白馬湖水質(zhì)2008—2021年空間分布特征

張新星 陳小菊 張 娟

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局淮安分局,江蘇 淮安 223005)

白馬湖為淮河下游區(qū)域重要調(diào)蓄性湖泊,是集洪澇調(diào)節(jié)、供水灌溉、生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)養(yǎng)殖和景觀娛樂等多功能于一體的草型淺水湖泊,是南水北調(diào)的過境湖泊,也是區(qū)域重要的飲用水水源地和“生態(tài)綠心”[1]。白馬湖位于淮安市東南邊緣,地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°2′～119°12′,北緯33°9′～33°19′,湖區(qū)南為金湖縣,北為淮安區(qū),西為洪澤區(qū),東為寶應(yīng)縣[2],現(xiàn)有水域面積107.77km2。根據(jù)2021年度白馬湖保護(hù)范圍線內(nèi)變化情況遙感監(jiān)測(cè),其自由水面面積為67.932km2,自由水面率為63.03%。白馬湖南北長(zhǎng)17.8km,東西平均寬6.4km,湖底地形平坦,平均高程5.33m,平均水深約1.2m[3]。

之前對(duì)白馬湖水質(zhì)的研究主要集中在現(xiàn)狀分析[4-5],采用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列相對(duì)較短[6-7],針對(duì)2008年以來白馬湖水質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)間序列變化研究較少。本文基于2008—2021年白馬湖水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列水質(zhì)變化分析,探討白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)水質(zhì)變化特征,以期為白馬湖水環(huán)境改善和治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)及頻次

白馬湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面共7個(gè),其中,核心區(qū)站點(diǎn)2個(gè),緩沖區(qū)站點(diǎn)2個(gè),開發(fā)控制利用區(qū)3個(gè),各水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)頻次見表1。白馬湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置及生態(tài)功能分區(qū)見圖1。本文采用的長(zhǎng)時(shí)間序列水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部來自江蘇省水文水資源勘測(cè)局。

圖1 白馬湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)及生態(tài)功能分區(qū)

表1 白馬湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)頻次

1.2 監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)項(xiàng)目

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、氰化物、砷、銅、鉛、鋅、鎘、汞、六價(jià)鉻、氟化物、總磷、總氮、透明度、葉綠素a共21項(xiàng)。

水質(zhì)類別評(píng)價(jià)項(xiàng)目:pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、氰化物、砷、銅、鉛、鋅、鎘、汞、六價(jià)鉻、氟化物、總磷、總氮共18項(xiàng)。

營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)項(xiàng)目:高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、透明度、葉綠素a共5項(xiàng)。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002),湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)按照《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)中有關(guān)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4 研究方法

在常規(guī)生態(tài)區(qū)域分布分析的基礎(chǔ)上采用距平系數(shù)法[8]對(duì)白馬湖各生態(tài)功能區(qū)域2008—2021年的水質(zhì)狀況進(jìn)行了表征研究,表征算法為

(1)

式中:η為距平系數(shù);xi為白馬湖i功能分區(qū)2018—2021年某水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度或項(xiàng)目值的均值;x為白馬湖全區(qū)某水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度或項(xiàng)目值的平均值。

2 白馬湖水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

2.1 水質(zhì)情況分析

根據(jù)多年白馬湖逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度或項(xiàng)目值進(jìn)行逐月均值計(jì)算,水溫、pH值、化學(xué)需氧量、BOD5、氟化物、氰化物、揮發(fā)酚、陰離子表面活性劑、硫化物、銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、六價(jià)鉻和鉛17項(xiàng)指標(biāo)均低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值,不作為本文研究對(duì)象。超標(biāo)項(xiàng)目為總磷、總氮,為本文主要研究對(duì)象。

白馬湖2008—2021年總磷水質(zhì)類別為Ⅲ～Ⅳ類,濃度大體呈緩步上升趨勢(shì),除2008—2013年、2018年為Ⅲ類外,其余均為Ⅳ類;2008—2021年總氮水質(zhì)類別為Ⅳ～Ⅴ類,2008—2012年呈緩步上升趨勢(shì),2012年后大體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),2013—2021年總氮水質(zhì)類別在Ⅳ類和Ⅴ類之間波動(dòng)。全湖多年的水質(zhì)情況總體變化較小。

2.2 富營(yíng)養(yǎng)化情況分析

分析白馬湖全湖區(qū)2008—2021年富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)年際變化趨勢(shì),富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)介于53.2～58.2之間,所有年份均處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。從歷年變化趨勢(shì)看,2008—2010年總體呈上升趨勢(shì),自2010年白馬湖富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)略有下降后趨于穩(wěn)定,均處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。2021年全湖富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)介于51.3～59.6之間,該年份第三季度富營(yíng)養(yǎng)分值最高,營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)仍以輕度富營(yíng)養(yǎng)為主。

3 空間變化特征

3.1 區(qū)域分布特征分析

3.1.1 總磷項(xiàng)目區(qū)域分布特征分析

根據(jù)2008—2021年各生態(tài)功能分區(qū)總磷月均質(zhì)量濃度,得出各生態(tài)功能分區(qū)總磷濃度變化趨勢(shì),見圖2。具體分析如下:

圖2 白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)總磷濃度變化趨勢(shì)

核心區(qū)2008—2021年總磷水質(zhì)類別為Ⅲ～Ⅳ類,濃度總體變化較小。

緩沖區(qū)2008—2021年總磷水質(zhì)類別為Ⅳ～Ⅴ類,2008—2013年總磷濃度呈逐步上升趨勢(shì),其水質(zhì)類別由Ⅳ類變?yōu)棰躅?2013—2016年總磷濃度變化平穩(wěn),水質(zhì)類別為Ⅴ類,2016—2021年總磷濃度總體呈下降趨勢(shì),2017—2021總磷水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅳ類。

開發(fā)控制利用區(qū)2008—2021年總磷水質(zhì)類別為Ⅲ～Ⅳ類,2008—2011年總磷濃度呈緩步上升趨勢(shì),水質(zhì)類別由Ⅲ類變?yōu)棰纛?2012—2021年趨于平穩(wěn)、濃度略有降低,水質(zhì)為Ⅳ類。

2017年以前,緩沖區(qū)的總磷濃度明顯高于核心區(qū)和開發(fā)控制利用區(qū),2017年以后三個(gè)生態(tài)功能分區(qū)的總磷濃度值基本相當(dāng),水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅳ類,且2021年緩沖區(qū)總磷濃度已略低于其他兩個(gè)區(qū)域,緩沖區(qū)2017年以后總磷濃度有明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

3.1.2 總氮項(xiàng)目區(qū)域分布特征分析

根據(jù)2008—2021年各生態(tài)功能分區(qū)總氮月均質(zhì)量濃度,得出各生態(tài)功能分區(qū)總氮濃度變化趨勢(shì),見圖3。具體分析如下:

圖3 白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)總氮濃度變化趨勢(shì)

核心區(qū)總氮水質(zhì)類別為Ⅳ～Ⅴ類,除2012年較高外,大體趨勢(shì)平穩(wěn)。

緩沖區(qū)2008—2021年總氮水質(zhì)類別在Ⅳ～劣Ⅴ類,2008—2012年總氮濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),水質(zhì)類別為由Ⅳ類上升為劣Ⅴ類,2012—2015年總氮濃度總體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì),水質(zhì)穩(wěn)定在劣Ⅴ類,2015—2021年總氮濃度總體呈下降趨勢(shì),水質(zhì)類別由劣Ⅴ類下降為Ⅳ類。

開發(fā)控制利用區(qū)2008—2021年總氮水質(zhì)類別為Ⅳ～Ⅴ類,2010—2012年總氮水質(zhì)類別為Ⅴ類,其余年份總氮水質(zhì)類別均為Ⅳ類。濃度總體變化較小。

2008年開發(fā)控制利用區(qū)總磷濃度高于其他兩個(gè)區(qū)域,三個(gè)區(qū)域總氮水質(zhì)類別均處于Ⅳ類。2008年以后緩沖區(qū)總氮水質(zhì)類別呈明顯上升趨勢(shì),遠(yuǎn)超其他兩個(gè)生態(tài)功能分區(qū),2008—2018年十年內(nèi),僅2017年總氮水質(zhì)類別為Ⅴ類,其余年份均為劣Ⅴ類,水質(zhì)較差。2018年以后緩沖區(qū)總氮濃度總體呈下降趨勢(shì),與其他兩個(gè)區(qū)域基本一致,但仍有變差可能,屬重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

3.1.3 富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域分布特征分析

白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)變化趨勢(shì)見圖4。2008—2021年白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)介于50.8～61.8之間,變化趨勢(shì)基本一致,其中2008—2010年總體呈上升趨勢(shì),2010年后略呈下降趨勢(shì),營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)主要為輕度富營(yíng)養(yǎng)。2008—2021年期間,僅2008年緩沖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)低于其他兩個(gè)區(qū)域,其他年份均高于其他兩個(gè)區(qū)域。2015年以后緩沖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)有下降趨勢(shì),三個(gè)區(qū)域富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)除緩沖區(qū)略高外,水平基本相當(dāng)。

圖4 白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)變化趨勢(shì)

3.2 空間變化情況分析

2008—2021年白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)TN、TP、富營(yíng)養(yǎng)化距平系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。白馬湖核心區(qū)TN、TP、富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)距平系數(shù)分別為-12.4%、-17.1%和0.02%,僅富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)距平系數(shù)為正數(shù),且數(shù)值較小。白馬湖開發(fā)控制利用區(qū)TN、TP、富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)距平系數(shù)均為負(fù)數(shù),分別為-23.50%、-19.80%和-3.66%。白馬湖緩沖區(qū)TN、TP、富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)距平系數(shù)均為正數(shù),分別為36.30%、36.90%和3.61%。緩沖區(qū)水質(zhì)最差,需重點(diǎn)控制總氮、總磷。與區(qū)域分布特征分析結(jié)論基本一致。

表2 各生態(tài)功能分區(qū)2008—2021年TN、TP、富營(yíng)養(yǎng)化距平系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 白馬湖污染成因及治污對(duì)策

4.1 白馬湖污染成因

白馬湖TN、TP的污染負(fù)荷較重,氮、磷等污染物的來源包括外源和內(nèi)源。外源主要為入湖河流徑流,內(nèi)源主要為底泥的釋放、死亡生物體的分解等。

白馬湖湖東、南、北區(qū)域,除運(yùn)西河在南水北調(diào)期間由運(yùn)西閘站控制有部分入湖量外,其余范圍內(nèi)無入白馬湖河道,該區(qū)域澇水也不排入白馬湖;白馬湖的匯水區(qū)域主要為湖西地區(qū)[9],該范圍內(nèi)入湖河流眾多,有草澤河、潯河、花河、王良河、大蕩河、豐產(chǎn)河、桃園河、山陽河、朝陽河、大金溝河等,白馬湖入湖水量除湖區(qū)降雨徑流外,其余部分為該區(qū)間降雨徑流所產(chǎn)生的澇水、農(nóng)田灌溉回歸水以及河道沿線居民生產(chǎn)生活用水。白馬湖湖西區(qū)域有大量農(nóng)田,農(nóng)田施用的化肥農(nóng)藥隨著澇水或雨水流失進(jìn)入河流,再通過泵站進(jìn)入白馬湖,對(duì)白馬湖水質(zhì)產(chǎn)生重要影響。周邊農(nóng)村散養(yǎng)的禽畜業(yè)糞便流失也會(huì)給水體帶來影響。另外,白馬湖水體沉積物和水生植物腐爛釋放氮、磷污染物質(zhì),也是白馬湖湖區(qū)氮磷污染負(fù)荷高的原因。

4.2 治污對(duì)策

4.2.1 加強(qiáng)湖西區(qū)域入湖徑流污染控制

白馬湖湖西區(qū)域入湖徑流污染主要來源于該區(qū)域農(nóng)村面源污染,白馬湖湖西區(qū)域農(nóng)村面源污染主要來源等于農(nóng)村和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥的使用,畜禽養(yǎng)殖污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖污水、生活污水的排放和農(nóng)作物秸稈。農(nóng)村面源污染具有一定的間歇性,面源污染的形成具有隨機(jī)性大、模糊性強(qiáng)、分布廣泛、滯后性和潛在性強(qiáng)等特點(diǎn),應(yīng)當(dāng)采用源頭控制和末端治理的對(duì)策。對(duì)形成機(jī)制不同的各類型面源污染,應(yīng)當(dāng)采用不同的源頭控制技術(shù)和處理技術(shù),主要有提高化肥農(nóng)藥利用率、開發(fā)低毒高效的農(nóng)藥化肥,優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等,從源頭上控制污染[10]。

末端治理技術(shù)可以利用前置庫技術(shù)[11],前置庫是指在白馬湖湖區(qū)氮、磷污染較重的水體上游支流,利用天然或人工庫(塘)攔截暴雨徑流,通過物理、化學(xué)以及生物過程使徑流中的污染物得到凈化的工程措施,從而達(dá)到降低氮、磷污染的目的。

4.2.2 鞏固和穩(wěn)定推進(jìn)湖區(qū)退圩、退養(yǎng)還湖工作

自由水面率是湖泊開敞水面面積與總面積的比值。健康的湖泊水面應(yīng)該是完全通暢的,少有阻斷物限制湖泊水流的正常流轉(zhuǎn),能保證湖泊水文過程的完整性。由于在白馬湖的開墾、旅游和圍網(wǎng)養(yǎng)魚等活動(dòng),湖泊自由水面率大大下降,嚴(yán)重制約了白馬湖功能的發(fā)揮和可持續(xù)發(fā)展。

自2005年起,在湖區(qū)管理方面不斷推進(jìn)退漁還湖,發(fā)展生態(tài)養(yǎng)殖,建設(shè)漁業(yè)資源常年繁殖保護(hù)區(qū)。2014年,白馬湖現(xiàn)狀水域圍網(wǎng)養(yǎng)殖分布面積為21.600km2,約為3.2萬畝。至2020年,白馬湖現(xiàn)有圍網(wǎng)面積為5.678km2,與2019年度相比圍網(wǎng)面積下降了19.09%。根據(jù)2021年度最新的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)測(cè)算結(jié)果,白馬湖蓄水保護(hù)范圍面積為107.770km2,其中,自由水面面積為67.932km2,圈圩和圍網(wǎng)面積分別為33.339km2和5.678km2,自由水面率為63.03%。自由水面率的提升是白馬湖近年來水質(zhì)狀況提升的關(guān)鍵原因之一,需進(jìn)一步鞏固和穩(wěn)定推進(jìn)湖區(qū)退圩、退養(yǎng)還湖工作。

4.2.3 控制湖底沉積物內(nèi)源污染及水生植物腐爛氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放

湖泊內(nèi)源污染主要是湖內(nèi)污染底泥中的污染物重新排入水體的過程[12]。湖底沉積物為水生生物提供重要的棲息生境,具有重要的生態(tài)功能,是水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。沉積物被看成是與水、大氣和土壤并列的環(huán)境污染物遷移、轉(zhuǎn)化和蓄積的“第四環(huán)境介質(zhì)”。湖泊內(nèi)源污染是指湖內(nèi)污染底泥中的污染物重新排入水體的過程。根據(jù)白馬湖底泥情況及水體中污染物性質(zhì),以及藻類密度等多方面情況,在全面系統(tǒng)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地清除水體中內(nèi)源污染物,采用控制藻類和植物的技術(shù),及時(shí)收割水生植物,清除湖泊水庫中水生植物,避免其腐爛消耗氧氣增加有機(jī)物,為藻類提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

5 結(jié) 語

本文通過分析2008—2021年白馬湖水質(zhì)情況,指出總氮、總磷是白馬湖水環(huán)境治理最重要的水質(zhì)因子,其他指標(biāo)水質(zhì)類別多年優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),全湖多年的水質(zhì)情況總體變化較小,營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)以輕度富營(yíng)養(yǎng)為主。從白馬湖各生態(tài)功能分區(qū)空間分布特征來看,白馬湖緩沖區(qū)TN、TP、富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)距平系數(shù)均為正數(shù),分別為36.30%、36.90%和3.61%,緩沖區(qū)水質(zhì)明顯差于其他兩個(gè)區(qū)域,但是從2017年以后緩沖區(qū)水質(zhì)有好轉(zhuǎn)趨勢(shì),這與白馬湖深化推進(jìn)湖區(qū)退圩、退養(yǎng)還湖工作關(guān)系密切。需進(jìn)一步加強(qiáng)湖西區(qū)域入湖徑流污染控制,控制湖底沉積物內(nèi)源污染及水生植物腐爛,氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放等,改善白馬湖湖區(qū)水質(zhì)狀況。還應(yīng)進(jìn)一步拓展生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,并在堅(jiān)持長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、不同時(shí)段監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,總結(jié)成果、經(jīng)驗(yàn),以期為白馬湖的治理與保護(hù)提供借鑒。