水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的變化特征

根據(jù)2004—2018年南湖逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）共5項(xiàng)指標(biāo)分別計(jì)算湖心與麥子港的TLI(Σ)的逐年年平均值（圖2）。兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體均長(zhǎng)期穩(wěn)定處于輕度富營(yíng)養(yǎng)水平，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在2008年呈現(xiàn)峰值，2018年為近年來(lái)最低。兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)多年季節(jié)平均TLI(Σ)均為夏季最高，春季次高，冬季最低，呈明顯的季節(jié)性波動(dòng)。

表2 湖泊（水庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)[14]Table 2 Nutrient status classification of lakes (reservoirs) [14]

圖2 2004—2018年南湖各測(cè)點(diǎn)TLI(Σ)逐年平均值Fig. 2 The yearly TLI(Σ) average value at each monitoring point in Nanhu Lake from 2004 to 2018

2.2 南湖TLI(Σ)與氣象因子的關(guān)系

利用2004—2018 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將多項(xiàng)氣象因子分別與湖心和麥子港TLI(Σ)進(jìn)行相關(guān)分析（表3）可知，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)TLI(Σ)與月平均氣溫、月均最高氣溫、月均最低氣溫、月日照時(shí)數(shù)、月平均風(fēng)速均呈顯著的正相關(guān)（P＜0.01），與月平均氣壓、月均最高氣壓、月均最低氣壓呈顯著的負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。湖心TLI(Σ)與月降水量、月日降水量≥50 mm日數(shù)有相關(guān)性（P＜0.05），而麥子港TLI(Σ)與月降水量、月日降水量≥50 mm日數(shù)相關(guān)性不明顯（P＞0.05）。TLI(Σ)和日照、風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)麥子港比湖心的大，與其他氣象因子的相關(guān)系數(shù)湖心比麥子港的大。

2.3 影響氣象因子分析

選取月平均氣溫、月平均日照時(shí)數(shù)、月平均風(fēng)速、月平均氣壓作為氣象影響因子進(jìn)行分析。兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)TLI(Σ)多年月平均值變化與月平均氣溫、月平均日照、月平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本吻合，與月平均氣壓的反向變化趨勢(shì)基本吻合（圖3）。

藍(lán)藻的生長(zhǎng)與水華的形成可以分為休眠、復(fù)蘇、生長(zhǎng)、上浮及聚集等4個(gè)階段。藍(lán)藻的生長(zhǎng)速率和光合作用速率在25 ℃以上顯著增加［15-16］。岳陽(yáng)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候類(lèi)型，氣溫四季變化分明，具有夏季酷熱、隆冬寒冷的特征。每年10月—次年4月岳陽(yáng)的月平均氣溫為5.1～19.4 ℃；5—9月月平均氣溫為22.9～29.5 ℃，其中7月為最熱月（圖3a）。春季氣溫的升高使水中藍(lán)藻逐步復(fù)蘇及生長(zhǎng)。進(jìn)入夏季，氣溫的急劇升高使得藍(lán)藻水華形成所需的積溫時(shí)間縮短，有利于藍(lán)藻的生長(zhǎng)。同時(shí)降水的減少使水體中的污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高，富營(yíng)養(yǎng)化程度加大，更有利于藍(lán)藻的生長(zhǎng)，水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

在水中，藍(lán)藻大量繁殖時(shí)需要較多的光照。岳陽(yáng)日照充足，各月平均日照時(shí)數(shù)為74.0～229.8 h，為藻類(lèi)生長(zhǎng)提供了良好的光照條件。岳陽(yáng)的日照時(shí)數(shù)以7月日照最長(zhǎng)（圖3b）。

沉積物中積累了大量營(yíng)養(yǎng)鹽的情況下，強(qiáng)烈的風(fēng)浪擾動(dòng)使得沉積物與水體的營(yíng)養(yǎng)鹽交換頻繁，能夠快速補(bǔ)充水華暴發(fā)期間的營(yíng)養(yǎng)鹽需求，同時(shí)風(fēng)力作用使上浮藍(lán)藻水華聚集在下風(fēng)處，發(fā)生“淘洗作用”而對(duì)水華發(fā)生較為有利。風(fēng)速的下降使得對(duì)水體的攪動(dòng)減小，有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)發(fā)育和向某一區(qū)域漂移聚積，氣壓偏低，利于藍(lán)藻顆粒上浮到水體表面，對(duì)藍(lán)藻的暴發(fā)較為有利[15-17]。岳陽(yáng)各月平均風(fēng)速為2.3～3.2 m/s，其中6月風(fēng)速為2.3 m/s，7月為3.2 m/s（圖3c）。岳陽(yáng)的各月平均氣壓為997.9～1021.2 hPa，7月氣壓最低，12月最高（圖3d）。

隨著春季溫度的升高與日照的增多，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)TLI(Σ)顯示南湖水體富營(yíng)養(yǎng)程度增大明顯。6月的風(fēng)速比5月的小，同時(shí)氣壓偏低，有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)發(fā)育，并且由湖心向麥子港方面漂移聚積；7月風(fēng)力增大，利于藍(lán)藻顆粒上浮到水體表面，有利于藍(lán)藻上浮聚集。兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)夏季TLI(Σ)最大，是南湖暴發(fā)藍(lán)藻水華的高發(fā)時(shí)段。10月開(kāi)始，隨著氣溫的降低，至次年2月水中藍(lán)藻處于休眠期，南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度隨之減小。因此，春夏季氣溫與日照為形成南湖富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子，風(fēng)速與氣壓為次要因子。

3 典型氣候條件對(duì)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化影響的分析

3.1 2007—2008 年南湖TLI(Σ)實(shí)況

南湖兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)2007年春季TLI(Σ)較常年偏低，從5月開(kāi)始呈上升趨勢(shì)。進(jìn)入夏季后TLI(Σ)迅速升高，8月達(dá)到最高，湖心和麥子港分別為69.53、67.41，為湖心和麥子港歷年最高值。直至2008年3月兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)TLI(Σ)均較常年偏高（圖4）。

表3 南湖各測(cè)點(diǎn)TLI(Σ)與氣象因子的相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis between TLI(Σ) and meteorological factors at each monitoring point in Nanhu Lake

圖3 2004—2018年南湖各測(cè)點(diǎn)月平均TLI(Σ)與月平均氣溫（a）、月平均日照（b）、月平均風(fēng)速（c）、月平均氣壓（d）時(shí)間變化特征Fig. 3 Monthly average TLI(Σ) and monthly average temperature (a), monthly average sunshine (b), monthly average air pressure (c) , monthly mean wind speed (d) at each measuring point of South Lake from 2004 to 2018

3.2 2007—2008 年氣候?qū)崨r

2007年岳陽(yáng)四季氣溫都較歷史同期偏高，冬季為暖冬，入春、入夏均較常年早，夏季延長(zhǎng)，并且2月和5月月平均氣溫均為當(dāng)?shù)刈?952年以來(lái)的最高值。3月末出現(xiàn)連續(xù)多日日最高氣溫≥30.0 ℃、5月下旬初出現(xiàn)了≥35.0 ℃的高溫天氣。2007年岳陽(yáng)日照時(shí)數(shù)除夏季較常年偏少外，其余各季較常年均偏多。春、夏季風(fēng)速較常年偏高。平均氣壓冬、春、夏季均較常年偏高。岳陽(yáng)2008年年初出現(xiàn)了1954年以來(lái)最具規(guī)模的低溫雨雪冰凍天氣，但2008年春季氣溫打破了當(dāng)?shù)?6年來(lái)最高記錄，夏秋氣溫繼續(xù)偏高。日照偏多，月平均風(fēng)速全年持續(xù)偏大。

3.3 南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化氣候條件影響的分析

圖4 2007—2008年南湖兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐月TLI(Σ)距平的變化Fig. 4 Monthly TLI(Σ) anomaly changes at two monitoring points in Nanhu Lake from 2007 to 2008

2007年，岳陽(yáng)春季氣溫的急劇升高與強(qiáng)光照有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)，使得藍(lán)藻水華形成所需的積溫時(shí)間提前。風(fēng)浪所產(chǎn)生擾動(dòng)作用使湖體內(nèi)源負(fù)荷明顯增強(qiáng)。因此，2007年夏季以來(lái)南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度持續(xù)較高。藍(lán)藻水華的出現(xiàn)，從表觀(guān)現(xiàn)象上看確實(shí)是瞬時(shí)的“暴發(fā)”，但是其本質(zhì)卻有一個(gè)逐漸發(fā)展與形成過(guò)程，是藻類(lèi)生物量水體中的逐漸增加的一個(gè)緩慢的過(guò)程[18]。2008年冬季岳陽(yáng)遭遇當(dāng)?shù)刈?954年以來(lái)最具規(guī)模的低溫雨雪冰凍天氣，雖然氣溫偏低，但藍(lán)藻正處于休眠期，對(duì)其生長(zhǎng)并無(wú)大影響，而春、夏季氣溫持續(xù)偏高，有利于藍(lán)藻的生長(zhǎng)。2008年年平均風(fēng)速較常年偏高，氣壓偏低，說(shuō)明南湖湖面受到大風(fēng)的瞬時(shí)擾動(dòng)增多。在強(qiáng)烈風(fēng)擾動(dòng)下，表層沉積物受水體的沖擊較大，利于藍(lán)藻顆粒上浮到水體表面，使懸浮的量增多，對(duì)藍(lán)藻的暴發(fā)較為有利。因此受2007年夏季以來(lái)水體藍(lán)藻基數(shù)較高、上游截污管網(wǎng)不到位等因素影響，2008年南湖暴發(fā)了首次藍(lán)藻水華。

由此可見(jiàn)，氣溫異常偏高、日照偏多、風(fēng)速偏大等多種氣象要素的綜合作用是造成2007年南湖水體富營(yíng)養(yǎng)程度高以及2008年南湖首次暴發(fā)藍(lán)藻水華現(xiàn)象的氣象因素。

4 小結(jié)

氣象因素是形成南湖富營(yíng)養(yǎng)化的重要條件之一。春、夏季氣溫與日照為形成南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子。南湖水體長(zhǎng)期穩(wěn)定處于輕度富營(yíng)養(yǎng)水平，且富營(yíng)養(yǎng)程度偏高，這與全球氣候變暖使水體春季升溫提前，秋季溫度下降時(shí)間延遲，延長(zhǎng)了藍(lán)藻生長(zhǎng)的時(shí)間有關(guān)。南湖水域主要功能包括風(fēng)景名勝、水上娛樂(lè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、防洪蓄水及納污自?xún)?。麥子港位于南湖北面的湖汊，富營(yíng)養(yǎng)程度高于湖心，最主要的原因是岳陽(yáng)市南湖周邊大量生產(chǎn)生活的污染物進(jìn)入水體，增加了總磷和總氮濃度，使水體富營(yíng)養(yǎng)化居高不下。由于南湖水體目前長(zhǎng)期穩(wěn)定處于輕度富營(yíng)養(yǎng)水平，岳陽(yáng)的氣候條件決定了南湖的藍(lán)藻水華現(xiàn)象在短期內(nèi)不會(huì)完全解決。

水流流量對(duì)水華有限制作用，因修筑大堤，南湖人為地成為了一個(gè)幾近封閉的湖泊，這也是造成南湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)居高不下的原因之一。南湖已于2018年下半年與洞庭湖重新連通，水流交換有助于南湖水體的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的進(jìn)一步緩解。對(duì)于水流流量對(duì)南湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響，可在將來(lái)的工作做進(jìn)一步分析。

自2010年開(kāi)始，南湖富營(yíng)養(yǎng)化程度總體呈下降趨勢(shì)，2018年TLI(Σ)為近年來(lái)最低，這應(yīng)該與當(dāng)?shù)卣凑铡敖匚?、禁養(yǎng)、清淤、活水、嚴(yán)管”治理方針治理南湖有關(guān)，使入湖氮、磷負(fù)荷得到有效削減，減緩了南湖水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。