长湖流域水质时空分布特征及影响因子

余明勇，徐圣杰，徐建华

1.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070 2.武汉市环境监测中心，湖北 武汉 430015

长湖流域水质时空分布特征及影响因子

余明勇1，徐圣杰2，徐建华1

1.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070 2.武汉市环境监测中心，湖北 武汉 430015

利用2009—2014年长湖5个水质监测点数据，采用时间序列法分析了长湖水质的时间变化规律，采用相关性分析法，分析了流域水污染的影响因子。结果表明：在时间上，长湖水污染物质量浓度季节变化明显，COD、TN、NH3-N均为7、9月较低，1、3月较高，丰水期水质好于枯水期。入湖地区TP质量浓度7月达最高值，且7月份入湖地区的桥河口、关沮口的NH3-N、TN含量稍高于5月。空间上，西北部入湖地区水质劣于湖心及东南部出湖地区。工业、生活等点源污水，以耕地为主的农业非点源以及天然降水量和径流量是影响水质的主要因素，入湖排污量、降水量和径流量与长湖水质呈显著相关关系(P<0.05)。

水污染;时空分布;降水;土地利用;长湖

水污染的时空分布特征与水污染影响因子密切相关，如何正确分析评价水污染的时空分布特征及其主要影响因子是目前研究的热点问题。长湖是湖北省第三大湖泊，流域降水丰富，但时空分布不均，其特有的气候变化特征、水系形态、地形地貌和过度开发活动等因素，加之大量工业废水、生活污水以及农村面源污染物排入湖泊，湖泊水产养殖的无序过度发展，导致局部水域有机污染严重，富营养化风险水平较高。有关研究表明，近几年长湖平均水质类别为Ⅴ类，水体受到中度污染，主要污染指标为TP、TN、NH3-N、COD、BOD5等[1]。长湖突出的水污染问题引起了国内研究者的广泛关注，但大多数研究主要集中在富营养化评价、水质类别评价与达标评价[2-4]、水环境质量等级的判定[5]、底泥污染[6]、非点源负荷估算[7]等方面，对长湖水污染的时空变化特征的研究则鲜见报道，而对水污染原因的分析也仅限于污染源负荷及其特点分析[4,7]，缺乏包括水文动力、气象条件在内的多因素研究，对各影响因子与水污染的相关性分析则未见报道。以长湖为研究对象，利用长湖5个水质监测点数据，采用时间序列法分析了水体污染物浓度的时间变化规律，并采用相关性分析法，对长湖流域水污染的影响因子进行分析研究，便于采取针对性污染控制措施，为有效消减污染负荷、改善水环境并加强流域综合管理提供科学依据。

1 研究区概况

长湖位于湖北省荆州市东北部，范围涉及荆州市、沙洋县和潜江市，湖泊面积为122.5 km2，流域总面积为3 240 km2，总人口为140.62万，其中农业人口占65%。耕地总面积较大，但农业人均耕地仅为0.12 hm2。长湖流域地势西北高而东南低，其中山地、丘陵面积占2/3以上。流域内水系发育，长湖主要承纳西北部的太湖港、龙会桥河、拾桥河及东北部的广坪河来水，其中西北部河流来水量占流域总径流量的92%，出流主要由长湖东南部的习家口闸、刘岭闸分别排入四湖总干渠、田关河(图1)。流域属亚热带大陆性季风湿润气候，雨热同季，雨量充沛，降雨多集中在5—9月,占全年降水量的60.8%，在此期间降雨多以暴雨形式出现，降雨强度大。69.7%的径流量集中在汛期(5—9月)，丰富的降雨、径流为长湖流域污染物质的迁移转化提供了动力。

图1 长湖流域水系及监测点位布置示意图

2 研究方法与数据资料

2.1 研究方法

采用时间序列法，分析了水体污染物浓度的时间变化规律。

2.1.1 综合污染指数

采用综合污染指数[8-10]对湖泊水污染状况进行综合评价：

(1)

式中：P为综合污染指数；Ci为污染物i的实测浓度，mg/L；C0i为污染物i的评价标准值，mg/L。根据湖北省人民政府颁布的《湖北水功能区划》(鄂政函[2003]101号)规定，长湖执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水质标准。

2.1.2 相关性分析方法

采用SPSS 13.0统计分析软件进行Pearson相关性检验，计算统计数据的相关系数，分析环境影响因子与各水污染指标之间的相关性。

2.2 数据来源

湖泊水污染受很多因素影响，通过多种途径收集流域水文气象、水质、污染源及基本地理信息的相关基础数据，主要数据及其来源见表1。

表1 数据资料来源

注：①表示数据类型为图数据；②表示数据类型为表数据。

选取长湖湖岸附近的习家口、戴家洼、桥河口、关沮口4个监测点及湖心监测点水质监测资料，习家口是长湖向中下游总干渠下泄的出口控制点，戴家洼、桥河口、关沮口分别是龙会桥河、拾桥河、太湖港流入长湖的主要控制点(图1)。水质数据为荆门市、荆州市环境保护监测站提供的2009—2014年原始水质监测数据，监测频率为每年6次，逢单月监测，于上旬5—10日采样监测。各站点的监测次数均为36次。主要水质指标包括COD、NH3-N、TP、TN。

3 结果与分析

3.1 长湖水质时间分布特征

3.1.1 年际变化

长湖2009—2014年各污染指标年平均质量浓度的年际变化趋势见图2。

图2 长湖水体污染物质量浓度年际变化过程

由图2可见，近几年长湖水体COD质量浓度逐渐下降，从7.78 mg/L降低至4.75 mg/L，2012—2014年质量浓度已满足Ⅲ类水质标准；TN与NH3-N的年际变化趋势较为一致，先呈上升趋势，至2014年后又下降，不同的是，NH3-N各年均符合Ⅲ类水质标准，且年度变化大，其变化范围为0.36～0.84 mg/L，而TN各年均超标，但年度变化小；TP浓度呈波浪式变化，2009—2013年年际之间差异较小，无明显上升或下降趋势，2014年显著下降至最低值(0.058 mg/L)，但仍不满足Ⅲ类水质标准。

总体上，长湖水质呈波动变化，2009—2011年水质基本呈逐渐好转趋势，2011—2013年呈恶化趋势，2013—2014年又呈好转趋势。长湖水质在2011、2014年有所改善，2014年有机污染程度相对最轻。

3.1.2 年内变化

根据长湖各监测点2014年水质监测数据，分析各污染指标月平均质量浓度的年内变化，见图3。

图3 2014年长湖水体污染物质量浓度月变化过程

由图3可见，COD质量浓度的年内变化情况为各监测点COD质量浓度均符合Ⅲ类水质标准，且随季节的变化比其他污染物小，但其年内变化规律仍十分明显，1、3、5、11月大于7、9月，即枯水期、平水期、丰水期初期之间无显著差异，但均高于丰水期中后期。TN质量浓度年内变化情况为变化规律明显，3月初最高(3.49 mg/L)，长湖入湖地区(戴家洼、桥河口、关沮口)9月最低(1.40 mg/L)，1、5、7、11月之间无显著差异；在湖心、出湖地区则为7月最低(1.12 mg/L)，1、5、11月之间无显著差异，故总体上表现出枯水期>平水期>丰水期的特征。TP质量浓度年内变化情况为长湖入湖地区TP质量浓度的年内变化明显，7月最高(0.12 mg/L)，9月次之，3月最低(0.068 mg/L)，1、5、11月之间无显著差异；在湖心、出湖地区则为1月最高(0.088 mg/L)，5、7、11月次之，9月最低(0.046 mg/L)。NH3-N质量浓度年内变化情况为变化规律与TN极为相似，全湖均为3月初最高(1.20 mg/L)，9月最低(0.21 mg/L)，枯水期>平水期>丰水期。

3.2 长湖水质空间分布特征

长湖各主要污染指标年平均质量浓度空间分布见图4。

图4 长湖水体污染物质量浓度空间分布

由图4可见，TP的空间分布规律与TN基本一致，长湖西北部地区的戴家洼、桥河口、关沮口3个监测点之间的COD、TP、TN含量无较大差异，不同监测点之间的波动范围仅为 2.3%～7.0%，但西北部地区的COD、TP、TN含量分别比其他水域高出约0.4、0.016、0.5 mg/L。西北部入湖地区不同监测点之间的NH3-N浓度差异明显，变化范围为0.59～0.76 mg/L，且入湖地区明显高于东南部出湖水域约0.3 mg/L，表明长湖西北部地区的水质劣于湖心及东南部出湖地区。

4 讨论

4.1 长湖水质年内变化特征分析

丰水期(5—9月)污染物质量浓度除受到污染源排放量影响外，更大程度上受到降水和径流量稀释作用的影响。丰水期长湖流域降水量占全年的60.8%，多年平均入湖径流量为4.82 亿m3，丰水期的水量是枯水期的7倍，降水和地表径流大幅度增加，水体流动加快，十分有利于污染物的稀释扩散，水环境容量增大。同时，由于丰水期水中丰富的水生植物对有机营养盐的吸收消耗，地表水中污染物含量降低。随着水量的增加，COD质量浓度稳定下降。长湖流域雨热同季，丰水期又是农田耕作和大量使用农药、化肥的时期，频率高、雨量大的降水将土壤中未被农作物吸收的“过剩”氮磷营养元素冲刷进入河流、沟渠。7月入湖地区的TP以及位于入湖地区的桥河口、关沮口的NH3-N、TN含量与5月相比有所增加，表明丰水期流域农村面源污染对长湖水质的影响较大[11]。因此，丰水期农业非点源污染负荷量随降水量的增加而增大，丰水期早中期污染物浓度虽下降但不是最低值，至9月COD、TN、NH3-N质量浓度下降至最低值。

枯水期(12月—次年3月上旬)的降水量占年降水量的11.8%，径流量占年总径流量的7.8%，由于降水量小、上游来水减少，河流、湖泊水位下降，流速减慢，不利于污染物的稀释扩散，水环境容量较丰水期和平水期大大减小；同时冬季的低温不利于微生物和水生生物的繁殖生长活动，致使水体的稀释净化能力大幅度下降[12]。此时污染物的分布受农业非点源的影响微弱，湖泊周边荆州区等城镇工业废水和生活污水排放成为主要污染来源，导致枯水期长湖水质普遍下降，COD、TN、NH3-N质量浓度出现峰值，水质最差。高浓度的NH3-N是人畜排泄物和生活污水的特征，3月初NH3-N质量浓度最高，表明春季长湖流域城镇生活污水对湖泊水质影响较大。

4.2 入湖污染负荷空间分布特征

长湖各湖区主要污染物负荷贡献比例空间分布见图5。

图5 长湖水体污染负荷空间分布

由图5可见，长湖西北部地区分布着荆州区中心城区以及荆州区的6个乡镇，这些城镇排放的生活污水量、工业废水量占全流域的93.7%(该数据来源于湖北省水利厅重大项目“湖北省长湖综合治理与保护利用规划”)，主要通过龙会桥河、拾桥河、太湖港排入长湖。

图5显示，长湖西北部水域的庙湖、海子湖、拾桥河入湖口的入湖污染负荷共占全湖总负荷的83.8%～87.6%，其中海子湖的负荷贡献最高，占长湖总负荷的53.7%～64.6%，而后港水域、毛李水域的贡献较小。因此，长湖污染物主要来源于西北部地区入湖河流。

东南部地区为出湖地区，经过长湖的沉淀、转化与降解等作用，污染物浓度降低，习家口为全湖水质最好的地区，其次为湖心。因此，在空间分布上，2014年长湖污染物质量浓度总体呈现出西北入湖地区偏高，湖心及东南部出湖地区偏低的趋势[3]。

4.3 长湖流域水污染影响因子分析

4.3.1 工业、生活排污量

近年来，加强了长湖流域工业污染防治，超标排污的企业实施停产治理，2010—2013年兴建、扩建了4座城镇污水处理厂，与2009年相比入湖COD、TN、TP、NH3-N削减量分别达4 362.71、509.38、85.71、376.69 t/a(该数据来源于湖北省水利厅重大项目“湖北省长湖综合治理与保护利用规划”)，至2014年COD、TN、TP浓度降至最低，水质有所好转。利用实测的2009—2014年水质监测数据，采用SPSS软件分析长湖年平均水质与工业、生活污水排放量的相关关系，结果见表2。

表2 长湖水质与工业、生活污水排放量的Pearson相关系数

注：计算样本数为30；“** ”表示显著性水平为0.01，“*”表示显著性水平为0.05。

由表2可知，工业、生活污水排放量与COD呈极显著的正相关性(P<0.01)，相关系数为0.829，与TN、TP、NH3-N呈现显著的正相关性(P<0.05)，相关系数为0.625～0.784，表明工业、生活污水排放减少对长湖水质改善的贡献十分明显。但相关研究成果表明，2014年点源COD、NH3-N负荷贡献仍然高达62.7%、55.2%(该数据来源于湖北省水利厅重大项目“湖北省长湖综合治理与保护利用规划”)，高于非点源，因此，点源仍然是影响流域(特别是长湖湖汊)水质变化的主要因素之一。

4.3.2 降水条件与天然径流量

4.3.2.1 降水

根据长湖各监测点2009—2014年的水质监测资料，计算各月的综合污染指数，并采用SPSS软件分析各监测点月综合污染指数与降水量的相关关系，结果见表3。

表3 降水量与综合污染指数的相关关系

注：计算样本数为36；“*”表示显著性水平为0.05。

由表3可知，降水量与湖心、习家口的综合污染指数呈显著的负相关(P<0.05)，与戴家洼、桥河口、关沮口的综合污染指数呈负相关，表明降水量小的月份其综合污染指数较大，降水量大的月份综合污染指数较小[13]，降水的稀释作用是引起长湖水质随季节变化的主要原因之一。

4.3.2.2 天然径流量

利用2009—2014年水质监测数据，分析长湖月平均水质与入湖径流量之间的相关系数及其显著性，结果见表4。

表4 污染物含量与入湖径流量的Pearson相关系数

注：计算样本数为180；“*”表示显著性水平为0.05。

由表4可见，入湖径流量与TN之间呈显著的负相关(P<0.05)，与COD、NH3-N之间呈中度的负相关，与TP之间呈负相关。无论相关性明显与否，各因子与入湖径流量都存在负相关性，说明天然径流量的增加，可以有效促进水质的改善，以月均径流量为代表的水文因素是影响长湖水质变化的主要因素之一。由于径流量与降水量呈显著正相关关系，因此，年均降水量越大，天然径流量也越大，其地表水水质越好。

4.3.3 土地利用类型

土地利用变化主要通过非点源污染途径影响水质，是水体氮磷污染的另一重要驱动力。通过对长湖流域TM遥感影像进行解译，并借助ArcMap地理信息系统软件制作的2014年土地利用现状见表5。

表5 2014年长湖流域主要土地利用类型的污染物负荷

由表5可见，长湖流域耕地面积最大，占总面积的36.0%，其次是林地，占26.1%。流域泥沙负荷采用土壤侵蚀模数估算。流域非点源污染负荷采用输出系数模型估算，各污染物的输出系数以国内外研究的经验值和取值范围为基础[14-17]，经综合分析确定长湖流域不同土地利用类型TN的输出系数。流域内耕地的年均泥沙负荷最高，占流域总泥沙负荷的76.5%，单位面积耕地的年均泥沙负荷为2 750 t/(km2·a)，是林地的6.5倍。耕地的年均TN负荷最高，占流域TN总负荷的73.9%，单位面积TN年均负荷达到19.0 kg/(hm2·a)，大大超过林地和草地。史志华等[14]对汉江中下游农业面源氮磷负荷的研究结果表明，水田的溶解态TN质量浓度为3.5～6.5 mg/L，旱地为2.8～3.8 mg/L，林地仅为1.0～1.5 mg/L。单位面积耕地所产生的泥沙和污染物负荷远大于其他土地利用类型，这与耕地化肥施用量较多、土质松软、坡耕地分布范围较广等有密切关系。因此，耕地是长湖流域内非点源污染控制的重点[7]。

5 结论

1)在时间分布上，长湖COD、TN、NH3-N含量均在7、9月较低，1、3月较高，丰水期的水质好于枯水期。入湖地区TP质量浓度于7月达最高值，且7月位于入湖地区的桥河口、关沮口的NH3-N、TN含量稍高于5月，表明丰水期长湖流域上游农村面源对水体污染的贡献不容忽视。3月NH3-N浓度最高，表明春季城镇生活污水对湖泊水质影响较大。

2)在空间分布上，长湖西北部入湖地区各点的水质劣于湖心及东南部出湖地区。

3)长湖水质变化受多方面因素影响，其中工业、生活等点源污水，以耕地为主的非点源及天然降水量和径流量是主要因素，入湖排污量、年均降水量和径流量与长湖水质变化呈显著相关关系。流域坡耕地分布广，以耕地面积最大和污染物负荷最大为特征的土地利用类型，是影响流域非点源氮负荷的主要原因。

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Analysis of Spatial-Temporal Distribution and Impact Factors of Water Quality in Changhu Lake

YU Mingyong1,XU Shengjie2,XU Jianhua1

1.Hubei Water Resources Research Institute,Wuhan 430070,China 2.Wuhan Environmental Monitoring Centre,Wuhan 430015,China

Based on the data of five water quality monitoring spots in Changhu Lake from 2009 to 2014, time series analytic method was adopted to analyze its time variation rule of water pollutants concentration. Then impact factors of water pollution were analyzed by correlation analytic method. The results showed that in terms of temporal distribution, seasonal variation of organic pollutants concentration in Changhu Lake was obvious. COD, TN and NH3-N concentration were low in July and September, while high in January and March, which indicated that rainy seasons were better than dry seasons in respect to water quality. In the meantime, the highest concentration of TP at inlets of the lake occured in July, and the concentration of NH3-N and TN in July were higher than that of May in Qiaohekou and Guanjukou where water inflows. In terms of spatial distribution, higher concentration of pollutants appeared in the northwest and north of Changhu Lake where water inflows, and lower concentration in the center and southeast of the lake where water outflows. Wastewater discharged by point sources including industrial effluent and municipal wastewater, non-point sources, the amount of natural precipitation and runoff were the main factors affecting the variable water quality. Wastewater discharged into the lake, annual average precipitation, runoff were notably correlated (P<0.05) with water quality in Changhu Lake.

water pollution;temporal and spatial distribution;precipitation;land use;Changhu Lake

2015-08-07;

2015-11-05

水利部公益性行业科研专项(201101063)

余明勇(1977-)，男，湖北武汉人，硕士，高级工程师。

X824

A

1002-6002(2016)05- 0073- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.14