吳利 張雁 陳亞軍 耿明 陳小娟

摘要：分析秋季巢湖流域河湖系統(tǒng)水環(huán)境因子空間分布特征，對水質(zhì)狀況開展評價，為流域水環(huán)境綜合治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。2019年10月在巢湖和7條入湖河流分別設(shè)置8個和25個采樣點(diǎn)，監(jiān)測水環(huán)境因子，并采用水質(zhì)指數(shù)（WQI）對其營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價。結(jié)果表明：（1）巢湖流域河湖水系之間所有水質(zhì)參數(shù)（除水溫外）和WQI指數(shù)均存在顯著性差異，巢湖流域河湖系統(tǒng)水環(huán)境在營養(yǎng)梯度上呈現(xiàn)明顯的空間格局，東巢湖水質(zhì)優(yōu)于西巢湖；杭埠河、柘皋河、裕溪河水質(zhì)優(yōu)于兆河、白石山河、派河、南淝河；依據(jù)WQI指數(shù)，東巢湖、西巢湖、杭埠河、柘皋河、裕溪河水質(zhì)為較好，兆河、白石山河、派河、南淝河水質(zhì)為中等；（2）相較以往研究，本研究中西巢湖水質(zhì)無明顯變化，東巢湖水質(zhì)略有下降，白石山河和兆河由原來的清水型河流轉(zhuǎn)變?yōu)槲廴緡?yán)重型河流，污染程度加重，其余環(huán)湖河流水質(zhì)無明顯變化；（3）應(yīng)加強(qiáng)巢湖入湖河流氮源的管理和控制，并加強(qiáng)對小型流域的持續(xù)監(jiān)測，深入了解小型支流在整個營養(yǎng)物質(zhì)輸送中所起的作用。

關(guān)鍵詞：河湖系統(tǒng)；水環(huán)境因子；WQI指數(shù)；巢湖流域

中圖分類號：X171.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號：1674-3075（2023）01-0065-08

自然過程、人為活動等諸多壓力下，水質(zhì)惡化情況十分普遍（Wang et al，2008；Todd et al，2012）。為了保護(hù)和控制水質(zhì)，有必要收集有關(guān)水質(zhì)狀況及其時空變化的相關(guān)信息，開展水質(zhì)評估，為水資源管理和水污染控制提供基礎(chǔ)支撐（Romero et al，2016；Zhang et al，2019；Gitau et al，2016）。河流為工農(nóng)業(yè)和生活提供了重要的水資源，同時也接納大量的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)退水和生活污水。入湖河道水質(zhì)和水量直接影響到湖泊營養(yǎng)程度，成為湖泊富營養(yǎng)化最大的驅(qū)動力。巢湖位于安徽省中部，是我國著名的五大淡水湖泊之一，共有33條河流呈放射狀排列在巢湖周圍，巢湖水質(zhì)一定程度上取決于連通河流的水質(zhì)狀況（特別是入湖河流）。近年來，對巢湖流域許多研究集中在物理、化學(xué)（如營養(yǎng)鹽、溶解性有機(jī)物、重金屬等）（儲茵等，2011；王書航等，2011a；2011b；奚姍姍等，2016）和生物（如浮游植物、浮游動物、底棲大型無脊椎動物）等方面（吳利等，2017；Zhang et al，2019），而對巢湖全流域河流-湖泊系統(tǒng)水質(zhì)狀況研究較少。

水質(zhì)評價可以采用多種方法，包括統(tǒng)計法、建模技術(shù)、水質(zhì)指數(shù)（WQI）等（Wu et al，2021）。其中，WQI有效地將多個物理和化學(xué)參數(shù)整合為反映整體狀況的單一數(shù)值，已被廣泛應(yīng)用于地表水和地下水質(zhì)量評價，特別是河流的水質(zhì)評估（Mohebbi et al，2013；Nong et al，2020；Pesce ＆ Wunderlin，2000）。與傳統(tǒng)的水質(zhì)評價方法相比，WQI可組合表征水質(zhì)的各種參數(shù)，檢測總體水質(zhì)狀況以及水質(zhì)趨勢（Hurley et al，2012；Qu et al，2020；Wu et al，2020），是一種有效的水質(zhì)評價和管理方法，并在水資源管理中發(fā)揮著越來越重要的作用（Sutadian et al，2016）。本文通過分析秋季巢湖流域河湖系統(tǒng)水環(huán)境因子空間分布特征，運(yùn)用水質(zhì)指數(shù)（WQI）對水質(zhì)狀況開展評價，以期為巢湖流域水環(huán)境綜合治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 ? 材料和方法

1.1 ? 研究區(qū)域概況

巢湖流域（30°52′25′′～32°7′53′′N，116°23′59′′～118°22′5′′E）屬長江下游左岸水系，為亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，四季分明，流域面積為1.35×105 km2，約占安徽省總面積的9.3%（圖1）。地貌以平原為主，海拔由西向東逐漸降低，低山區(qū)海拔從8 m到1.49×103 m不等。年平均氣溫和降雨量為16°C和1.22×103 mm。巢湖流域?qū)Ξ?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，流域人口占安徽省人口的15.8%，貢獻(xiàn)了29.4%的安徽省國內(nèi)生產(chǎn)總值（Wu et al，2021）。巢湖流域33條河流分別屬于柘皋河、南淝-店埠河、派河、杭埠-豐樂河、白石山河、兆河、裕溪河等7條水系，裕溪河水系為出湖水系，其他6條水系為入湖水系，且營養(yǎng)水平存在顯著差異（王書航等，2011a）。

1.2 ? 采樣點(diǎn)設(shè)置

在巢湖湖體設(shè)置8個采樣點(diǎn)，其中西巢湖（WCH）4個，包括西湖心、新河入湖區(qū)、湖濱、中廟；東巢湖（ECH）4個，包括東湖心、兆河入湖區(qū)、黃麓、船廠；7條環(huán)湖河流共設(shè)置25個采樣點(diǎn)，其中南淝河（NFH）、杭埠河（HBH）、兆河（ZH）、裕溪河（YXH）分別在上游、中游、下游、河口設(shè)置采樣點(diǎn)；派河（PH）、白石山河（BSSH）、柘皋河（ZGH）分別在中游、下游、河口設(shè)置采樣點(diǎn)。所有采樣點(diǎn)采用GPS定位，具體分布如圖1，經(jīng)緯度見表1。

1.3 ? 樣品采集與處理

采樣時間為2019年10月11-17日，每個采樣點(diǎn)采集上、中、下不同深度水體，取混合樣品1.5 L?，F(xiàn)場使用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀（YSI6600-V2，USA）測定溶氧（DO）、電導(dǎo)率（Cond）、水溫（Temp）、pH、溶解性總固體（TDS）等參數(shù)，Secchi盤現(xiàn)場測定透明度（SD）?？偟═N）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷（TP）采用過硫酸鉀消解法，高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）采用高錳酸鹽滴定法，硝態(tài)氮（NO3--N）采用酚二磺酸法，亞硝態(tài)氮（NO2--N）采用α-萘胺比色法，磷酸鹽（PO43--P）采用鉬-銻-抗分光光度法，氨氮（NH4+-N）采用納氏試劑比色法，葉綠素a（Chl-a）采用分光光度法，生化需氧量（BOD5）采用稀釋接種法（金相燦和屠清瑛，1990）。

1.4 ? 營養(yǎng)狀態(tài)評價

采用WQI指數(shù)對巢湖及7條河流營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價。WQI指數(shù)中每個水質(zhì)參數(shù)都被分配一個權(quán)重因子，以反映其作為整體水質(zhì)參數(shù)的重要性（Pesce ＆ Wunderlin，2000）。WQI指數(shù)計算公式如下：

WQI=[i=1nCiPii=1nPi] ? ? ? ? ? ? ①

式中：n為參數(shù)總數(shù)，Ci為參數(shù)i的歸一化值，Pi為參數(shù)i的權(quán)重。研究中使用的Ci和Pi值詳見表2（Qu et al，2020；Wu et al，2020）。WQI值從0到100不等，較高的數(shù)值表明水質(zhì)狀況較好。水質(zhì)狀況分為5級，即0～25，26～50，51～70，71～90，91～100，分別對應(yīng)于非常差、差、中等、較好、好。根據(jù)查閱最新文獻(xiàn)，SD和Chl-a未有Ci和Pi值，因此本文采用Temp、pH、Cond、DO、TP、TN、NO3--N、NH4+-N、NO2--N、PO43--P、CODMn、BOD5等12個水質(zhì)參數(shù)計算WQI，并對其實(shí)測值進(jìn)行歸一化處理。

1.5 ? 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析檢驗(yàn)不同樣點(diǎn)對單個水質(zhì)參數(shù)的影響?；趌og（x+1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用主成分分析（PCA）方法檢測水質(zhì)模式，采用皮爾遜相關(guān)分析確定影響WQI的關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用PRIMER 6軟件對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行聚類分析。單因素方差分析、相關(guān)分析和主成分分析通過R軟件3.3.2版本實(shí)現(xiàn)，顯著水平設(shè)為P<0.05。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 巢湖流域河湖系統(tǒng)水體理化參數(shù)

巢湖及7條河流水質(zhì)參數(shù)如表3所示。方差分析結(jié)果表明，除Temp差異性不顯著外，其他所有水質(zhì)參數(shù)均存在顯著性差異（P<0.05）。巢湖及7條河流整體呈堿性，pH為7.55～10.09，西巢湖、東巢湖、兆河pH最高。TN變化范圍為0.86～5.65 mg/L，氮營養(yǎng)鹽濃度總體表現(xiàn)為：西巢湖高于東巢湖，南淝河、派河、兆河、白石山河高于西巢湖，柘皋河高于東巢湖，除杭埠河外，5條入湖河流高于出湖河流裕溪河。磷營養(yǎng)鹽濃度總體表現(xiàn)為：西巢湖高于東巢湖，南淝河、白石山河、兆河高于西巢湖，除杭埠河和柘皋河外，4條入湖河流高于出湖河流裕溪河。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002），西巢湖和東巢湖TN、TP含量皆超地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，南淝河、派河、白石山河、兆河4條河流的TN和TP含量分別超地表水V類標(biāo)準(zhǔn)和IV類標(biāo)準(zhǔn)。

主成分分析（PCA）前兩軸解釋了超過69.7%的水質(zhì)總方差。Cond（-0.79）、TN（-0.92）、TP（-0.85）、PO43--P（-0.68）、NH4+-N（-0.72）、NO2--N（-0.72）、CODMn（-0.71）、BOD5（-0.79）與第一軸密切相關(guān)，DO（0.70）、pH（0.90）、Chl-a（0.76）與第二軸密切相關(guān)。聚類分析和PCA分析顯示，所有樣點(diǎn)分為5組：第一組包括杭埠河，具有最高的SD；第二組包含南淝河和派河，具有較高的營養(yǎng)鹽（包括TN、TP、PO43--P、NO3--N和NO2--N和NH4+-N）和Cond；第三組包括裕溪河和柘皋河；第四組包括白石山河，具有較高的TN和TP；第五組包括兆河、西巢湖和東巢湖，具有較高BOD5、CODMn、pH、DO和 Chl-a（圖2和圖3）。巢湖和7條河流在營養(yǎng)梯度上呈現(xiàn)出明顯空間分布格局。

2.2 ? 水質(zhì)指數(shù)（WQI）分析

巢湖及其環(huán)湖河流WQI指數(shù)見圖4。方差分析結(jié)果表明，巢湖及7條河流WQI指數(shù)存在顯著性差異（P<0.05）。東巢湖、西巢湖WQI指數(shù)均值分別為79.69和76.88；7條河流WQI指數(shù)均值順序?yàn)椋汉疾汉樱?4.90）>柘皋河（80.14）>裕溪河（78.96）>兆河（67.60）>白石山河（65.14）=派河（65.14）>南淝河（64.58）。東巢湖、西巢湖、杭埠河、柘皋河、裕溪河水質(zhì)為較好，兆河、白石山河、派河、南淝河水質(zhì)為中等?？傮w來看，東巢湖水質(zhì)優(yōu)于西巢湖；杭埠河、柘皋河、裕溪河水質(zhì)優(yōu)于兆河、白石山河、派河、南淝河。各水質(zhì)參數(shù)對WQI指數(shù)的相關(guān)性為TN（-0.79）、NO2--N（-0.76）、TP（-0.74）、NH4+-N（-0.73）、BOD5（-0.68）、PO43--P（-0.60）、NO3--N（-0.52）、Cond（-0.51）、CODMn（-0.43）、DO（0.42）（圖5），影響WQI指數(shù)的主要參數(shù)為氮磷營養(yǎng)鹽。

3 ? 討論

3.1 ? 巢湖流域水環(huán)境因子空間分布特征

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巢湖流域河湖系統(tǒng)巢湖與河流之間及河流與河流之間所有水質(zhì)參數(shù)（除水溫外）和WQI指數(shù)均存在顯著性差異（P<0.05），聚類分析和PCA分析顯示巢湖及7條河流可以劃分為5組，進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)報道（王書航等，2011a；Wu et al，2021），即巢湖流域河湖系統(tǒng)水環(huán)境在營養(yǎng)梯度上呈現(xiàn)出明顯的空間格局，表現(xiàn)在東巢湖水質(zhì)優(yōu)于西巢湖；杭埠河、柘皋河、裕溪河水質(zhì)優(yōu)于兆河、白石山河、派河、南淝河。

依據(jù)Zhang等（2020）對河流流域的劃分，本研究中杭埠河為森林河段，南淝河和派河為城市河段，白石山河和兆河為農(nóng)業(yè)河段，柘皋河為混合河段，裕溪河河口和上游為混合河段，中游和下游為森林河段。相關(guān)分析表明影響WQI指數(shù)的主要參數(shù)為氮磷營養(yǎng)鹽。城市河流通常從各種來源獲得大量的營養(yǎng)物質(zhì)輸入（張笛等，2020）。城市河段的南淝河和派河N、P含量較高。南淝河和派河的Cond也較高，表明河水具有更強(qiáng)的電流傳導(dǎo)能力，這可能意味著具有更適合微生物生長的條件（Quick et al，2019）。

環(huán)湖河流中南淝河、派河、兆河、白石山河4條河流氮營養(yǎng)鹽含量均高于西巢湖；柘皋河氮營養(yǎng)鹽含量均高于東巢湖，南淝河、兆河、白石山河TP含量均高于西巢湖，表明巢湖氮磷營養(yǎng)鹽特別是氮營養(yǎng)鹽主要由南淝河、派河、兆河、白石山河4條河流輸入。西巢湖Chl-a、CODMn、氮磷營養(yǎng)鹽濃度均高于東巢湖，主要原因是西巢湖氮磷營養(yǎng)鹽主要由南淝河、派河、白石山河輸入，東巢湖氮磷營養(yǎng)鹽主要由兆河和柘皋河輸入，并由出湖河流裕溪河輸出，導(dǎo)致巢湖西部湖區(qū)水體中氮磷營養(yǎng)鹽含量高于東部湖區(qū)。張民等（2020）基于2012-2018年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示巢湖中東部營養(yǎng)鹽水平顯著增加，使得巢湖湖體富營養(yǎng)化的空間差異縮小，并指出兆河、東部雙橋河和柘皋河3條河流的入湖TP負(fù)荷升高，是導(dǎo)致中東部湖區(qū)營養(yǎng)鹽水平升高的最直接因素，也是導(dǎo)致巢湖營養(yǎng)鹽水平呈現(xiàn)升高趨勢的主要原因。與上述研究結(jié)果一致，本研究中結(jié)果也顯示東巢湖較高的營養(yǎng)鹽由兆河和柘皋河輸入。

Yu等（2019）估算1955-2014年中國各地水體氮排放的空間模式，給出通過管理氮以恢復(fù)水質(zhì)的建議。王書航等（2011b）指出在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下，可優(yōu)先控制巢湖入湖河流 TN 的輸入總量。與上述研究結(jié)果一致，本研究認(rèn)為巢湖水體富營養(yǎng)化的污染治理應(yīng)著重加強(qiáng)入湖河流氮源的管理和控制。Mooney等（2020）發(fā)現(xiàn)相對于大型支流來說，小型支流輸送的水含有更高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)，對受納水體藻華暴發(fā)具有更大的潛在威脅。本研究中巢湖流域3條小型支流派河、兆河、白石山河對巢湖氮磷營養(yǎng)鹽輸入負(fù)荷較大。因此應(yīng)加強(qiáng)對小型流域的持續(xù)監(jiān)測，深入了解小型支流在整個養(yǎng)分輸送中所起的作用。

王書航等（2011a）指出杭埠河和白石山河是巢湖清水的主要來源；柘皋河和兆河水質(zhì)尚好。白石山河和兆河污染分級僅高于杭埠河，而低于其他環(huán)湖河流。本研究中，白石山河和兆河為農(nóng)業(yè)河段，氮磷營養(yǎng)鹽含量僅次于城市河流南淝河和派河，高于巢湖湖體，且白石山河和兆河Chl-a濃度均高于其他環(huán)湖河流，TN和TP含量皆超地表水V類和IV類標(biāo)準(zhǔn)，表明白石山河和兆河污染程度加重。兆河流經(jīng)白湖農(nóng)場，周邊有大面積農(nóng)田，白石山河流域耕地面積占該流域總面積的81.12%，大量磷肥的施用，通過雨水沖刷和地表徑流等途徑進(jìn)入河流導(dǎo)致水體TP含量高于其他河流（張殷俊等，2011）。

本研究中營養(yǎng)鹽含量較低的3條河流為杭埠河、柘皋河和裕溪河。杭埠河為森林河段，河流兩岸植被覆蓋率高，周邊工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放較少，河面開闊，水體自凈能力較強(qiáng)（周慧等，2020），因此杭埠河具有最高的SD，最低的Cond及最低的Chl-a、CODMn、BOD5、氮磷營養(yǎng)鹽濃度。柘皋河為混合河段，上游流域地貌為丘陵，耕地以農(nóng)田為主，單位面積人口少；中游河段穿過柘皋鎮(zhèn)，地勢平緩，沿河有居民居住。下游河邊有大量水葫蘆、蘆葦、香蒲水生植物生長（儲茵等，2011）。裕溪河為巢湖水系入江唯一通道，自巢湖閘開始，東南向流，河口和上游為混合河段，中游和下游為森林河段，兩岸工農(nóng)業(yè)污染和生活污染較少，人工筑堤較高，常年通航運(yùn)沙船只，水質(zhì)良好。

3.2 ? 巢湖流域河湖系統(tǒng)水質(zhì)歷史演變

同張民等（2020）對巢湖水質(zhì)的研究結(jié)果一致，本研究中西巢湖和東巢湖TN、TP含量皆超地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，表明西巢湖水質(zhì)無明顯變化，東巢湖水質(zhì)略有下降，這可能與南部入湖河流兆河污染程度加重有關(guān)。唐萍和胡偉（2013）對2001-2012年巢湖流域河流水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明南淝河、派河水質(zhì)均為重度污染，兆河、柘皋河、裕溪河水質(zhì)為良好，杭埠河和白石山河水質(zhì)為輕度污染和良好。奚姍姍等（2016）指出2013-2014年南淝河和派河污染較為嚴(yán)重，兆河和柘皋河污染較輕。張民等（2020）基于2012-2018年調(diào)查數(shù)據(jù)，指出巢湖西部 4 條主要入湖污染河流（南淝河、十五里河、塘西河和派河）水質(zhì)明顯改善，但仍處于較高污染水平，中東部入湖河流（兆河、雙橋河和柘皋河）總磷濃度明顯升高。Wu等（2021）指出杭埠河和柘皋河水質(zhì)最好，兆河、裕溪河和白石山河水質(zhì)優(yōu)于南淝河和派河。相較上述研究，本研究表明南淝河和派河水質(zhì)無顯著變化，但白石山河、兆河TN、TP達(dá)V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N濃度分別達(dá)IV和III類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)下降明顯，白石山河和兆河由原來的清水型河流轉(zhuǎn)變?yōu)槲廴緡?yán)重型河流，其余環(huán)湖河流水質(zhì)無明顯變化。

志謝：感謝合肥師范學(xué)院16級生物科學(xué)中美合作班的胡軒銳、沈古月、姚豐在野外樣品采集中辛苦工作，在此致以衷心感謝！

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（責(zé)任編輯 ? 鄭金秀）

Distribution of Water Environmental Factors and Evaluation of Trophic State

in the River-Lake System of Chaohu Lake Basin

WU Li1，2，ZHANG Yan2，CHEN Ya‐jun2，GENG Ming2，CHEN Xiao‐juan1

（1. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources，Institute of Hydroecology，

Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences，Wuhan ? 430079，P. R. China；

2. School of Life Sciences，Hefei Normal University，Hefei ? 230061，P. R. China）

Abstract： Chaohu Lake， located in central Anhui Province， is a typical eutrophic lake with 33 rivers surrounding the lake in radial pattern. In this study， we analyzed the spatial distribution of water environmental factors in the Chaohu Lake basin and the trophic state of the lake was assessed using the water quality index （WQI）. Our aim was to provide scientific evidence for managing water quality and conserving the ecology of Chaohu Lake basin. During October 11-17， 2019， water environmental factors were determined on water collected at 33 sampling stations in Chaohu Lake and 7 tributaries， including East and West Chaohu Lake （ECH and WCH ）， Nanfei River （NFH）， Hangbu River （HBH）， Zhaohe River （ZH）， Yuxi River （YXH）， Paihe River （PH）， Baishishan River （BSSH） and Zhegao River （ZGH）. Results were as follows： （1） Except for water temperature， there were significant spatial differences in water quality parameters and the WQI in the Chaohu Lake basin. The water environment of the basin presented an obvious spatial nutrient gradient：the water quality of East Chaohu Lake was better than that of West Chaohu Lake，the water quality of Hangbu River，Zhegao River and Yuxi River were better than that of Zhaohe River，Baishishan River，Paihe River and Nanfei River. The WQI of East and West Chaohu Lake were 79.69 and 76.88， and the WQI of the seven investigated rivers were in the order： Hangbu River （84.90）>Zhegao River （80.14）>Yuxi River （78.96）>Zhaohe River （67.60）>Baishishan River （65.14） = Paihe River （65.14）>Nanfei River （64.58）. According to WQI， the water quality conditions in East Chaohu Lake， West Chaohu Lake，Hangbu River，Zhegao River and Yuxi River were at the good level，while Zhaohe River，Baishishan River，Paihe River and Nanfei River were at the moderate level. （2） Compared with previous studies， there was no significant change in the water quality of West Chaohu Lake and water quality in East Chaohu Lake decreased slightly， pollution levels in Zhaohe River and Baishishan River increased dramatically， from clean to seriously polluted， and water quality in the other rivers remained about the same. （3） The management and control of nitrogen sources in tributaries of Chaohu Lake should be strengthened， and continuous monitoring of water quality in small watersheds should be strengthened to better understand the role of small tributaries in the nutrient transport of the entire basin.

Key words：river-lake system；water environmental factor；water quality index （WQI）; Chaohu Lake basin