洪澤湖水質(zhì)2010—2020年時空變化特征

姚 敏，毛曉文,2，孫瑞瑞

(1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029； 2.江蘇省洪澤湖管理委員會辦公室, 江蘇 南京 210029；3.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215042)

洪澤湖位于江蘇省西北部，淮安、宿遷兩市境內(nèi)，在東經(jīng)118°10′～118°52′、北緯33°06′～33°40′之間。洪澤湖源于南宋時期的黃河奪淮[1-2]，黃河水倒灌入洪澤湖區(qū)并由淮河下游的富陵湖、萬家湖、破釜塘、白水塘等匯聚發(fā)展而成，現(xiàn)已成為江蘇省的第二大湖泊。在正常蓄水水位12.5 m時水域總面積為2 069 km2，洪澤湖年平均氣溫16.3℃，自北向南遞增。根據(jù)蔣壩水位站多年實測水文資料，平均水深約1.90 m，最大水深4.50 m；多年(1953—2015年)平均入湖水量為342億 m3，出湖水量為313億 m3；多年(1953—2015年)平均水位為12.55 m，歷史最高水位出現(xiàn)在1851年，為16.90 m，超出警戒水位3.40 m，歷史最低水位出現(xiàn)在1951年2月，為8.80 m。江蘇省將洪澤湖定位為江淮生態(tài)大走廊的生態(tài)綠心，洪澤湖是南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)節(jié)湖泊和蘇北地區(qū)的重要水源，具有重要的生態(tài)區(qū)位價值與資源優(yōu)勢。

前人對洪澤湖的研究主要集中在湖區(qū)水質(zhì)[3-6]、葉綠素a[7-9]和富營養(yǎng)狀態(tài)[10-12]的變化上，采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列相對較短[13-15]，尤其是針對2010年以來洪澤湖水質(zhì)的長序列時空分布特征研究較少。本文基于2010—2020年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行較長時間序列水質(zhì)變化分析，探討洪澤湖水質(zhì)時空變化特征，以期為洪澤湖水環(huán)境的保護提供參考。

1 研究方法

洪澤湖自南向北共布設(shè)16個監(jiān)測站(圖1)，監(jiān)測時間為2010年1月至2020年12月，每月采樣1次。水質(zhì)監(jiān)測指標包括水溫、pH值、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學需氧量、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、陰離子表面活性劑和硫化物等22項。

圖1 洪澤湖水質(zhì)監(jiān)測站分布

水質(zhì)評價依據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》以及國家生態(tài)環(huán)境部《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》(2011年)。根據(jù)江蘇省水環(huán)境監(jiān)測中心多年(2010—2020年，下同)數(shù)據(jù)資料，選取TN、CODMn和TP作為洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)時空變化分析的特征指標。時間變化特征分析采用年內(nèi)、年際水質(zhì)變化評價；TN和TP代表的突出污染因子采用最不利值法分析，最不利值是水域某一突出污染因子一定時期內(nèi)的極值水平。利用空間變化特征分析，在常規(guī)區(qū)域分布分析的基礎(chǔ)上采用距平系數(shù)法[16]對洪澤湖主要監(jiān)測站點2018—2010年的水質(zhì)狀況進行了表征研究，表征算法為

(1)

式中:η為距平系數(shù)；xi為洪澤湖i站點2018—2020年某水質(zhì)指標的質(zhì)量濃度或項目值的均值；x為洪澤湖所有站點某水質(zhì)指標質(zhì)量濃度或項目值的平均值。

2 特征分析

2.1 時間變化特征

2.1.1年內(nèi)變化

根據(jù)多年洪澤湖逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各項水質(zhì)指標質(zhì)量濃度或項目值進行逐月均值計算，水溫、pH值、化學需氧量、BOD5、氟化物、氰化物、揮發(fā)性酚、陰離子表面活性劑、硫化物、銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、六價鉻和鉛等17項均低于地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅰ類水質(zhì)標準限值，不作為本文研究對象。CODMn、DO、TN、NH3-N和TP等5項多年月均質(zhì)量濃度結(jié)果見圖2。

圖2 2010—2020年洪澤湖水質(zhì)指標多年月均變化

由圖2可見，CODMn多年月均質(zhì)量濃度范圍為3.84～4.88 mg/L，年內(nèi)變化整體平穩(wěn)，接近或滿足Ⅱ類水質(zhì)標準。DO多年月均質(zhì)量濃度范圍為7.04～11.98 mg/L，接近或滿足Ⅰ類水質(zhì)標準，峰值為11.98 mg/L，出現(xiàn)在2月，隨著溫度逐漸升高以及淮河流域主汛期的臨近，逐漸下降至8月的谷值7.04 mg/L，9—12月不斷上升。NH3-N多年月均質(zhì)量濃度范圍為0.17～0.35 mg/L，年內(nèi)變化整體較平穩(wěn)，符合Ⅱ類水質(zhì)標準。TN多年月均質(zhì)量濃度范圍為1.28～2.16 mg/L，水質(zhì)為Ⅳ～劣Ⅴ類，質(zhì)量濃度逐月下降，1—4月明顯高于其他月份。TP多年月均質(zhì)量濃度范圍為0.061～0.124 mg/L，水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類，呈先升后降趨勢，9月出現(xiàn)峰值，7—10月明顯高于其他月份，之后逐漸下降。

洪澤湖湖區(qū)DO和NH3-N質(zhì)量濃度變化較小，接近或滿足Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)標準，對湖區(qū)影響較小。而TN、CODMn和TP逐月質(zhì)量濃度峰值與谷值的比值分別為1.7、1.3和2.0，多年月均質(zhì)量濃度相對標準偏差分別為18.3%、7.1%和25.3%，年內(nèi)差異較大。

2.1.2年際變化

圖3為洪澤湖湖區(qū)TN、CODMn和TP質(zhì)量濃度年際變化趨勢圖。年均值是評價洪澤湖水域水質(zhì)總體情況的主要特征值。2010—2020年TN年均值基本在Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)標準之間，其中2012年湖區(qū)TN年均值達最高峰，為劣Ⅴ類水質(zhì)標準，2020年湖區(qū)TN年均值為Ⅳ類水質(zhì)標準；從趨勢看，TN年均值水平呈顯著下降態(tài)勢。CODMn年均值在Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標準之間，呈小幅下降態(tài)勢，接近Ⅱ類水質(zhì)標準，其中2010年達到最高峰，年均值為Ⅲ類水質(zhì)標準。TP年均值在Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)標準之間，呈小幅下降態(tài)勢，湖區(qū)更接近Ⅳ類水質(zhì)標準，其中2014年達到最高峰，年均值為Ⅴ類水質(zhì)標準。

圖3 2010—2020年洪澤湖湖區(qū)TN、CODMn和TP質(zhì)量濃度年均值變化趨勢

TN、CODMn和TP的多年平均質(zhì)量濃度分別為1.68 mg/L、4.28 mg/L和0.085 mg/L，相對標準偏差分別為13.2%、8.6%和9.8%，年際差異較大。TN年均值從2012年的峰值2.02 mg/L波動下降至2020年的1.39 mg/L；CODMn年均值從2010年的峰值4.88 mg/L波動下降至2020年4.16 mg/L；TP年均值從2014年的峰值0.101 mg/L波動下降至2020年0.087 mg/L。2010—2020年洪澤湖TN、CODMn和TP整體呈現(xiàn)持續(xù)向好的狀態(tài)，特別是2019—2020年，水質(zhì)指標分別維持在Ⅳ類、Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)標準。

2.1.3年最不利值變化

圖4為洪澤湖湖區(qū)TN和TP質(zhì)量濃度年最不利值變化結(jié)果。最不利值可以側(cè)面反映突發(fā)水污染事故或水質(zhì)異常狀態(tài)，要實現(xiàn)洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定達標，控制水環(huán)境治理最重要限制因子的最不利值的發(fā)生，降低極值水平十分必要。2020年7月出現(xiàn)了洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)總體達Ⅴ類的短期污染事件，經(jīng)分析與宿城北部入湖河道洪澇水大量匯入有著密切關(guān)聯(lián)，加之防汛需要的淮水調(diào)度匯入，也加劇了7月湖區(qū)水質(zhì)的短期惡化。

(a)TN

(b)TP

2010—2020年湖區(qū)TN最不利值全部超過Ⅳ類水質(zhì)標準，絕大多數(shù)超過Ⅴ類。其中，2012年1月湖區(qū)TN最不利值出現(xiàn)最高峰值，達劣Ⅴ類水質(zhì)標準；2010—2020年，TN最不利值呈下降態(tài)勢；TN最不利值多發(fā)生在枯水月份，11年中8次出現(xiàn)在12月至次年3月，概率為72.7%，3次最不利值發(fā)生在7月的主汛期，可見，汛期洪澇水和枯水期干旱都可能引起湖區(qū)TN質(zhì)量濃度的升高，但相對而言，枯水期TN質(zhì)量濃度的增高明顯大于汛期。

湖區(qū)TP質(zhì)量濃度的最不利值基本都超過Ⅳ類水質(zhì)標準，其中，最不利值最高峰出現(xiàn)在2014年9月，達劣Ⅴ類水質(zhì)標準；由11年趨勢可見，TP最不利值呈小幅上升態(tài)勢；TP最不利值多發(fā)生在8、9、10月，11年中出現(xiàn)了9次，概率為81.8%，汛期洪澇水影響是加劇TP污染的重要因素。

2.2 空間變化特征

2.2.1區(qū)域分布特征

圖5為洪澤湖淮安湖區(qū)和宿遷湖區(qū)的TN、CODMn和TP質(zhì)量濃度的變化情況。從湖區(qū)分布看，2010—2020年淮安湖區(qū)的TN年均值均明顯高于宿遷湖區(qū)。

(a)TN

(b)CODMn

(c)TP

2015年以前，淮安湖區(qū)的CODMn低于宿遷湖區(qū)，而2015年以后，淮安湖區(qū)的CODMn反超宿遷，且差距逐年增加。2017年以前(除2014年)，淮安湖區(qū)TP質(zhì)量濃度高于宿遷湖區(qū)；2017年以后，宿遷湖區(qū)的TP反超淮安湖區(qū)，且差距逐年增加。

2.2.2空間變化特征

洪澤湖淮安湖區(qū)和宿遷湖區(qū)2018—2020年TN、CODMn和TP距平系數(shù)計算結(jié)果見表1。位于洪澤湖南部和東部的淮安湖區(qū)監(jiān)測站TN距平系數(shù)除韓橋站外均為正數(shù)，特別是老子山、蔣壩和洪澤湖區(qū)(淮安南)距平系數(shù)高達40.8%、29.9%和21.7%；洪澤湖北部和西部的宿遷湖區(qū)監(jiān)測站TN均為負數(shù)，范圍為-19.7%～-11.5%?；窗埠^(qū)監(jiān)測站CODMn距平系數(shù)均為正數(shù)，范圍為5.0%～16.1%；宿遷湖區(qū)監(jiān)測站CODMn距平系數(shù)均為負數(shù)，范圍為-16.4%～-3.5%?；窗埠^(qū)監(jiān)測站TP距平系數(shù)多為負數(shù)，范圍為-24.1%～10.3%；宿遷湖區(qū)監(jiān)測站TP距平系數(shù)多為正數(shù)，范圍為-3.4%～18.4%。

表1 2018—2020年洪澤湖主要湖區(qū)水質(zhì)指標距平系數(shù)

從TN來看，淮安湖區(qū)的水質(zhì)最差，需重點控制TN；從CODMn來看，兩個湖區(qū)總體變化較小，但淮安湖區(qū)CODMn水質(zhì)較差，淮安湖區(qū)的CODMn需要重點關(guān)注；從TP來看，宿遷湖區(qū)TP水質(zhì)最差，需重點控制TP。TN和CODMn是淮安湖區(qū)最主要污染控制因子，TP是宿遷湖區(qū)最主要污染控制因子，與區(qū)域分布特征分析結(jié)論基本一致。

3 洪澤湖污染成因及治污對策

洪澤湖流域內(nèi)TN、TP的污染負荷較為嚴重。氮、磷等污染物質(zhì)的來源包括外源和內(nèi)源[10,15,17-19]。外源的類型和途徑較多，其中湖區(qū)地表徑流和入湖河道徑流輸入是外源最主要的來源途徑，其次是淮河上游和洪澤湖周邊城市的工農(nóng)業(yè)污染物、生活污染物排放，再是湖區(qū)畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的殘餌和生物養(yǎng)殖排放的氮、磷等。內(nèi)源主要來源于底泥的釋放、死亡的生物體分解等。

洪澤湖作為淮河末端的過水湖泊，客水污染嚴重，主汛期入湖河道尤其是淮河洪澇水帶來大量的氮、磷等污染物質(zhì)，對洪澤湖的水質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。外源污染物進入湖泊后，一部分隨著湖水流出洪澤湖，另一部分滯留在湖中。部分內(nèi)源污染物在風浪等物理擾動作用下進入水體，還有部分在pH值、氧化還原電位等化學因素和微生物等作用下釋放進入洪澤湖水體。洪澤湖水體水質(zhì)的改善，必須針對不同時期、不同區(qū)域統(tǒng)籌安排，有序推進。既要控制洪澤湖的外源污染，又要盡可能避免或減少內(nèi)源污染，在必要時還應(yīng)制定水體綜合治理方案[20-22]，進一步改善水體水質(zhì)，具體對策如下：

a.嚴格管控，加強外源污染管理。洪澤湖的水質(zhì)問題取決于點源(如工業(yè)企業(yè)和城市生活污染，特別是上游工業(yè)、生活污染源)、面源(如農(nóng)業(yè)污染，特別是農(nóng)藥、氮磷肥的使用和排放)的綜合治理。對于點源的污染管控，可以通過實行最嚴格的水資源管理和污染物的達標排放，嚴格執(zhí)行污染物排放總量控制制度，促使企業(yè)提升污水處理水平，同時實施截污納管、雨污分流等措施，在較短時間內(nèi)取得較為顯著的管控效果。對于遍布洪澤湖流域的農(nóng)藥、化肥等農(nóng)業(yè)面源，以及淮河等入湖河道的污染物輸入，短期內(nèi)很難有明顯的治理效果，應(yīng)調(diào)整區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，推廣測土配方施肥等技術(shù)，按照“減量化、無害化、資源化、生態(tài)化”要求提升畜禽養(yǎng)殖污染治理水平，積極推進淮河等入湖河道的綜合整治，全面削減面源污染。

b.科學施措，強化內(nèi)源污染控制。洪澤湖底泥和水生植物等內(nèi)源在特定條件下會釋放氮、磷等污染物質(zhì)，對水體造成二次污染。根據(jù)洪澤湖底泥特征及水體中污染物性質(zhì)，在全面系統(tǒng)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，有針對性地清除水體中內(nèi)源污染物，適時開展清淤疏浚以及藍藻等水生植物打撈，降低治理過程中對水生動植物生境的影響，保護生物多樣性。

c.因地制宜，推進生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。加快洪澤湖湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，嚴格執(zhí)行生態(tài)保護紅線，逐步減少人為破壞活動，逐步恢復和改善區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)平衡。因地制宜地推廣環(huán)境友好型生態(tài)修復技術(shù)，使用水生植物修復、微生物修復、水生動物修復等技術(shù)，放養(yǎng)鰱魚、青魚等收獲型經(jīng)濟底棲動物，綜合考慮生物物種間的相互作用及水生態(tài)安全，切實有效地開展污染控制和治理。

d.精準調(diào)度，科學使用水利設(shè)施。科學管控洪澤湖上下游閘壩口門運行，與南水北調(diào)等水利工程調(diào)度相結(jié)合，科學使用水利設(shè)施維持洪澤湖水位穩(wěn)定，通過調(diào)水補充清潔水源，為洪澤湖生態(tài)提供穩(wěn)定的環(huán)境狀態(tài)，進一步降低污染事故以及湖泊富營養(yǎng)化的發(fā)生可能性。

e.統(tǒng)籌規(guī)劃，提升洪澤湖監(jiān)測能力。完善洪澤湖水生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系，加強主要入湖河道尤其是淮河的水質(zhì)水量監(jiān)測，提高主汛期洪澤湖以及主要入湖河道的監(jiān)測頻次，及時掌握水體水質(zhì)狀況。準確掌握洪澤湖湖區(qū)以及周邊區(qū)域的污染狀況、水生態(tài)狀況和水文特征，及時采取適宜的對策確保洪澤湖的水安全。

4 結(jié) 論

a.TN、CODMn和TP是洪澤湖水環(huán)境治理最重要的因子，其他指標現(xiàn)狀穩(wěn)定，且接近或滿足Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)標準，對湖區(qū)影響較小。

b.2010—2020年TP年均值呈小幅下降態(tài)勢，TN年均值呈顯著下降態(tài)勢，控磷、控氮治理成效較為顯著。

c.2010—2020年TP最不利值呈小幅上升態(tài)勢，汛期洪澇水加劇了TP污染程度；TN最不利值雖有下降態(tài)勢，但枯水期TN質(zhì)量濃度增高顯著。

d.淮安湖區(qū)TN和CODMn距平系數(shù)多為正數(shù)，特別是老子山、蔣壩和洪澤湖區(qū)(淮安南)TN距平系數(shù)高達40.8%、29.9%和21.7%，宿遷湖區(qū)TN和CODMn質(zhì)量濃度距平系數(shù)均為正數(shù)?；窗埠^(qū)TP距平系數(shù)多為負數(shù)，宿遷湖區(qū)TP多為正數(shù)。

e.洪澤湖內(nèi)外污染源輸入的比例難以準確估算、面源治理成效不顯著以及淮河等入湖河道主汛期大量污染物輸入，給洪澤湖水生態(tài)安全帶來挑戰(zhàn)和巨大的不確定性?，F(xiàn)階段，控氮治理及降低CODMn排放總量是淮安地區(qū)亟待解決的重點問題，宿遷地區(qū)亟待加強控磷治理。