洞庭湖水質(zhì)演變特征及驅(qū)動因子識別研究

朱 丹 丹，胡 琦，陳 兆 祺，吳 可 方，熊 劍，彭 嫻

(湖南省岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 岳陽 414000)

0 引 言

洞庭湖是中國的第二大淡水湖，北納長江的松滋、太平、藕池“三口”來水，南接湘江、資江、沅江、澧水“四水”，是長江流域重要的滯洪調(diào)蓄區(qū)和淡水資源儲備區(qū)，有保護(hù)生物多樣性、保障長江流域水生態(tài)安全等多項功能[1-4]。由于湖區(qū)長期泥沙淤積和人為圍湖筑垸等歷史原因，洞庭湖被分割為目前的東、南、西3個湖區(qū)[5]。近年來隨著流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，洞庭湖水質(zhì)主要呈現(xiàn)下降趨勢[6]。三峽工程建成運行后，水文狀態(tài)發(fā)生了根本性變化，荊江“三口”來水來沙量銳減，使得湖泊自凈能力減弱[7-9]；社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)致工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水過多排入湖區(qū)，加劇了其水環(huán)境污染[10-11]。

近年來大量學(xué)者對洞庭湖水質(zhì)狀況進(jìn)行了相關(guān)研究，張光貴等對洞庭湖近20 a的總氮和總磷進(jìn)行了分析[12]，李芬芳等對洞庭湖氮磷及污染狀況進(jìn)行了分析[13]，王巖等對洞庭湖氮磷時空分布和營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了分析[14]。雖然已有對水環(huán)境變化趨勢和影響因素的研究，但多集中在氮磷鹽、重金屬污染等方面[15-18]，且未能從社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)的地區(qū)生產(chǎn)總值、人口增長、第一產(chǎn)值、化肥施用量、第二產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放量和徑流量、水位變化等因子進(jìn)行數(shù)據(jù)定量分析識別。本文研究了洞庭湖1989～2018年水質(zhì)變化特征，從社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水文變化兩個方面進(jìn)行驅(qū)動因子識別分析，并提出相應(yīng)防控對策和措施，以期為全面掌握洞庭湖水生態(tài)變化狀態(tài)和改善其生態(tài)環(huán)境提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和數(shù)據(jù)來源

為了全面掌握洞庭湖水質(zhì)演變狀況，篩選3個湖區(qū)的11個監(jiān)測斷面，具體監(jiān)測斷面分布位置見圖1，其中選取斷面S1、S2、S3代表西洞庭湖區(qū)；選取斷面S4、S5、S6代表南洞庭湖區(qū)；選取斷面S7、S8、S9、S10、S11代表東洞庭湖區(qū)。每月上旬采集表層(0.5 m)水樣進(jìn)行監(jiān)測分析，監(jiān)測項目主要包括GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中24項基本項目及Chl-a、SD等。本研究水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于湖南省岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心和湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，水文統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于水利部統(tǒng)計公報，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于湖南省統(tǒng)計年鑒。

圖1 洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測布點Fig.1 Monitoring site of Dongting Lake water quality

1.2 測定和評價方法

本研究重點討論分析TP、TN、CODMn、SD、Chl-a等指標(biāo)，用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)測定TN濃度；用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)測定TP濃度；用高錳酸鉀酸性滴定法(GB 11892-89)測定CODMn；用塞式盤現(xiàn)場測定SD。采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價水質(zhì)營養(yǎng)化狀態(tài)?？紤]到1989～2018年時間跨度較長，期間評價參數(shù)和評價標(biāo)準(zhǔn)變化對結(jié)果都有不同程度影響，但為了保證評價分析的一致性，水質(zhì)類別均按照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[19]劃分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，Sigmaplot軟件繪圖，SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，Spearman秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗和相關(guān)性分析，主成分分析法和多元回歸統(tǒng)計對驅(qū)動因子進(jìn)行識別研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)演變分析

2.1.1水質(zhì)類別演變狀況

1989～2018年，洞庭湖水質(zhì)類別變化趨勢明顯，水質(zhì)由Ⅱ類逐漸演變?yōu)棰纛悾?996，2004，2005，2006，2008，2009，2015年Ⅴ類水質(zhì)占比超過45%；2004年和2008年，個別監(jiān)測斷面水質(zhì)甚至達(dá)到劣Ⅴ類(見圖2)。

圖2 1989～2018年洞庭湖水質(zhì)類別Fig.2 Water quality categories in Dongting Lake from 1989 to 2018

2.1.2水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)時間演變特征

對1989～2018年監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，5個關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)時間演變狀況如圖3所示。

由圖3(a)可見，1989～2018年，TN濃度上升趨勢明顯，年均值在0.95～2.03 mg/L之間變化，水質(zhì)由Ⅲ類逐漸變化為Ⅴ類。TP年均濃度變化趨勢總體表現(xiàn)為上下波動起伏(見圖3(b))，變化范圍介于0.02～0.20 mg/L之間，水質(zhì)主要在Ⅳ類、V類之間上下波動，在2005年達(dá)到濃度最高值0.20 mg/L。CODMn濃度時間分布狀況如圖3(c)所示，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，濃度變化范圍在0.62～4.28 mg/L之間，其中1990年濃度最低，1998年達(dá)到最高峰，水質(zhì)整體處于較好的Ⅱ類。 SD時間分布狀況如圖3(d)所示，主要表現(xiàn)為上下不斷波動的趨勢，年均值變化范圍在0.30～0.55 m之間。Chl-a年均濃度分布出現(xiàn)多次突變狀況(見圖3(e))，1991年由0.83 mg/L快速上升到1993年3.50 mg/L，2004年由0.83 mg/L快速上升到2010年5.34 mg/L。

圖3 1989～2018年洞庭湖水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)演變特征Fig.3 Evolution characteristics of key water quality indicators of Dongting Lake from 1989 to 2018

利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)對水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的變化進(jìn)行檢驗，統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所列。TN濃度的秩相關(guān)系數(shù)為0.790，為極顯著上升，說明洞庭湖1989～2018年TN上升趨勢明顯；TP和Chl-a濃度、SD呈上升趨勢；CODMn濃度呈下降趨勢。

表1 水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)演變特征統(tǒng)計分析Tab.1 Statistical analysis of evolution characteristics of key water quality indicators

2.1.3水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)空間演變特征

《長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報》研究表明，TN和TP是影響洞庭湖水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[20]，故重點選取TN、TP兩項指標(biāo)進(jìn)行空間演變狀況分析。洞庭湖3個湖區(qū)TN、TP濃度的空間演變狀況見圖4。3個湖區(qū)中西洞庭湖兩項水質(zhì)指標(biāo)略優(yōu)于南洞庭湖和東洞庭湖。3個湖區(qū)2008年前TN濃度總體保持在Ⅳ類，2009年后TN濃度顯著增長，水質(zhì)由Ⅳ類迅速變化為Ⅴ類、劣Ⅴ類，其中東洞庭湖對全湖區(qū)的TN濃度貢獻(xiàn)率最大。3個湖區(qū)的TP濃度總體分布規(guī)律較為接近，除個別年份波動幅度較大外，變化規(guī)律平緩，水質(zhì)主要在Ⅳ類、V類之間變化，東洞庭湖TP濃度略高于另外兩個湖區(qū)。

圖4 各湖區(qū)TN和TP年際變化特征Fig.4 Interannual variation trend of TN and TP in each lake region

2.1.4綜合營養(yǎng)狀態(tài)演變狀況

利用5個水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)，分布特征如圖4(c)所示。各湖區(qū)TLI變化趨勢經(jīng)歷了3個階段：① 1989～2002年間增長趨勢明顯，其中東洞庭湖TLI指數(shù)在2000～2002年超過50，呈輕度富營養(yǎng)化；② 2003～2007年間變化幅度較小，總體保持在40～50之間，一直處于中營養(yǎng)狀態(tài)；③ 2008～2018年間呈波動狀態(tài)。從空間變化特征來看，東洞庭湖TLI指數(shù)最高，總體高于南洞庭湖和西洞庭湖，TLI指數(shù)介于38.7～55.2；南洞庭湖次之，TLI指數(shù)介于37.4～49.9；西洞庭湖最小，TLI指數(shù)介于36.0～50.0。

2.2 驅(qū)動因子識別

湖泊水資源與人口、經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境密切相關(guān)，階段不同，影響的程度也存在不同程度的差異[21]。為識別影響洞庭湖水環(huán)境的驅(qū)動因子，選取徑流量、水位、地區(qū)生產(chǎn)總值、人口密度、第一產(chǎn)值、化肥施用量、第二產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放量等進(jìn)行主成分分析，識別出主要驅(qū)動因子，再分時間段進(jìn)行多元回歸分析。

洞庭湖水質(zhì)變化的驅(qū)動因子主成分分析結(jié)果如表2 所列，共篩選出2個因子，累計方差貢獻(xiàn)率為93.718%，幾乎能全面反映出所有因素。因子1特征值為5.755，方差貢獻(xiàn)率為71.941%，地區(qū)生產(chǎn)總值、人口密度、第一產(chǎn)值、化肥施用量、第二產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放量可看作社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子。因子2特征值為1.742，方差貢獻(xiàn)率為21.777%，徑流量和水位可看作為水文變化因子。

表2 洞庭湖水質(zhì)變化的驅(qū)動因子主成分分析Tab.2 Principal component analysis of driving factors for water quality change in Dongting Lake

根據(jù)水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)變化時間節(jié)點，將2個驅(qū)動因子和水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)分1989～2002年、2003～2007年、2008～2018年3個階段進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果如表3所列。1989～2002年，水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)中CODMn與因子1顯著相關(guān)，TN與因子2顯著相關(guān)，其他水質(zhì)指標(biāo)與2個驅(qū)動因子相關(guān)性不顯著，說明在這個時間段，水文狀態(tài)變化和社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對洞庭湖水質(zhì)影響較大。2003～2007年水質(zhì)指標(biāo)與2個驅(qū)動因子相關(guān)性不顯著；2008～2018年，水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)中僅TN與因子1相關(guān)，TN、Chl-a與因子2呈顯著相關(guān)，其他水質(zhì)指標(biāo)與2個驅(qū)動因子相關(guān)性不顯著。

表3 水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)和驅(qū)動因子多元回歸分析Tab.3 Multiple regression analysis of key indicators and driving factors of water quality

1989～2002年，社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展是影響洞庭湖水質(zhì)的重要因素，人口數(shù)量、第一產(chǎn)值、化肥施用量、第二產(chǎn)值都呈不同程度增加趨勢(見圖5)。第一產(chǎn)業(yè)增加引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染與農(nóng)藥化肥、畜禽養(yǎng)殖、水土流失等造成洞庭湖區(qū)水質(zhì)下降，每年因過量使用化肥而流入湖區(qū)水體的全氮量就超過2 700 t[22]。這一時間段洞庭湖流域來沙量巨大，“三口”“四水”年均來沙量分別為6 900萬～10 000萬t、1 600萬～2 800萬t[23]，而氮、磷等污染物沉積在沙土中，流入洞庭湖后釋放，使洞庭湖水體氮、磷濃度進(jìn)一步升高；“三口”入湖水量逐年減少，“三口”分流比由1951～1966年的31.2%下降至1997～2002年的14.4%[24-25]，來水量減少導(dǎo)致水體流動性降低，洞庭湖對污染物的降解能力下降。

圖5 驅(qū)動因子年際變化趨勢Fig.5 Interannual trend of driving factors

2003～2007年，洞庭湖水體富營養(yǎng)化趨勢有所減緩，主要影響因素包括化肥施用量、水文變化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等。2006年湖南省制定了專項整治方案，對湖區(qū)造紙、化工企業(yè)開展強(qiáng)力整治，僅益陽市就關(guān)停整治了129家造紙廠[26]，此階段洞庭湖實施退田還湖工程，湖區(qū)面積擴(kuò)大至3 970 km2[27]，水體中TN和TP等主要污染物濃度有所降低，洞庭湖凈化能力增強(qiáng)，TLI穩(wěn)定在較低水平；這一時間段，“三口”年均來水量由1989～2002年622億m3下降為2003～2007年492.5億m3，來水量明顯減少；“三口”輸沙量由1989～2002年6 785萬t下降為2003～2007年1 873萬t，減幅達(dá)72.4%[10]，導(dǎo)致洞庭湖在擴(kuò)容的同時泥沙吸附釋放進(jìn)入洞庭湖的污染物大幅減少。

2008～2018年，受社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水文變化兩個驅(qū)動因子共同作用，水質(zhì)呈波動變化。2008年，洞庭湖湖區(qū)生豬、牛存欄1 711.29 萬頭、10.74 萬頭，雞、鴨存欄3 290.35 萬羽、2 814.22 萬羽，其他家禽87.20 萬羽[28]，湖區(qū)污染加重。2011年，洞庭湖徑流量、水位變小等原因?qū)е碌⒘椎葷舛壬仙?，污染程度增加[29]。2015年湖區(qū)農(nóng)產(chǎn)品種植面積達(dá)2.7×106hm2，畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)面源污染對洞庭湖水體TN、TP貢獻(xiàn)率超過70%，為TN、TP超標(biāo)的主要原因[30]。2017年，第一產(chǎn)值、第二產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放量下降明顯，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。2018年，湖南省開展洞庭湖水環(huán)境綜合治理和污染防治攻堅戰(zhàn)三年行動，水質(zhì)持續(xù)好轉(zhuǎn)。

2.3 水環(huán)境保護(hù)建議策略

根據(jù)驅(qū)動因子討論分析結(jié)果，洞庭湖水環(huán)境污染源主要為生活污染、工業(yè)點源污染、農(nóng)業(yè)面源污染和水文變化，特提出以下水環(huán)境保護(hù)建議策略。

(1) 加強(qiáng)生活污染治理。加快洞庭湖區(qū)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施提標(biāo)改造，嚴(yán)格執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)；加快推進(jìn)城鎮(zhèn)生活垃圾分類，逐步實現(xiàn)生活垃圾無害化處理；實施農(nóng)村廁所改造工程。

(2) 防治工業(yè)點源污染。對環(huán)洞庭湖區(qū)重點行業(yè)、園區(qū)加強(qiáng)監(jiān)管，按規(guī)定實行清潔生產(chǎn)審核，嚴(yán)格環(huán)境準(zhǔn)入，對超標(biāo)排放且整改不到位的企業(yè)依法實施停產(chǎn)整治或關(guān)閉。

(3) 嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)面源污染。在洞庭湖區(qū)全面推行測土配方施肥，鼓勵使用高效低毒低殘留農(nóng)藥；嚴(yán)格實行畜禽養(yǎng)殖分區(qū)管理，鼓勵畜禽糞污資源化利用；加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染防治，大力推廣生態(tài)養(yǎng)殖。

(4) 加強(qiáng)洞庭湖水資源調(diào)控。一方面，做好洞庭湖“開源”工作，根據(jù)湖區(qū)基本水文節(jié)律，加強(qiáng)“四水”來水綜合管理，合理攔截分流入流量，保障入湖水源充足。另一方面，做好洞庭湖“節(jié)流”工作，汛期時合理調(diào)節(jié)上游三峽水庫下泄流量，減輕洞庭湖蓄洪壓力；非汛期適當(dāng)提前蓄水，確保洞庭湖水位不低于生態(tài)水位下限值。

3 結(jié) 論

(1) 從時間演化狀況來看，洞庭湖水質(zhì)逐年下降。1992年以前，水質(zhì)以Ⅱ類為主，到1995年以后，水質(zhì)由Ⅲ類水質(zhì)為主逐漸演變?yōu)棰纛愃|(zhì)為主。由Spearman秩相關(guān)系數(shù)趨勢檢驗結(jié)果可知，洞庭湖水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化狀態(tài)在30 a間呈現(xiàn)上升趨勢，其中TN呈顯著增長趨勢，TP濃度、Chl-a濃度、SD均呈上升趨勢。

(2) 從空間分布上看，3個湖區(qū)中西洞庭湖水質(zhì)略優(yōu)于南洞庭湖和東洞庭湖。TN濃度東洞庭湖最高，南洞庭湖次之，西洞庭湖最低，3個湖區(qū)的TP濃度分布規(guī)律較為接近，東洞庭湖TP濃度略高于其他湖區(qū)。

(3) 分析洞庭湖水質(zhì)變化及富營養(yǎng)化驅(qū)動因子，主要影響因素包括地區(qū)生產(chǎn)總值、人口密度、第一產(chǎn)值、化肥施用量、第二產(chǎn)值、工業(yè)廢水排放量、徑流量和水位等。

(4) 針對洞庭湖水質(zhì)惡化狀況及原因，從加強(qiáng)生活污染治理、防治工業(yè)點源污染、嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)面源污染、加強(qiáng)洞庭湖水資源調(diào)控4個方面提出了水環(huán)境保護(hù)建議策略。