洪澤湖水質(zhì)時(shí)空變化和富營養(yǎng)化研究

沈海岑， 張 敏， 汪 露， 薛聯(lián)青

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.江蘇省洪澤湖管理委員會(huì)辦公室， 江蘇 淮安 223100)

湖泊是一種重要的自然資源，具有防洪調(diào)蓄、用水供水、灌溉養(yǎng)殖、調(diào)節(jié)氣候、船舶續(xù)航等多種功能。中國近幾十年經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但自然資源被過度開發(fā)，城市人口增長(zhǎng)速度過快，工業(yè)集中，而城市下水道和農(nóng)村污水處理設(shè)施的建設(shè)發(fā)展速度極為緩慢，湖泊整體水環(huán)境惡化。洪澤湖是淮河流域洪水的主要調(diào)蓄湖泊，淮河下游地區(qū)重要的水源地，同時(shí)也是南水北調(diào)東線工程的主要調(diào)節(jié)湖泊，在防洪保安、城鄉(xiāng)供水、交通航運(yùn)以及維系生態(tài)平衡等方面有不可替代的作用。過量施肥、施肥結(jié)構(gòu)不合理、農(nóng)田排水直接進(jìn)入湖泊, 會(huì)加劇水體富營養(yǎng)化[1-3]。長(zhǎng)期以來，洪澤湖為促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但受粗放式發(fā)展模式的影響，洪澤湖非法侵占水域、非法采砂等引起的生態(tài)環(huán)境退化問題較為嚴(yán)重，削弱了洪澤湖綜合功能的發(fā)揮，洪澤湖的健康遭受嚴(yán)重威脅。

本文綜合考慮洪澤湖的實(shí)際情況，根據(jù)洪澤湖的區(qū)域特點(diǎn)，選用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，采用2018—2020年洪澤湖湖區(qū)老子山、湖心區(qū)、成子湖、臨淮四處及主要入湖河流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)時(shí)空變化特點(diǎn)，并進(jìn)行湖泊富營養(yǎng)化水平綜合評(píng)價(jià)，探究其影響原因。

1 材料及方法

采用2018—2020年洪澤湖湖區(qū)老子山、湖心區(qū)、成子湖、臨淮四處，及主要入湖河流包括淮河干流、新汴河、老汴河、新濉河、老濉河、徐洪河和懷洪新河的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由洪澤湖水利工程管理處提供。

1.1 研究區(qū)域

洪澤湖是我國第四大淡水湖泊，地理位置在東經(jīng)118°10′～118°52′、北緯33°06′～33°40′之間，位于蘇北平原西部，承接淮河中上游來水，湖區(qū)跨江蘇省盱眙、洪澤、淮陰、泗洪、泗陽和宿城六個(gè)城區(qū)，洪澤湖主要入湖河流包括淮河干流、新汴河、老汴河、新濉河、老濉河、徐洪河和懷洪新河。

1.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

(1)內(nèi)梅羅污染指數(shù)

內(nèi)梅羅指數(shù)[4]基于多因子評(píng)價(jià)水體污染情況，兼顧水質(zhì)因子質(zhì)量濃度的極值和均值。

對(duì)于DO:

(1)

(2)

對(duì)于其他水質(zhì)參數(shù)：

(3)

(4)

式中，Cim為飽和溶解氧的數(shù)值; P為當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)大氣壓; P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.325 kPa; T為檢測(cè)水溫。Ci為第i類評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度；Sij為第i類評(píng)價(jià)因子的第j類標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度；F最大為Fi的最大值；F平均為Fi的平均值；P′為內(nèi)梅羅污染指數(shù)。水質(zhì)級(jí)別劃分見表1。

表1 水質(zhì)級(jí)別分級(jí)

(2)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

應(yīng)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[5]評(píng)價(jià)各月份、各樣點(diǎn)的營養(yǎng)狀態(tài)，計(jì)算公式為

(5)

式(1)中，ITL,j為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，Chl-a、TP、TN、SD和CODMn的權(quán)重分別為 0.266、0.188、0.179、0.183和0.184，ITL,j的計(jì)算公式見參照文獻(xiàn)[6]。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分級(jí)見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 入湖河流水質(zhì)評(píng)價(jià)分析

由表3，洪澤湖西部湖濱的7條主要入湖河流中，淮河的內(nèi)梅羅污染指數(shù)最高，同時(shí)淮河也是入湖流量最大的入湖河流，因此淮河的上游來水中的污染物對(duì)洪澤湖影響最大，淮河干流入湖口的采樣點(diǎn)為老子山，老子山的水質(zhì)也較差，這是由于汛期時(shí)，淮河中上游發(fā)生強(qiáng)降雨，徑流攜帶污水沖向淮河下游，污水借行洪通道被夾帶入洪澤湖，此時(shí)洪澤湖水位較低，淮河入湖口區(qū)域受到嚴(yán)重污染，蔓延全湖。其次是新濉河、老濉河、老汴河、徐洪新河和徐洪河，均為Ⅳ類水，只有新汴河為達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，入湖河流的主要超標(biāo)污染物均為TN?？傮w來看，入湖河流除TN以外，其余水質(zhì)因子均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

表3 洪澤湖主要入湖河流水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.2 湖區(qū)水質(zhì)時(shí)空分布特征

圖1顯示了洪澤湖湖區(qū)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總磷(TP)、總氮(TN)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氟化物(F)2018—2020年度變化趨勢(shì)。整體來看，TN質(zhì)量濃度老子山>湖心區(qū)>成子湖>臨淮，老子山湖區(qū)的TN質(zhì)量濃度總體最高，冬季較高。湖心區(qū)次之，成子湖和臨淮變化趨勢(shì)較一致，TN質(zhì)量濃度均在夏季明顯升高。TP質(zhì)量濃度總體各湖區(qū)變化較一致，成子湖和臨淮湖區(qū)質(zhì)量濃度較高，最高值出現(xiàn)在7—9月。DO質(zhì)量濃度全湖質(zhì)量濃度空間差異較小，總體冬春季質(zhì)量濃度較高，夏秋季質(zhì)量濃度較低。NH3-N全湖空間變化較大，季節(jié)變化均無明顯規(guī)律。臨淮和成子湖湖區(qū)NH3-N質(zhì)量濃度較大，時(shí)序變化幅度也較大，分別為0.09～0.84 mg/L和0.14～0.88 mg/L；湖心區(qū)和老子山湖區(qū)質(zhì)量濃度較小，老子山為0.06～0.69 mg/L，湖心區(qū)時(shí)序變化幅度較小，為0.04～0.31 mg/L。老子山和湖心區(qū)CODMn質(zhì)量濃度較高，成子湖和臨淮湖區(qū)質(zhì)量濃度較低，冬春季質(zhì)量濃度較高，夏秋季質(zhì)量濃度較低。全湖F質(zhì)量濃度為0.4～0.97 mg/L，時(shí)空變化無明顯規(guī)律。

圖1 2018—2020年洪澤湖水體理化指標(biāo)的時(shí)空變化

由表2，洪澤湖區(qū)4個(gè)點(diǎn)位均為Ⅳ類水，湖區(qū)主要超標(biāo)污染物均為TP和TN， 其中，老子山TP和TN污染程度最高，其次是成子湖和臨淮氮磷污染嚴(yán)重，湖心區(qū)污染程度最低，TP、TN含量老子山湖區(qū)由于位處淮河入湖口，淮河TN輸入量為七大入湖河流最多，導(dǎo)致老子山湖區(qū)TN單項(xiàng)污染指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過湖區(qū)其他位置。成子湖和臨淮靠近養(yǎng)殖區(qū)，淡水養(yǎng)殖尾水中的TP主要來源于飼料中的添加劑、飼料分解物及養(yǎng)殖生物的排泄產(chǎn)物,農(nóng)村生活廢水處理率低，因此TP含量遠(yuǎn)多于老子山和湖心區(qū)。湖心區(qū)遠(yuǎn)離養(yǎng)殖區(qū)和入湖口，污染物經(jīng)過充分混合后，湖心區(qū)受外源污染影響較小。因此，外源輸入是造成湖泊水體氮磷質(zhì)量濃度增加的主要原因之一，外源性氮磷流入湖泊造成邊緣區(qū)域污染高于湖心區(qū)。

表2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分級(jí)

(續(xù)表3)

表4 洪澤湖典型湖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.3 湖區(qū)營養(yǎng)化程度分析

由表5、圖2可知，老子山和湖心區(qū)、臨淮和成子湖的富營養(yǎng)化指數(shù)分別呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，總體來看，成子湖和臨淮湖區(qū)營養(yǎng)化程度較低，基本呈現(xiàn)中營養(yǎng)，但成子湖在枯水期呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)，說明成子湖區(qū)營養(yǎng)化程度受流速影響大，水流交換速度緩慢時(shí)營養(yǎng)化程度加重。老子山和湖心區(qū)富營養(yǎng)化程度較高，枯水期和豐水期水期呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化，營養(yǎng)化指數(shù)枯水期較豐水期高，平水期呈現(xiàn)中營養(yǎng)。湖心區(qū)內(nèi)梅羅污染指數(shù)最低，但營養(yǎng)化程度最高，富營養(yǎng)化的主要影響因子為透明度，湖心區(qū)的透明度明顯低于入湖區(qū)域，且透明度隨季節(jié)變化大，枯水期和豐水期明顯高于平水期。2019年8月老子山區(qū)域的營養(yǎng)化程度最高，主要由于6月以來湖區(qū)遭遇60年一遇的氣象干旱時(shí)間，水位變化大，生態(tài)系統(tǒng)受到劇烈擾動(dòng)，加劇富營養(yǎng)化。總氮和透明度為洪澤湖富營養(yǎng)化主要影響因素，洪澤湖為“藻型濁水狀態(tài)”的淺水湖泊，但由于湖區(qū)受強(qiáng)烈風(fēng)浪攪動(dòng)作用，水質(zhì)混濁，透光率差[7]，湖泊躍變成透明度低的“泥沙型濁水狀態(tài)”。豐水期氮磷污染程度較高，這是因?yàn)檠雌趤砼R之前，為了響應(yīng)南水北調(diào)，洪澤湖采取開閘放水措施，水位急速下降，水生植物的生長(zhǎng)環(huán)境受到?jīng)_擊，主要是沉水植物[8]，水生植物對(duì)水質(zhì)的凈化效果減弱，汛期時(shí)期，大量降雨徑流攜帶農(nóng)耕養(yǎng)殖污水進(jìn)入湖區(qū)，導(dǎo)致氮磷污染大量輸入。

圖2 2018—2020年洪澤湖典型湖區(qū)富營養(yǎng)化指數(shù)變化

表5 洪澤湖典型湖區(qū)富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)

3 討 論

洪澤湖近岸湖區(qū)存在大面積圈圩圍網(wǎng)養(yǎng)殖和住家船[9]，主要分布在有河道入湖的近岸湖區(qū)，圈圩養(yǎng)殖最集中分布在入流河道密布的洪澤湖東北區(qū)域沿岸，即二河閘以北，涉及到淮陰區(qū)、泗陽縣、泗洪縣和宿城區(qū)，淮河干流入湖處圈圩圍網(wǎng)情況也很嚴(yán)重，多年的圈圩圍網(wǎng)養(yǎng)殖，魚蝦養(yǎng)殖投放密度高的外源性飼料，魚蝦排泄物和殘餌極容易對(duì)湖體造成污染。同時(shí)，畜禽養(yǎng)殖的氮磷輸入較高，畜禽養(yǎng)殖廢棄物造成湖泊水體富營養(yǎng)化[10-11]。除養(yǎng)殖污染外，農(nóng)村生活污染也是洪澤湖的重要面源污染源，洪澤湖周別農(nóng)村地區(qū)缺少污水管道，生活污水處理率低，沿湖農(nóng)村的生活污水處理覆蓋率僅49.26%，大量生活污水直排。同時(shí)，住家船、餐飲船居民沿湖大量分布，船民上岸涉及民生問題，一時(shí)難以解決，住家船產(chǎn)生大量生活污染，生活垃圾和排泄物直排入湖。

洪澤湖入湖大流量的河道除總氮外水質(zhì)狀況總體良好，一些小溝小河存在區(qū)域性面源污染。首先是秸稈造成的面源污染，主要由于禁止焚燒秸稈，目前大多數(shù)村民處理秸稈的方法就是將其扔進(jìn)水溝，造成兩個(gè)嚴(yán)重問題。首先是堵塞河流，尤其是夏天雨量比較大的時(shí)候，很多用于排水的溝渠被秸稈堵住，這很容易讓雨水滯留在田里進(jìn)而導(dǎo)致莊稼被淹死的現(xiàn)象。其次是秸稈在水溝里面腐爛引起水質(zhì)變差，一到夏季水溝里的水變黑發(fā)臭，秸稈浸泡產(chǎn)生的面源污染等集聚，經(jīng)洪水沖刷，隨支流匯入湖體，本來禁止燃燒秸稈時(shí)為了保護(hù)環(huán)境，現(xiàn)在卻成為了水質(zhì)污染的根源。

4 結(jié)論與建議

2018—2020年，洪澤湖西部湖濱的7條主要入湖河流中，淮河的內(nèi)梅羅污染指數(shù)最高，入湖河道的主要超標(biāo)污染物均為TN。洪澤湖區(qū)總體達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，湖區(qū)主要超標(biāo)污染物均為TP和TN，老子山污染程度最高，其次是成子湖和臨淮，湖心區(qū)受氮磷污染程度最低。成子湖和臨淮湖區(qū)營養(yǎng)化程度較低，基本呈現(xiàn)中營養(yǎng)，但成子湖在枯水期呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)，老子山和湖心區(qū)富營養(yǎng)化程度較高，枯水期和豐水期呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化，營養(yǎng)化指數(shù)枯水期較豐水期高，平水期呈現(xiàn)中營養(yǎng)?，F(xiàn)對(duì)于洪澤湖水質(zhì)污染情況提出以下建議：

(1)嚴(yán)格控制入湖河流的水質(zhì)情況，減少入湖的污染物輸入量，對(duì)上游入湖河道水質(zhì)進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)檢測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)體系資金投入。在淮河流域嚴(yán)格執(zhí)行排污許可制度，確保入湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)，不超過湖泊的納污能力。

(2)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理工程，提高洪澤湖周邊城鎮(zhèn)污水集中處理率，嚴(yán)禁農(nóng)業(yè)生活污水直排，把農(nóng)村生活污水納入污水管網(wǎng)，完善農(nóng)村排水管網(wǎng)設(shè)施。研發(fā)推廣生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少化肥氮磷流失量。

(3)嚴(yán)厲打擊非法采砂，堅(jiān)持陸治水打相結(jié)合、刑事司法和行政執(zhí)法相配合，大力實(shí)施退養(yǎng)還湖，壓縮洪澤湖濕地圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積，調(diào)整傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快整合拆除圍網(wǎng)養(yǎng)殖后的水域。種植各類水生植物，投放螺螄、蚌類等手段凈化水質(zhì)，修復(fù)湖區(qū)生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)水體自凈能力。