2011～2018年洞庭湖水質(zhì)變化規(guī)律分析

唐 聰，楊 宇，關(guān)興中，郭 含，潘 暢

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢 430000； 2.江西省水文監(jiān)測(cè)中心，江西 南昌 330000)

0 引 言

洞庭湖作為“長(zhǎng)江之腎”，其水質(zhì)變化情況一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。張光貴等[1]基于1996～2013年洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)(IP)法對(duì)三峽工程運(yùn)行前后洞庭湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)洞庭湖水質(zhì)與主要污染物的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析；王旭等[2]利用長(zhǎng)江中下游地區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1950～2009年逐日水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及1995～2010年水質(zhì)分析資料，結(jié)合Spearman相關(guān)分析和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法，分析了長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系演變對(duì)洞庭湖水質(zhì)變化影響；饒建平等[3]以洞庭湖1992～2010年系列監(jiān)測(cè)資料為依據(jù)，對(duì)洞庭湖19 a的整體水質(zhì)情況、富營(yíng)養(yǎng)化狀況以及主要污染指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，認(rèn)為洞庭湖水質(zhì)污染以氮磷污染為主，水體狀況呈逐漸惡化的趨勢(shì)；方凱等[4]根據(jù)1991～2000年對(duì)洞庭湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，分析洞庭湖的水質(zhì)現(xiàn)狀，并對(duì)洞庭湖環(huán)境變化所產(chǎn)生的水質(zhì)變化和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析；胡光偉等[5]利用洞庭湖區(qū)1991～2015年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及入出湖徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，結(jié)合水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)法和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法系統(tǒng)評(píng)價(jià)和分析了洞庭湖水質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)演變特征，結(jié)果表明洞庭湖水質(zhì)整體上表現(xiàn)出明顯的惡化趨勢(shì)；申銳莉等[6]根據(jù)2002～2004年洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選用內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法和黃浦江污染指數(shù)對(duì)洞庭湖水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。前人的分析主要集中在2010年之前的水質(zhì)時(shí)空變化，不能全面反映近年來(lái)洞庭湖水質(zhì)的變化情況。本研究選取西、南、東洞庭湖和洞庭湖出口代表站為研究對(duì)象，選用2011～2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，采用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法對(duì)代表洞庭湖水污染特點(diǎn)的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)3個(gè)參數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析[7-8]，有效地補(bǔ)充了近10 a洞庭湖水質(zhì)變化的研究，加入了對(duì)于不同年份內(nèi)同時(shí)期水質(zhì)變化趨勢(shì)的分析方法。通過(guò)研究洞庭湖水質(zhì)污染變化特點(diǎn)，探究污染產(chǎn)生原因，分析主要著力方向，并提出相應(yīng)對(duì)策方向，為洞庭湖水污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究背景

洞庭湖(28°44′～29°35′N，111°53′～113°05′E)位于湖南省東北部，是中國(guó)第二大淡水湖，也是目前長(zhǎng)江中游荊江段唯一與長(zhǎng)江干流連通的湖泊[9-10]。洞庭湖是亞洲最大的內(nèi)陸濕地保護(hù)區(qū)，被譽(yù)為“拯救世界瀕危珍稀鳥(niǎo)類的主要希望地”，其中東洞庭湖濕地為國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)，是全球范圍內(nèi)公認(rèn)的生態(tài)保護(hù)區(qū)，在國(guó)際上具有十分重要的地位[11-12]。洞庭湖唯一出口河段城陵磯水文站隸屬長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，被譽(yù)為洞庭湖及長(zhǎng)江流域水情“晴雨表”，距離洞庭湖入長(zhǎng)江匯合口上游3.5 km。2008年起，在洞庭湖增設(shè)城陵磯、鹿角、沅江、小河咀等斷面，作為常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，開(kāi)始監(jiān)測(cè)洞庭湖水質(zhì)狀況以及進(jìn)入長(zhǎng)江水質(zhì)狀況。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

依據(jù)站點(diǎn)分布特征，分別選取南咀(西洞庭湖)、沅江(南洞庭湖)、鹿角(東洞庭湖)、城陵磯(東洞庭湖、洞庭湖出口)共計(jì)4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)作為研究對(duì)象，站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。根據(jù)各站點(diǎn)歷年主要超標(biāo)指標(biāo)情況以及季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法判斷水質(zhì)趨勢(shì)時(shí)的年份系列長(zhǎng)度要求，選取上述4站2011～2018年間CODMn，TN，TP等3個(gè)參數(shù)作為水質(zhì)變化趨勢(shì)分析指標(biāo)，各站點(diǎn)基本情況見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局(長(zhǎng)江中游水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，CMA證書編號(hào)：160012081541)歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。分析站點(diǎn)研究時(shí)段內(nèi)每月采樣一次，其中，南咀站、城陵磯站采用3線6點(diǎn)法、沅江站、鹿角站采用3線3點(diǎn)法。年均值采用月均值的算術(shù)平均求得，月均值為各點(diǎn)算術(shù)平均值，本研究中暫未考慮流量因素影響。全年監(jiān)測(cè)采樣符合水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的時(shí)間分布、樣本數(shù)要求。

2.2 分析方法

河湖水質(zhì)受徑流變化影響，傳統(tǒng)意義上的汛期與非汛期水質(zhì)數(shù)據(jù)比較，缺乏一定的可比性。季節(jié)性Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析為Hirsch等[13]于1982年提出的一種通過(guò)比較歷年相同月份間水質(zhì)數(shù)據(jù)，避免季節(jié)性影響的檢驗(yàn)水質(zhì)變化趨勢(shì)的方法，是Mann Kendall檢驗(yàn)的一種推廣[14]。該方法可用于系列有漏測(cè)值、未檢測(cè)值以及變量非正態(tài)分布時(shí)間序列，其原理是針對(duì)收集的多年數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各月份的Mann-Kendall 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S及其方差Var(S)，然后將各月份統(tǒng)計(jì)量相加，算出總統(tǒng)計(jì)量，若月份數(shù)與年數(shù)足夠大，則可根據(jù)總統(tǒng)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)表之間的比較來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)[15-16]。

圖1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意

表1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)基本情況

通常情況下根據(jù)Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量判斷上升或下降趨勢(shì)，取顯著性水平α為0.1和0.01，即當(dāng)α≤0.01時(shí)，說(shuō)明檢驗(yàn)具有高度顯著性水平，當(dāng)0.01<α≤0.1時(shí)，說(shuō)明檢驗(yàn)是顯著的。在α計(jì)算結(jié)果滿足上述兩條件情況下，當(dāng)z為正時(shí)說(shuō)明具有顯著(或高度顯著)上升趨勢(shì)，當(dāng)z為負(fù)時(shí)說(shuō)明具有顯著(或高度顯著)下降趨勢(shì)，當(dāng)z為0時(shí)說(shuō)明無(wú)趨勢(shì)。本研究中季節(jié)性Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析基于R軟件提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)污染物濃度變化過(guò)程

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間變化趨勢(shì)

洞庭湖2011～2018年各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)年均CODMn，TN，TP實(shí)測(cè)濃度過(guò)程線見(jiàn)圖2。由圖2可知，南咀、沅江、鹿角、城陵磯4站年均CODMn，TN呈明顯下降趨勢(shì)，各站最大CODMn濃度分別為2.65，2.57，2.94，3.07 mg/L，最大TN濃度分別為2.15，1.93，2.67，2.34 mg/L；南咀、沅江的TP呈先下降后上升變化趨勢(shì)，首次最大TP濃度均出現(xiàn)在2015年，分別為0.10，0.13 mg/L，鹿角的TP下降趨勢(shì)明顯，最大濃度為0.11 mg/L，城陵磯的TP濃度在2016年后下降明顯。

3.2 季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步探究洞庭湖水質(zhì)變化趨勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水質(zhì)資料通過(guò)季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行2011～2018年的趨勢(shì)分析，結(jié)果見(jiàn)表 2。由于資料年限的系列長(zhǎng)度完全符合季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)方法的要求，所選參數(shù)CODMn，TN和TP能夠反映洞庭湖水質(zhì)污染特點(diǎn)，因此認(rèn)為本次分析檢驗(yàn)結(jié)果是可信的。

從各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)季節(jié)性變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可知：研究年份洞庭湖各站點(diǎn)CODMn，TN和TP有趨勢(shì)變化的居多，無(wú)明顯趨勢(shì)變化的少，說(shuō)明水質(zhì)存在明顯動(dòng)態(tài)變化；4個(gè)站點(diǎn)CODMn濃度均呈現(xiàn)高度顯著下降趨勢(shì)，TN濃度同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中除沅江顯著下降外，其余3站均高度顯著下降；TP濃度變化趨勢(shì)中，南咀呈高度顯著上升趨勢(shì)，鹿角、城陵磯呈高度顯著下降趨勢(shì)，沅江無(wú)明顯升降趨勢(shì)，檢驗(yàn)結(jié)果與時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。由此可見(jiàn)，洞庭湖2011～2018年水質(zhì)狀況整體呈不斷向好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

3.3 空間變化特征

洞庭湖2011～2018年各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)CODMn，TN，TP濃度空間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可知：① 洞庭湖CODMn總體變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，代表南洞庭湖的沅江站除2012年外，其余分析年份均低于其他3站；代表東洞庭湖的鹿角站、城陵磯站普遍高于南咀站，且洞庭湖出口城陵磯站明顯高于鹿角站；濃度最大年份出現(xiàn)在2011年城陵磯站，CODMn濃度達(dá)3.07 mg/L，濃度最小年份出現(xiàn)在2016年沅江站，CODMn濃度為1.96 mg/L。② 洞庭湖TN濃度變化趨勢(shì)歷年來(lái)基本一致，呈現(xiàn)濃度c(鹿角)>c(城陵磯)>c(南咀)>c(沅江)的分布特征；濃度最大年份出現(xiàn)在2011年鹿角站，TN濃度達(dá)2.67 mg/L，濃度最小年份出現(xiàn)在2018年沅江站，TN濃度為1.55 mg/L。③ 洞庭湖TP濃度空間分布無(wú)明顯特征，年均濃度在0.07～0.13 mg/L之間波動(dòng)；濃度最大年份出現(xiàn)在2015年沅江站，最小濃度在各站不同年份均有表現(xiàn)。

表2 季節(jié)性 Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 濃度空間分布特征

4 討 論

4.1 時(shí)間變化趨勢(shì)原因分析

洞庭湖區(qū)各研究站點(diǎn)CODMn濃度均呈現(xiàn)高度顯著下降趨勢(shì)，TN濃度除沅江顯著下降外，其余3站均高度顯著下降，表明近年來(lái)洞庭湖各個(gè)湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，環(huán)境治理成效顯著。TP濃度變化中，南咀呈高度顯著上升趨勢(shì)，沅江無(wú)明顯升降趨勢(shì)，說(shuō)明該兩處監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所處流域西、南洞庭湖仍然存在工業(yè)源廢水或農(nóng)業(yè)源污水等點(diǎn)、面源污染。根據(jù)《湖南省第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》(普查時(shí)點(diǎn)為2017年，以下簡(jiǎn)稱“二污普”)，洞庭湖(湖南部分)水污染物排放量中，總氮排放量為3.57萬(wàn)t，總磷排放量為0.43萬(wàn)t，分別占全省水污染物排放總量的18.56%和19.28%。結(jié)合《湖南省第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》(普查時(shí)點(diǎn)為2007年，以下簡(jiǎn)稱“一污普”)，10 a來(lái)，湖南省廢水主要污染物排放總量中TN排放量減少2.66萬(wàn)t，減少率為12.15%，TP排放量增加0.17萬(wàn)t，增加率為8.25%，TP排放量不減反增；二污普結(jié)果表明，TP，TN排放量農(nóng)業(yè)源占比64.57%，51.59%，工業(yè)源占比僅為1.35%和3.48%。綜上分析可知，農(nóng)業(yè)源TP，TN排放量為湖南省TP，TN排放量的主要來(lái)源，占比在50%以上，且洞庭湖(湖南部分)水污染物排放量TP，TN約占全省水污染物排放總量的20%，可以推測(cè)農(nóng)業(yè)施用化肥是造成的洞庭湖區(qū)N，P污染的主導(dǎo)因素，該分析結(jié)論與湖南省2012～2019年統(tǒng)計(jì)年鑒結(jié)果(統(tǒng)計(jì)年份2011～2018年)基本一致(圖4)，由圖4可知，湖南省2011～2018年農(nóng)業(yè)氮肥施用折純量明顯下降，磷肥無(wú)明顯變化，而過(guò)量施用的氮肥和磷肥將通過(guò)地表徑流和土壤侵蝕匯入水體中，加劇水體污染程度[17]。對(duì)此，應(yīng)積極推進(jìn)洞庭湖農(nóng)業(yè)面源污染治理，尤其是西、南洞庭湖以及沅水、澧水入湖流域農(nóng)業(yè)片區(qū)，不斷改善入湖水質(zhì)，整體提升洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量。

圖4 湖南省2011～2018年農(nóng)業(yè)氮肥、磷肥施用折純量

最新《湖南省洞庭湖保護(hù)條例》(2021年5月27日湖南省第十三屆人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第二十四次會(huì)議通過(guò)，以下簡(jiǎn)稱《條例》)表明，為了保護(hù)和改善洞庭湖生態(tài)環(huán)境，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，湖南省人民政府生態(tài)環(huán)境主管部門規(guī)定洞庭湖湖區(qū)禁止生產(chǎn)、銷售、使用含磷洗滌用品(指總磷酸鹽含量(以五氧化二磷計(jì))超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的洗滌用品)，全面削減和控制入湖氮磷污染物排放總量。其中，工業(yè)方面，建立洞庭湖工業(yè)污染源信息庫(kù)，嚴(yán)格控制重點(diǎn)行業(yè)氮磷排放總量；農(nóng)業(yè)方面，制定鼓勵(lì)支持化肥、農(nóng)藥農(nóng)膜減量增效使用和秸稈綜合利用綠色補(bǔ)貼的配套政策，推廣先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，有效控制農(nóng)業(yè)面源污染。結(jié)合本研究分析結(jié)果，筆者認(rèn)為隨著《條例》的實(shí)施，洞庭湖的N，P污染將得到有效的控制。

4.2 空間變化趨勢(shì)原因分析

洞庭湖不同區(qū)域TP濃度空間分布無(wú)明顯特征，CODMn,TN的空間變化規(guī)律總體為南咀至沅江呈下降趨勢(shì)，沅江至城陵磯呈顯著上升趨勢(shì)，該變化與洞庭湖水流行進(jìn)方向一致，但沅江下游資水、湘江、汨羅江入湖口存在一定量的污染物匯入，導(dǎo)致鹿角站CODMn，TN污染物濃度明顯高于沅江站。治理重點(diǎn)為汨羅江入湖段，應(yīng)加強(qiáng)該河段的排污口監(jiān)測(cè)工作，嚴(yán)格實(shí)施達(dá)標(biāo)排放，控制污染物排放總量。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)研究分析洞庭湖區(qū)4站2011～2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法綜合分析，主要得出以下結(jié)論。

(1) 南咀、沅江、鹿角、城陵磯4站年均CODMn，TN呈明顯下降趨勢(shì)；南咀TP呈高度顯著上升趨勢(shì)，鹿角、城陵磯TP呈高度顯著下降趨勢(shì)，沅江TP無(wú)明顯升降趨勢(shì)，檢驗(yàn)結(jié)果與時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，水質(zhì)狀況整體呈不斷向好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

(2) 空間變化趨勢(shì)分析表明，洞庭湖不同區(qū)域TP濃度空間分布無(wú)明顯特征，CODMn，TN的空間變化規(guī)律總體為南咀至沅江呈下降趨勢(shì)，沅江至城陵磯呈顯著上升趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)汨羅江河段排污口監(jiān)測(cè)工作，控制污染物排放總量。

(3) 一、二污普和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)分析表明，農(nóng)業(yè)施用化肥是造成的洞庭湖區(qū)N，P污染的主導(dǎo)因素，應(yīng)積極推進(jìn)洞庭湖農(nóng)業(yè)面源污染治理工作。