2020, Vol. 40
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2. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048;
3. 江西省环境保护科学研究院, 南昌 330029;
4. 三峡大学水利与环境学院, 宜昌 443002
2. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048;
3. Jiangxi Academy of Environmental Science, Jiangxi, Nanchang 330029;
4. College of Hydraulic & Environmental Engineering, Three gorges university, Yichang 443002
鄱阳湖是中国最大淡水湖, 其水资源及生态环境状况对保障长江流域中下游生态安全和水安全发挥着重要作用(金斌松等, 2012).然而近30年来, 随流域社会经济快速增长和水资源大规模开发, 鄱阳湖水生态系统受损、湿地萎缩及水污染等生态环境问题日益突出(闵骞等, 2009；席海燕等, 2014；马广文等, 2015).特别是2003年后, 鄱阳湖劣于Ⅲ类的水体面积比例明显增加(毛战坡等, 2011；Du et al., 2018)；至2016年Ⅰ~Ⅲ类水质点位比例降为11.8%, 水质轻度污染, 影响饮用水安全与湖泊生态系统健康(王圣瑞等, 2013；江西省生态环境厅, 2016).
鄱阳湖江湖、河湖关系复杂, 湖泊水质时空差异显著；特别是近年来水污染又出现新一轮加重趋势, 尤其是氮磷浓度升高明显.因此, 如何认识鄱阳湖水质演变规律及主要驱动因素, 对鄱阳湖及长江大保护具有重要意义.水质指数法(WQI)被广泛应用于评估地表水和地下水水质(Sanchez et al., 2007；李思悦等, 2008), 其结果可解析水体主要污染因子, 定量评价污染程度.因此, 本研究采用水质指数法(WQI), 结合聚类分析、多元回归分析等多元统计方法, 基于2003—2016年16项水质数据, 试图探究鄱阳湖水质演变规律, 识别水质演变主要驱动因子, 揭示水质空间差异及影响因素, 以期为鄱阳湖保护及管理提供科学支撑及参考.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况鄱阳湖(28°22′~29°45N′, 115°47′~116°45′E)位于长江中下游南岸、江西省北部, 是我国最大的淡水湖, 同时也是全球重要湿地(图 1).该湖上承赣江、抚河、信江、饶河、修河五大水系(又称“五河”), 下接长江, 是长江流域最大的通江湖泊, 占长江15.5%的径流量及9%的流域面积, 对长江中下游的用水安全和水生态环境产生重要影响(Gao et al., 2014；李冰等, 2017).鄱阳湖流域发展水平不平衡, 区域经济在空间上表现出东西差异, 东部中高水平发展区域数量在缩减, 并且低水平区域数量在增加, 东西差异逐渐拉大(钟业喜等, 2010), 对鄱阳湖区水质也产生一定影响.
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| 图 1 鄱阳湖地理位置及监测点分布 Fig. 1 Location and monitoring point distribution of Poyang Lake |
本研究鄱阳湖水质、水位数据来自江西省环境监测中心和江西水利厅, 其中水质数据包含2003—2016年Hg、Cd、Cr6+、Pb、DO、CODMn、NH4-N、TP、TN、Cu、Zn、氰化物、挥发酚、石油类、硫化物和粪大肠菌群等16项指标；工业源废水排放总量、生活废水排放总量数据来源于《江西省环境状况公报》；降雨量、入河污水量数据来源于《江西省水资源公报》；化肥施用量、人口数量、GDP等数据来源于《国民经济和社会发展统计公报》；旅游收入数据来源于《江西省统计年鉴》.
2.3 研究方法 2.3.1 水质指数法本研究采用的水质指数法(WQI)以中国的“地表水环境质量标准”(GB3838—2002), 广东省环境保护局和广东省水利厅发布的《广东省城市集中式饮用水源地水资源质量监测、评价与发布方案》(广东省环境保护局等, 2002)及Hou等(2006)为基础.该方法能有效地将许多物理和化学参数转换为反映水质水平的单一值, 从而消除了评估中单独使用的参数之间的差异, 可以完整地表达水体综合水质信息.Hou等(2006)利用WQI值法评估了中国黄河下游水库水质及其时空变化, 并辨别了主要污染物.李思悦等(2008)运用该方法对丹江口水库水质进行了评价, 并根据评价结果解析了该水库的主要污染因子, 定量评价了污染程度.评估应用的水质参数分为3组：第1组(有毒金属)包括Hg、Cd、Cr6+和Pb, 第2组(易处理参数)包括DO、CODMn、NH4-N、TP和TN, 第3组(其他)包括Cu、Zn、氰化物、挥发酚、石油类、硫化物和粪大肠菌群等其他参数.每个参数的WQI值计算如下：
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(1) |
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(2) |
式中, Ci为第i项评价项目实测结果；Ci, k为第i项评价项目的k级标准浓度；Ci, k+1为第i项评价项目的k+1级标准浓度；WQIi, k为第i项评价项目的k级指数值；n为相同标准值的个数(当无相同时, n=1).
对于有毒金属评价, WQI(1) = max(WQIi)；对于易处理的参数和其他参数, WQI值是WQIi的平均值.所有3组的WQI计算为WQI=max(WQI(1, 2, 3)).根据WQI评分将水质分为5个等级：优秀(0~20)、良好(21~40)、中等(41~60)、差(61~80)和极差(81~100), 分别对应于GB3838-2002中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ或Ⅴ类水体.研究中的环境参数的标准浓度即为GB3838-2002中地表水环境质量标准基本项目标准限值.
聚类分析本研究用Ward方法和欧几里德距离平方, 对各点位平均值进行空间聚类分析(Singh et al., 2005), 以揭示2011—2016年鄱阳湖水质空间分布特征.
3 结果(Results) 3.1 基于WQI值的鄱阳湖水质总体状况及主要污染因子本研究2003—2016年鄱阳湖水质WQI值描述性统计结果见表 1.结果表明, 近14年鄱阳湖水质WQI值为10.88~66.91, 平均值为37.77；根据WQI分类水平结果, 鄱阳湖水质类别主要为“良好”和“中等”, 分别占总体的66.90%和31.56%.
| 表 1 2003—2016年鄱阳湖水质参数统计数据 Table 1 Statistical data of water quality parameters of Poyang Lake from 2003 to 2016 |
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3种类型水质参数中, WQI(1)和WQI(3)值相对较小, 均值分别为3.97和6.78, 均远小于WQI值, 表明鄱阳湖重金属和其他水质参数污染程度较低, 且对鄱阳湖水质影响较小；而WQI(2)均值为37.59, 占鄱阳湖水质整体WQI值的98.6%, 且WQI和WQI(2)呈显著正相关(r=0.975, p < 0.01), 表明易处理水质参数对鄱阳湖WQI值有重要贡献.具体来讲, 第二类水质参数中WQI(TN)和WQI(TP)值最高, 均值分别为62.78和60.35, 为“差”类等级, 分别是水质WQI值的1.66倍和1.60倍；WQI(TN)、WQI(TP)与WQI(2)呈显著正相关, 相关系数分别为0.618和0.531(p < 0.01), 表明鄱阳湖水质等级主要受TN和TP影响, 即TN和TP两项指标是导致鄱阳湖水质变化的主要指标.
3.2 基于WQI值的鄱阳湖水质年际演变特征基于WQI值分析, 鄱阳湖近14年水质类别总体为“良好”等级, 接近于“中等”等级阈值(图 2).年际变化呈现一定阶段性特征：其中, 第一阶段为2003—2010年, WQI值为34.17~41.17, 均值为38.19, 有降低趋势, 但变化不显著(表 2).就水质指标而言, WQI(TP)和WQI(TN)也呈波动变化, WQI(TP)总体为波动降低趋势, 2004年达到最高值80.00, 2007年出现最小值57.44后, 又逐渐增加至2009年的71.45, 该阶段均值为69.96(图 2)；WQI(TN)在该阶段呈显著增加趋势(表 2), 2005年为最低值45.40, 至2010年增加到最大值67.43, 在该阶段均值为61.36；相比而言, TN污染程度较TP轻(图 2).
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| 图 2 2003—2016年鄱阳湖WQI值变化 Fig. 2 Changes in WQI value of Poyang Lake from 2003 to 2016 |
| 表 2 利用Spearman秩相关系数对鄱阳湖各阶段WQI值进行Daniel趋势检验趋势分析 Table 2 Trend analysis of daniel trend test for WQI values in Poyang Lake by using spearman rank correlation coefficient |
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第二阶段为2011—2016年, WQI值较上一阶段有所降低, 均值为37.84, 有上升趋势, 但不显著；WQI(TP)在该阶段均值为59.06, 虽较上一阶段降低15.58%, 但TP污染程度仍较重, 且增加趋势明显, 由2011年的55.17增加至2016年的66.77；WQI(TN)在该阶段均值为64.94, 呈现极显著增加趋势(表 2), WQI(TN)逐年上升, 较上一阶段升高5.83%；相比而言, 该阶段鄱阳湖TN污染程度逐渐超过TP.
3.3 基于WQI值的鄱阳湖水质空间差异及演变特征利用2011—2016年鄱阳湖17个点位水质参数指标的WQI值进行空间聚类, 结果如图 3所示.空间聚类将17个点位分为3组, 其中第1组(包含8个点位(S1~S8), 均位于鄱阳湖北部；第2组包含4个点位均位于鄱阳湖东南部(S9、S10、S16、S17)；第3组的5个点位(S11~S15)位于鄱阳湖西南部(图 3).鄱阳湖各湖区2011—2016年WQI、WQI(TP)及WQI(TN)值变化情况如图 4所示.鄱阳湖3个湖区水质在空间上存在一定差异, 其中北部湖区WQI年均值较其它两湖区低, 变化范围为33.93~39.15, 属于“良好”等级；东南湖区和西南湖区WQI均值相对较高, 变化范围分别为37.13~41.17和35.91~44.47.3个湖区WQI值变化趋势也不相同, 北部湖区和东南湖区WQI值均在2013年达该阶段最大值, 之后逐渐降低；而北部湖区则于2013年出现最小值, 之后逐渐升高.
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| 图 3 鄱阳湖空间聚类分析树形图 Fig. 3 Spatial clustering analysis tree of Poyang Lake |
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| 图 4 2011—2016年鄱阳湖各湖区WQI年际变化 Fig. 4 Interannual variation of WQI in different lakes of Poyang Lake from 2011 to 2016 |
鄱阳湖3个湖区主要污染指标TN和TP分布状况及演变趋势差异明显, 其中西南湖区WQI(TP)值最高, 变化范围为53.84~72.47, 东南湖区相对较小, 均值为54.09；北部湖区和西南湖区WQI(TP)增加明显, 东南湖区总体波动较大, 自2014年后增加明显.东南湖区WQI(TN)最高, 变化范围为66.75~78.36, 北部湖区相对较低, 但自2013年后北部湖区增加趋势显著(rs=0.829, p < 0.05), 逐渐超过西南湖区, 与东南湖区接近.由此可见, 该阶段鄱阳湖区WQI(TN)值变化主要受北部湖区污染增加影响.
4 讨论(discussion) 4.1 不同阶段鄱阳湖水质变化驱动因素差异根据WQI值, 近14年鄱阳湖总体水质处于“良好”等级, 接近于“中等”阈值, 但不同指标差异较大, 尤其TN和TP污染最为严重, 即氮磷污染控制是鄱阳湖保护治理亟需解决的首要问题.湖泊水质变化驱动因子可分为自然因素和人类活动因素(许诗等, 2010), 其中自然环境因素一般包括水温、降雨量、水位等, 考虑数据可获取性以及鄱阳湖水位变化明显的特征.本研究选择水位、降雨量作为自然驱动因子.人口数量、经济社会发展水平和污染物排放量被认为是影响湖泊水环境的重要经济社会因子(高伟等, 2013).因此, 本研究遴选工业废水排放量及生活污水排放量表征点源污染, 入河废污水量及化肥施用量表征面源污染, 人口数量、GDP和旅游收入作为经济社会驱动因子.
通过影响因子与水质指标回归分析得出各阶段主要驱动因素, 结果如表 3所示.2003—2010年期间, 鄱阳湖WQI(TP)与工业源废水排放总量和化肥施用量相关系数最大, WQI(TN)与化肥施用量和生活废水排放量相关系数最大, 即鄱阳湖氮磷演变主要受工业源废水排放总量、生活废水排放总量和化肥施用量影响, 表明鄱阳湖氮磷含量变化与社会经济发展关系密切, 受水文影响相对较小.而人口数量等指标对水质指标变化的影响不太明显可能与其基数较大, 且增长速率相对较小有关.该阶段生活废水排放量和化肥施用量呈明显上升趋势(图 5), 7年间江西省生活废水排放量由2003年的6.19×108 t增加至2010年的8.81×108 t, 化肥施用量由111×104 t增加至137.6×104 t, 分别增加了0.42和0.24倍；且氮肥施用量占比较大, 约为磷肥施用量的1.97倍.且由于国家地表水断面考核总氮不参评, 致使鄱阳湖水体TN污染控制没有得到足够的重视, 导致总氮浓度呈显著增加趋势, 至2010年WQI(TN)值达到67.43.2003—2006年化肥施用量及工业废水排放量增加明显, 而使鄱阳湖水体TP含量居高不下, WQI(TP)值持续保持在70以上；2007年后流域污染控制加强, 工业源废水排放量有所降低, 化肥施用量较之前增加变缓, 磷肥使用量降低, 使得WQI(TP)较前两年低, 最低达到57.44, 但总体仍保持在Ⅳ类水平.
| 表 3 水质指标与影响因子之间回归分析的标准化系数 Table 3 Standardization coefficient of regression analysis between water quality indicators and impact factors |
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| 图 5 2011—2016年江西省社会经济参数变化 Fig. 5 Changes in social and economic parameters of Jiangxi Province from 2011 to 2016 |
随着2010年“鄱阳湖生态经济区”上升为国家战略, 国家及江西省对鄱阳湖区域投资增加, 该区域经济发展迎来新一轮高速增长, 导致工业、旅游业及其它产业发展快速增加.根据回归分析结果, 2011—2016年, 鄱阳湖水质的主要影响因素转变为生活废水排放和旅游业带来的污染(表 3).此外, 2010年后江西省生活废水排放量均值为13.65×108 t, 较上一阶段增加0.9倍, 且远超过工业废水排放量, 携带着大量富含氮、磷污染物入湖, 进而对水体造成污染.2011年后旅游业收入年增长率达35.14%(图 5), 大量未处理生活废水、绿化用水及游客等产生的污水和固体废弃物逐年增加, 对鄱阳湖水环境产生一定污染(Dore et al., 1995；Masserini et al., 2000), 导致WQI(TP)和WQI(TN)值分别增加了21.02%和27.82%.虽然于2012年5月1日实施了《鄱阳湖生态经济区环境保护条例》, 但与该条例配套的专项法规仍不健全(彭柳林等, 2014), 且鄱阳湖生态经济区环境管理方面, 如农业、水利、环保等部门职能交叉重叠, 缺乏统一管理(邓甜, 2018), 影响了《鄱阳湖生态经济区保护条例》的整体实施成效, 使得湖区氮磷污染又出现新一轮的增长趋势；鉴于长江大保护的需求, 这一问题应高度重视.
4.2 鄱阳湖水质空间差异原因分析鄱阳湖水质空间存在差异性, 按照水质指标可将鄱阳湖从南到北分为3个区域.研究发现, 鄱阳湖水质空间变化与“五河”污染负荷关系密切.各湖区与入湖河流关系如图 6所示, 北部湖区WQI(TP)和WQI(TN)与修河入湖氮磷负荷正相关, 虽然修河入湖负荷量较小, 但对北部湖区氮磷浓度具有一定影响.北部湖区沿岸工业和生活源排放较少, 并且该区域水体流速较快, 对污染物稀释作用较强, 最终导致北部湖区水质较好.
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| 图 6 鄱阳湖各湖区WQI(TP)、WQI(TN)与入湖河流氮磷负荷之间的关系 Fig. 6 Relationship between WQI(TP), WQI(TN) and nitrogen and phosphorus loads in the lakes of Poyang Lake |
西南湖区总磷污染较严重, 主要受赣江和信江水质的影响较大.其中, 赣江为鄱阳湖最大的入湖河流, 流域面积和水量最大, 流域氮磷排放总量最高, 对于西部湖区的氮磷输入做出重要贡献(陈巍, 2010).信江上游受上饶市朝阳磷矿(华东第一大磷矿)影响, 其磷矿生产废水直接排放, 致使信江下游TP含量长期偏高, 从而促进了鄱阳湖西南部湖区磷的累积(Wu et al., 2018).东南湖区水质相对于其它两个湖区较差, 主要表现为TN污染较高, WQI(TP)和WQI(TN)与饶河污染负荷呈正相关, 这与饶河氮磷负荷输入较高有关.饶河流域是江西主要粮食产区和渔业区, 水产养殖将高浓度悬浮物质和营养盐排入河流, 并且乐安江沿岸矿产资源丰富, 致使饶河氮负荷较高(Guo et al., 2003；胡绵好等, 2012；李艳红等, 2016).
鄱阳湖湖区WQI值年际变化幅度较小, 总体水质等级“良好”, 但第二类水质参数还亟需高度关注, 尤其是TN和TP浓度较高, 均值超过国家水质标准Ⅳ类, 且近几年增长趋势明显.因此, 控制氮磷污染为现阶段鄱阳湖水质保护的关键.鄱阳湖汇集了江西省97%的径流(马海良等, 2013), 且入湖河流TN和TP浓度通常高于湖泊(Wu et al., 2014).因此, 应从源头控制入湖氮磷负荷.而鄱阳湖流域经济增长与氮磷排放间存在直接关系(邓禾, 2007；王毛兰等, 2008), 主要体现在工业和生活废水排放及化肥施用量明显增加, 对鄱阳湖氮磷含量演变有重要驱动作用.因此, 需从源头严格控制废污水排放, 并保证废污水排放达标, 并改进施肥方法, 推行科学施肥及合理灌溉技术, 减少面源氮、磷肥流失.受上游河流入湖负荷影响, 鄱阳湖区污染物分布空间差异显著, 针对各区域不同污染特征需制定相应治理计划, 如重点控制信江流域磷矿废水排放和饶河流域养殖及农田污染, 以控制西南和东南湖区氮磷含量.近年来出现的北部湖区总氮增加趋势显著现象, 可能会对长江下游水质安全产生一定影响, 需时刻关注水质动态, 避免出现类似太湖和巢湖的富营养化问题(Cui et al., 2017；Zhang et al., 2019).另外, 为落实《鄱阳湖生态经济区保护条例》, 需各部门密切配合, 真正将鄱阳湖区建设成为全国生态文明与经济社会发展协调统一、人与自然和谐相处的生态经济示范区.
5 结论(Conclusions)1) 基于WQI值评价鄱阳湖水质总体“良好”, 接近“中等”阈值, TN和TP是主要污染因子.鄱阳湖水质演变可分为两阶段, 其中2003—2010年WQI变化趋势不显著, WQI(TP)呈波动下降趋势, TP逐步从“差”变为“中等”, WQI(TN)显著上升, TP污染较TN严重；2011—2016年WQI、WQI(TP)和WQI(TN)年际差异较小, WQI(TP)和WQI(TN)均呈显著上升趋势, TN污染程度超过TP.
2) 过去14年鄱阳湖水质氮磷污染年际变化主要受废水排放、农业面源和旅游发展等影响.工业废水和生活废水排放量增加, 农业面源污染加重等人为活动影响是2003—2010年氮磷浓度变化的主因；流域生活污水排放量显著升高, 旅游业及工业快速发展, 而管理等未能有效实施是2011—2016年氮磷浓度明显增加的主因.
3) 受修河水质较好影响, 鄱阳湖北部湖区水质较好；受赣江和信河入湖负荷较大影响, 西南湖区总磷含量超标较严重；受饶河养殖污染等影响, 东南湖区总氮污染程度最高；北部湖区近年来TN污染趋势明显上升, 需着重关注该区域水质变化.
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