巢湖及入湖河流氮素變化特征分析

摘 要：基于安徽省地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了2013—2022年巢湖主要入湖河流和湖體氮素變化特征。結(jié)果表明：10年來，主要入湖河流和湖體總氮年均值范圍分別為2.93～6.52 mg/L、1.18～1.72 mg/L，氨氮年均值范圍分別為0.49～4.98 mg/L、0.10～0.44 mg/L，入湖河流總氮、氨氮濃度均遠(yuǎn)高于湖泊。入湖河流和湖體氮素呈現(xiàn)出較為相似的年際變化、季節(jié)變化和月度變化特征，總氮、氨氮濃度均冬、春季高，夏、秋季低。巢湖入湖河流新舊污染同時(shí)存在。對于Ⅴ類和劣Ⅴ類等污染嚴(yán)重的水體，氨氮占比較高；水質(zhì)較好的水體，氨氮占比較低。

關(guān)鍵詞：巢湖；入湖河流；總氮；氨氮；總氮與氨氮比值；變化特征

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2024）05-00-06

0 引言

巢湖流域位于東經(jīng)116°24′～118°22′，北緯30°56′～32°06′，覆蓋安徽省5市17個(gè)縣（市、區(qū)）。流域總面積13680 km2，占全省總面積的9.8%。巢湖是流域內(nèi)最大的水體，也是我國著名的五大淡水湖之一，水域面積約760 km2，多年平均水位8.37 m，最大蓄水量為48×108 m3，是典型的長江中下游大型淺水湖泊。巢湖水源主要來自大別山區(qū)東麓及浮槎山區(qū)東南麓的地面徑流，主要入湖河流8條，分別從西、南、北三個(gè)方向匯入湖泊，其中西側(cè)入湖河流主要有南淝河、十五里河、派河，西南側(cè)入湖河流主要有杭埠河、白石天河，南側(cè)主要入湖河流有兆河，北側(cè)入湖河流主要有雙橋河和柘皋河。派河、南淝河、杭埠河占巢湖閘上集水面積的68.6%[1]。8條入湖河流呈放射狀匯入巢湖，在巢湖市城南出湖，經(jīng)裕溪河向東南流至無為縣裕溪口處注入長江[2]。

國內(nèi)外學(xué)者多年以來對巢湖及入湖河流水質(zhì)變化、總磷、營養(yǎng)鹽、藍(lán)藻水華、生物等進(jìn)行了多方面的研究 [3-16]，部分學(xué)者（李叢楊等，2021；嵇曉燕等，2022；范清華等，2017；吳月英等，2020；高可偉等，2021；劉姝等，2012；張光貴等，2016）對不同水體中氮素進(jìn)行過相關(guān)研究[17-23]，

但關(guān)于巢湖入湖河流及湖體總氮、氨氮變化特征方面的研究相對較少。入湖河流作為連通陸地生態(tài)環(huán)境與湖泊水域的通道，是湖泊營養(yǎng)鹽外源輸入的重要途徑。開展巢湖及主要入湖河流總氮、氨氮分布特征研究，總結(jié)數(shù)據(jù)潛在規(guī)律，不僅能更全面地反映巢湖及主要入湖河流的環(huán)境質(zhì)量狀況，也可以為巢湖氮素污染精準(zhǔn)防控及富營養(yǎng)化控制提供參考和技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于安徽省地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取2013—2022年8個(gè)主要入湖河流監(jiān)測斷面、8個(gè)巢湖湖體監(jiān)測點(diǎn)位、共1920組有效監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中8個(gè)河流斷面為：南淝河施口、十五里河希望橋、派河牛角大圩、杭埠河北閘渡口、白石天河石堆渡口、兆河入湖口渡口、柘皋河柘皋大橋、雙橋河入湖口；8個(gè)湖泊點(diǎn)位為：湖濱、西半湖湖心、新河入湖區(qū)、忠廟、兆河入湖區(qū)、東半湖湖心、黃麓、龜山（其中2013—2019年龜山點(diǎn)位數(shù)據(jù)使用附近“巢湖船廠”點(diǎn)位數(shù)據(jù)）。

1.2 監(jiān)測方法及分析方法

樣品采集、保存與測定詳細(xì)步驟參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[24]，總氮、氨氮質(zhì)量濃度分別采用HJ 636—2012堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、HJ 535—2009納氏分光光度法測定。

按GB 3838—2002對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中河流和湖泊氨氮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類濃度分別≤0.15、≤0.5、≤1.0、≤1.5、≤2.0 mg/L；湖泊總氮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類濃度分別≤0.2、≤0.5、≤1.0、≤1.5、≤2.0 mg/L。入湖河流斷面參照湖泊總氮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

數(shù)據(jù)分析采用 Microsoft Excel 2016 和 SPSS 23，圖表繪制采用 Microsoft Excel 2016。斷面或點(diǎn)位年均值按每年12次月均值的算術(shù)平均值計(jì)算；月均值按2013—2022年每月監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值計(jì)算；河流、湖泊年均值按8條河流斷面年均值的平均值、8個(gè)湖體點(diǎn)位年均值的平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 研究方法

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析總氮、氨氮、總氮與氨氮比值的變化趨勢，見公式（1）。

（1）

di = Xi-Yi

式中：rs—秩相關(guān)系數(shù)，正、負(fù)值分別表示上升、下降趨勢；N—時(shí)間周期；Xi—周期i內(nèi)濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi—周期i內(nèi)按時(shí)間排列的序號(hào)。|rs|＞W(wǎng)p表示變化趨勢有統(tǒng)計(jì)意義，Wp為臨界值，當(dāng)N=10時(shí)，Wp=0.564。

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，見公式（2）。

（2）

式中：rp—皮爾遜相關(guān)系數(shù)；Xi—第一組數(shù)據(jù)第i個(gè)變量；Yi—第二組數(shù)據(jù)第i個(gè)變量；—第一組數(shù)據(jù)均值；—第二組數(shù)據(jù)均值。rp范圍為-1～1，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)，正值表示正相關(guān)，絕對值越大表示兩個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)程度越大。|rp|=0，完全不相關(guān)；0lt;|rp|≤0.3，微弱相關(guān)；0.3lt;|rp|≤0.5，低度相關(guān)；0.5lt;|rp|≤0.8，顯著相關(guān)；0.8lt;|rp|≤1，高度相關(guān)。

2 研究結(jié)果

2.1 年際變化

從2013—2022年主要入湖河流斷面、湖體點(diǎn)位總氮、氨氮質(zhì)量濃度的年際變化（圖2）可看出：

（1）入湖河流、湖體總氮年均濃度范圍分別為2.93～6.52 mg/L、1.18～1.72 mg/L，氨氮年均濃度范圍分別為0.49～4.98 mg/L、0.10～0.44 mg/L。入湖河流總氮年均濃度是湖體的1.8～4.0倍，氨氮年均濃度是湖體的3.5～13.9倍。入湖河流總氮、氨氮年均濃度均大于湖體，尤其是氨氮。這可能是由于河流周邊土地利用類型比湖泊周邊復(fù)雜，河流流經(jīng)農(nóng)田、城鎮(zhèn)用地等區(qū)域時(shí)，地表徑流攜帶生活、農(nóng)業(yè)面源、工業(yè)等污染，含氮量相對更高；同時(shí)湖泊水體對氮的凈化能力更強(qiáng)，氮素可通過沉降、浮游植物、沉水植物吸收或氮素的反硝化等過程被湖體消解。

（2）入湖河流總氮、氨氮年均濃度分別下降49.3%、90.2%，呈明顯下降趨勢（rs分別為-0.891、-1.000）；湖體氨氮年均濃度下降68.1%，呈明顯下降趨勢（rs -0.933）。但從2020年開始，入湖河流總氮濃度變化不明顯。巢湖湖體總氮濃度10年間變化均不明顯，尤其是2019年以后，8個(gè)湖體監(jiān)測點(diǎn)位總氮濃度均有所上升。

（3）十五里河、南淝河、派河3條西側(cè)入湖河流總氮年均濃度范圍分別為5.03～18.78 mg/L、5.64～13.12 mg/L、4.59～8.21 mg/L，氨氮年均濃度范圍分別為0.48～16.94 mg/L、1.21～10.24 mg/L、0.57～5.30 mg/L，明顯高于南側(cè)和北側(cè)入湖河流斷面。

（4）5條入湖河流總氮、氨氮年均濃度呈不同幅度的下降，其中，十五里河總氮、氨氮濃度分別下降71.4% 97.2%；雙橋河總氮、氨氮濃度分別下降68.4%、94.3%；南淝河總氮、氨氮濃度分別下降54.2%、87.2%；派河總氮、氨氮濃度分別下降33.1%、89.2%；兆河總氮、氨氮濃度分別下降10.1%、57.6%。3條入湖河流總氮、氨氮年均濃度呈不同幅度的上升，其中，柘皋河總氮、氨氮濃度分別上升116.9%、135.3%，白石天河總氮、氨氮濃度分別上升19.4%、100.0%，杭埠河總氮、氨氮濃度分別上升49.7%、8.3%。入湖河流中總氮與氨氮濃度的上升、下降基本保持一致，且氨氮上升、下降的幅度較總氮明顯（杭埠河除外）。秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，南淝河、十五里河、派河、雙橋河入湖斷面總氮和氨氮年均濃度、兆河氨氮年均濃度呈明顯下降趨勢，其中南淝河、十五里河、派河、雙橋河總氮rs分別為-0.915、-0.842、-0.927、-0.770；氨氮rs分別為-0.964、-1.000、-0.988、-0.909；兆河氨氮rs為-0.776。

（5）西半湖3個(gè)點(diǎn)位（西半湖湖心、湖濱、新河入湖區(qū)）總氮年均濃度分別為1.52～2.89 mg/L、1.55～3.10 mg/L、1.20～2.78 mg/L，明顯高于東半湖點(diǎn)位，說明西半湖總氮濃度受西側(cè)入湖河流影響較大。湖濱、新河入湖區(qū)2個(gè)點(diǎn)位總氮年均濃度下降，下降幅度分別為34.7%、25.0%；東半湖湖心、兆河入湖區(qū)、黃麓、龜山、西半湖湖心5個(gè)點(diǎn)位總氮年均濃度上升，上升幅度分別為62.4%、58.7%、51.4%、39.3%、2.1%；忠廟總氮濃度先降后升。8個(gè)點(diǎn)位氨氮濃度均呈不同幅度的下降，下降范圍30.8%～82.1%，但10年來氨氮年均濃度均低于1.0 mg/L（Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)）。秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，湖濱點(diǎn)位總氮濃度顯著下降（rs為-0.770），西半湖、湖濱、新河入湖區(qū)、黃麓、龜山點(diǎn)位氨氮濃度顯著下降（rs分別為-0.897、-0.891、-0.824、-0.830、-0.830）。

（6）2022年，除西半湖湖心外的其余7個(gè)湖體點(diǎn)位總氮濃度均lt;2.0 mg/L（Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)），除柘皋河、兆河外的其余6個(gè)入湖河流斷面總氮濃度均＞2.0 mg/L。

2.2 月際變化

從巢湖主要入湖河流及湖體總氮、氨氮月均濃度的變化情況（圖3）可以看出：

（1）入湖河流、湖體總氮月均濃度范圍分別為2.60～5.36 mg/L、0.99～1.95 mg/L，氨氮月均濃度范圍分別為1.21～2.55 mg/L、0.13～0.39 mg/L。入湖河流總氮月均濃度是湖泊的2.2～3.2倍，氨氮月均濃度是湖泊的5.7～10.6倍。其中，入湖河流總氮月均濃度均＞2.0 mg/L（劣Ⅴ類），氨氮濃度均＞1.0 mg/L（Ⅲ類），湖體總氮月均濃度均lt;2.0 mg/L（Ⅴ類），氨氮月均濃度均lt;0.5 mg/L（Ⅱ類）。入湖河流總氮、氨氮月均濃度均大于湖體，尤其是氨氮。入湖河流與湖體總氮、氨氮月均濃度之間分別呈高度、顯著正相關(guān)（rp分別為0.846、0.777），反映入湖河流是攜帶氮素進(jìn)入湖體的重要途徑。

（2）入湖河流、湖體總氮和氨氮月均濃度變化趨勢基本一致，基本呈現(xiàn)冬、春季高，夏、秋季低的變化趨勢，最低值出現(xiàn)在8—9月、最高值出現(xiàn)在1—3月。人類種植活動(dòng)及地表徑流影響可能是導(dǎo)致總氮、氨氮這種季節(jié)變化趨勢的主要原因。秋季種植作業(yè)完成后，殘留秸稈產(chǎn)生大量氮元素，水中氮含量增加，但冬季氣溫低、降水量少，通過生物活動(dòng)或水體流動(dòng)消耗的氮素較少，春季氮素濃度積累到最大。4月進(jìn)入種植期后，生物活動(dòng)消耗大量氮素，加上降水量增多，地表徑流稀釋作用也極大地削弱了氮素堆積，使得夏季成為全年氮素最低時(shí)期。10月種植活動(dòng)結(jié)束后，再次進(jìn)行秸稈處理的過程，水體中總氮和氨氮濃度再次上升。

2.3 入湖河流及湖體ρ總氮/ρ氨氮變化特征

2.3.1 不同類別水體中總氮濃度分布

按氨氮濃度≤0.15 mg/L、≤0.5 mg/L、≤1.0 mg/L、≤1.5 mg/L、≤2.0 mg/L、＞2.0 mg/L形成6組樣本數(shù)據(jù)（分別簡稱為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類），分別統(tǒng)計(jì)每組樣本對應(yīng)的總氮濃度范圍、平均值及中位值等（表1）。從中可以看出總氮與氨氮濃度呈明顯的正相關(guān)特征，隨著水質(zhì)類別變差（以氨氮判別），總氮濃度范圍、均值、中位值濃度等均逐步升高。

2.3.2 入湖河流及湖體ρ總氮/ρ氨氮

夏青等在《水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)手冊》中對水中不同形態(tài)氮出現(xiàn)的水質(zhì)意義進(jìn)行了歸納，在新近被污染的水體中氨氮含量較高，新舊污染同時(shí)存在時(shí)氨氮和硝酸鹽氮含量均較高，水中污染物已分解并達(dá)到了凈化時(shí)硝酸鹽氮含量較高[25]。

選取2013—2022年8個(gè)入湖河流斷面和8個(gè)湖體點(diǎn)位有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，對總氮與氨氮濃度比值（ρ總氮/ρ氨氮）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2）。ρ總氮/ρ氨氮越小，說明氨氮在總氮中的占比越多，水體新近污染占比較大；反之，則說明水體新近污染占比較小。

（1）入湖河流ρ總氮/ρ氨氮大多集中在1～20倍，其中5～10倍和2～3倍占比最多，分別為22.4%和14.2%，在1～5倍樣本數(shù)累計(jì)百分比超過一半，達(dá)58.5%。ρ總氮/ρ氨氮中間值（累計(jì)百分比為50%處）在4.2倍，整體上反映出入湖河流總氮與氨氮濃度的比值關(guān)系。

（2）湖體ρ總氮/ρ氨氮大多集中在1～20倍，其中5～10倍和＞20倍占比最大，分別占28.4%和27.1%，在1～10倍樣本數(shù)累計(jì)百分比超過一半，達(dá)51.6%。ρ總氮/ρ氨氮中間值（累計(jì)百分比為50%處）在9.7倍，整體上反映出湖體總氮與氨氮的比值關(guān)系。

2.3.3 不同類別水體ρ總氮/ρ氨氮區(qū)間分布

入湖河流和湖體不同類別水體ρ總氮/ρ氨氮區(qū)間分布占比見表3。

（1）對入湖河流而言，劣Ⅴ類和Ⅴ類水體中，ρ總氮/ρ氨氮全部在1～5倍，尤其是劣Ⅴ類水體，ρ總氮/ρ氨氮基本（占97.8%）在1～3倍。

（2）對湖體而言，劣Ⅴ類水體中，ρ總氮/ρ氨氮全部在1～2倍；Ⅴ類水體中ρ總氮/ρ氨氮全部在1～3倍。總體來看，對于Ⅴ類和劣Ⅴ類等污染嚴(yán)重的入湖河流和湖體，氨氮占比較高；對于水質(zhì)較好的水體，氨氮占比較低。

2.3.4 入湖河流及湖體ρ總氮/ρ氨氮

入湖河流斷面及湖體點(diǎn)位近10年ρ總氮/ρ氨氮變化見表4。

（1）2013—2022年，派河、十五里河、南淝河、雙橋河、兆河入湖斷面ρ總氮/ρ氨氮明顯上升，說明新近氮素污染占比逐年下降。杭埠河、白石天河和柘皋河入湖斷面ρ總氮/ρ氨氮變化趨勢不明顯，其中，白石天河和柘皋河ρ總氮/ρ氨氮有下降現(xiàn)象，說明這兩條河流氨氮在總氮中所占比例上升，新近污染占比增加。除白石天河和柘皋河外，其余6個(gè)入湖斷面ρ總氮/ρ氨氮有不同程度的增長，增長幅度1.1～9.2倍。

（2）8個(gè)湖體點(diǎn)位ρ總氮/ρ氨氮均明顯上升，10年來各點(diǎn)位ρ總氮/ρ氨氮均有不同程度的增長，增長幅度1.3～4.6倍，說明巢湖各點(diǎn)位新近污染占比均有所下降。

3 結(jié)論

（1）2013—2022年，入湖河流、湖體總氮年均濃度范圍分別為2.93～6.52 mg/L、1.18～1.72 mg/L，氨氮年均濃度范圍分別為0.49～4.98 mg/L、0.10～0.44 mg/L。入湖河流總氮、氨氮年均濃度均大于湖體，尤其是氨氮。

（2）入湖河流和湖體氮素呈現(xiàn)出較為相似的年際變化、季節(jié)變化和月度變化特征，總氮、氨氮濃度基本表現(xiàn)為冬、春季高，夏、秋季低。

（3）十五里河、南淝河、派河3條西側(cè)入湖河流斷面總氮濃度明顯高于南側(cè)和北側(cè)入湖河流斷面。2013—2022年，十五里河、雙橋河、南淝河、派河和兆河入湖斷面總氮、氨氮濃度均有不同幅度的下降，而柘皋河、杭埠河和白石天河等北側(cè)、西南側(cè)入湖河流總氮、氨氮濃度有所上升。

（4）2013—2022年，湖濱、新河入湖區(qū)點(diǎn)位總氮濃度下降，東半湖湖心、兆河入湖區(qū)、黃麓、龜山、西半湖湖心點(diǎn)位總氮濃度上升，忠廟總氮濃度先下降后上升。8個(gè)湖體監(jiān)測點(diǎn)位氨氮濃度均有不同程度的下降，但10年來均低于1.0 mg/L。

（5）入湖河流和湖體新舊污染同時(shí)存在。對于劣Ⅴ類、Ⅴ類等污染嚴(yán)重的水體，氨氮占比較高，新近污染較多；對于水質(zhì)較好的水體，氨氮占比較低，新近污染較少。

（6）派河、十五里河、南淝河、雙橋河、兆河入湖斷面和8個(gè)湖體點(diǎn)位ρ總氮/ρ氨氮顯著上升，說明新近污染比例下降；但白石天河和柘皋河

ρ總氮/ρ氨氮下降，說明這兩條河流氨氮在總氮中占比上升，新近污染比例增加。

（7）自2019年以來，入湖河流和湖泊總氮、氨氮濃度下降進(jìn)入“瓶頸期”。對于污染較重的河流，減少河流中氨氮，可有效控制進(jìn)入湖泊中的氮素。建議在對西側(cè)入湖河流持續(xù)控氮的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對西南側(cè)、南側(cè)、北側(cè)入湖河流的氮素污染防控。

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Analysis of Nitrogen Change Characteristics of Chao Lake and Its Inflow Rivers

SUN Ya-min， WANG Huan， TANG Ping， LIU Yang

（Anhui Eco-environmental Monitoring Center， Hefei Anhui 230061，China）

Abstract： Based on the monitoring data of the surface water environmental quality monitoring network of Anhui Province， the characteristics of nitrogen change of the main inflow rivers and Chao Lake were studied from 2013 to 2022. The results showed that over the past ten years， the annual average values of total nitrogen in major inflow rivers and lake body were 2.93～6.52 mg/L and 1.18～1.72 mg/L respectively， and the annual average values of ammonia nitrogen were 0.49～4.98 mg/L and 0.10～0.44 mg/L respectively. The concentrations of total nitrogen and ammonia nitrogen in the inflow rivers were much higher than those in the lake. The nitrogen in the rivers and lake bodies showed similar annual， seasonal and monthly variation characteristics. The concentrations of total nitrogen and ammonia nitrogen in the lake and the inflow rivers were higher in winter and spring， and lower in summer and fall. The new and old pollution existed simultaneously in the rivers flowing into Chao Lake. The percentage of ammonia nitrogen in heavily polluted water bodies with the fifth grade and worse than the fifth grade was high， however it was lower in water bodies with better water quality.

Key words： Chao Lake; inflow rivers; total nitrogen; ammonia nitrogen; the ratio of total nitrogen to ammonia nitrogen

基金項(xiàng)目：中國環(huán)境科學(xué)研究院長江流域大數(shù)據(jù)挖掘決策與環(huán)境保護(hù)監(jiān)管支持技術(shù)研發(fā)與集成應(yīng)用項(xiàng)目巢湖水環(huán)境數(shù)字仿真研究課題（課題編號(hào)：2022-LHYJ-02-0602-04）。

作者簡介：孫亞敏（1975-），女，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事地表水環(huán)境數(shù)據(jù)分析、環(huán)境管理等。