陽澄湖氮磷時空變化特征及富營養(yǎng)化評價

金文龍，周 維

(蘇州市環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 蘇州 215007)

1 前 言

我國重點流域治理經(jīng)驗表明，湖泊一旦污染，有的將不可逆轉(zhuǎn)，治理成本巨大。保護湖泊生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1-2]。陽澄湖是太湖平原第三大淡水湖，位于蘇南工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，為典型城市淺水湖泊，在區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[3-4]。近年來，由于周邊工農(nóng)業(yè)及生活污水的排放，陽澄湖的氮磷污染及富營養(yǎng)化問題正越來越受到研究者們的關(guān)注：梁長蓂等[5]利用2002～2012年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對陽澄湖營養(yǎng)化進(jìn)程及其趨勢進(jìn)行了研判；呂文等[6]對陽澄西湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)及營養(yǎng)鹽時空變化特征進(jìn)行了分析；桂智凡等[7]分析了陽澄湖氮磷的污染現(xiàn)狀及豐枯水期的變化特征，并識別了導(dǎo)致這些變化的主要原因是養(yǎng)殖活動和底泥營養(yǎng)鹽釋放等；劉洋等[8]通過陽澄湖主要河道2006～2009年水質(zhì)數(shù)據(jù)，對陽澄湖水污染成因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的整治對策；宋學(xué)宏等[9]采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對陽澄湖養(yǎng)殖區(qū)的營養(yǎng)狀況進(jìn)行了綜合評價；周靜等[10-11]的研究表明近幾年陽澄湖的水質(zhì)污染主要體現(xiàn)在富營養(yǎng)化指標(biāo)氮、磷方面。前人的研究主要集中在陽澄湖或其局部湖區(qū)氮磷污染的評價等方面，且研究基于的監(jiān)測數(shù)據(jù)已相對陳舊，未能綜合反映目前陽澄湖的氮磷及富營養(yǎng)狀態(tài)的空間分布以及時間變化規(guī)律。本文利用2015～2017年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對陽澄西湖、中湖、東湖的總氮(TN)、總磷(TP)及富營養(yǎng)化程度的時空變化特征進(jìn)行了研究，有助于更有針對性地開展陽澄湖的水環(huán)境治理，并為湖泊水環(huán)境保護提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

陽澄湖南北長約17km 東西寬約11km，面積為118.93km2，平均水深1.43m，庫容約3.2×108m3。湖中有2條東北至西南走向的狹長半島，把陽澄湖分為東湖(約占總面積的44.08%)、中湖(約占總面積的29.03%)和西湖(約占總面積的26.89%)，三湖之間彼此有河流港汊相互溝通而匯成一體。

2.2 數(shù)據(jù)來源和分析方法

TN、TP濃度數(shù)據(jù)來源于蘇州市環(huán)保部門，本次研究收集2015～2017年陽澄湖湖體6個采樣點每月一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中陽澄西湖、中湖、東湖各兩個采樣點，具體見圖1。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用Excel2010完成。繪圖采用Excel2010、Origin Pro9.0等軟件完成。

2.3 富營養(yǎng)化評價方法

選擇TP、TN、葉綠素a(Chl-a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度(SD)等5項主要指標(biāo)，依據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站《關(guān)于印發(fā)湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定的通知》中推薦的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)方法[12-13]，對水體的營養(yǎng)狀態(tài)按“貧”、“中”、“富”進(jìn)行分級。其評價公式為：

圖1 陽澄湖內(nèi)采樣點布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points in Yangcheng Lake

式中：TLI(Σ)——綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相對權(quán)重；TLI(j)——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

Chl-a是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)，氮、磷則是浮游植物生長所必需的營養(yǎng)元素，3者之間的相關(guān)關(guān)系對確定湖泊水體的限制因子具有重要意義。以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計算公式為：

式中：rij——第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)；m——評價參數(shù)的個數(shù)。

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66lnCODMn)

式中：Chl-a的單位為mg/m3，SD的單位為m，其余指標(biāo)單位均為mg/L。

采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級：TLI<30為貧營養(yǎng)；30≤TLI≤50為中營養(yǎng)；5070為重度富營養(yǎng)。

3 結(jié)果和討論

3.1 陽澄湖氮磷時空變化特征

2015年～2017年陽澄湖及其西湖、中湖、東湖的TN、TP年均值變化情況見圖2。顯然，陽澄湖的TN、TP變化趨勢有一定差異：三年來，陽澄湖的TN濃度先升高后降低，但是變化幅度不大，而TP濃度逐年上升，2017年比2015年升高了73.5%。

從空間上來看，西湖的TN污染始終最嚴(yán)重，TN均值先升高后降低呈下降趨勢；中湖的TN均值也是先升高后降低，但呈上升趨勢，2017年較2015年升高了19.6%；東湖則逐年下降。湖體TN濃度的變化與周邊入湖河道水質(zhì)密切相關(guān)，其中陽澄西湖主要受湖體西線入湖河道影響，陽澄中湖、東湖主要受北線入湖河道影響，因此中湖TN污染加劇的原因可能與陽澄湖北線河道的水質(zhì)惡化有關(guān)，而東湖由于位于陽澄湖下游，其東線和南線均是出湖河道，水流條件較好，河道來水污染可得到較快稀釋自凈，因此TN濃度呈下降趨勢。

TP濃度方面，陽澄中湖、東湖逐年升高，而西湖則是先升高后下降，西、中、東湖2017年的TP濃度比2015年分別上升45.5%、81.7%和113.8%，說明近三年湖體TP污染主要體現(xiàn)在中湖和東湖。2015、2016年TP濃度均是西湖最高，到2017年中湖TP濃度超過西湖，成為三個湖區(qū)中最高。陽澄中、東湖TP濃度的升高可能是由湖體北線七浦塘引排水工程的建設(shè)運行造成，由于河道與湖泊TP水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的差異，導(dǎo)致引水水質(zhì)TP濃度偏高，為平衡陽澄湖南側(cè)蘇州工業(yè)園區(qū)的用水壓力，2017年七浦塘向湖體大量引水，水量主要進(jìn)入陽澄中湖和東湖，導(dǎo)致了對中、東湖TP濃度的沖擊。

圖2 陽澄湖及其西、中、東湖的TN、TP年均值變化特征Fig.2 Annual variation of TN and TP in Yangcheng Lake and its West,Middle,East Lakes

圖3為2015～2017年陽澄湖TN、TP每年的月變化趨勢。不難看出，TN呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化性，每年的1～3月TN濃度均較高，濃度區(qū)間在1.62mg/L～2.55mg/L之間；4月開始，TN濃度明顯下降，到7～9月達(dá)到最低，三年內(nèi)的最低值在0.65mg/L～0.77mg/L之間，從10月份開始又呈現(xiàn)上升趨勢，即冬春季節(jié)氮含量高，夏秋季節(jié)相對較低，這可能與湖體庫容量及面源輸入情況有關(guān)，夏秋季為豐水期，同時農(nóng)業(yè)活動正處于減弱期收獲期，外源營養(yǎng)鹽輸入減少[14]。

圖3 陽澄湖TN、TP的年內(nèi)變化特征Fig.3 Monthly varication in the year of TN and TP in Yangcheng Lake from 2015～2017

TP濃度則呈現(xiàn)上下波動的形態(tài)，季節(jié)變化規(guī)律不明顯，但在2016和2017年的8月份，都有出現(xiàn)了一次明顯波峰，總體來說，夏、秋兩季相對于冬、春兩季濃度較高，這可能與湖泊養(yǎng)殖餌料碎屑沉積[15]、氣溫升高、底泥釋放[16]以及河道引水等綜合因素有關(guān)。

3.2 TN/TP的變化特征

TN/TP比值對于藻類的暴發(fā)性生長具有重要的意義，是水體中浮游植物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特點的重要反映[17]。有研究[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水體中TN/TP小于7時，氮將限制藻類的生長，TN/TP在8至30之間時，水體比較適合藻類生長，而當(dāng)TN/TP超過30時磷成為藻類生長的限制因子。

陽澄湖各個湖區(qū)2015年～2017年的TN/TP值見圖4。不難發(fā)現(xiàn)，三年中陽澄湖及其西、中、東湖的TN/TP均呈逐年下降趨勢，這主要是由于湖體TP濃度的升高引起的。2015年除陽澄中湖外，東、西湖TN/TP均在30以上，2016年和2017年，西、中、東湖的TN/TP下降至18～26的區(qū)間，說明陽澄湖已具備了適合藻類生長的條件。橫向來看，陽澄湖各個湖區(qū)每年的TN/TP值均比較接近。

圖4 陽澄湖及其西、中、東湖的TN/TP年均值變化特征Fig.4 Annual variation of TN/TP in Yangcheng Lake and its West,Middle,East Lakes

陽澄湖TN/TP的月變化情況見圖5。可以看出，除2015年2月TN/TP異常升高外，陽澄湖的TN/TP有較為明顯的季節(jié)變化性。其中，每年的1～4月TN/TP值較高，且一般大于30，說明此時藻類生長得到一定抑制；從5月開始，陽澄湖TN/TP出現(xiàn)明顯下降，到11月份又開始上升。在氣溫較高的5～10月，陽澄湖TN/TP一般均在30以下，其中2017年的7月最低為7.5，說明這段時間較適合藻類生長，藻類爆發(fā)的風(fēng)險較高，應(yīng)適當(dāng)加強湖體藻類的控制。

圖5 陽澄湖TN/TP的年內(nèi)變化特征Fig.5 Monthly variation of TN/TP in Yangcheng Lake from 2015～2017

3.3 富營養(yǎng)化狀態(tài)評價

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對2015～2017年陽澄湖各個湖區(qū)每年的富營養(yǎng)化狀態(tài)變化情況進(jìn)行分析，見圖6。由圖6可知，2015年～2016年，陽澄西湖的TLI基本持平，而中湖和東湖的TLI則明顯升高；2016年～2017年，陽澄西湖的TLI出現(xiàn)下降，而中湖的TLI繼續(xù)上升，東湖基本持平。說明近三年西湖富營養(yǎng)情況有一定好轉(zhuǎn)，而中湖和東湖出現(xiàn)惡化，這與前文所述的陽澄中、東湖TN、TP濃度的升高的結(jié)論是一致的，主要與陽澄湖北線入湖河道污染的加劇有關(guān)，陽澄湖北側(cè)區(qū)域工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集，大量分散的工業(yè)企業(yè)以及農(nóng)業(yè)面源是造成該區(qū)域氮、磷污染的主要原因。三年中，陽澄西湖、中湖均處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，陽澄東湖2015年為中營養(yǎng)，2016和2017年轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度富營養(yǎng)。橫向來看，2015和2016年均是西湖的TLI最高，到2017年，則是中湖最高，且東湖的TLI也上升至與西湖接近的水平。

圖6 陽澄湖及其西、中、東湖富營養(yǎng)化狀態(tài)變化特征Fig.6 Annual variation of eutrophication in Yangcheng Lake and its West,Middle,East Lakes

從年內(nèi)的變化情況來看，陽澄湖的TLI呈現(xiàn)波動的形態(tài)，并未發(fā)現(xiàn)較明顯的變化規(guī)律，見圖7。

圖7 陽澄湖富營養(yǎng)化狀態(tài)年內(nèi)變化特征Fig.7 Monthly variation of eutrophication in Yangcheng Lake from 2015～2017

4 結(jié)論

4.1 2015～2017年，陽澄湖中湖TN、TP濃度以及東湖的TP濃度都呈上升趨勢，對應(yīng)的，陽澄中湖、東湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)持續(xù)惡化，這可能與陽澄湖北線入湖河道污染加劇及北線七浦塘的大量引水有關(guān)，建議進(jìn)一步控制陽澄湖北側(cè)區(qū)域污染并結(jié)合水質(zhì)合理開展調(diào)水引流。

4.2 陽澄湖TN濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化性，每年冬春季較高，夏秋季節(jié)相對較低。此外，每年1～4月陽澄湖TN/TP一般大于30，藻類生長可得到一定抑制；每年5～10月一般在7～30之間，藻類爆發(fā)的風(fēng)險較高。因此建議在5～10月加強湖體藻類控制。