2011～2018年洞庭湖水質變化規律分析

唐 聰，楊 宇，關興中，郭 含，潘 暢

(1.長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢 430000； 2.江西省水文監測中心，江西 南昌 330000)

0 引 言

洞庭湖作為“長江之腎”，其水質變化情況一直是學者們研究的熱點。張光貴等[1]基于1996～2013年洞庭湖水質監測數據，采用內梅羅污染指數(IP)法對三峽工程運行前后洞庭湖水質進行評價，并對洞庭湖水質與主要污染物的時空變化特征進行了分析；王旭等[2]利用長江中下游地區監測站點1950～2009年逐日水文監測數據及1995～2010年水質分析資料，結合Spearman相關分析和綜合污染指數評價法，分析了長江中下游江湖關系演變對洞庭湖水質變化影響；饒建平等[3]以洞庭湖1992～2010年系列監測資料為依據，對洞庭湖19 a的整體水質情況、富營養化狀況以及主要污染指標進行了評價分析，認為洞庭湖水質污染以氮磷污染為主，水體狀況呈逐漸惡化的趨勢；方凱等[4]根據1991～2000年對洞庭湖的水質監測，分析洞庭湖的水質現狀，并對洞庭湖環境變化所產生的水質變化和發展趨勢進行了分析；胡光偉等[5]利用洞庭湖區1991～2015年水質監測數據以及入出湖徑流量和輸沙量數據，結合水質單因子評價法和綜合營養狀態指數法系統評價和分析了洞庭湖水質與營養狀態演變特征，結果表明洞庭湖水質整體上表現出明顯的惡化趨勢；申銳莉等[6]根據2002～2004年洞庭湖水質監測數據，選用內梅羅水污染指數法和黃浦江污染指數對洞庭湖水質現狀進行評價。前人的分析主要集中在2010年之前的水質時空變化，不能全面反映近年來洞庭湖水質的變化情況。本研究選取西、南、東洞庭湖和洞庭湖出口代表站為研究對象，選用2011～2018年水質監測資料，采用季節性Kendall檢驗法對代表洞庭湖水污染特點的高錳酸鹽指數(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)3個參數的時空變化規律進行分析[7-8]，有效地補充了近10 a洞庭湖水質變化的研究，加入了對于不同年份內同時期水質變化趨勢的分析方法。通過研究洞庭湖水質污染變化特點，探究污染產生原因，分析主要著力方向，并提出相應對策方向，為洞庭湖水污染治理提供科學依據。

1 研究背景

洞庭湖(28°44′～29°35′N，111°53′～113°05′E)位于湖南省東北部，是中國第二大淡水湖，也是目前長江中游荊江段唯一與長江干流連通的湖泊[9-10]。洞庭湖是亞洲最大的內陸濕地保護區，被譽為“拯救世界瀕危珍稀鳥類的主要希望地”，其中東洞庭湖濕地為國家級濕地自然保護區，是全球范圍內公認的生態保護區，在國際上具有十分重要的地位[11-12]。洞庭湖唯一出口河段城陵磯水文站隸屬長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，被譽為洞庭湖及長江流域水情“晴雨表”，距離洞庭湖入長江匯合口上游3.5 km。2008年起，在洞庭湖增設城陵磯、鹿角、沅江、小河咀等斷面，作為常規水質監測斷面，開始監測洞庭湖水質狀況以及進入長江水質狀況。

2 材料與方法

2.1 數據準備

依據站點分布特征，分別選取南咀(西洞庭湖)、沅江(南洞庭湖)、鹿角(東洞庭湖)、城陵磯(東洞庭湖、洞庭湖出口)共計4個監測站點作為研究對象，站點分布見圖1。根據各站點歷年主要超標指標情況以及季節性Kendall檢驗法判斷水質趨勢時的年份系列長度要求，選取上述4站2011～2018年間CODMn，TN，TP等3個參數作為水質變化趨勢分析指標，各站點基本情況見表1。數據來源于長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局(長江中游水環境監測中心，CMA證書編號：160012081541)歷年監測數據。分析站點研究時段內每月采樣一次，其中，南咀站、城陵磯站采用3線6點法、沅江站、鹿角站采用3線3點法。年均值采用月均值的算術平均求得，月均值為各點算術平均值，本研究中暫未考慮流量因素影響。全年監測采樣符合水質監測技術規范規定的時間分布、樣本數要求。

2.2 分析方法

河湖水質受徑流變化影響，傳統意義上的汛期與非汛期水質數據比較，缺乏一定的可比性。季節性Kendall趨勢檢驗分析為Hirsch等[13]于1982年提出的一種通過比較歷年相同月份間水質數據，避免季節性影響的檢驗水質變化趨勢的方法，是Mann Kendall檢驗的一種推廣[14]。該方法可用于系列有漏測值、未檢測值以及變量非正態分布時間序列，其原理是針對收集的多年數據，分別計算各月份的Mann-Kendall 檢驗統計量S及其方差Var(S)，然后將各月份統計量相加，算出總統計量，若月份數與年數足夠大，則可根據總統計與標準正態表之間的比較來進行統計顯著性趨勢檢驗[15-16]。

圖1 監測站點分布示意

表1 監測站點基本情況

通常情況下根據Kendall檢驗統計量判斷上升或下降趨勢，取顯著性水平α為0.1和0.01，即當α≤0.01時，說明檢驗具有高度顯著性水平，當0.01<α≤0.1時，說明檢驗是顯著的。在α計算結果滿足上述兩條件情況下，當z為正時說明具有顯著(或高度顯著)上升趨勢，當z為負時說明具有顯著(或高度顯著)下降趨勢，當z為0時說明無趨勢。本研究中季節性Kendall趨勢檢驗分析基于R軟件提供的函數實現。

圖2 監測站點污染物濃度變化過程

3 結果與分析

3.1 時間變化趨勢

洞庭湖2011～2018年各監測站點年均CODMn，TN，TP實測濃度過程線見圖2。由圖2可知，南咀、沅江、鹿角、城陵磯4站年均CODMn，TN呈明顯下降趨勢，各站最大CODMn濃度分別為2.65，2.57，2.94，3.07 mg/L，最大TN濃度分別為2.15，1.93，2.67，2.34 mg/L；南咀、沅江的TP呈先下降后上升變化趨勢，首次最大TP濃度均出現在2015年，分別為0.10，0.13 mg/L，鹿角的TP下降趨勢明顯，最大濃度為0.11 mg/L，城陵磯的TP濃度在2016年后下降明顯。

3.2 季節性Kendall檢驗

為了進一步探究洞庭湖水質變化趨勢，對監測站點的水質資料通過季節性Kendall檢驗法進行2011～2018年的趨勢分析，結果見表 2。由于資料年限的系列長度完全符合季節性Kendall檢驗方法的要求，所選參數CODMn，TN和TP能夠反映洞庭湖水質污染特點，因此認為本次分析檢驗結果是可信的。

從各監測站點水質季節性變化趨勢檢驗結果可知：研究年份洞庭湖各站點CODMn，TN和TP有趨勢變化的居多，無明顯趨勢變化的少，說明水質存在明顯動態變化；4個站點CODMn濃度均呈現高度顯著下降趨勢，TN濃度同樣呈現下降趨勢，其中除沅江顯著下降外，其余3站均高度顯著下降；TP濃度變化趨勢中，南咀呈高度顯著上升趨勢，鹿角、城陵磯呈高度顯著下降趨勢，沅江無明顯升降趨勢，檢驗結果與時間變化趨勢基本一致。由此可見，洞庭湖2011～2018年水質狀況整體呈不斷向好發展態勢。

3.3 空間變化特征

洞庭湖2011～2018年各監測站點CODMn，TN，TP濃度空間變化趨勢見圖3。由圖3可知：① 洞庭湖CODMn總體變化趨勢相對穩定，代表南洞庭湖的沅江站除2012年外，其余分析年份均低于其他3站；代表東洞庭湖的鹿角站、城陵磯站普遍高于南咀站，且洞庭湖出口城陵磯站明顯高于鹿角站；濃度最大年份出現在2011年城陵磯站，CODMn濃度達3.07 mg/L，濃度最小年份出現在2016年沅江站，CODMn濃度為1.96 mg/L。② 洞庭湖TN濃度變化趨勢歷年來基本一致，呈現濃度c(鹿角)>c(城陵磯)>c(南咀)>c(沅江)的分布特征；濃度最大年份出現在2011年鹿角站，TN濃度達2.67 mg/L，濃度最小年份出現在2018年沅江站，TN濃度為1.55 mg/L。③ 洞庭湖TP濃度空間分布無明顯特征，年均濃度在0.07～0.13 mg/L之間波動；濃度最大年份出現在2015年沅江站，最小濃度在各站不同年份均有表現。

表2 季節性 Kendall 趨勢檢驗結果

圖3 濃度空間分布特征

4 討 論

4.1 時間變化趨勢原因分析

洞庭湖區各研究站點CODMn濃度均呈現高度顯著下降趨勢，TN濃度除沅江顯著下降外，其余3站均高度顯著下降，表明近年來洞庭湖各個湖區水質指標呈現明顯好轉態勢，環境治理成效顯著。TP濃度變化中，南咀呈高度顯著上升趨勢，沅江無明顯升降趨勢，說明該兩處監測站點所處流域西、南洞庭湖仍然存在工業源廢水或農業源污水等點、面源污染。根據《湖南省第二次全國污染源普查公報》(普查時點為2017年，以下簡稱“二污普”)，洞庭湖(湖南部分)水污染物排放量中，總氮排放量為3.57萬t，總磷排放量為0.43萬t，分別占全省水污染物排放總量的18.56%和19.28%。結合《湖南省第一次全國污染源普查公報》(普查時點為2007年，以下簡稱“一污普”)，10 a來，湖南省廢水主要污染物排放總量中TN排放量減少2.66萬t，減少率為12.15%，TP排放量增加0.17萬t，增加率為8.25%，TP排放量不減反增；二污普結果表明，TP，TN排放量農業源占比64.57%，51.59%，工業源占比僅為1.35%和3.48%。綜上分析可知，農業源TP，TN排放量為湖南省TP，TN排放量的主要來源，占比在50%以上，且洞庭湖(湖南部分)水污染物排放量TP，TN約占全省水污染物排放總量的20%，可以推測農業施用化肥是造成的洞庭湖區N，P污染的主導因素，該分析結論與湖南省2012～2019年統計年鑒結果(統計年份2011～2018年)基本一致(圖4)，由圖4可知，湖南省2011～2018年農業氮肥施用折純量明顯下降，磷肥無明顯變化，而過量施用的氮肥和磷肥將通過地表徑流和土壤侵蝕匯入水體中，加劇水體污染程度[17]。對此，應積極推進洞庭湖農業面源污染治理，尤其是西、南洞庭湖以及沅水、澧水入湖流域農業片區，不斷改善入湖水質，整體提升洞庭湖水環境質量。

圖4 湖南省2011～2018年農業氮肥、磷肥施用折純量

最新《湖南省洞庭湖保護條例》(2021年5月27日湖南省第十三屆人民代表大會常務委員會第二十四次會議通過，以下簡稱《條例》)表明，為了保護和改善洞庭湖生態環境，保障經濟社會可持續發展，湖南省人民政府生態環境主管部門規定洞庭湖湖區禁止生產、銷售、使用含磷洗滌用品(指總磷酸鹽含量(以五氧化二磷計)超過國家標準的洗滌用品)，全面削減和控制入湖氮磷污染物排放總量。其中，工業方面，建立洞庭湖工業污染源信息庫，嚴格控制重點行業氮磷排放總量；農業方面，制定鼓勵支持化肥、農藥農膜減量增效使用和秸稈綜合利用綠色補貼的配套政策，推廣先進農業生產技術，有效控制農業面源污染。結合本研究分析結果，筆者認為隨著《條例》的實施，洞庭湖的N，P污染將得到有效的控制。

4.2 空間變化趨勢原因分析

洞庭湖不同區域TP濃度空間分布無明顯特征，CODMn,TN的空間變化規律總體為南咀至沅江呈下降趨勢，沅江至城陵磯呈顯著上升趨勢，該變化與洞庭湖水流行進方向一致，但沅江下游資水、湘江、汨羅江入湖口存在一定量的污染物匯入，導致鹿角站CODMn，TN污染物濃度明顯高于沅江站。治理重點為汨羅江入湖段，應加強該河段的排污口監測工作，嚴格實施達標排放，控制污染物排放總量。

5 結 論

本文通過研究分析洞庭湖區4站2011～2018年水質監測結果，采用季節性Kendall檢驗法綜合分析，主要得出以下結論。

(1) 南咀、沅江、鹿角、城陵磯4站年均CODMn，TN呈明顯下降趨勢；南咀TP呈高度顯著上升趨勢，鹿角、城陵磯TP呈高度顯著下降趨勢，沅江TP無明顯升降趨勢，檢驗結果與時間變化趨勢基本一致，水質狀況整體呈不斷向好發展態勢。

(2) 空間變化趨勢分析表明，洞庭湖不同區域TP濃度空間分布無明顯特征，CODMn，TN的空間變化規律總體為南咀至沅江呈下降趨勢，沅江至城陵磯呈顯著上升趨勢，應加強汨羅江河段排污口監測工作，控制污染物排放總量。

(3) 一、二污普和統計年鑒數據分析表明，農業施用化肥是造成的洞庭湖區N，P污染的主導因素，應積極推進洞庭湖農業面源污染治理工作。