長湖水質演變特征及水環境現狀評價

劉建峰,張 翔,謝 平,朱志龍

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.水資源安全保障湖北省協同創新中心,武漢大學,湖北武漢 430072;3.湖北省水文水資源局,湖北武漢 430070)

長湖水質演變特征及水環境現狀評價

劉建峰1,2,張 翔1,2,謝 平1,2,朱志龍3

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.水資源安全保障湖北省協同創新中心,武漢大學,湖北武漢 430072;3.湖北省水文水資源局,湖北武漢 430070)

利用湖北省長湖2001—2011年的水質監測資料,分析了長湖年際及月際的水質演變規律。結果表明,2005年長湖水質達到最差,然后呈逐漸好轉趨勢,至2011年,長湖水質已有明顯改善。在1個水文年內,長湖的水質優劣順序依次是：豐水期,平水期,枯水期。利用模糊綜合評價方法對2011年長湖水質狀況進行評價,結果表明,該年3個水期長湖水質狀況的最大隸屬等級為Ⅰ類,水質較好。利用卡爾森指數法對長湖2011年豐水期進行富營養化評價,結果表明,除習家口水域外,全湖水體基本上處于中度富營養化水平。對長湖水環境壓力進行分析,結果表明,長湖的生態系統正面臨衰退困境,而主要污染物的年入湖量已大大超出長湖的納污能力。

水質；模糊綜合評價；卡爾森指數法；富營養化；水環境壓力；長湖

近30年來,在人類活動的強烈干擾下,我國湖泊由貧-中營養狀態為主逐步向富營養狀態轉變,富營養化湖泊的數量和面積呈逐年增加的趨勢[1]。富營養化不僅表現為湖泊中藻類等浮游植物過度生長,同時還伴隨著一系列水質惡化過程。整個湖泊生態系統也伴隨著富營養化的發展,呈現出生物多樣性下降、生態系統趨于不穩定的現象[2]。

長湖是湖北省第3大湖泊和重要的保護濕地。從20世紀90年代開始,長湖水質急劇惡化,富營養化水平不斷提高,湖泊各項功能的發揮受到嚴重制約。目前關于長湖水環境的已有研究重點主要集中在水質評價、水生生物及污染源調查等方面[3],尚無有關長湖水質演變特征的研究。筆者利用2001—2011年的水質監測資料,分析長湖水質的演變特征,對長湖水環境現狀進行評價,旨在為長湖水環境治理提供依據和借鑒。

1 研究區概況

長湖地處湖北省荊門市沙洋縣,在荊州市沙市區和潛江市亦有分布。長湖水域范圍介于東經112°12憶04″～112°30憶25″、北緯30°21憶55″～30°31憶22″,水面面積122.5 km2,是湖北省第3大湖泊。長湖水域及水質監測點分布見圖1。近些年來,由于受到長湖流域及周邊城鎮工業廢水、生活污水、規模化畜禽養殖污水、農業面源污染,以及湖泊圍欄網養殖的影響,長湖水體受到嚴重的有機污染[3]。根據近11年長湖各監測點的水質監測資料,長湖所有水質監測站點大多數年份的水質均處于Ⅳ～劣Ⅴ類,超標污染指標主要為TP、TN、CODMn等。

圖1 長湖水域及水質監測點分布

2 長湖水質演變特征分析

2.1 長湖水質年際變化

根據2001—2011年長湖水質監測資料,得到長湖年平均水質濃度數據,采用綜合污染指數法進行評價：

式中：Pij為污染物分指數;Cij為污染物實測質量濃度;Ci0為污染物Ⅲ類評價標準值;∑Pi為綜合污染指數;∑Pj為綜合污染分指數;m為指標個數,n為系列年份數[4]。

根據水體具體情況,選取TP、TN、CODMn、BOD5作為評價因子。通過計算,得到各年污染物分指數和綜合污染指數,見表1。由表1可知：評價期內,長湖水質處于不達標狀態,其中2001—2005年,綜合污染指數基本呈遞增趨勢,說明長湖水質不斷惡化;至2005年,綜合污染指數達到最大,然后又逐漸減小,說明長湖水質有所好轉;至2011年,各污染因子的質量濃度基本降到Ⅳ類水標準值以下,說明長湖水質已明顯改善。在各項污染因子的綜合污染分指數按從大到小順序排序為：TP,TN,BOD5,CODMn。

表1 長湖各污染物污染分指數和綜合污染指數(年際)

2001—2011年,長湖各項水質指標的質量濃度變化情況見圖2。從圖2可知,2004—2010年時段內,TP、TN基本上處于嚴重超標狀態,CODMn、BOD5則輕度超標。其中,TP質量濃度在2005年達到峰值,之后總體呈明顯下降趨勢;TN質量濃度呈波狀形變化,峰值同樣出現在2005年;CODMn質量濃度的年際變化比較平穩,在2005年之后,基本呈下降趨勢,2010—2011年,已達到Ⅲ類水標準值以下; BOD5的質量濃度變化趨勢比較明顯,2007年之前逐年增加,而2007年之后又基本呈直線下降態勢。可以看出,這4個指標的質量濃度變化趨勢并不同步,但近幾年總體上呈下降趨勢。

2.2 長湖水質年內變化

根據2001—2011年長湖水質監測資料,分別統計各月份的主要污染因子污染分指數及綜合污染指數系列均值,見圖3。

從圖3可知,4項主要污染物中,CODMn超標的月份最少,月際間基本無變化;TN在3月份的污染分指數最大,其他月份均處于相對較低水平;BOD5的變化趨勢與TN正好相反;TP污染分指數和綜合污染指數的變化趨勢基本同步。分析綜合污染指數變化趨勢,可知,豐水期(6—9月)的水質明顯優于枯水期(10月—次年1月)和平水期(2—5月)。在枯水期末,水質達到最差,然后逐漸好轉,至平水期末,水質達到最優,然后水質又有所惡化。根據水質變化趨勢,可判斷5月份之后長湖水質持續改善至豐水期末。而實際上TP污染分指數和綜合污染指數在夏季均出現了明顯的上升。

圖2 長湖TP、TN、CODMn、BOD5質量濃度變化趨勢

圖3 長湖各污染物污染分指數和綜合污染指數月際變化情況

根據2010年對長湖污染源情況調查分析的結果,農業面源污染為長湖流域主要污染源,農業面源污染等標污染負荷占全流域污染物總負荷的52.8%,而在排放的各項農業面源污染物中,TP的污染負荷比高達74.8%。每年6—7月,長湖流域農業活動強烈,污水量較大,TP質量濃度上升,成為主要農業面源污染源。而隨著夏季來臨,水溫升高,水產養殖進入旺季,對水質也產生不利影響。

3 長湖水環境現狀評價

3.1 水質現狀模糊綜合評價

利用單因子指數法和綜合污染指數法來評價水質狀況,雖然簡單易行,但不夠客觀全面,因此,筆者采用模糊綜合評價法[4-5]對長湖水質現狀進行評價。由于平水期、豐水期和枯水期長湖水質有明顯差異,因此分別選取平水期、豐水期和枯水期3個水期的水質監測結果進行評價。

a.根據長湖水質分級標準[6]構建隸屬函數。根據TP的5級標準構建各水質級別的隸屬函數：

式中：Sij為第i個評價因子第j類評價標準的質量濃度值。同理,可求出其他各項指標的隸屬函數(DO大小順序相反)。

b.將2011年3個水期的5項水質指標(TP, TN,NH3-N,CODMn,DO)的實測質量濃度均值代入對應的隸屬函數,建立監測結果的單因子模糊評價矩陣R：

c.確定各污染因子的權重,得到權重系數模糊子集A。對于越小越優型指標,計算公式為：di= ci/c0i;對越大越優型指標,計算公式為：di=c0i/ci(di、ci、c0i分別為第i種評價指標的權重、實測質量濃度和各水質類別質量濃度的均值)。然后,進行歸一化處理,得到各污染因子的權重系數：ri= di/∑di,則權重系數模糊集A={r1,r2,r3,r4,r5}。根據以上方法,得權重系數模糊集：

由模糊復合運算可以得到模糊綜合評價矩陣：

d.加權綜合判斷[7]。實際中最常用的判斷方法是最大隸屬度原則,但在某些情況下使用最大隸屬度原則有些勉強,損失信息較多,甚至得出不合理的評價結果。因此,在模糊綜合評價矩陣的基礎上,為了利用信息進一步進行判斷,把評價矩陣B與等級分布矩陣C=(1,2,3,4,5)T相乘,得到一個綜合評價等級D=(B·C)T。計算結果見表2。

表2 采用不同評價方法對2011年長湖水質評價結果的比較

e.評價結果分析。由表2中的評價結果可知：根據最大隸屬度原則,2011年平水期、豐水期、枯水期水質的綜合評價等級均為Ⅰ類;而根據加權綜合判斷,平水期、豐水期、枯水期水質綜合評價等級依次為1.56、1.97、1.76。由此可知,2011年長湖水質總體較好。不過,根據規范中的單因子評價方法, 2011年長湖3個水期的水質等級分別為：劣Ⅴ類、Ⅴ類、Ⅴ類,屬嚴重超標。評價結果的差異是由兩種評價方法基于不同的原則造成的。單因子評價法中,超標最嚴重的污染因子對整個評價結果起決定作用,而模糊綜合評價法則充分考慮了各污染因子對評價結果的貢獻,并把貢獻按權重進行分配,其評價結果是各參評污染因子綜合作用的結果。

3.2 富營養化現狀評價

3.2.1 富營養化評價

由于長湖全年基本上處于富營養化狀態,其中以夏季富營養化水平最高,因此只需對夏季富營養化狀況做出評價,即可反映長湖全年富營養化狀況。采用中國環境監測總站制定的《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》中推薦的綜合營養狀態指數法,對長湖監測水域進行富營養化評價,評價結果見表3。

表3 富營養化評價結果

由表3可知,除習家口水域為中營養水平外,其他水域基本上處于中度富營養狀態。其中后港水域的富營養化程度最高,這與后港水域的湖灣位置及其污染物排放類型有密切關系。在湖心位置,富營養化程度相對較低,但也達到了中度富營養化水平。習家口水域為長湖的出流處,水質相對較好,未發生富營養化。整體來看,除習家口水域外,其他水域的富營養化水平均較高,各水域的富營養化水平差異不大。

3.2.2 富營養化類型分析

Redfield等[8]認為浮游植物在光合作用中吸收一定的N/P原子比,該比值為16,當ρ(TN)/ρ(TP)＞7時,則浮游植物生長受磷限制。統計2011年夏季各水域TN、TP質量濃度值,進行富營養化類型分析,分析結果見表4。

表4 2011年夏季各水域ρ(TN)/ρ(TP)值

由表4可以看出,除后港和關沮口水域ρ(TN)/ ρ(TP)＜7,浮游植物生長受氮限制外,其他水域均受磷限制。因此,要想控制長湖的富營養化進程,關鍵在于控制磷的污染負荷,而對外源輸入的控制成為關鍵。

3.3 長湖水環境壓力分析

根據上文分析可知,目前長湖水質正在逐步好轉,但TP、TN等指標仍然超標嚴重,富營養化水平較高。因此,查明長湖承受的水環境壓力,才能有效地治理水質污染,恢復其經濟、生態及美學價值。

3.3.1 生態壓力

20世紀50年代至今,長湖33 m水位對應的湖面面積減少了31.3%,相應容積減少了1.45億m3。水體的透明度從1985年的2 m以上降到20世紀90年代的不到1m,至2011年,水體的透明度已降至0.5m以下,而在圈湖養殖區水體透明度甚至更低。在水生生物方面,與1985年相比,長湖的水生植物覆蓋率與生物量分別降低了54.85%和69.78%,尤以挺水植被與浮水植被面積喪失最嚴重。此外,長湖魚類資源從原來的60多種降至2011年的30多種,且質量也已大不如前[3]。由此可知,長湖正面臨著水生生物多樣性減少、生態結構功能退化的困境。目前越來越多的研究認為,以水生高等植物為優勢的湖泊生態系統結構退化、功能喪失,是湖泊出現藻型富營養化現象和水質惡化的內因[2,8]。由此可見,長湖可能會出現“富營養化—生態結構退化—加劇富營養化”的惡性循環。

3.3.2 納污壓力

根據2010年長湖流域污染物調查結果,流域內農業污染、城鎮生活污染、工業污染、水產養殖污染的貢獻率分別為58.7%,31.0%,6.5%,3.8%。從2011年長湖水環境容量計算結果(表5),可知長湖污染物入湖量已超過其納污能力。

表5 長湖水環境容量及污染物排放情況t/a

4 結 論

長湖的主要污染因子為TP、TN、CODMn、BOD5等,其中又以TP、TN超標最為嚴重。從2005年以來,長湖水質整體狀況有所改善,但個別指標仍然嚴重超標,使得水質一直處于Ⅳ類及以下類別。長湖各水期水質變化比較明顯,水質以豐水期最優,平水期次之,枯水期最差,一般情況下水質最優的月份為5月。根據模糊綜合水質評價結果,2011年長湖水質最大隸屬等級為Ⅰ類,主要貢獻污染物為TP、TN。長湖的富營養化水平較高,除習家口水域外,全湖水體基本上處于中度富營養化水平。長湖目前面臨著較大的水環境壓力,水生態結構退化明顯,污染物入湖量嚴重超標。

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Variation of water quality and present water environment assessment of Changhu Lake

LIU Jianfeng1,2,ZHANG Xiang1,2,XIE Ping1,2,ZHU Zhilong3
(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security, Wuhan University,Wuhan 430072,China; 3.Hydrology and Water Resources Bureau of Hubei Province,Wuhan 430070,China)

Based on water quality monitoring data from the period of 2001 to 2011 in Changhu Lake,in Hubei Province,the inter-annual and inter-monthly variations of water quality of the lake are analyzed.The results show that the water quality was worst in 2005,and then gradually became better.In 2011,the water quality improved significantly.In a hydrological year,the water quality diminished over the following stages：the wet period,the normal period,and the dry period.The method of fuzzy comprehensive evaluation was used to evaluate the water quality of the lake in 2011.The results show that the maximum membership degree was I for the three periods, indicating that the water quality was good.The Carlson trophic state index was adopted for eutrophication assessment of the water quality in the wet period.The results show that all the water areas were in a state of moderate eutrophication,except for the Xijiakou water area.Analysis of water environmental pressure shows that the Changhu Lake ecosystem is facing the challenge of degradation.In addition,the amount of the main pollutants into the lake has exceeded its water environmental capacity.

water quality;fuzzy comprehensive evaluation;Carlson trophic state index method;eutrophication; water environmental pressure;Changhu Lake

X824

A

10046933(2014)04001805

20140216 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.005

國家自然科學基金(51279143,51179131);國家社會科學基金(12&ZD215)

劉建峰(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水環境及水生態。E-mail：liujf_whu@163.com