巢湖水環境質量時空演變特征及成因分析

方鳳滿,金高潔,高超

(1.安徽師范大學國土資源與旅游學院,安徽蕪湖241003;2.安徽師范大學附屬中學,安徽蕪湖241000)

水環境問題關系到人口、社會、經濟可持續發展,各地水環境問題日益突出,有關水環境質量及評價方面的研究也越來越多[1-4]。巢湖近年來水環境問題日益突出,已成為我國5大淡水湖中污染最為嚴重的湖泊之一。有關巢湖流域水環境的研究主要為巢湖流域的非點源污染物來源、分布特征及控制對策研究[5],巢湖水體的富營養化狀態及主要指標和限制因子分析[6],巢湖水相、沉積相和生物相中重金屬污染分析[7]。以上工作多從微觀的環境學角度分析巢湖水環境狀況,而從宏觀角度分析巢湖水質參數時空分布的不多。本文以巢湖湖體12個監測點多年監測資料分析其水環境時空分布特征,理清水環境演變軌跡,為更好地科學地認識巢湖水環境變遷提供基礎,亦為巢湖水環境治理提供技術支撐。

1 研究區概況

巢湖流域位于安徽省中部,總面積約 13 350 km2。巢湖居流域中心,是我國聞名的第5大淡水湖。其水域地理位置東經 117°16′54″—117°51′46″,北緯 31°25′28″—31°43′28″。湖泊東西兩端向北翹起,中間向南突出,成“凹”字形。湖泊長度約54.5 km,最大寬度約21.0 km,平均寬度約15.1 km。主要入湖河流有杭埠河、豐樂河、派河、南淝河、柘皋河、白石天河等。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

巢湖水環境質量數據由安徽省環境監測中心站、安徽省環保局和巢湖市環保局提供的湖體12個監測點1995—2007年CODMn,TP,NH3—N,TN,Chla和pH值等逐月水質監測數據。

2.2 研究方法

利用距平值分析水環境時序特征。因監測水環境要素時段序列長短不一致,選取1995—1999年各指標均值作為長序列(1995—2007年)距平基線,而選取2000—2004年作為短序列(2000—2007年)距平基線。依據湖盆12個監測點指標數值,結合各監測點坐標位置,通過空間柵格插值生成新數據集,獲得反映離散狀態的原始數據集暗含的空間特征、空間格局等信息,并使用湖盆邊界對插值空間進行控制。

3 巢湖水環境時空變化特征

3.1 巢湖水環境時間變化特征

3.1.1 高錳酸鹽指數(CODM n)巢湖湖盆水環境CODMn各年距平(相對于1995—1999年)如圖1所示。湖盆CODM n在1995—2007年間呈現一定程度的波動,尤其是2000年以后,呈不斷下降趨勢,但總體線性趨勢斜率為-0.0015,接近于0,表明其在1995—2007年間總體變化不大。

3.1.2 總磷(TP)巢湖水體TP的距平如圖1所示。自1995年以后,TP總體呈現下降趨勢,在2003年出現小幅度的增減反彈,但其幅度甚小,整體而言巢湖水體TP含量基本維持不變,且多為富營養化狀態水體。

3.1.3 總氮(TN)和氨氮(NH3—N)若總氮濃度超過0.3 mg/L(如果氮是限制因素)時,藻類會過量繁殖。1995—2007年,巢湖湖盆水體的 NH3—N,TN呈現下降趨勢(圖2)。

圖1 湖盆1995—2007年 CODMn,TP距平(相對于1995—1999年)

圖2 湖盆1995—2007年 NH3—N距平(相對于1995—1999年)和2000—2007年TN距平(相對于 2000—2004年)

3.1.4 葉綠素a(Chla)表征藻類數量的葉綠素a(Chla)含量大于 10 mg/m3即認為達到富營養化。由圖3可知,湖泊葉綠素水平除2003年外基本維持在一個很小的幅度變化。2003年因溫度、日照等外界因素誘發藍藻大面積暴發,導致葉綠素濃度激增,近年來呈現微弱的下降。

3.1.5 pH值 湖泊水中有機質分解會產生有機酸,降低酸度,酸雨也會造成水體酸化,但富營養化會造成藻類泛濫,水有變堿趨勢[8]。多數時間巢湖水體pH值在7.66～8.2之間,呈現堿性特征,自 2000年之后水體pH值呈現較明顯的下降趨勢(圖3),其線性趨勢斜率達-0.021 5,反映湖盆水體有酸化發展趨勢。

圖3 湖盆2000—2007年葉綠素、pH值距平(相對于2000—2004年)

3.2 巢湖水環境空間分布特征

因1999年12月31日巢湖流域開展以排污達標為主題的“零點行動”,因而將1995—2007年水質監測資料分割為1995—1999年和2000—2007年2個時段,取兩時段的多年平均值,利用Kriging插值到空間上,形成各要素面平均來模擬水環境要素空間分布特征并比較其在2個時段的變化差異。

3.2.1 高錳酸鹽指數(CODMn)巢湖湖盆水環境CODMn均值在西湖區(忠廟—姥山以西)濃度上、空間分布上均有所擴大,由南淝河入湖口等地擴張至派河、豐樂河入湖口等處;而東湖區(忠廟—姥山以東)CODMn濃度卻有所減少,由 1995—1999年最低CODM n濃度4.38 mg/L下降為2000—2007年間的4.04 mg/L,反映巢湖水環境質量的明顯的區域差異性。

3.2.2 總磷(TP)2000—2007年水體TP濃度范圍(0.101 8～0.334 2 mg/L)較 1995—1999年(0.142 2～0.350 7 mg/L)低,表明2000—2007年間整個湖盆TP濃度有所下降。但值得注意的是,在圖4a中TP第 2分級范圍大小為0.153 0～0.165 9 mg/L,此濃度在圖4b中相當于第4分級,表明此濃度的湖盆水體空間范圍擴張到姥山、忠廟一線,即原先1995—1999年的2級水質已由東湖區擴張到西湖區邊緣,2000—2007年東湖區水質有所改善;但西湖區2個時段10級水體濃度差距并不大,仍較穩定地分布于橋南、南淝河入湖口一帶,反映1995—2007年間巢湖湖盆磷營養鹽的輸入較穩定地集中來源于該地區,主要可能與南淝河等入湖河流有關。

3.2.3 氨氮(NH3—N)1995—1999年間巢湖NH3—N濃度較高地區集中在西湖區的派河入湖口、塘西等地,到2000—2007年,NH3—N高濃度地區從派河入湖口、塘西一帶轉至南淝河、橋南一帶且面積有所收縮;同時,東湖區1級水域范圍由東南沿湖擴大到近乎整個東半湖區。但是巢湖壩口地區NH3—N濃度仍屬于2級水域,水質仍有待改善。

3.2.4 總氮(TN)《地表水環境質量標準》標準限值中湖泊水體 TN Ⅴ類水質極值為 2.0 mg/L。2000—2007年間巢湖 TN超標情況嚴重,西半湖全部以及東半湖西部地區均為Ⅴ類水質。氮、磷等營養元素多數來源于工業點源污染和農業面源污染,巢湖湖盆東南側靠近山丘、崗地,且山丘、崗地呈向長江傾斜地勢,匯入巢湖的集水面積小,流水在匯入巢湖過程中帶入的營養鹽可能亦較少,這可能是巢湖東南部沿岸湖區水環境各項指標數值較低的原因之一。

圖4 湖盆1995—1999年,2000—2007年TP均值

3.2.5 葉綠素a(Chla)巢湖湖盆葉綠素含量超標亦非常嚴重,僅僅有東湖區部分地區在10 mg/m3以下,其中,在塘西、南淝河入湖口、橋南一線為湖泊葉綠素含量最高地區,年均值最高達79.53 mg/m3。2003年8月6日,該地區Chla濃度曾經達到5 040 mg/m3,造成湖盆大面積藍藻暴發。

3.2.6 pH值 湖湖盆呈現弱堿性特征,主要因湖泊富營養化泛濫的藻類導致[8],pH值最低地區為巢湖壩口水域,而pH值最大地區為姥山、忠廟以西的西湖區,尤其以塘西、橋南一帶為最。值得注意的是pH值在東半湖的槐林沿湖水域明顯升高,可能與槐林地區發達的漁網工業生產有關。槐林為全國最大的漁網生產基地之一,漁網所需要的高分子聚合物——聚酰胺單絲生產過程中一般要用堿做為催化劑,在洗滌干燥的過程中,會產生堿性廢水。這些工業廢液,經排放之后匯入巢湖,對水體pH值產生影響,導致槐林沿湖地區pH值較東湖區其它地區高。

4 巢湖水環境時空演變成因初步分析

4.1 豐富的外源匯入加劇水環境壓力

巢湖每年接納大量未經達標處理的工業和生活污水,加之農業化肥流失,土壤侵蝕以及臨湖岸線崩塌等面源污染的影響,豐富的外來物質匯入造成較大水環境壓力。(1)流域人口迅速增加,產生大量的生活污染,加大對水環境的壓力。尤其是2000年之后巢湖流域城市化進程加快,流域內兩座城市(合肥、巢湖),9個縣級城鎮,共計943.47萬人,是安徽省人口最密集的地區之一。巢湖流域2005—2007年生活污水平均年排放量為1.78×108m3,NH3—N和TP年排放量分別為5 204.89 t和575.39 t,流域內第一大城市合肥市NH3—N和TP排放量占總排放量的67.19%和69.80%,流經該市的南淝河由于流程短,無“活水源頭”,水體自凈能力較弱,將大量污染物質帶入巢湖,這也是巢湖水環境各項指標在南淝河口等地呈現比較集中的主要緣由。(2)流域內大量的工業廢水排入巢湖。巢湖流域內有若干高新科技區、工業開發區、經濟技術開發區,例如合肥的桃花工業區在派河上游,舒城縣開發區在豐樂河上游,這些開發區的工業污染順河而下,造成派河、豐樂河入湖口處水環境污染嚴重。但隨著工業企業治污能力的提高,工業污染排放總量逐步降低,帶來巢湖水體環境改善[9]。(3)過量的施用化肥、農藥,使農業面源對巢湖的污染越來越嚴重。巢湖流域水土流失嚴重,流域內植被覆蓋率低,僅為15.2%,低于全省平均水平28.9%;流域內水土流失面積達1 773 km2,占流域總面積的19%。水土流失致使化肥、農藥等非點源污染物匯入巢湖,其中磷污染是水體富營養化的重要影響因素。巢湖流域非點源磷污染地主要集中在西南部以及南淝河、十五里河等地區,這可以解釋水體中TP和葉綠素高濃度地區穩定分布于上述地帶的原因。

4.2 持續的內源釋放加重富營養化程度

巢湖長期接納流域內河流輸送來的大量污染物,日積月累積聚于湖底,形成湖盆內污染源。長期淤積形成的湖泊底泥中積聚了大量氮磷,并且持續向水體釋放。巢湖底泥釋放的氮磷貢獻量約占全湖總負荷的20%,已是巢湖不可忽視的重要污染內源[10]。巢湖水體中的一些藻類如藍藻門的Gomphosphaeria和近年來頻繁引起水華的微囊藻(Microcystis)在冬季不發生形態上的變化,而只是以休眠的方式存在于底泥的表面,這些藻類在底泥中長期存活,在適當條件下(如春末夏初)由底泥上升到水體中,加劇藍藻暴發現象[10]。

4.3 適宜的生長環境易誘發大規模藍藻暴發

巢湖為大型半封閉淺水湖泊,水土界面物質交換劇烈,氮磷積聚釋放頻繁。巢湖氮磷比一般為(10～15)∶1,夏季水溫為25℃～30℃,適宜藍藻生長繁殖,遇持續高溫天氣,藍藻易迅速爆發[9]。有學者[11]對湖泊水體葉綠素 a濃度與上月降雨量進行雙側Person檢驗,其相關系數為0.809,表明葉綠素a含量變化與流域地表徑流帶入湖區的營養物質數量顯著相關。2003年8月巢湖流域藍藻暴發,7月流域平均降水量達366 mm,而西南部山區達到430 mm,占全年降水量的1/3左右,大量降水帶來豐富營養物質,尤其是來自西部山區農作物地區的大量磷、氮等營養元素的匯入最終導致了藍藻暴發。

5 結論

近年來巢湖水環境問題日益突出,研究其水環境時空分布特征,可為巢湖水環境變遷研究提供依據。

(1)時間序列上,巢湖水環境要素中的CODM n,TP濃度在1995—2000年間變幅不明顯,而 TN和NH3—N濃度下降趨勢較顯著,葉綠素指標除2003年因藍藻暴發大幅增加外,變幅較微弱。

(2)空間分布上,CODMn高濃度地區在西湖區有所擴張,TP空間范圍向西湖區有所收縮,NH3—N高濃度地區從派河入湖口、塘西一帶轉至南淝河、橋南一帶且面積有所收縮,TN和葉綠素在西湖區濃度仍高于東湖區,pH值在東湖區槐林一帶較高。總體上,東湖區水環境質量比西湖區好,整個巢湖近年來水環境有改善趨勢。

(3)巢湖水環境時空演變與其特殊的地理環境有密不可分的關系。巢湖是流域內水系的總匯入,而出水口又為人工調節所限制,當然流域內人類活動更是造成水環境污染的直接原因。總體上與豐富的外源匯入加劇水環境壓力、持續的內源釋放加重富營養化程度、適宜的生長環境等因素有關。

(4)理清巢湖水環境時空分布特征,如何合理有效地利用取得的時空分布特征去制定巢湖水環境的高效治理將是后續研究的方向,探究從流域角度出發,實施流域生態管理,實現治理管理一體化將是努力的目標。

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