珠江流域五大高原湖泊近10年水質(zhì)狀況及變化趨勢分析

，， (珠江流域水資源保護局，廣東 廣州 510611)

珠江流域五大高原湖泊近10年水質(zhì)狀況及變化趨勢分析

劉曉丹，單鳳霞，劉珩
(珠江流域水資源保護局，廣東 廣州 510611)

基于珠江流域五大高原湖泊2007—2016年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對其水質(zhì)進行了單因子評價、污染特征的層次聚類分析、水質(zhì)變化趨勢的spearman秩相關系數(shù)分析，結(jié)果表明：①采用單因子指數(shù)法評價，五大高原湖泊的水質(zhì)類別均不符合其水質(zhì)目標的要求；②根據(jù)聚類分析，第一類為以面源為主的撫仙湖、星云湖及杞麓湖，第二類為城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)廢水點源污染突出的異龍湖，第三類為以砷污染為明顯特征的陽宗海；③根據(jù)spearman秩相關分析，除撫仙湖外，其它湖泊水質(zhì)均呈現(xiàn)變差趨勢，高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量呈普遍變差趨勢。

高原湖泊；水質(zhì)現(xiàn)狀；變化趨勢；珠江流域；單因子評價；層次聚類分析；秩相關系數(shù)分析

位于云南省境內(nèi)的陽宗海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖和異龍湖并稱珠江流域的五大高原湖泊，是極為寶貴的自然資源，在社會經(jīng)濟發(fā)展中起著重要的支撐作用。由于地處高原，受氣候影響，造成高原湖泊補給水源偏少、水體交換速率慢、自凈能力差等自然特性[1]。因此，高原湖泊較平原地區(qū)的湖泊呈現(xiàn)更為顯著的生態(tài)脆弱性。

2011年開展了第一次全國水利普查，其中湖泊治理保護情況專題調(diào)查了湖泊的現(xiàn)狀問題，五大高原湖泊最為突出也是普遍存在的就是水體污染問題[2]。近年來，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展導致流域污染負荷總量進一步快速增加[3]，給高原湖泊的生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力，使原本十分突出的水體污染進一步惡化，已不能滿足其所在水功能區(qū)的水質(zhì)目標。因此，認識高原湖泊的水質(zhì)現(xiàn)狀、變化趨勢以及污染狀況等對生態(tài)環(huán)境保護、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展都具有十分重要的意義。

本文對2007—2016年五大高原湖泊的水質(zhì)資料進行了評價，通過聚類分析法對五大高原湖泊的污染特征進行了分類，采用Daniel趨勢檢驗中的spearman秩相關系數(shù)法分析了五大高原湖泊近10年的水質(zhì)變化趨勢及程度，通過線性分析對特征污染指標進行篩查并給出其作用強度，以期為高原湖泊的水資源開發(fā)利用與保護提供科學依據(jù)。

1 歷年水質(zhì)狀況評價

1.1 各湖泊及其監(jiān)測斷面情況

五大高原湖泊是水面面積常年不小于10 km2的天然湖泊，為掌握其水質(zhì)狀況，各湖泊均設有水質(zhì)監(jiān)測斷面，并每月采樣監(jiān)測。湖泊及各采樣點位置見表1、圖1。

表1 五大高原湖泊及其水質(zhì)監(jiān)測斷面信息

表2 2007—2016年五大高原湖泊水質(zhì)狀況

1.2 各湖泊水質(zhì)年際變化情況

以《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》為評價標準，采用單因子評價法，將各測點的監(jiān)測值與評價標準對照進行分類，以類別表征各水質(zhì)項目的污染程度。斷面綜合水質(zhì)類別采用單指標法(最差的項目賦全權(quán)，又稱一票否決法)，即選用水質(zhì)最差的單項指標來代表該水域的綜合水質(zhì)類別。表2為五大高原湖泊近10年的年均水質(zhì)狀況，其中水質(zhì)類別為地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目22項(水溫和糞大腸菌群不參評)的參評結(jié)果。

由表2可見，除撫仙湖2007—2014年水質(zhì)滿足水質(zhì)目標外，其他四大高原湖泊近10年的年度水質(zhì)狀況均不能達到對應水質(zhì)目標要求。單因子評價法雖然簡單直觀，但用最差單項指標類別判定水體整體類別，會掩蓋其他非最差指標的變化趨勢，從而不能準確反映水體中各污染物的變化情況。以撫仙湖為例，撫仙湖2007—2016年水質(zhì)類別為Ⅰ～Ⅱ類，并不能直接說明其中各指標均不存在變好或變差的趨勢。圖2為撫仙湖主要超標項目 CODMn、TN和TP的年際變化趨勢圖，湖泊Ⅰ類水質(zhì)要求高錳酸鹽指數(shù)不超過2.0 mg/L，TN不超過0.2 mg/L，TP不超過0.01 mg/L。圖中高錳酸鹽指數(shù)雖然僅2013年出現(xiàn)超標，但其濃度的變化趨勢是逐漸升高的；TN的年均值有所波動，2013年前逐年升高后濃度降低；TP的年均值也有波動，但其濃度升高的趨勢不明顯。由此可見，撫仙湖的主要污染物高錳酸鹽指數(shù)濃度存在逐漸升高的趨勢，但單因子評價卻不能真實反映這一變化情況。

2 五大高原湖泊污染特征分類

聚類分析(Cluster Analysis)是從一批樣品(或變量)的多項指標變量中，定義能度量樣品或變量間相似程度(或親疏關系)的統(tǒng)計量，在此基礎上求出樣品(或變量)之間的相似程度度量值，按相似程度的大小，把樣本(或變量)逐一歸類，關系密切的類聚集到一個小的分類單元，關系疏遠的聚合到一個大的分類單元，直到所有的樣本或變量都聚集完畢[4]。本文采用層次聚類分析(Hierarchical Cluster Analysis)中的Q型聚類法對五大湖泊進行分類。根據(jù)五大高原湖泊2016年的各類水質(zhì)參數(shù)，測量各樣本之間的親疏程度，從而確定各類湖泊的不同污染特征，聚類結(jié)果見表3、表4。

表3 五大高原湖泊間的距離矩陣

表4 五大高原湖泊聚類歸屬情況表

從聚類結(jié)果可看出，撫仙湖、星云湖和杞麓湖的污染特征較為相似，被歸為一類。主要以面源污染為主，既有來自湖泊外部的沿岸農(nóng)業(yè)氮磷肥料的污染，也有來自湖泊內(nèi)部底泥中的氮磷釋放。雖然這三大湖泊的基本污染類型具有共性，但也各有特點。其中，撫仙湖所在地澄江縣的化肥過量施用和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的過快發(fā)展，已成為撫仙湖的主要污染源。撫仙湖是五大湖泊中水域面積最大的湖泊，由于換水周期長，入湖的氮、磷污染物中約有90%滯留于湖中[5]，且其中氮素水平增長迅速，磷素水平相對穩(wěn)定。星云湖的第一位污染指標是TP，近年來星云湖的水質(zhì)逐步惡化至劣Ⅴ類，與其所在地江川縣的主導產(chǎn)業(yè)磷化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關系密切。杞麓湖的第一位污染指標為TN，這與歷史上通?？h的氮肥企業(yè)造成的嚴重污染有關；另一方面是徑流區(qū)的生活污水匯入造成的[6]。

聚類結(jié)果中將陽宗海和異龍湖各分一類，并區(qū)別于其他三大湖泊，聚類過程詳見圖3。異龍湖的污染特征既包括城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)廢水造成的點源污染，又包括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水、農(nóng)村生活廢水和降雨地面徑流造成的面源污染[7]；由于水資源的過度開發(fā)利用、城市污水的排入以及網(wǎng)箱養(yǎng)殖餌料的過量投放，導致水質(zhì)惡化，使湖水水質(zhì)降到V類以下，湖區(qū)內(nèi)水葫蘆大量繁殖，已經(jīng)嚴重影響生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。陽宗海的污染特征除了與其余四大湖泊相似的面源及點源污染外，還有由于陽宗海電廠冷卻循環(huán)水的排入以及網(wǎng)箱養(yǎng)魚造成的富營養(yǎng)加劇[8]； 另外一大重要特征就是2008年砷污染事件使陽宗海水體中的砷含量遠遠高于其余四大湖泊，2007—2016年陽宗海水體中砷的檢出含量變化情況見圖4，可見2008年發(fā)生砷污染事故后，2009年的檢出達到峰值，隨后經(jīng)過一系列有效措施治理，砷的檢出量有所回落，但從趨勢上看，陽宗海砷的含量還是呈現(xiàn)上升趨勢。

3 五大高原湖泊水質(zhì)變化趨勢分析

水質(zhì)參數(shù)是隨機變量，有其時空分布的特點。進行水質(zhì)趨勢分析的目的是為了掌握水質(zhì)隨時間的變化規(guī)律，探求水質(zhì)變量在時間系列中穩(wěn)定而規(guī)則的變化趨向。

Daniel趨勢檢驗，即spearman秩相關系數(shù)法，用于衡量環(huán)境污染變化趨勢在統(tǒng)計上有無顯著性，以及監(jiān)測周期的年平均濃度值污染變化趨勢?！董h(huán)境質(zhì)量綜合分析技術(shù)導則》中對地表水水質(zhì)、地下水水質(zhì)、近岸海域海水水質(zhì)等的多時段變化趨勢和變化程度分析都推薦使用Spearman秩相關系數(shù)法。它是一種非參數(shù)統(tǒng)計方法，是用秩相關系數(shù)檢驗二元定序變量間線性相關程度，適用于單因素小樣本數(shù)的相關檢驗。在各污染因子的變化趨勢、總體分布都呈未知狀態(tài)，且沒有確定值限的情況下，采用此法進行評價可以全面了解水質(zhì)變化的發(fā)展趨勢，避免單因子評價法的一些不合理因素[9-10]。

采用2007—2016年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對五大高原湖泊水質(zhì)變化趨勢進行分析。根據(jù)各污染物貢獻率及前文確定的湖泊污染特征，各湖泊的主要污染指標為TP、TN、CODMn和BOD5，異龍湖在此4項污染指標的基礎上，另外加入透明度進行分析，陽宗海加入了砷和透明度2項特征指標。五大湖泊的主要污染物及貢獻率見表5，趨勢分析結(jié)果見表6。

表5 五大高原湖泊水質(zhì)主要污染物及貢獻率 (%)

表6 五大高原湖泊水質(zhì)變化趨勢分析結(jié)果[11]

注：N=10時，Wp0.05=0.564，Wp0.01=0.746。Rs與Wp比較，Rs>Wp表示變化趨勢有顯著意義，**表示極顯著性水平(α≤0.01，*表示顯著水平(0.01<α≤0.05)；Rs≤Wp表示變化趨勢不顯著 (α>0.05)。

從五大高原湖泊水質(zhì)變化趨勢分析結(jié)果可得出：除撫仙湖Rs為負值，水質(zhì)呈顯著好轉(zhuǎn)外，其他湖泊的Rs均為正值，表明在評價時段內(nèi)水質(zhì)呈變差趨勢。其中，星云湖、杞麓湖水質(zhì)呈極顯著變差趨勢，異龍湖水質(zhì)呈顯著變差趨勢，陽宗海變化趨勢不明顯；各湖泊高錳酸鹽指數(shù)及五日生化需氧量Rs均為正值，均呈變差趨勢。除陽宗海的CODMn、BOD5及撫仙湖的BOD5變化趨勢不明顯外，其他湖泊兩項指標呈顯著或極顯著惡化趨勢；除陽宗海TP呈顯著好轉(zhuǎn)外，其他湖泊均惡化，且杞麓湖呈極顯著惡化，星云湖顯著惡化；各湖泊TN變化趨勢不一，星云湖呈極顯著惡化，杞麓湖顯著惡化，其他湖泊變化不明顯；陽宗海的砷雖有好轉(zhuǎn)趨勢，但變化不明顯，透明度則呈極顯著好轉(zhuǎn)趨勢；異龍湖的透明度呈顯著惡化趨勢。

4 結(jié)論

(1)五大高原湖泊2007—2016年的年度水質(zhì)狀況均不能達到對應的水質(zhì)目標要求。

(2)根據(jù)五大高原湖泊2016年的各類水質(zhì)參數(shù)進行聚類分析，結(jié)果以面源污染為主的撫仙湖、星云湖和杞麓湖的污染特征較為相似被歸為一類，其次，城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)廢水造成的點源污染突出的異龍湖被歸為第二類，最后，砷污染特征明顯的陽宗海被歸入第三類。

(3)2007—2016年，五大高原湖泊除撫仙湖外，其他湖泊水質(zhì)均呈顯著或極顯著惡化趨勢，個別指標存在非常普遍且極為顯著的變差趨勢，如高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量。

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AnalysisonWaterPollutionCharacteristicsandChangingTendencyoftheFivePlateauLakeswithinthePearlRiverBasin

LIU Xiao-dan，SHAN Feng-xia，LIU-Heng
(Water Resources Protection Bureau of Pearl River, Guangzhou Guangdong 510611 ,China)

On the basis of the monitoring data from 2007 to 2016 of the five plateau lakes, the single factor assessment method in water quality evaluation,thehierarchicalcluster analysis, and the Daniel's trends test were applied to explore water pollution characteristics and waterchanging tendency. The historical and existing water quality classification couldn't fit the target of water quality requirements. According to the clustering analysis, the first category included the main sources of Fuxian Lake、Xingyun Lake, and Qilu Lake. The second was Yilong Lake, which represented the urban sewage and industrial wastewater pollution. The third was Yangzonghailake polluted by arsenic. According to the Spearman rank correlation method, the water quality of the lakes showed variation trend except Fuxian Lake, especially, CODMnand BOD5were generally deteriorating.

plateau lakes; water quality status; tendency; the Pearl River Basin; single factor assessment; cluster analysis; Daniel's trends test

2017-05-04

劉曉丹(1983-)，女，湖南長沙人，碩士研究生，工程師，主要從事流域水資源管理與評價等工作。

X52

A

1673-9655(2017)06-0038-05