湖泊作为一种重要的自然资源，具有蓄水、 供水、 养殖、 航运和旅游等多项生态功能，在区域经济社会可持续发展中起着重要作用^[1]，其水环境受季风、 大气降水^[2]、 水体透明度、 水位变化^[3]以及人类活动^[4,5]等因素影响，而浅水湖泊的表现更为显著. 20世纪80年代开始，我国城市化和工业化进程加快，经济发展迅速，资源利用强度加大，导致湖泊氮、 磷等营养盐严重富集，以太湖^[6]、 滇池^[7]、 巢湖^[8]三湖为代表的湖泊生态系统结构遭到严重破坏，功能紊乱，蓝藻水华频繁暴发，湖泊富营养化和水质都出现了急剧恶化的态势^[9]. 洪湖是中国七大淡水湖之一，原为通江湖泊，水位随长江水位自然涨落，自20世纪50~70年代的围湖造田和大规模水利工程建设后，其江湖一体格局被打破，使洪湖成为这一地区的大型平原水库，水位主要受人工调控和来水量变化影响，承担着长江中下游地区汛期蓄洪、 冬春灌溉的任务^[10]. 洪湖也与其它许多大型浅水湖泊一样，在近几十年里随着湖区经济的快速发展和人口的急剧增长，人类对其水土资源、 水生生物资源的高强度开发，使其水环境面临着水域面积减少、 湖滨湿地萎缩、 水生生物量下降、 珍稀物种减少和水质不断下降等一系列生态环境问题. 其中2000～2003年洪湖水质开始恶化，总体上以地表水Ⅲ类和Ⅳ类为主^[11]. 这些问题已引起管理部门的重视并在2004年与世界自然基金会合作开展“洪湖生物多样性保护与重建江湖联系项目”以加强洪湖的生态环境保护； 同时也促使研究人员开始对洪湖生物资源、 富营养化和湖底沉积环境等方面开展了研究^[12]，但是其水质在2005~2008年有所好转后于2008~2010年又出现水质下降的趋势^[13]； 同时在研究中针对湖体水质空间特征差异性及影响因子的定量、 定性分析相对较少； 在研究方法上是对局部区域进行多指标综合相关分析，缺少以洪湖整体空间划分为基础的水质分析.

不同形态元素在湖泊水体中的空间分布具有不均匀性^[14]，一般描述性统计只是说明了各指标浓度变化的基本特征，并不能反映各指标在空间上的变化规律，也不能反映其相关性和独立性的空间特征，因此使用传统方法进行不同形态元素质量浓度的空间分布研究具有一定的局限性^[15]. 而基于GIS空间插值技术和统计学方法相结合的研究思路则可以较好地弥补传统方法中的不足. 因丰水期洪湖流域内种植业发达，河流携带入湖污染物总量高，同时洪湖湖体接受大量降水、 外界来水，水量充足，湖中水生植物处于生长繁殖季节，使水体中各营养物质的含量和形态处于快速变化中，因此丰水期的水质特征分析更具有典型性和全面性. 笔者选取139个洪湖水质监测数据为基础，在丰水期对该湖进行全程高密度水质监测，采用GIS空间插值技术，实现洪湖水质特征信息的空间分析与可视化，对洪湖水质污染物因子在不同尺度上的空间分异进行了定量、 定性分析，以揭示洪湖水质参数的空间变异特征及驱动力，以期为更全面地了解洪湖水环境质量现状、 维持洪湖水资源的可持续利用以及对江汉平原淡水资源的管理与保护提供科学依据. 1 研究区概况

洪湖位于湖北省的中南部，长江中游北岸(113°12′~113°26′E，29°40′~29°58′N)，是湖北省最大的湖泊，也是我国长江中下游流域重要的湿地自然保护区和生态功能区，属北亚热带湿润季风气候. 其四周以洪湖围堤为界，地跨洪湖市和监利县，湖泊面积为344 km²，区域内地势平坦，湖区的地面径流主要通过江汉平原四湖流域内的四湖总干渠汇入湖泊，以及经若干涵闸通过长江对湖内水量进行排蓄和调节，年平均水深1.35 m，洪湖汇水面积广阔，多年平均入湖水量19.6×10⁸ m³，汇水区多年平均降雨量1000~1300 mm(图 1). 洪湖是其流域内主要调蓄型湖泊，并兼有灌溉、 生产生活供水、 物种保护、 养殖、 旅游等多项功能，4~10月总降水量约占全年总降水量的77%，且5~8月为丰水期^[16]，湖内水生生物种类繁多，生物饵料资源充足，水域生物生产力高. 在洪湖湿地自然保护区的基础上，根据洪湖不同部位水流、 水深、 植被、 保护和利用情况将其分为4个区域： 养殖区、 开阔水体、 河流入湖区、 保护区^[17]，目标水质是地表水Ⅲ类(湖北省水功能区划). 洪湖东南部区域主要通过涵闸与长江相连，北部区域可接受四湖总干渠的来水，水产养殖在围网养殖区占有较大面积，保护区主要以湿地保护为主，植被受人为干扰较小. 其中洪湖蓝田生态旅游风景区位于洪湖北部的河流入湖区旁，北部河流入湖区周边包括数量众多的居民区和工业区，同时分布大量的水田、 旱地，种植类型以水稻和棉花等作物为主(图 2).

图 1

Fig. 1

图 1 洪湖地理位置示意 Fig. 1 Location of Honghu Lake

图 2

Fig. 2

图 2 洪湖监测点位和水功能区划示意 Fig. 2 Distributions of monitoring sites and water environment function zones in Honghu Lake

水质监测和分析数据来源于实地监测和实验室分析； 土地利用类型数据、 人口数据、 水产养殖等数据来源于实地调查勘测和荆州市统计年鉴2010~2012、 湖北省统计年鉴2010~2012及其它相关报表； 2010年水质监测数据来源于荆州市环境保护局、 荆州市环境科学研究所提供的洪湖水质全年监测平均值. 2.2 水样、 水生生物采集

洪湖为浅水草型湖泊，根据《水质湖泊和水库采样技术指导》GB/T 14581-93、 《中华人民共和国地表水环境质量标准》GB 3838-2002等湖泊水质采样的相关要求^[18,19]，同时结合本次水质监测的目的和洪湖各区域的水环境功能确定水质监测点位(图 2). 于2012年8月20~21日(天气阴，微风)，由两个监测团队运用GPS对覆盖全湖的具有代表性的139个监测点位进行同步采样，同时在主要河流入湖口处、 围网养殖区和工农业、 旅游业等产业集中区域增设监测点位； 于8月22~23日对洪湖主要河流入湖口处上游100~150 m处采集入湖河流水样. 分析的水环境指标包括水温(T)、 pH值、 透明度(SD)、 总氮(TN)、 氨氮(NH₄⁺-N)、 总磷(TP)、 高锰酸盐指数、 溶解氧(DO)，所有水样于水面下0.5 m处采集. 同时在全湖41个监测点位上采用平行多次重复随机小样方的取样方法，用20 cm×50 cm的采草器采集水生植物，采集0.1 m²面积的水生植物地上部分，在同一采样点采集3次，样品采集后立即用湖水清洗去泥，装入样品袋内，室内去除枯枝、 败叶和其他杂质； 去除植物体表多余的水分，称鲜重. 采用3次样品的重量平均值为该样方水生植物生物量； 并记录各点的物种组成、 数目. 2.3 水质分析方法

除pH值、 DO、 T和SD现场测定外，其他指标均于8月22~25日在湖北大学实验室分析得出，其中pH值使用玻璃电极法(GB/T 6920-86)，DO使用电化学探头法(GB 11913-89)，高锰酸盐指数使用酸性法(GB 11892-89)，TN使用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法(GB 11894-89)，TP使用钼锑抗分光光度法(GB 11893-89)，NH₄⁺-N使用纳氏试剂光度法(GB 7479-87)，SD使用塞克盘法(GB 11901-89). 所有样品均设置2个平行样，测量分析的相对标准偏差均保持在10%以内. 依据本次总氮、 总磷、 化学需氧量、 氨氮4个具有代表性的水质参数，选择单因子指数评价法进行水质综合评价^[20]以得到洪湖水体综合评价结果. 2.4 GIS空间插值法

空间插值方法就是在已知有限空间点的属性值，采用数学公式对区域内其他空间点进行插值，从而将点数据转换成面数据^[21]. 研究中选用空间估值效果明显好于其他方法的Kriging内插法进行洪湖水质参数的空间分析^[22]，在ArcGIS 9.0空间分析中利用实测监测点数据建立高锰酸盐指数、 TN、 TP等影响因子以及水质类别点状矢量分布图，采用GIS矢量叠加技术得到水质类别图层叠加的综合评价图，并按《中华人民共和国地表水环境质量标准》GB 3838-2002将研究区域内水质分为五类： Ⅰ类、 Ⅱ类、 Ⅲ类、 Ⅳ类、 Ⅴ类. 同时运用统计学的理论和方法，结合研究区湖泊的人为用途、 水域生态保护及生物多样性的要求，对湖泊水质的时空变异性进行研究.

3 结果与分析

通过对洪湖水体139个监测点的高密度采样分析，并利用GIS空间插值得到丰水期洪湖水体中TN、 TP、 高锰酸盐指数、 NH₄⁺-N、 SD、 水生植物生物量和水质类别的空间变异分布图(图 3~9)，比较清晰地发现TN、 TP、 高锰酸盐指数、 NH₄⁺-N的污染程度在空间上具有显著的空间相关性，北部地区污染较重，各污染物因子含量高，只有极少数监测点的TN、 TP、 高锰酸盐指数数值在南部出现异常(图 3、 图 5、 图 6)，在空间上总体呈现出自南向北逐步增高的变化趋势，污染程度表现为北部河流入湖区>围网养殖区>开阔水体>保护区>南部长江入湖区的趋势，表明洪湖各区域受到不同程度的污染. 同时依据综合营养状态指数法计算得出洪湖北部河流入湖区为轻度富营养化水平，其他区域基本处于中营养水平，但是其指数相对较高，总体上全湖呈现向轻度富营养化水平转变的趋势. 其中Ⅲ类水质主要分布于南部区域的河流入湖区、 保护区和开阔水体，北部河流入湖区和蓝田生态旅游区附近水质为地表水Ⅴ类(图 8)，TN在该段时间超过目标水质59%，TP超标35.2%，高锰酸盐指数超标13.7%，NH₄⁺-N超标4.3%，综合水质超标66.2%(表 1). 丰水期全湖以地表水Ⅳ类为主，污染严重，污染趋势类似，主要超标因子为TN，其空间变异幅度大，污染程度最高，其次为TP、 高锰酸盐指数和NH₄⁺-N的污染，湖中P含量空间变化较小，同时有机物和NH₄⁺-N含量相对不高. 水体中DO达到目标，以Ⅰ类为主，只有靠蓝田旅游区和部分养殖区内数值相对较低； 而决定洪湖水系统化学稳定性的pH值都保持为弱碱性水体； 丰水期的透明度在南部长江入湖口处数值较小，北部区域的透明度劣于南部区域(图 7)； 在开阔水体和围网养殖区部分区域内水生植物的分布量较高，处于20~40kg ·m^-2水平，而北部河流入湖区的生物量相对较少，维持在1~10kg ·m^-2之间(图 9).

图 3

Fig. 3

图 3 TN空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution characteristics of TN

图 4

Fig. 4

图 4 NH4+-N空间分布特征 Fig. 4 Spatial distribution characteristics of NH4+-N

图 5

Fig. 5

图 5 TP空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution characteristics of TP

图 6

Fig. 6

图 6 高锰酸盐指数空间分布特征 Fig. 6 Spatial distribution characteristics of permanganate index

图 7

Fig. 7

图 7 SD空间分布特征 Fig. 7 Spatial distribution characteristics of SD

图 8

Fig. 8

图 8 水质类别空间分布特征 Fig. 8 Spatial distribution characteristics of water quality

图 9

Fig. 9

图 9 水生植物生物量空间分布特征 Fig. 9 Spatial distribution characteristics of the biomass of aquatic plants

表 1(Table 1)

表 1 丰水期污染因子的水质类别和数值 Table 1 Water quality and numerical of pollution factors during the high water-level period 污染因子 最低值/mg·L-1 最高值/mg·L-1 平均值/mg·L-1 Ⅰ类/% Ⅱ类/% Ⅲ类/% Ⅳ类/% Ⅴ类/% 劣Ⅴ类/% NH4+-N 0.084 1.210 0.515 0.7 63.3 31.7 4.3 0 0 TN 0.105 4.369 1.143 0.7 3.6 36.7 41.7 11.5 5.8 TP 0.005 0.203 0.042 8.6 31.7 24.5 23.7 10.8 0.7 高锰酸盐指数 0.99 8.84 4.31 4.2 46.8 35.3 13.7 0 0 综合水质 0 0 33.8 40.3 19.4 6.5

表 1 丰水期污染因子的水质类别和数值 Table 1 Water quality and numerical of pollution factors during the high water-level period

洪湖水质受不同湖区自身条件、 污染来源、 湖区流场和流动性差异等因素的影响，研究区湖泊水质参数在丰水期具有显著的空间变异特征，其中TN的空间变异从0.105 mg ·L^-1升到4.369 mg ·L^-1、 TP的空间变异从0.005 mg ·L^-1升到0.203 mg ·L^-1、 高锰酸盐指数的空间变异从0.99 mg ·L^-1升到8.84 mg ·L^-1，NH₄⁺-N的空间变异从0.084 mg ·L^-1升到1.210 mg ·L^-1，各指数均在此段时间大幅上升. 丰水期北部区域内的河流入湖区和围网养殖区(Ⅴ类和劣Ⅴ类为主)的N、 P、 有机物的污染程度很大(图 3~6)，同时水体酸碱指数大于8的高值区主要也分布于此，但是透明度却在0.5 m以下(图 7)，其驱动因素为2011年洪湖流域工业污染源中NH₄⁺-N排放量为871.1 t，农村生活废水中TN、 TP、 NH₄⁺-N的排放量分别905.5 t、 64.9 t、 779.4 t^[23]，并且大部分位于洪湖周边的农村地区. 由于缺失污水收集、 处理设施，造成工业废水和生活污水未经处理就随河网汇入四湖总干渠并流入洪湖，导致洪湖水体N、 P和有机物含量的增加，从而使洪湖出现水体富营养化趋势^[24]； 同时流域内的农业种植区域主要分布于洪湖的北部，以水稻、 棉花占有比例最大，其中2012年洪湖市和监利县中稻种植面积分别为70万亩、 114.2万亩，各占其粮食总面积的51.8%和42.5%； 棉花种植面积也已达到10.36万亩和33.66万亩，8月为其生长季节，需向水田、 旱地中施加大量含N、 P的化肥，而流域内化肥的利用率仅为30%左右^[25]，未经作物充分吸收的化肥就会随回归水流入河网，使北部入湖河流中TN、 TP、 高锰酸盐指数的质量浓度分别高达1.692、 0.182、 6.27mg ·L^-1，致使入湖口处的TN、 TP、 高锰酸盐指数质量浓度分别高于1.5、 0.1、 4 mg ·L^-1，造成农业面源污染对洪湖水质的影响日趋严重^[26,27]. 而北部湖区周围涵闸等水利设施的建设和围湖造田改变了湖环境和水系格局，切断了湖河生态系统之间的天然生态联系通道，造成彼此之间物质循环、 能量流通、 信息传递受阻^[28]，同时该区内水生植物分布量少，生物量只处于1~10 kg ·m^-2的水平，使营养物质不能被植物吸收、 同化，导致水质恶化的趋势不断加剧. 蓝田旅游区附近区域内的水质已由河流入湖区的Ⅴ类水质恶化到劣Ⅴ类水质(图 8)，其中TN、 TP、 NH₄⁺-N的平均质量浓度由2001年蓝田旅游区对外开园后的0.33、 0.018、 0.19 mg ·L^-1急剧上升到目前的1.143、 0.042、 0.515 mg ·L^-1，主要是由于旅游活动中产生的部分生活污水未经处理就直接入湖以及该段时间内旅游开发中人为造成的湖面萎缩削减了该区域湖水淡化稀释能力，同时8月是蓝田旅游区的旅游旺季. 4.2 洪湖西南部水质变化特征及驱动力分析

围网养殖区内环境污染综合指数比较高，有机物的含量比河流入湖区更高，对湖泊的局部污染最严重，其中该区内TN质量浓度高达1~1.5 mg ·L^-1，部分水体的质量浓度已超过2 mg ·L^-1，但氨氮质量浓度却过低的保持在0.5~1 mg ·L^-1之间，主要驱动力是养殖中大量投放饵料，同时该区围网极多、 网眼密集阻碍了各污染物的扩散以及削弱了水体的自净能力，加速了水体富营养化进程^[29]. 虽然围网自2000年后已逐步开始拆除^[30]，但是2012年的剩余养殖面积仍然接近14万亩，超出政策安置面积近9万亩，其中绝大部分位于养殖区内，同时该区域内水生植物生物量很大，基本处于20~30 kg ·m^-2水平，部分区域高达30~40 kg ·m^-2，可能是由于近些年来一直通过保护性措施和人工种植水生植物使该区域内生物量逐渐恢复到较高的水平^[31]，但是养殖中依然存在打捞水草进行喂养的行为，使水生植物遭到一定的破坏，同时未食用完的水草沉入湖底，造成有机物不断富集，高锰酸盐指数质量浓度逐步高于其他湖区(图 6)； N、 P、 有机物等营养物质进入水体速度加快，水中营养物质的输入大于输出，使围网养殖区的营养盐含量明显高于保护区和开阔水体. 4.3 洪湖南部和保护区水质变化特征及驱动力分析 全湖水质最好的区域为与长江相连的南部入湖口和保护区，主要驱动力是洪湖在长江汛期通过涵闸调节接纳大量长江来水，水交换频繁，吞吐流量大，致使该区域的流场结构发生变化，导致湖水中N、 P和有机物浓度得到稀释，水质偏好. 同时该区长江进水中的TN、 TP和NH₄⁺-N质量浓度(0.418、 0.021、 0.241 mg ·L^-1)远远低于全湖的平均质量浓度(1.143、 0.042、 0.515 mg ·L^-1)，使该区域内TN、 TP和NH₄⁺-N的质量浓度分别降低到0.5、 0.025、 0.5 mg ·L^-1以下，高锰酸盐指数已达到Ⅱ类水质，综合水质(Ⅲ类)优于北部入湖口处(Ⅴ类). 而SD在此区域内维持在0.5~1 m，远低于保护区和围网养殖区的1~2 m(图 7)，更是直接说明在交换过程中水体流速大，波浪对湖底底泥进行搅动，使水中含有的微生物、 悬浮物等物质难以沉降而产生混浊现象^[32].

总体上2012年丰水期的水质污染程度比2010年全年较轻，主要驱动因素可能是由于丰水期充足的降雨和湖区适宜的水温、 太阳辐射等环境因素为水生植物的大量繁殖提供了极其有利的条件，同时丰水期是洪湖沉水植物中占生物量比例较大的蓖齿眼子菜的花果期和金鱼藻、 狐尾藻的果期^[33]，其在生长、 繁殖过程中能够不断地吸附、 分解水中的N、 P等营养盐和污染物，使水质得到净化，致使N、 P、 高锰酸盐指数的平均质量浓度由2010年的1.28、 0.047、 4.55 mg ·L^-1降低到丰水期的1.143、 0.042、 4.31 mg ·L^-1，但是全湖达到地表水Ⅲ类的目标水质比例仍只有33.8%，可能是由于2006年三峡大坝建成后，枯、 洪水季节水位变化减小，中水位水期长，因而影响“四湖”地区地下水位起落幅度变小，造成滞水时间延长和地下水位上升，加重洪湖渍害^[34]，影响了水质进一步的好转； 同时2012年湖区周边洪湖、 监利两县市淡水养殖面积分别达到86.94万亩、 56.99万亩，较2000年增加了3倍以上^[10]，而2011年洪湖流域内水产养殖产生的TN、 TP入湖量已达到1863.9 t和370.4 t^[23]，使水产养殖也成为污染来源之一^[35]. 洪湖夏季盛行的东南季风和西南季风对水体也产生了一定的影响^[36]，主要表现在DO在开阔水体的值较大，处于8.1~11.3 mg ·L^-1之间，高于北部区域的6.2~7.1 mg ·L^-1，同时较近几年的数值也有明显的上升，可能是因洪湖较浅，夏季的风场引起湖区表层和底层流场的变化，使表层水体与空气充分接触，这也更加印证洪湖流场变化对水质的影响，所以洪湖呈现的水质特征与其特殊的环境因子密切相关，是营养因子和环境因子共同作用的结果，同时也说明由于其特殊地域环境因子的作用造成洪湖生态脆弱，湖泊承载能力不高.

本研究根据洪湖不同区域的生态环境、 资源条件和经济社会发展水平等客观差异形成的多种主体功能区，来比较不同湖区的功能与水质在时间和空间上的关系，以分析不同尺度上的水环境问题，而密集的水质监测允许对洪湖的水质及其时空变化特点、 水生态系统服务功能的空间分区和总体分异规律进行深入分析. 但是水环境问题是一个长期的动态过程，只有连续地评估才能了解和掌握水环境变化特点以及人类活动和管理对其产生的影响，本研究只是对洪湖水环境现状的一个初步估算，还不能完全清楚地表明流域水环境恶化与各影响因素之间的相互作用关系，在今后的研究中需要长期、 连续地对洪湖水质进行监测、 分析，以进一步认识研究区内水质在时间、 空间上的差异性，从而为洪湖流域解决水污染问题提供数据、 理论和方法支持.

5 结论

(1)洪湖水质受环境因子和营养因子的共同作用，丰水期洪湖水质污染程度在空间上呈现出北部河流入湖区>围网养殖区>开阔水体>保护区>南部长江入湖区的趋势； 各污染因子对水质的贡献率依次为TN>TP>高锰酸盐指数>NH₄⁺-N>DO.

(2)从驱动力分析来看，北部河流入湖区因沿途河流接纳的工业和生活废水直接排入湖区而污染最严重，该区域旁的蓝田旅游区的水质受旅游活动的影响已恶化； 围网养殖区内的水质最为显著的特点是受饵料投放和水草打捞的影响，使水体中各营养盐含量显著增高； 开阔水体和保护区的水质相对偏好，主要受季风等环境因子的影响； 南部长江入湖区的水质因其与长江水体交换频繁，透明度降低，水体得到稀释净化，水质较好.

(3)要从根本上改变洪湖的营养化状态，应大力控制北部湖区周围的工业废水和城镇生活污水的排放，减少流域内化肥、 农药的使用量； 同时应控制养殖面积，减少饵料的投放量，使湖内水草资源得以恢复和可持续利用，逐步恢复其水体自净能力，使洪湖富营养化水质恶化趋势得以遏制，实现洪湖水环境生态的可持续发展.