2019, Vol. 40
2. 北京师范大学水科学研究院, 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室, 北京 100875;
3. 江西省环境保护科学研究院, 南昌 330029;
4. 三峡大学水利与环境学院, 宜昌 443002
, NI Zhao-kui2 , ZHAO Shuang2 , ZHANG Bo-tao2 , FENG Ming-lei3 , CHEN Hong-wen3 , LI Xiao-xiu1
, WANG Sheng-rui2,4
2. Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology, College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
3. Jiangxi Academy of Environmental Science, Nanchang 330029, China;
4. College of Hydraulic & Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China
我国是一个多湖泊国家, 面积大于1 km2的湖泊超过2 600个; 由于湖泊具有供水、灌溉及调蓄洪水等多种功能, 在国民经济发展中发挥着重要作用[1].伴随流域经济社会快速发展, 过量氮磷等污染物持续入湖导致我国湖泊较为严重的水污染及富营养化等问题[2], 严重影响湖泊生态服务功能, 特别是威胁饮用水安全供应[3, 4].湖泊水质变化是自然因素及人为活动对流域生态环境影响的综合体现[5~7], 不同湖泊由于受气候变化、流域水文过程和经济社会发展等影响差异较大.因此, 解析水质变化及影响因素是湖泊水质管理的关键所在.
鄱阳湖是中国最大淡水湖, 具有完整的水系单元, 汇纳赣江、抚河、信江、饶河和修河这5条河来水, 经入江水道汇入长江, 湖泊与出入湖河流存在空间上的连续性[8], 且入湖河流是鄱阳湖氮磷输入的重要途径, 陆域氮磷输入与湖泊氮磷输出间存在显著正相关关系[9~12]; 同时, 其独特的生境与复杂的水文条件等形成了其极具特色的湿地生态系统, 具有较好的水质净化作用.因此, 客观认识鄱阳湖水质特征及变化趋势需要综合考虑入湖、湖泊及出湖水质间的相互作用, 并解析其相互关系, 对鄱阳湖保护治理具有重要意义.
目前针对鄱阳湖水污染特征及水质演变等方面的研究较多, 主要包括水质时空变化[13], 主要水质指标与污染源间关系解析[14, 15]及水质与水位间关系研究等方面[1].鉴于出入湖水质与鄱阳湖水质间关系密切, 而现有针对鄱阳湖水质时空变化方面的研究, 并不能从流域特征与空间关联性等方面, 综合考虑入湖、湖泊及出湖水质间相互作用, 全面认识鄱阳湖水质特征及演变趋势.本研究基于1996~2016年鄱阳湖及出入湖河流水环境、流域社会经济发展及水文等数据资料, 分析鄱阳湖及出入湖水质演变特征, 揭示不同时期水质变化、主要影响因素及其与出入湖河流水质间关联, 试图更加科学地认识鄱阳湖水质问题, 并提出水环境保护治理建议, 以期为鄱阳湖水环境保护提供科学支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况鄱阳湖(28°24′~29°46′N、115°49′~116°46′E)是中国最大淡水湖, 具有独特的湿地系统[16], 其在淡水供应, 污染物分解和防洪等方面发挥着重要作用[17].受五河及长江来水双重影响, 具有典型过水性、吞吐性、季节性特征[18], 其水质与出入湖水质关系密切.根据鄱阳湖与出入湖水质空间差异, 将其空间上分为组1、组2和组3共3组(图 1), 并在结果部分利用聚类分析进行具体表述.
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图 1 鄱阳湖流域研究区监测点位示意 Fig. 1 Monitoring sites in the Poyang Lake basin |
本研究所用水质、水位和流量等数据来自江西省环境监测中心站和江西水利厅, 社会经济数据来自江西省统计年鉴.水质指标为1996~2016年鄱阳湖及出入湖DO、高锰酸盐指数、BOD5、NH4+-N、TN和TP这6项; 其中入湖监测点位为A1~A8, 湖泊监测点位中1996~2003年为B1(星子)、B5(蛤蟆石)、B6(都昌)、B14(康山)和B15(莲湖), 2003~2016年为B1~B17, 出湖监测点位为C1~C3(图 1), 各监测点位具体地理位置信息见表 1.
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表 1 鄱阳湖流域监测点位地理位置信息 Table 1 Geographical location information for monitoring points in Poyang Lake basin |
1.2.2 研究方法
水质综合评分法是在主成分分析法基础上, 建立水质综合评价函数, 从而获得水质指标的对应评分[19].因此, 本研究采用水质综合评分法试图综合研究鄱阳湖及出入湖水质间关系, 具体方法如下.
① 建立原始变量矩阵X由m个样本和n个因子构成.
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② 标准化处理原始变量矩阵X, 采用Z-Score变换进行标准化, 其标准化公式为：
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式中：
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③ 计算标准化数据相关系数矩阵, 并求出特征根λ.
④ 确定主成分个数.
根据累计方差贡献率确定主成分个数, 即按照方差占总方差比例确定.
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式中, 通常取α≥85%, p为主成分的个数.
⑤ 确定主成分Fi(i=1, …, p)表达式.
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⑥ 建立综合评价函数, 并计算水质综合评分.
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采用Origin作图, SPSS statistics 24统计分析; DPS进行灰色关联分析; Spearman秩相关系数进行Daniel趋势检验; 聚类分析(CA)[20]进行鄱阳湖流域空间分组; 单因素方差分析(ANOVA)判别各水质指标空间差异, 灰色关联分析(GRM)判别鄱阳湖与出入湖水质的关联度[21~23], 用主成分分析和多元回归统计法识别影响因素.
2 结果与分析 2.1 鄱阳湖及出入湖水质演变的阶段特征 2.1.1 不同阶段鄱阳湖及出入湖水质变化水质综合评分的最大优势是将多个物理和化学水质参数转化为一个综合反映水质状况的指标来评价水质状况, 从而消除由于不同参数评价标准间的差异而导致的不同水质评价结果的问题[24, 25].评分越高(正得分越高水质越差, 负得分越高水质越好), 表明水质受污染程度越重[19].本研究运用该方法评价1996~2016年鄱阳湖及出入湖水质变化趋势, 由图 2可见, “五河”入湖水质综合评分范围为-0.29~0.79, 近20年增加了0.78;鄱阳湖水质综合评分范围为-1.18~0.81, 近20年增加了1.99;出湖水质综合评分为-0.06~0.9, 近20年增加了0.9. Daniel趋势检验结果表明(表 2), 鄱阳湖及出入湖水质综合评分秩相关系数rs>0且均大于其临界值Wp.因此, 均呈极显著上升趋势(P < 0.01), 即近20年鄱阳湖及出入湖水质呈下降趋势; 其中“五河”入湖水质由于人类活动影响持续下降, 受入湖水质及水文过程变化等影响, 湖泊水质下降最快, 由于鄱阳湖较大水质净化能力, 而使出湖水质下降幅度最小.
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图 2 1996~2016年鄱阳湖入湖与湖泊及出湖综合水质评分阶段变化趋势 Fig. 2 Trends in the comprehensive water quality score of Poyang Lake and the inflow/outflow rivers from 1996 to 2016 |
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表 2 鄱阳湖及出入湖水质演变特征统计分析1) Table 2 Statistical analysis of water quality evolution characteristics for Poyang Lake and the inflow/outflow rivers |
就变化特征来讲, 1996~2016年鄱阳湖及出入湖水质综合评分变化总体可分为3个阶段, 其中1996~2003年, 入湖综合水质评分年均增加0.02, 湖泊综合水质评分年均增加0.16, 出湖水质综合评分年均增加0.02, 该阶段鄱阳湖及出入湖水质均呈下降趋势, 其中湖泊水质下降幅度最大; 由于受流域人类影响活动相对较小, 鄱阳湖及出入湖水质均较好. 2004~2011年, 入湖水质综合评分年均增加0.09, 而湖泊和出湖水质综合评分年均增加为0.03和0.02, 该阶段入湖水质下降幅度最大, 鄱阳湖水质和出湖水质均变差, 由于鄱阳湖较大的水质净化效果, 使出湖水质优于入湖和湖泊水质. 2012~2016年, 入湖和湖泊水质综合评分年均增加为0.002和0.03, 而出湖水质综合评分年均增加0.06, 该阶段出湖水质下降幅度最大, 由于人类活动影响使入湖水质持续下降, 进而导致湖泊水质下降, 并且由于污染负荷增加及湖泊自身净化效果减弱, 导致出湖水质下降最快, 最终使鄱阳湖及出入湖水质均较差.
2.1.2 不同水期鄱阳湖及出入湖水质变化由于鄱阳湖及出入湖水质受来水影响较大[26], 本研究分析了1996~2016年不同水期鄱阳湖及出入湖水质变化特征.由图 3可见, 丰水期, 入湖和出湖水质综合评分近20年增加了0.49和0.79;而湖泊水质综合评分近20年增加了1.19;平水期, 入湖和出湖水质综合评分近20年增加了0.46和0.5;而湖泊水质综合评分近20年增加了1.37;枯水期, 入湖和出湖水质综合评分近20年增加了0.4和0.42;而湖泊水质综合评分近20年增加了1.02;因此, 近20年不同水期鄱阳湖及出入湖水质均下降, 且丰水期、平水期和枯水期湖区水质下降幅度均大于入湖和出湖水质.
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图 3 1996~2016年不同水期入湖与湖泊及出湖水质综合评分 Fig. 3 Comprehensive water quality scores for Poyang Lake and the inflow/outflow rivers during different water periods from 1996 to 2016 |
不同水期鄱阳湖及出入湖水质变化特征结果见图 4所示, 3个阶段枯水期鄱阳湖及出入湖水质综合评分值均高于丰水期和平水期, 即相对于丰水期和平水期, 1996~2016年的20年间鄱阳湖枯水期水质均最差.而1996~2003年间, 不同水期入湖与湖泊及出湖水质综合评分较为稳定, 水质较好; 2004~2011年, 3个水期入湖与湖泊及出湖水质综合评分较上一阶段均大幅增加, 尤其是枯水期入湖水质综合评分增加0.39, 湖泊和出湖水质综合评分增加0.72和0.24, 因此枯水期鄱阳湖与出入湖水质下降最为明显; 2012~2016年, 3个水期入湖与湖泊及出湖综合水质评分较上一阶段进一步增加, 其中枯水期入湖水质综合评分增加0.24, 湖泊和出湖综合水质评分增加0.13和0.3, 该阶段枯水期鄱阳湖与出入湖水质下降较明显, 并且由于流域污染不断累积及枯水期水位持续降低使鄱阳湖水动力条件及水生态系统退化[27], 最终导致枯水期入湖与湖泊及出湖水质均污染较严重.
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(a)第一阶段1996~2002年; (b)第二阶段2003~2011年; (c)第三阶段2012~2016年 图 4 1996~2016年不同水期各阶段入湖与湖泊及出湖水质综合评分 Fig. 4 Comprehensive water quality scores for Poyang Lake and the inflow/outflow rivers at different stages between 1996 and 2016 |
基于2012~2016年DO、高锰酸盐指数、BOD5、NH4+-N、TN和TP这6项水质指标, 对鄱阳湖与五河监测点聚类, 结果见图 5, 欧姆距离大于20时, 可分为3组, 其中组1包括赣江的昌邑和吴城赣江, 修河的吴城修河和永修县城, 长江九江段的金鸡坡、新港和湖口及鄱阳湖西部湖区与入江水道区域的都昌、三山、蛤蟆石、鄱阳湖出口、老爷庙、星子、吴城和蚌湖; 组2包括赣江的朝阳水厂, 抚河的塔城及鄱阳湖南部湖区的南湖村、伍湖分场、金溪咀刘家和南矶山; 组3包括饶河的赵家湾, 信江的梅港及鄱阳湖东部湖区的白沙洲、莲湖、康山、梅溪咀和余干.由此可见, 鄱阳湖入江水道和西部湖区水质主要受赣江(北支)和修河影响较大, 而长江九江段水质受鄱阳湖西部湖区及入江水道影响较大, 鄱阳湖南部湖区水质主要受赣江和抚河影响较大, 而东部湖区水质则主要受饶河和信江影响较大.
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图 5 基于水质指标的鄱阳湖与出入湖河流监测点聚类分析 Fig. 5 Cluster analysis of monitoring sites in Poyang Lake and the inflow/outflow rivers based on water quality indices |
聚类分析结果同时表明各组间水质差异(图 5), 入湖河流及鄱阳湖水质空间聚类可分为3组, 分别为鄱阳湖西部、南部与东部区域, 并根据ANOVA可得出造成组间差异的主要水质指标(表 3), 其中DO, 高锰酸盐指数, BOD5和NH4+-N浓度空间差异不显著(P>0.05), 而TN和TP浓度达到极显著水平(P < 0.01);其中东部区域TN浓度均值最大为1.44 mg·L-1; 西部区域TN浓度最小为1.04 mg·L-1; 南部区域TP浓度均值为0.08 mg·L-1, 显著高于西部和东部区域.因此, 东部区域TN污染较严重, 南部区域TP污染较严重.由此可见, 造成鄱阳湖及出入湖水质空间差异的主要水质指标是TN和TP, 并且南部和东部区域水污染较西部严重.
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表 3 鄱阳湖及入湖河流不同空间水质方差分析/mg·L-1 Table 3 Analysis of variance for water quality in different areas of Poyang Lake and inflow rivers/mg·L-1 |
2.2.2 入湖河流对鄱阳湖不同湖区水质影响
2012~2016年, 鄱阳湖及“五河”TN浓度变化范围在0.08~1.82 mg·L-1之间, 其中修河TN浓度最低, 年均0.78 mg·L-1; 赣江的朝阳水厂TN浓度最高, 年均1.82 mg·L-1; 鄱阳湖湖区TN浓度年均1.17 mg·L-1. TP浓度变化范围在0.05~0.1 mg·L-1之间, 经济合作与发展组织(OECD)提出的水体富营养化水体的TP浓度大于0.035 mg·L-1.与Huang等[28]得出的结论一致, 即鄱阳湖及五河水体TN和TP浓度均处于较高水平.因此, 探究鄱阳湖与出入湖水质TN, TP浓度空间关联性具有十分重要的意义.
如图 6, 赣江、抚河、信江、饶河和长江九江段TN与TP浓度均高于鄱阳湖, 其中, 南部和东部入湖河流TN浓度高于西部, 相应南部和东部湖区TN浓度也高于西部湖区; 南部入湖河流TP浓度高于西部和东部, 相应南部湖区TP浓度高于西部和东部湖区.因此, 入湖河流TN和TP浓度高, 其对应湖区也较高, 即入湖河流对鄱阳湖水质具有较大影响.
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图 6 鄱阳湖及入湖河流TN和TP浓度空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of TN and TP concentrations in Poyang Lake and inflow rivers |
根据“五河”和长江(九江段)与相应湖区水质灰色关联结果(表 4), 分辨系数取0.5时, “五河”和鄱阳湖水质关联度较大(r>0.5), 鄱阳湖与长江(九江段)水质也具有一定的关联性(r>0.5), 其中湖泊对于入湖河流水质变化响应迅速.因此, 入湖河流水质对鄱阳湖湖区水质关联性较大, 流域污染对湖泊水污染贡献明显.
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表 4 鄱阳湖与出入湖河流中TN和TP浓度灰色关联度(r) Table 4 Gray correlation(r) between TN and TP concentrations in Poyang Lake and inflow/outflow rivers |
3 讨论 3.1 不同阶段鄱阳湖水质演变影响因素差异
根据前文研究结果, 1996~2016年鄱阳湖水质在各阶段均呈现下降趋势.流域社会经济快速发展与江湖关系变化对鄱阳湖水质均具有重要影响[29].因此, 进一步剖析导致近20年不同阶段鄱阳湖水质变化主要影响因素差异, 试图为鄱阳湖保护治理提供科学依据.
根据主成分分析结果(图 7), 近20年不同阶段鄱阳湖水质变化主要影响因素主成分分析提取出了2个有效因子, 原始变量累积贡献率已经达到94%以上, 基本概括了全部信息, 因子1对总方差贡献率为72.78%, 包括第一产业增加值、人口密度、化肥施用量、地区生产总值、第二产业增加值和工业废水排放总量占有较高的权重, 即因子1表征流域发展尤其是农业发展, 可视为流域污染.因子2载荷主要分布在入湖流量和水位上, 对方差贡献率为21.68%, 代表水文情势影响.以上2个因素较好地解释了两个相关变量信息, 说明流域污染和水文情势变化为鄱阳湖水质变化的主要驱动因素.
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图 7 鄱阳湖流域社会经济及水文等指标主成分分析因子载荷 Fig. 7 Principal component analysis factor load map of socio-economic and hydrological indicators for the Poyang Lake basin |
为进一步探究不同阶段鄱阳湖水质与主要驱动因素间关系, 对各个阶段分别进行多元回归分析, 结果见表 5. 1996~2003年, 鄱阳湖综合水质评分与因子1呈显著正相关(P＜0.05);即该阶段流域污染负荷对鄱阳湖水质影响较大. 2004~2011年, 水质指标BOD5与因子1呈显著正相关(P＜0.05), DO和NH4+-N与因子2呈显著正相关(P < 0.01), 即该阶段流域污染负荷和水文情势变化对鄱阳湖水质影响较大; 2012~2016年, 水质指标TN与因子1呈显著正相关(P < 0.05), 水质指标TP和综合水质评分均与因子1呈显著正相关(P < 0.01), DO和NH4+-N与因子2呈显著相关(P < 0.05), 即该阶段流域污染负荷和水文情势变化也对鄱阳湖水质影响较大.由此可见, 以上两个阶段均受到流域污染负荷与水文条件变化影响, 其中第三阶段TN和TP浓度, 以及综合水质主要受到流域污染负荷影响.
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表 5 多元回归分析结果1) Table 5 Results of multiple linear regression |
综上分析可见, 不同阶段鄱阳湖水质变化影响因素不同, 其一是流域快速发展导致入湖污染负荷持续增加, 入湖水质下降进而引起湖泊水质下降; 其二是“五河”入湖水量和湖区水位变化引起洲滩面积增加出露时间延长, 致使出露沉积物表层理化性质和微生物群落结构出现变化, 从而促使表层沉积物营养盐含量、释放潜能和生物有效性升高, 进而影响湖泊水质[11, 30]. 1996~2003年, 随流域经济社会发展, 人类活动逐步取代自然变化成为鄱阳湖水质变化主要驱动力[31], 流域人口增加、土地利用、化肥施用及废水排放等逐步增加湖泊营养盐输入强度, 对湖泊水质造成了一定负面影响[32]. 2004~2011年及2012~2016年, 流域污染负荷输入进一步增加及水文情势变化共同影响水质变化, 主要是农田过量的肥料投入随径流输入湖泊, 使TN, TP浓度持续增加[17]; 同时, 第二阶段地区生产总值[图 8(a)]、人口密度[图 8 (a)]、第一产业增加值[图 8(b)]、化肥施用量[图 8 (b)]、第二产业增加值[图 8(c)]及工业废水排放量[图 8 (c)]均明显增加, 而湖区水位和入湖水量则明显下降[图 8 (d)].第三阶段流域社会经济进一步发展, 受流域降水减少和三峡工程蓄水等影响, 鄱阳湖枯水期提前, 低枯水位频繁出现[33], 使鄱阳湖水域面积明显缩小, 湿地面积减少, 水环境容量减小, 水质下降[34, 35].因此, 与第一阶段相比, 第二和第三阶段鄱阳湖水质下降幅度较大, 且由于枯水期湖区水量减少, 引起的净化能力下降等原因导致枯水期水污染较重.
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图 8 鄱阳湖流域主要影响因素变化 Fig. 8 Changes in the main influencing factors in the Poyang Lake basin |
湖泊是流域污染物的主要汇集区, 陆域氮磷输入增加引起入湖河流和湖泊氮磷等营养盐含量升高[36].本研究“五河”氮磷输入对湖泊水质影响较大, 是鄱阳湖水体氮磷浓度空间显著差异的主要原因.如图 9所示, “五河”入湖负荷中, 赣江输入TN占比最大, 达到为62%, 其次为信江17%, 修河占比最小为2%. TP输入赣江占比也为最大, 达到53%, 其次为抚河, 占比为19%, 修河占比最小3%.由此可见, 导致鄱阳湖南部和东部湖区TN浓度明显高于西部湖区, 主要是由于赣江和信江TN负荷输入; 导致鄱阳湖南部湖区TP浓度明显高于东部和西部湖区, 主要是由于赣江和抚河TP负荷输入.
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图 9 “五河”入湖中TN和TP的负荷百分比 Fig. 9 "Five Rivers" loadings of TN and TP into Poyang Lake |
为进一步了解造成“五河”流域氮磷污染的主要原因, 对流域社会发展数据进行分析.结果如图 10所示, 其中赣江人口密度, 工业规模及农业发展均为五河中占比最大, 信江的工业和农业比较发达, 而抚河的农业较发达, 可见赣江和信江的农业和工业污染对鄱阳湖氮磷浓度影响最大, 抚河农业污染对鄱阳湖氮磷浓度影响最大, 而饶河和修河各项影响因素的占比较小, 对水质影响较小.因此, “五河”流域污染排放严重, 特别是赣江、信江流域的农业和工业污染及抚河流域农业污染对鄱阳湖水质影响最大.
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图 10 “五河”流域主要影响因素百分比 Fig. 10 Percentage of major influencing factors in the "Five Rivers" basin |
综上分析可见, 目前鄱阳湖保护治理首先应加强流域污染控制, 重点是要防控流域面源污染, 推广应用农业清洁生产技术, 重点推广化学肥料和农药的科学施用方法[37]; 重点控制赣江, 信江及抚河流域农业面源污染, 源头控制氮磷排放.针对工业较发达的赣江和信江流域, 推广应用工业企业清洁生产技术及工艺, 将污染预防概念纳入管理, 源头削减污染物排放[38].同时, 也要关注水文条件变化对鄱阳湖水环境影响. 2003年后, 受三峡工程运行等影响, 长江与鄱阳湖水文情势发生了较大变化, 年内和年际水位波动加大, 特别是枯水期提前, 持续时间延长, 影响湿地植被生长及分布等, 进而影响湖泊水质[39].鄱阳湖水文过程不仅与三峡工程运行引起的江湖关系变化有关[40], 而且与“五河”入湖水量有关.因此, 保护鄱阳湖水环境, 应清晰地认识“江湖关系”与“河湖关系”, 不仅要重视流域污染控制, 也要保证基本水文节律及枯水期水位.
4 结论(1) 1996~2016年, 鄱阳湖及出入湖水质总体可分为3个阶段, 1996~2003年, 鄱阳湖及出入湖水质呈现下降趋势, 但水质总体较好; 2004~2011年, 鄱阳湖及出入湖水质继续下降, 其中枯水期水质下降最为明显, 随入湖水质大幅下降, 导致湖泊水质较差, 由于湖泊较大净化能力, 使出湖水质较好; 而2012~2016年, 鄱阳湖及出入湖水质进一步下降, 随入湖水质持续下降, 湖泊水质净化作用下降导致出湖水质也大幅度下降, 该阶段入湖与湖泊及出湖水质均较差.
(2) 鄱阳湖在空间上分为西部、东部和南部湖区, 造成水质空间差异的主要水质指标为TN和TP, 各湖区TN, TP浓度均处于较高水平.入湖河流水质与鄱阳湖湖区水质关联性较大, 导致鄱阳湖南部和东部湖区TN浓度明显高于西部湖区, 主要是由于赣江和信江TN负荷输入; 导致鄱阳湖南部湖区TP浓度明显高于东部和西部湖区, 主要是由于赣江和抚河TP负荷输入, 流域污染对湖泊水污染贡献明显.
(3) 1996~2003年, 流域入湖污染负荷与综合水质评分呈显著正相关, 即该时段鄱阳湖水质变化主要受流域入湖污染负荷影响; 2004~2011年, 鄱阳湖水质变化受到流域污染与水文条件影响, 其中流域入湖污染负荷对BOD5影响较大, 水文条件变化对DO和NH4+-N影响较大; 2012~2016年, 鄱阳湖水质变化仍受到流域污染与水文条件影响, 其中流域入湖污染负荷对TN、TP和综合水质评分影响较大, 水文条件变化对DO和NH4+-N影响较大.
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