洪澤湖水質2010—2020年時空變化特征

姚 敏，毛曉文,2，孫瑞瑞

(1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029； 2.江蘇省洪澤湖管理委員會辦公室, 江蘇 南京 210029；3.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215042)

洪澤湖位于江蘇省西北部，淮安、宿遷兩市境內，在東經118°10′～118°52′、北緯33°06′～33°40′之間。洪澤湖源于南宋時期的黃河奪淮[1-2]，黃河水倒灌入洪澤湖區并由淮河下游的富陵湖、萬家湖、破釜塘、白水塘等匯聚發展而成，現已成為江蘇省的第二大湖泊。在正常蓄水水位12.5 m時水域總面積為2 069 km2，洪澤湖年平均氣溫16.3℃，自北向南遞增。根據蔣壩水位站多年實測水文資料，平均水深約1.90 m，最大水深4.50 m；多年(1953—2015年)平均入湖水量為342億 m3，出湖水量為313億 m3；多年(1953—2015年)平均水位為12.55 m，歷史最高水位出現在1851年，為16.90 m，超出警戒水位3.40 m，歷史最低水位出現在1951年2月，為8.80 m。江蘇省將洪澤湖定位為江淮生態大走廊的生態綠心，洪澤湖是南水北調東線工程的重要調節湖泊和蘇北地區的重要水源，具有重要的生態區位價值與資源優勢。

前人對洪澤湖的研究主要集中在湖區水質[3-6]、葉綠素a[7-9]和富營養狀態[10-12]的變化上，采用的監測數據時間序列相對較短[13-15]，尤其是針對2010年以來洪澤湖水質的長序列時空分布特征研究較少。本文基于2010—2020年的水質數據進行較長時間序列水質變化分析，探討洪澤湖水質時空變化特征，以期為洪澤湖水環境的保護提供參考。

1 研究方法

洪澤湖自南向北共布設16個監測站(圖1)，監測時間為2010年1月至2020年12月，每月采樣1次。水質監測指標包括水溫、pH值、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、化學需氧量、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發酚、陰離子表面活性劑和硫化物等22項。

圖1 洪澤湖水質監測站分布

水質評價依據GB3838—2002《地表水環境質量標準》以及國家生態環境部《地表水環境質量評價辦法》(2011年)。根據江蘇省水環境監測中心多年(2010—2020年，下同)數據資料，選取TN、CODMn和TP作為洪澤湖湖區水質時空變化分析的特征指標。時間變化特征分析采用年內、年際水質變化評價；TN和TP代表的突出污染因子采用最不利值法分析，最不利值是水域某一突出污染因子一定時期內的極值水平。利用空間變化特征分析，在常規區域分布分析的基礎上采用距平系數法[16]對洪澤湖主要監測站點2018—2010年的水質狀況進行了表征研究，表征算法為

(1)

式中:η為距平系數；xi為洪澤湖i站點2018—2020年某水質指標的質量濃度或項目值的均值；x為洪澤湖所有站點某水質指標質量濃度或項目值的平均值。

2 特征分析

2.1 時間變化特征

2.1.1年內變化

根據多年洪澤湖逐月水質監測數據，對各項水質指標質量濃度或項目值進行逐月均值計算，水溫、pH值、化學需氧量、BOD5、氟化物、氰化物、揮發性酚、陰離子表面活性劑、硫化物、銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、六價鉻和鉛等17項均低于地表水環境質量標準Ⅰ類水質標準限值，不作為本文研究對象。CODMn、DO、TN、NH3-N和TP等5項多年月均質量濃度結果見圖2。

圖2 2010—2020年洪澤湖水質指標多年月均變化

由圖2可見，CODMn多年月均質量濃度范圍為3.84～4.88 mg/L，年內變化整體平穩，接近或滿足Ⅱ類水質標準。DO多年月均質量濃度范圍為7.04～11.98 mg/L，接近或滿足Ⅰ類水質標準，峰值為11.98 mg/L，出現在2月，隨著溫度逐漸升高以及淮河流域主汛期的臨近，逐漸下降至8月的谷值7.04 mg/L，9—12月不斷上升。NH3-N多年月均質量濃度范圍為0.17～0.35 mg/L，年內變化整體較平穩，符合Ⅱ類水質標準。TN多年月均質量濃度范圍為1.28～2.16 mg/L，水質為Ⅳ～劣Ⅴ類，質量濃度逐月下降，1—4月明顯高于其他月份。TP多年月均質量濃度范圍為0.061～0.124 mg/L，水質為Ⅳ～Ⅴ類，呈先升后降趨勢，9月出現峰值，7—10月明顯高于其他月份，之后逐漸下降。

洪澤湖湖區DO和NH3-N質量濃度變化較小，接近或滿足Ⅰ～Ⅱ類水質標準，對湖區影響較小。而TN、CODMn和TP逐月質量濃度峰值與谷值的比值分別為1.7、1.3和2.0，多年月均質量濃度相對標準偏差分別為18.3%、7.1%和25.3%，年內差異較大。

2.1.2年際變化

圖3為洪澤湖湖區TN、CODMn和TP質量濃度年際變化趨勢圖。年均值是評價洪澤湖水域水質總體情況的主要特征值。2010—2020年TN年均值基本在Ⅳ～Ⅴ類水質標準之間，其中2012年湖區TN年均值達最高峰，為劣Ⅴ類水質標準，2020年湖區TN年均值為Ⅳ類水質標準；從趨勢看，TN年均值水平呈顯著下降態勢。CODMn年均值在Ⅱ～Ⅲ類水質標準之間，呈小幅下降態勢，接近Ⅱ類水質標準，其中2010年達到最高峰，年均值為Ⅲ類水質標準。TP年均值在Ⅲ～Ⅳ類水質標準之間，呈小幅下降態勢，湖區更接近Ⅳ類水質標準，其中2014年達到最高峰，年均值為Ⅴ類水質標準。

圖3 2010—2020年洪澤湖湖區TN、CODMn和TP質量濃度年均值變化趨勢

TN、CODMn和TP的多年平均質量濃度分別為1.68 mg/L、4.28 mg/L和0.085 mg/L，相對標準偏差分別為13.2%、8.6%和9.8%，年際差異較大。TN年均值從2012年的峰值2.02 mg/L波動下降至2020年的1.39 mg/L；CODMn年均值從2010年的峰值4.88 mg/L波動下降至2020年4.16 mg/L；TP年均值從2014年的峰值0.101 mg/L波動下降至2020年0.087 mg/L。2010—2020年洪澤湖TN、CODMn和TP整體呈現持續向好的狀態，特別是2019—2020年，水質指標分別維持在Ⅳ類、Ⅲ類和Ⅳ類水質標準。

2.1.3年最不利值變化

圖4為洪澤湖湖區TN和TP質量濃度年最不利值變化結果。最不利值可以側面反映突發水污染事故或水質異常狀態，要實現洪澤湖湖區水質穩定達標，控制水環境治理最重要限制因子的最不利值的發生，降低極值水平十分必要。2020年7月出現了洪澤湖湖區水質總體達Ⅴ類的短期污染事件，經分析與宿城北部入湖河道洪澇水大量匯入有著密切關聯，加之防汛需要的淮水調度匯入，也加劇了7月湖區水質的短期惡化。

(a)TN

(b)TP

2010—2020年湖區TN最不利值全部超過Ⅳ類水質標準，絕大多數超過Ⅴ類。其中，2012年1月湖區TN最不利值出現最高峰值，達劣Ⅴ類水質標準；2010—2020年，TN最不利值呈下降態勢；TN最不利值多發生在枯水月份，11年中8次出現在12月至次年3月，概率為72.7%，3次最不利值發生在7月的主汛期，可見，汛期洪澇水和枯水期干旱都可能引起湖區TN質量濃度的升高，但相對而言，枯水期TN質量濃度的增高明顯大于汛期。

湖區TP質量濃度的最不利值基本都超過Ⅳ類水質標準，其中，最不利值最高峰出現在2014年9月，達劣Ⅴ類水質標準；由11年趨勢可見，TP最不利值呈小幅上升態勢；TP最不利值多發生在8、9、10月，11年中出現了9次，概率為81.8%，汛期洪澇水影響是加劇TP污染的重要因素。

2.2 空間變化特征

2.2.1區域分布特征

圖5為洪澤湖淮安湖區和宿遷湖區的TN、CODMn和TP質量濃度的變化情況。從湖區分布看，2010—2020年淮安湖區的TN年均值均明顯高于宿遷湖區。

(a)TN

(b)CODMn

(c)TP

2015年以前，淮安湖區的CODMn低于宿遷湖區，而2015年以后，淮安湖區的CODMn反超宿遷，且差距逐年增加。2017年以前(除2014年)，淮安湖區TP質量濃度高于宿遷湖區；2017年以后，宿遷湖區的TP反超淮安湖區，且差距逐年增加。

2.2.2空間變化特征

洪澤湖淮安湖區和宿遷湖區2018—2020年TN、CODMn和TP距平系數計算結果見表1。位于洪澤湖南部和東部的淮安湖區監測站TN距平系數除韓橋站外均為正數，特別是老子山、蔣壩和洪澤湖區(淮安南)距平系數高達40.8%、29.9%和21.7%；洪澤湖北部和西部的宿遷湖區監測站TN均為負數，范圍為-19.7%～-11.5%。淮安湖區監測站CODMn距平系數均為正數，范圍為5.0%～16.1%；宿遷湖區監測站CODMn距平系數均為負數，范圍為-16.4%～-3.5%。淮安湖區監測站TP距平系數多為負數，范圍為-24.1%～10.3%；宿遷湖區監測站TP距平系數多為正數，范圍為-3.4%～18.4%。

表1 2018—2020年洪澤湖主要湖區水質指標距平系數

從TN來看，淮安湖區的水質最差，需重點控制TN；從CODMn來看，兩個湖區總體變化較小，但淮安湖區CODMn水質較差，淮安湖區的CODMn需要重點關注；從TP來看，宿遷湖區TP水質最差，需重點控制TP。TN和CODMn是淮安湖區最主要污染控制因子，TP是宿遷湖區最主要污染控制因子，與區域分布特征分析結論基本一致。

3 洪澤湖污染成因及治污對策

洪澤湖流域內TN、TP的污染負荷較為嚴重。氮、磷等污染物質的來源包括外源和內源[10,15,17-19]。外源的類型和途徑較多，其中湖區地表徑流和入湖河道徑流輸入是外源最主要的來源途徑，其次是淮河上游和洪澤湖周邊城市的工農業污染物、生活污染物排放，再是湖區畜禽養殖和水產養殖過程中所產生的殘餌和生物養殖排放的氮、磷等。內源主要來源于底泥的釋放、死亡的生物體分解等。

洪澤湖作為淮河末端的過水湖泊，客水污染嚴重，主汛期入湖河道尤其是淮河洪澇水帶來大量的氮、磷等污染物質，對洪澤湖的水質產生顯著影響。外源污染物進入湖泊后，一部分隨著湖水流出洪澤湖，另一部分滯留在湖中。部分內源污染物在風浪等物理擾動作用下進入水體，還有部分在pH值、氧化還原電位等化學因素和微生物等作用下釋放進入洪澤湖水體。洪澤湖水體水質的改善，必須針對不同時期、不同區域統籌安排，有序推進。既要控制洪澤湖的外源污染，又要盡可能避免或減少內源污染，在必要時還應制定水體綜合治理方案[20-22]，進一步改善水體水質，具體對策如下：

a.嚴格管控，加強外源污染管理。洪澤湖的水質問題取決于點源(如工業企業和城市生活污染，特別是上游工業、生活污染源)、面源(如農業污染，特別是農藥、氮磷肥的使用和排放)的綜合治理。對于點源的污染管控，可以通過實行最嚴格的水資源管理和污染物的達標排放，嚴格執行污染物排放總量控制制度，促使企業提升污水處理水平，同時實施截污納管、雨污分流等措施，在較短時間內取得較為顯著的管控效果。對于遍布洪澤湖流域的農藥、化肥等農業面源，以及淮河等入湖河道的污染物輸入，短期內很難有明顯的治理效果，應調整區域內農業生產的結構，推廣測土配方施肥等技術，按照“減量化、無害化、資源化、生態化”要求提升畜禽養殖污染治理水平，積極推進淮河等入湖河道的綜合整治，全面削減面源污染。

b.科學施措，強化內源污染控制。洪澤湖底泥和水生植物等內源在特定條件下會釋放氮、磷等污染物質，對水體造成二次污染。根據洪澤湖底泥特征及水體中污染物性質，在全面系統調查分析的基礎上，有針對性地清除水體中內源污染物，適時開展清淤疏浚以及藍藻等水生植物打撈，降低治理過程中對水生動植物生境的影響，保護生物多樣性。

c.因地制宜，推進生態系統建設。加快洪澤湖湖濱帶生態系統建設，嚴格執行生態保護紅線，逐步減少人為破壞活動，逐步恢復和改善區域的生態系統平衡。因地制宜地推廣環境友好型生態修復技術，使用水生植物修復、微生物修復、水生動物修復等技術，放養鰱魚、青魚等收獲型經濟底棲動物，綜合考慮生物物種間的相互作用及水生態安全，切實有效地開展污染控制和治理。

d.精準調度，科學使用水利設施。科學管控洪澤湖上下游閘壩口門運行，與南水北調等水利工程調度相結合，科學使用水利設施維持洪澤湖水位穩定，通過調水補充清潔水源，為洪澤湖生態提供穩定的環境狀態，進一步降低污染事故以及湖泊富營養化的發生可能性。

e.統籌規劃，提升洪澤湖監測能力。完善洪澤湖水生態系統網絡監測體系，加強主要入湖河道尤其是淮河的水質水量監測，提高主汛期洪澤湖以及主要入湖河道的監測頻次，及時掌握水體水質狀況。準確掌握洪澤湖湖區以及周邊區域的污染狀況、水生態狀況和水文特征，及時采取適宜的對策確保洪澤湖的水安全。

4 結 論

a.TN、CODMn和TP是洪澤湖水環境治理最重要的因子，其他指標現狀穩定，且接近或滿足Ⅰ～Ⅱ類水質標準，對湖區影響較小。

b.2010—2020年TP年均值呈小幅下降態勢，TN年均值呈顯著下降態勢，控磷、控氮治理成效較為顯著。

c.2010—2020年TP最不利值呈小幅上升態勢，汛期洪澇水加劇了TP污染程度；TN最不利值雖有下降態勢，但枯水期TN質量濃度增高顯著。

d.淮安湖區TN和CODMn距平系數多為正數，特別是老子山、蔣壩和洪澤湖區(淮安南)TN距平系數高達40.8%、29.9%和21.7%，宿遷湖區TN和CODMn質量濃度距平系數均為正數。淮安湖區TP距平系數多為負數，宿遷湖區TP多為正數。

e.洪澤湖內外污染源輸入的比例難以準確估算、面源治理成效不顯著以及淮河等入湖河道主汛期大量污染物輸入，給洪澤湖水生態安全帶來挑戰和巨大的不確定性。現階段，控氮治理及降低CODMn排放總量是淮安地區亟待解決的重點問題，宿遷地區亟待加強控磷治理。