洞庭湖水質演變特征及驅動因子識別研究

朱 丹 丹，胡 琦，陳 兆 祺，吳 可 方，熊 劍，彭 嫻

(湖南省岳陽生態環境監測中心，湖南 岳陽 414000)

0 引 言

洞庭湖是中國的第二大淡水湖，北納長江的松滋、太平、藕池“三口”來水，南接湘江、資江、沅江、澧水“四水”，是長江流域重要的滯洪調蓄區和淡水資源儲備區，有保護生物多樣性、保障長江流域水生態安全等多項功能[1-4]。由于湖區長期泥沙淤積和人為圍湖筑垸等歷史原因，洞庭湖被分割為目前的東、南、西3個湖區[5]。近年來隨著流域經濟的快速發展，洞庭湖水質主要呈現下降趨勢[6]。三峽工程建成運行后，水文狀態發生了根本性變化，荊江“三口”來水來沙量銳減，使得湖泊自凈能力減弱[7-9]；社會經濟發展和農業產業化導致工業廢水、農業廢水和生活污水過多排入湖區，加劇了其水環境污染[10-11]。

近年來大量學者對洞庭湖水質狀況進行了相關研究，張光貴等對洞庭湖近20 a的總氮和總磷進行了分析[12]，李芬芳等對洞庭湖氮磷及污染狀況進行了分析[13]，王巖等對洞庭湖氮磷時空分布和營養狀態進行了分析[14]。雖然已有對水環境變化趨勢和影響因素的研究，但多集中在氮磷鹽、重金屬污染等方面[15-18]，且未能從社會經濟發展相關的地區生產總值、人口增長、第一產值、化肥施用量、第二產值、工業廢水排放量和徑流量、水位變化等因子進行數據定量分析識別。本文研究了洞庭湖1989～2018年水質變化特征，從社會經濟發展和水文變化兩個方面進行驅動因子識別分析，并提出相應防控對策和措施，以期為全面掌握洞庭湖水生態變化狀態和改善其生態環境提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和數據來源

為了全面掌握洞庭湖水質演變狀況，篩選3個湖區的11個監測斷面，具體監測斷面分布位置見圖1，其中選取斷面S1、S2、S3代表西洞庭湖區；選取斷面S4、S5、S6代表南洞庭湖區；選取斷面S7、S8、S9、S10、S11代表東洞庭湖區。每月上旬采集表層(0.5 m)水樣進行監測分析，監測項目主要包括GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中24項基本項目及Chl-a、SD等。本研究水質監測數據來源于湖南省岳陽生態環境監測中心和湖南省洞庭湖生態環境監測中心，水文統計數據來源于水利部統計公報，社會經濟數據來源于湖南省統計年鑒。

圖1 洞庭湖水質監測布點Fig.1 Monitoring site of Dongting Lake water quality

1.2 測定和評價方法

本研究重點討論分析TP、TN、CODMn、SD、Chl-a等指標，用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)測定TN濃度；用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)測定TP濃度；用高錳酸鉀酸性滴定法(GB 11892-89)測定CODMn；用塞式盤現場測定SD。采用綜合營養狀態指數(TLI)評價水質營養化狀態。考慮到1989～2018年時間跨度較長，期間評價參數和評價標準變化對結果都有不同程度影響，但為了保證評價分析的一致性，水質類別均按照GB 3838-2002《地表水環境質量標準》[19]劃分。

1.3 數據處理

采用Excel對原始數據進行統計，Sigmaplot軟件繪圖，SPSS軟件進行數據分析處理，Spearman秩相關系數進行檢驗和相關性分析，主成分分析法和多元回歸統計對驅動因子進行識別研究。

2 結果與討論

2.1 水質演變分析

2.1.1水質類別演變狀況

1989～2018年，洞庭湖水質類別變化趨勢明顯，水質由Ⅱ類逐漸演變為Ⅳ類，1996，2004，2005，2006，2008，2009，2015年Ⅴ類水質占比超過45%；2004年和2008年，個別監測斷面水質甚至達到劣Ⅴ類(見圖2)。

圖2 1989～2018年洞庭湖水質類別Fig.2 Water quality categories in Dongting Lake from 1989 to 2018

2.1.2水質關鍵指標時間演變特征

對1989～2018年監測結果進行統計分析，5個關鍵水質指標時間演變狀況如圖3所示。

由圖3(a)可見，1989～2018年，TN濃度上升趨勢明顯，年均值在0.95～2.03 mg/L之間變化，水質由Ⅲ類逐漸變化為Ⅴ類。TP年均濃度變化趨勢總體表現為上下波動起伏(見圖3(b))，變化范圍介于0.02～0.20 mg/L之間，水質主要在Ⅳ類、V類之間上下波動，在2005年達到濃度最高值0.20 mg/L。CODMn濃度時間分布狀況如圖3(c)所示，總體呈現先上升后下降的趨勢，濃度變化范圍在0.62～4.28 mg/L之間，其中1990年濃度最低，1998年達到最高峰，水質整體處于較好的Ⅱ類。 SD時間分布狀況如圖3(d)所示，主要表現為上下不斷波動的趨勢，年均值變化范圍在0.30～0.55 m之間。Chl-a年均濃度分布出現多次突變狀況(見圖3(e))，1991年由0.83 mg/L快速上升到1993年3.50 mg/L，2004年由0.83 mg/L快速上升到2010年5.34 mg/L。

圖3 1989～2018年洞庭湖水質關鍵指標演變特征Fig.3 Evolution characteristics of key water quality indicators of Dongting Lake from 1989 to 2018

利用Spearman秩相關系數對水質關鍵指標的變化進行檢驗，統計分析結果如表1所列。TN濃度的秩相關系數為0.790，為極顯著上升，說明洞庭湖1989～2018年TN上升趨勢明顯；TP和Chl-a濃度、SD呈上升趨勢；CODMn濃度呈下降趨勢。

表1 水質關鍵指標演變特征統計分析Tab.1 Statistical analysis of evolution characteristics of key water quality indicators

2.1.3水質關鍵指標空間演變特征

《長江三峽工程生態與環境監測公報》研究表明，TN和TP是影響洞庭湖水質的關鍵指標[20]，故重點選取TN、TP兩項指標進行空間演變狀況分析。洞庭湖3個湖區TN、TP濃度的空間演變狀況見圖4。3個湖區中西洞庭湖兩項水質指標略優于南洞庭湖和東洞庭湖。3個湖區2008年前TN濃度總體保持在Ⅳ類，2009年后TN濃度顯著增長，水質由Ⅳ類迅速變化為Ⅴ類、劣Ⅴ類，其中東洞庭湖對全湖區的TN濃度貢獻率最大。3個湖區的TP濃度總體分布規律較為接近，除個別年份波動幅度較大外，變化規律平緩，水質主要在Ⅳ類、V類之間變化，東洞庭湖TP濃度略高于另外兩個湖區。

圖4 各湖區TN和TP年際變化特征Fig.4 Interannual variation trend of TN and TP in each lake region

2.1.4綜合營養狀態演變狀況

利用5個水質關鍵指標監測結果計算綜合營養狀態指數(TLI)，分布特征如圖4(c)所示。各湖區TLI變化趨勢經歷了3個階段：① 1989～2002年間增長趨勢明顯，其中東洞庭湖TLI指數在2000～2002年超過50，呈輕度富營養化；② 2003～2007年間變化幅度較小，總體保持在40～50之間，一直處于中營養狀態；③ 2008～2018年間呈波動狀態。從空間變化特征來看，東洞庭湖TLI指數最高，總體高于南洞庭湖和西洞庭湖，TLI指數介于38.7～55.2；南洞庭湖次之，TLI指數介于37.4～49.9；西洞庭湖最小，TLI指數介于36.0～50.0。

2.2 驅動因子識別

湖泊水資源與人口、經濟、社會和環境密切相關，階段不同，影響的程度也存在不同程度的差異[21]。為識別影響洞庭湖水環境的驅動因子，選取徑流量、水位、地區生產總值、人口密度、第一產值、化肥施用量、第二產值、工業廢水排放量等進行主成分分析，識別出主要驅動因子，再分時間段進行多元回歸分析。

洞庭湖水質變化的驅動因子主成分分析結果如表2 所列，共篩選出2個因子，累計方差貢獻率為93.718%，幾乎能全面反映出所有因素。因子1特征值為5.755，方差貢獻率為71.941%，地區生產總值、人口密度、第一產值、化肥施用量、第二產值、工業廢水排放量可看作社會經濟驅動因子。因子2特征值為1.742，方差貢獻率為21.777%，徑流量和水位可看作為水文變化因子。

表2 洞庭湖水質變化的驅動因子主成分分析Tab.2 Principal component analysis of driving factors for water quality change in Dongting Lake

根據水質綜合營養狀態指數(TLI)變化時間節點，將2個驅動因子和水質關鍵指標分1989～2002年、2003～2007年、2008～2018年3個階段進行多元回歸分析，結果如表3所列。1989～2002年，水質關鍵指標中CODMn與因子1顯著相關，TN與因子2顯著相關，其他水質指標與2個驅動因子相關性不顯著，說明在這個時間段，水文狀態變化和社會經濟的高速發展對洞庭湖水質影響較大。2003～2007年水質指標與2個驅動因子相關性不顯著；2008～2018年，水質關鍵指標中僅TN與因子1相關，TN、Chl-a與因子2呈顯著相關，其他水質指標與2個驅動因子相關性不顯著。

表3 水質關鍵指標和驅動因子多元回歸分析Tab.3 Multiple regression analysis of key indicators and driving factors of water quality

1989～2002年，社會經濟的高速發展是影響洞庭湖水質的重要因素，人口數量、第一產值、化肥施用量、第二產值都呈不同程度增加趨勢(見圖5)。第一產業增加引發農業面源污染與農藥化肥、畜禽養殖、水土流失等造成洞庭湖區水質下降，每年因過量使用化肥而流入湖區水體的全氮量就超過2 700 t[22]。這一時間段洞庭湖流域來沙量巨大，“三口”“四水”年均來沙量分別為6 900萬～10 000萬t、1 600萬～2 800萬t[23]，而氮、磷等污染物沉積在沙土中，流入洞庭湖后釋放，使洞庭湖水體氮、磷濃度進一步升高；“三口”入湖水量逐年減少，“三口”分流比由1951～1966年的31.2%下降至1997～2002年的14.4%[24-25]，來水量減少導致水體流動性降低，洞庭湖對污染物的降解能力下降。

圖5 驅動因子年際變化趨勢Fig.5 Interannual trend of driving factors

2003～2007年，洞庭湖水體富營養化趨勢有所減緩，主要影響因素包括化肥施用量、水文變化、產業發展等。2006年湖南省制定了專項整治方案，對湖區造紙、化工企業開展強力整治，僅益陽市就關停整治了129家造紙廠[26]，此階段洞庭湖實施退田還湖工程，湖區面積擴大至3 970 km2[27]，水體中TN和TP等主要污染物濃度有所降低，洞庭湖凈化能力增強，TLI穩定在較低水平；這一時間段，“三口”年均來水量由1989～2002年622億m3下降為2003～2007年492.5億m3，來水量明顯減少；“三口”輸沙量由1989～2002年6 785萬t下降為2003～2007年1 873萬t，減幅達72.4%[10]，導致洞庭湖在擴容的同時泥沙吸附釋放進入洞庭湖的污染物大幅減少。

2008～2018年，受社會經濟發展和水文變化兩個驅動因子共同作用，水質呈波動變化。2008年，洞庭湖湖區生豬、牛存欄1 711.29 萬頭、10.74 萬頭，雞、鴨存欄3 290.35 萬羽、2 814.22 萬羽，其他家禽87.20 萬羽[28]，湖區污染加重。2011年，洞庭湖徑流量、水位變小等原因導致氮、磷等濃度上升，污染程度增加[29]。2015年湖區農產品種植面積達2.7×106hm2，畜禽養殖、農業面源污染對洞庭湖水體TN、TP貢獻率超過70%，為TN、TP超標的主要原因[30]。2017年，第一產值、第二產值、工業廢水排放量下降明顯，水質明顯好轉。2018年，湖南省開展洞庭湖水環境綜合治理和污染防治攻堅戰三年行動，水質持續好轉。

2.3 水環境保護建議策略

根據驅動因子討論分析結果，洞庭湖水環境污染源主要為生活污染、工業點源污染、農業面源污染和水文變化，特提出以下水環境保護建議策略。

(1) 加強生活污染治理。加快洞庭湖區城鎮污水處理設施提標改造，嚴格執行排放標準；加快推進城鎮生活垃圾分類，逐步實現生活垃圾無害化處理；實施農村廁所改造工程。

(2) 防治工業點源污染。對環洞庭湖區重點行業、園區加強監管，按規定實行清潔生產審核，嚴格環境準入，對超標排放且整改不到位的企業依法實施停產整治或關閉。

(3) 嚴格控制農業面源污染。在洞庭湖區全面推行測土配方施肥，鼓勵使用高效低毒低殘留農藥；嚴格實行畜禽養殖分區管理，鼓勵畜禽糞污資源化利用；加強水產養殖污染防治，大力推廣生態養殖。

(4) 加強洞庭湖水資源調控。一方面，做好洞庭湖“開源”工作，根據湖區基本水文節律，加強“四水”來水綜合管理，合理攔截分流入流量，保障入湖水源充足。另一方面，做好洞庭湖“節流”工作，汛期時合理調節上游三峽水庫下泄流量，減輕洞庭湖蓄洪壓力；非汛期適當提前蓄水，確保洞庭湖水位不低于生態水位下限值。

3 結 論

(1) 從時間演化狀況來看，洞庭湖水質逐年下降。1992年以前，水質以Ⅱ類為主，到1995年以后，水質由Ⅲ類水質為主逐漸演變為Ⅳ類水質為主。由Spearman秩相關系數趨勢檢驗結果可知，洞庭湖水質污染和富營養化狀態在30 a間呈現上升趨勢，其中TN呈顯著增長趨勢，TP濃度、Chl-a濃度、SD均呈上升趨勢。

(2) 從空間分布上看，3個湖區中西洞庭湖水質略優于南洞庭湖和東洞庭湖。TN濃度東洞庭湖最高，南洞庭湖次之，西洞庭湖最低，3個湖區的TP濃度分布規律較為接近，東洞庭湖TP濃度略高于其他湖區。

(3) 分析洞庭湖水質變化及富營養化驅動因子，主要影響因素包括地區生產總值、人口密度、第一產值、化肥施用量、第二產值、工業廢水排放量、徑流量和水位等。

(4) 針對洞庭湖水質惡化狀況及原因，從加強生活污染治理、防治工業點源污染、嚴格控制農業面源污染、加強洞庭湖水資源調控4個方面提出了水環境保護建議策略。