珠江流域五大高原湖泊近10年水质状况及变化趋势分析

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珠江流域五大高原湖泊近10年水质状况及变化趋势分析

刘晓丹，单凤霞，刘珩
(珠江流域水资源保护局，广东 广州 510611)

基于珠江流域五大高原湖泊2007—2016年水质监测数据，分别对其水质进行了单因子评价、污染特征的层次聚类分析、水质变化趋势的spearman秩相关系数分析，结果表明：①采用单因子指数法评价，五大高原湖泊的水质类别均不符合其水质目标的要求；②根据聚类分析，第一类为以面源为主的抚仙湖、星云湖及杞麓湖，第二类为城镇生活污水及工业废水点源污染突出的异龙湖，第三类为以砷污染为明显特征的阳宗海；③根据spearman秩相关分析，除抚仙湖外，其它湖泊水质均呈现变差趋势，高锰酸盐指数、五日生化需氧量呈普遍变差趋势。

高原湖泊；水质现状；变化趋势；珠江流域；单因子评价；层次聚类分析；秩相关系数分析

位于云南省境内的阳宗海、抚仙湖、星云湖、杞麓湖和异龙湖并称珠江流域的五大高原湖泊，是极为宝贵的自然资源，在社会经济发展中起着重要的支撑作用。由于地处高原，受气候影响，造成高原湖泊补给水源偏少、水体交换速率慢、自净能力差等自然特性[1]。因此，高原湖泊较平原地区的湖泊呈现更为显著的生态脆弱性。

2011年开展了第一次全国水利普查，其中湖泊治理保护情况专题调查了湖泊的现状问题，五大高原湖泊最为突出也是普遍存在的就是水体污染问题[2]。近年来，社会经济的快速发展导致流域污染负荷总量进一步快速增加[3]，给高原湖泊的生态环境带来巨大压力，使原本十分突出的水体污染进一步恶化，已不能满足其所在水功能区的水质目标。因此，认识高原湖泊的水质现状、变化趋势以及污染状况等对生态环境保护、区域经济发展都具有十分重要的意义。

本文对2007—2016年五大高原湖泊的水质资料进行了评价，通过聚类分析法对五大高原湖泊的污染特征进行了分类，采用Daniel趋势检验中的spearman秩相关系数法分析了五大高原湖泊近10年的水质变化趋势及程度，通过线性分析对特征污染指标进行筛查并给出其作用强度，以期为高原湖泊的水资源开发利用与保护提供科学依据。

1 历年水质状况评价

1.1 各湖泊及其监测断面情况

五大高原湖泊是水面面积常年不小于10 km2的天然湖泊，为掌握其水质状况，各湖泊均设有水质监测断面，并每月采样监测。湖泊及各采样点位置见表1、图1。

表1 五大高原湖泊及其水质监测断面信息

表2 2007—2016年五大高原湖泊水质状况

1.2 各湖泊水质年际变化情况

以《GB3838-2002地表水环境质量标准》为评价标准，采用单因子评价法，将各测点的监测值与评价标准对照进行分类，以类别表征各水质项目的污染程度。断面综合水质类别采用单指标法(最差的项目赋全权，又称一票否决法)，即选用水质最差的单项指标来代表该水域的综合水质类别。表2为五大高原湖泊近10年的年均水质状况，其中水质类别为地表水环境质量标准基本项目22项(水温和粪大肠菌群不参评)的参评结果。

由表2可见，除抚仙湖2007—2014年水质满足水质目标外，其他四大高原湖泊近10年的年度水质状况均不能达到对应水质目标要求。单因子评价法虽然简单直观，但用最差单项指标类别判定水体整体类别，会掩盖其他非最差指标的变化趋势，从而不能准确反映水体中各污染物的变化情况。以抚仙湖为例，抚仙湖2007—2016年水质类别为Ⅰ～Ⅱ类，并不能直接说明其中各指标均不存在变好或变差的趋势。图2为抚仙湖主要超标项目 CODMn、TN和TP的年际变化趋势图，湖泊Ⅰ类水质要求高锰酸盐指数不超过2.0 mg/L，TN不超过0.2 mg/L，TP不超过0.01 mg/L。图中高锰酸盐指数虽然仅2013年出现超标，但其浓度的变化趋势是逐渐升高的；TN的年均值有所波动，2013年前逐年升高后浓度降低；TP的年均值也有波动，但其浓度升高的趋势不明显。由此可见，抚仙湖的主要污染物高锰酸盐指数浓度存在逐渐升高的趋势，但单因子评价却不能真实反映这一变化情况。

2 五大高原湖泊污染特征分类

聚类分析(Cluster Analysis)是从一批样品(或变量)的多项指标变量中，定义能度量样品或变量间相似程度(或亲疏关系)的统计量，在此基础上求出样品(或变量)之间的相似程度度量值，按相似程度的大小，把样本(或变量)逐一归类，关系密切的类聚集到一个小的分类单元，关系疏远的聚合到一个大的分类单元，直到所有的样本或变量都聚集完毕[4]。本文采用层次聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis)中的Q型聚类法对五大湖泊进行分类。根据五大高原湖泊2016年的各类水质参数，测量各样本之间的亲疏程度，从而确定各类湖泊的不同污染特征，聚类结果见表3、表4。

表3 五大高原湖泊间的距离矩阵

表4 五大高原湖泊聚类归属情况表

从聚类结果可看出，抚仙湖、星云湖和杞麓湖的污染特征较为相似，被归为一类。主要以面源污染为主，既有来自湖泊外部的沿岸农业氮磷肥料的污染，也有来自湖泊内部底泥中的氮磷释放。虽然这三大湖泊的基本污染类型具有共性，但也各有特点。其中，抚仙湖所在地澄江县的化肥过量施用和畜禽养殖规模的过快发展，已成为抚仙湖的主要污染源。抚仙湖是五大湖泊中水域面积最大的湖泊，由于换水周期长，入湖的氮、磷污染物中约有90%滞留于湖中[5]，且其中氮素水平增长迅速，磷素水平相对稳定。星云湖的第一位污染指标是TP，近年来星云湖的水质逐步恶化至劣Ⅴ类，与其所在地江川县的主导产业磷化工产业的发展关系密切。杞麓湖的第一位污染指标为TN，这与历史上通海县的氮肥企业造成的严重污染有关；另一方面是径流区的生活污水汇入造成的[6]。

聚类结果中将阳宗海和异龙湖各分一类，并区别于其他三大湖泊，聚类过程详见图3。异龙湖的污染特征既包括城镇生活污水及工业废水造成的点源污染，又包括了农业生产污水、农村生活废水和降雨地面径流造成的面源污染[7]；由于水资源的过度开发利用、城市污水的排入以及网箱养殖饵料的过量投放，导致水质恶化，使湖水水质降到V类以下，湖区内水葫芦大量繁殖，已经严重影响生态系统的健康发展。阳宗海的污染特征除了与其余四大湖泊相似的面源及点源污染外，还有由于阳宗海电厂冷却循环水的排入以及网箱养鱼造成的富营养加剧[8]； 另外一大重要特征就是2008年砷污染事件使阳宗海水体中的砷含量远远高于其余四大湖泊，2007—2016年阳宗海水体中砷的检出含量变化情况见图4，可见2008年发生砷污染事故后，2009年的检出达到峰值，随后经过一系列有效措施治理，砷的检出量有所回落，但从趋势上看，阳宗海砷的含量还是呈现上升趋势。

3 五大高原湖泊水质变化趋势分析

水质参数是随机变量，有其时空分布的特点。进行水质趋势分析的目的是为了掌握水质随时间的变化规律，探求水质变量在时间系列中稳定而规则的变化趋向。

Daniel趋势检验，即spearman秩相关系数法，用于衡量环境污染变化趋势在统计上有无显著性，以及监测周期的年平均浓度值污染变化趋势。《环境质量综合分析技术导则》中对地表水水质、地下水水质、近岸海域海水水质等的多时段变化趋势和变化程度分析都推荐使用Spearman秩相关系数法。它是一种非参数统计方法，是用秩相关系数检验二元定序变量间线性相关程度，适用于单因素小样本数的相关检验。在各污染因子的变化趋势、总体分布都呈未知状态，且没有确定值限的情况下，采用此法进行评价可以全面了解水质变化的发展趋势，避免单因子评价法的一些不合理因素[9-10]。

采用2007—2016年的水质监测数据，分别对五大高原湖泊水质变化趋势进行分析。根据各污染物贡献率及前文确定的湖泊污染特征，各湖泊的主要污染指标为TP、TN、CODMn和BOD5，异龙湖在此4项污染指标的基础上，另外加入透明度进行分析，阳宗海加入了砷和透明度2项特征指标。五大湖泊的主要污染物及贡献率见表5，趋势分析结果见表6。

表5 五大高原湖泊水质主要污染物及贡献率 (%)

表6 五大高原湖泊水质变化趋势分析结果[11]

注：N=10时，Wp0.05=0.564，Wp0.01=0.746。Rs与Wp比较，Rs>Wp表示变化趋势有显著意义，**表示极显著性水平(α≤0.01，*表示显著水平(0.01<α≤0.05)；Rs≤Wp表示变化趋势不显著 (α>0.05)。

从五大高原湖泊水质变化趋势分析结果可得出：除抚仙湖Rs为负值，水质呈显著好转外，其他湖泊的Rs均为正值，表明在评价时段内水质呈变差趋势。其中，星云湖、杞麓湖水质呈极显著变差趋势，异龙湖水质呈显著变差趋势，阳宗海变化趋势不明显；各湖泊高锰酸盐指数及五日生化需氧量Rs均为正值，均呈变差趋势。除阳宗海的CODMn、BOD5及抚仙湖的BOD5变化趋势不明显外，其他湖泊两项指标呈显著或极显著恶化趋势；除阳宗海TP呈显著好转外，其他湖泊均恶化，且杞麓湖呈极显著恶化，星云湖显著恶化；各湖泊TN变化趋势不一，星云湖呈极显著恶化，杞麓湖显著恶化，其他湖泊变化不明显；阳宗海的砷虽有好转趋势，但变化不明显，透明度则呈极显著好转趋势；异龙湖的透明度呈显著恶化趋势。

4 结论

(1)五大高原湖泊2007—2016年的年度水质状况均不能达到对应的水质目标要求。

(2)根据五大高原湖泊2016年的各类水质参数进行聚类分析，结果以面源污染为主的抚仙湖、星云湖和杞麓湖的污染特征较为相似被归为一类，其次，城镇生活污水及工业废水造成的点源污染突出的异龙湖被归为第二类，最后，砷污染特征明显的阳宗海被归入第三类。

(3)2007—2016年，五大高原湖泊除抚仙湖外，其他湖泊水质均呈显著或极显著恶化趋势，个别指标存在非常普遍且极为显著的变差趋势，如高锰酸盐指数、五日生化需氧量。

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AnalysisonWaterPollutionCharacteristicsandChangingTendencyoftheFivePlateauLakeswithinthePearlRiverBasin

LIU Xiao-dan，SHAN Feng-xia，LIU-Heng
(Water Resources Protection Bureau of Pearl River, Guangzhou Guangdong 510611 ,China)

On the basis of the monitoring data from 2007 to 2016 of the five plateau lakes, the single factor assessment method in water quality evaluation,thehierarchicalcluster analysis, and the Daniel's trends test were applied to explore water pollution characteristics and waterchanging tendency. The historical and existing water quality classification couldn't fit the target of water quality requirements. According to the clustering analysis, the first category included the main sources of Fuxian Lake、Xingyun Lake, and Qilu Lake. The second was Yilong Lake, which represented the urban sewage and industrial wastewater pollution. The third was Yangzonghailake polluted by arsenic. According to the Spearman rank correlation method, the water quality of the lakes showed variation trend except Fuxian Lake, especially, CODMnand BOD5were generally deteriorating.

plateau lakes; water quality status; tendency; the Pearl River Basin; single factor assessment; cluster analysis; Daniel's trends test

2017-05-04

刘晓丹(1983-)，女，湖南长沙人，硕士研究生，工程师，主要从事流域水资源管理与评价等工作。

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1673-9655(2017)06-0038-05