鄱阳湖水质时空相关性及其因素分析

李艳红，成静清，郭春晶

（江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029）

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，也是一个典型的过水型、吞吐型、季节型的湖泊。由于“五河”及长江来水对湖区水位的双重影响，导致湖泊面积扩大或萎缩，使得鄱阳湖区洪水和干旱现象交替出现[12]，同时鄱阳湖水位常年变化而导致水文的巨大差异也给水环境带来一定的影响。本文根据地统计学原理，以相关性代替变异函数，分析了不同方向上的空间异质性；通过分析鄱阳湖水质时空相关性，研究了鄱阳湖水质随时间、距离、横断面上的时空变化规律，以期为水质预测工作提供基础研究的方向，这对于有效地为鄱阳湖的综合整治和科学管理提供科学依据，为强化鄱阳湖水环境管理与规划具有重大的意义。

1 材料方法与实验

1.1 采样布点

根据湖区出入湖河流污染物的来源类型，对鄱阳湖区主干流表层水进行了现场调查以及系统样品采集，采样位置见图1。水样采集后置于低温下避光保存，采样结束后，立即对样品进行处理。对部分需测定总氮、总磷等原水样经现场用0.45μm的Millipore 滤膜进行过滤，并加H2SO4酸化保存，运回实验室后立刻进行化学分析，分析项目包括pH、Eh、温度、电导率、溶解氧、chl-a、总氮、总磷、硝酸盐氮、氨氮、CODMn、BOD5等水质参数。

采样现场立即用HACH 便携式现场分析仪进行测定pH、Eh、温度、电导率、溶解氧等参数，在现场必需将测定的数据包括水体的表观性质以及天气状况、采样时间、采样地名，同时还用GPS 测出采样点的地理坐标。

1.2 样品测定

TP、TN、NH3-N、NO3-N、CODMn、浊度、悬 浮物SS、BOD5等指标都按国家标准方法测定。分别为：钼酸铵分光光度法，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，纳氏试剂比色、紫外分光光度法，高锰酸盐指数的测定，硫酸肼分光光度法，重量法，碘量法。

2 结果与讨论

2.1 数据计算

监测指标共13个，分别包括包括水温（T）、pH、悬浮物SS、浊度SD、DO、CODMn、BOD5、TN、TP、氨氮（NH3-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、Chl-a、电导率Eh。这13个水质参数形成了2011年各月的水质数据矩阵。再以监测点为对象，对各月水质数据矩阵求取相关系数矩阵（以表1为例），可得到各月监测点——监测点的相关系数矩阵。在此基础上，对各月的相关系数矩阵进行如下统计分析：

式中，Rinj表示第i月相关系数矩阵中，第n个监测点与第j个监测点的相关系数，j=1，2，…，8。

图1 鄱阳湖采样点位置示意图

令Rs=Rin，称Rs为空间相关性。Rs 越大，水质的空间分布就越均匀，差异性越小；Rs 越小，水质的空间差异就越大。

式中：PRm表示第m 监测点各月Rs 值的均值；Rmi表示第i月第m 监测点的Rs 值；TRi表示第i月各监测点Rs 值的均值。

PR 和TR 都是基于监测点的相关性分析得出的时空相关性指标，称PR为监测点的空间相关性，TR为时间相关性。PR 值越大，表明各个监测点的相关性越大，反映水质在空间上分布就越均衡，差异性越小；TR 值越大，则表明空间分异性的时间变化就越小。不同季节鄱阳湖RS的时空分布及S 值见表2。

2.2 鄱阳湖水质时空相关性分析

2.2.1 TR 值的季节变化规律

根据鄱阳湖水文特征情况将鄱阳湖按季节分为丰水期（5月、7月）；平水期（3月、10月）；枯水期（1月、12月）。从表2、图2 中可以看出鄱阳湖各监测点不同月份和季节性的TR 值变化差异均较明显，水位变化对鄱阳湖污染物质空间相关性起到决定作用。总体上枯水期监测点间TR 值差异较大，又以1月份鄱阳湖水质的空间分异性最大，TP 值为0.7108，而平水期、丰水期各测点TR 值变化规律一致，变化范围为0.8545～0.8785，空间分异性小且不明显。

造成枯水期鄱阳湖湖水质的空间分异性较大，而平水期、丰水期的空间分异性小的原因与鄱阳湖特殊的水文特征有关。鄱阳湖属季节性、吞吐性湖泊，具有“丰水一片，枯水一线”的水文特征，全年中湖区水资源量变化巨大，导致一年中水体空间分异性呈现明显变化规律。丰水期间由于湖区水量巨大，整个鄱阳湖连成一片，湖水中污染物质可得到充分的交换，各监测点间互相影响较大，因此导致空间分异性较小；而枯水期间湖泊水被河道分割，湖水无法得到交换，监测点之间影响较小空间差异较大，随着水位的升高，空间差异性逐渐增大；平水期和丰水期水位相近，均较高，各地区水质影响较密切导致空间差异性也较小。10月份TR 值较7月份来说减少原因与9月上中旬长江上游处于汛期，水位较高，而鄱阳湖已脱离主汛期，水位较低，长江水倒灌进鄱阳湖引起湖水污染物交换有关。

表1 鄱阳湖水质监测点相关系数矩阵（2011年7月）

表2 鄱阳湖水质Rs的时空分布

图2 TR 值时间变化特征

2.2.2 PR 值的空间分布

PR 值反映了鄱阳湖2011年不同监测点水体污染物的空间分异性规律（如图3），规定沿水流方向上湖口到吴城为北湖区、都昌到西源为南湖区。由图3、表2 可知鄱阳湖南北湖区空间分异性规律明显，总体上看各地区PR 值从主湖区L5 都昌处沿远离都昌方向分别向北湖区、南湖区逐渐减少，在北湖区L1 湖口地区PR 值较小，为0.8275，而南湖区L7 周溪地区PR 值出现最小值，为0.7169，时间差异性均较大。

鄱阳湖PR 值分布规律与鄱阳湖地理特征和入湖河流污染物输入有关（如图1）。在湖口、星子地区工业废水排放和采砂情况严重，对水体污染物贡献率较大，从而导致水质空间分异性较大。南湖区监测点之间空间分异性较大，主要与受人类各种活动的污染影响程度不一样有关。L7 周溪地区PR 值（0.7169）非常小，与其他点空间差异较大，原因与周溪地区处于鄱阳湖珍珠蚌类水产养殖区域，受养殖户投饵料和饲料等人类活动较大，从而导致空间差异性较大有关。

图3 PR 值空间变化特征

3 结论

（1）鄱阳湖水质存在时空相关性，枯水期与平水期、丰水期相比空间分异性较大，以1月份TR 值最大为0.7108，水位变化对鄱阳湖水质时空相关性影响较大。

（2）鄱阳湖南北湖区空间分异性规律明显，水质空间差异性从主湖区都昌处沿远离都昌方向分别向北部、南部地区随着距离的增大而逐渐减少，其中监测点L7的PR 值最小，为0.7169，这主要受到周溪地区珍珠蚌类水产养殖的影响。

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