气象条件对湖北长湖水质的影响研究

刘韬 夏智宏, 朱浪,

（1 湖北大学资源环境学院，武汉 430062；2 江汉平原生态气象遥感监测技术协同创新中心，荆州 434025；3 荆州市气象局，荆州 434020）

0 引言

长湖位于江汉平原荆州市东北部，是湖北省第三大淡水湖泊，湖北四湖水系的上游，夹于汉江与长江之间，兼具调蓄、灌溉、渔业、生活水源等多种自然和社会功能。长湖流域是湖北省重要的粮棉油生产基地和水产基地，湖泊水位季节性变化明显[1-3]。以往对长湖水质的研究多集中于污染源、水质变化、环境容量等方面，对于水体污染物变化与气象因素间关联的系统研究还相对较少。大量研究表明，气象因素——尤其是降雨、气温等因素，对流域内污染物质的时空分布存在显著影响[4-6]。因此，系统分析长湖水体污染的时空分布特点及其与气象因素间的内在联系，对于保障南水北调工程上游供水安全，保障长湖周边城市居民生产、生活用水质量，以及长湖水体污染治理和生态恢复都具有重要的现实意义。

1 数据与研究方法

1.1 区域概况

长湖位于荆州、荆门、潜江三市交界处，多年平均水位为29.0 m，现存湖泊面积约132.7 km2。湖水主要由拾桥河、龙会桥河、太湖港、广平港汇入，由习家口、刘岺闸经四湖总干渠流入洪湖（图1）。

图1 研究区域概况图Fig. 1 Map of the studied area

1.2 数据获取

水质数据为荆州市环境保护监测站提供的2014—2017年原始水质监测数据，监测站点为戴家洼、习家口、关沮口、桥河口（图1）。从2014年1月起，每两个月监测1次，监测频率为每年6次，采样监测一般在当月上旬进行。

气象数据来源于荆州市气象局，包括月平均气温、月平均降雨量与月日照时长，监测时段和频率与水质数据一致，并单独提取2014—2017年强降雨记录。

1.3 研究方法

分别对各监测站点水质进行时空分析，找出主要水体污染指标，对污染数据与气象数据进行聚类分析和相关性分析，探讨气象因素与长湖水体污染变化间的内在联系。

水质分析依照《湖北水功能区划》（鄂政函〔2003〕101号）规定，按照《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中的Ⅲ类水质标准进行对比，确定超标的污染物。

水体污染指标与气象因素间的相关性分析在SPSS 16.0软件中完成，相关性分析选择Pearson算法，计算各指标间相关系数。通过这些指标的时空相关性分析，探究水质时空变化的原因，及其与气象因素间的内在联系。

2 结果与分析

2.1 长湖水质状况

2014—2017年水质监测结果显示，长湖水质的主要问题是富营养化，超标指标为总磷（TP）、总氮（TN）、化学需氧量（COD）和五日生化需氧量（BOD5），且水质状况存在明显的时空差异。资料显示，长湖水体污染中的TP和TN超过50%来源于周边农村生活污水、种植业污染、畜禽养殖污染和水产养殖污染等非点源污染，TP的点源污染主要来自城镇生活污水，TN的点源污染则来源于城镇生活污水和工业废水等；COD超过70%来自于城镇生活污水和工业废水等点源污染[1]。

从时间变化看，2016—2017年长湖水质相对2014和2015年有所好转（表1），且主要污染指标呈季节性变化。从空间分布看，TP、TN的变化规律在戴家洼、关沮口和桥河口3处比较接近，习家口监测点的TP和TN浓度明显低于其他监测点。各监测点COD和BOD5的年平均值差异相对较小。

表1 长湖各监测站点主要污染指标及污染程度Table 1 The main pollution indexes and polluted degrees at observed sites

2.2 气象条件对水质的影响

除上述原因外，气象因素变化会对非点源污染的运移和扩散产生显著影响[4-6]。长湖2014—2017年TP、TN、COD、BOD5和降雨曲线、温度曲线对比结果显示：TP浓度变化呈明显的季节性波动，7—10月浓度较高，低值一般出现在1—5月；TN的峰值一般出现在冬季（11月—次年3月）；COD和BOD5的变化规律则不明显（图2和图3）。

各监测站点的TP、TN、COD、BOD5与降雨、温度之间的相关性分析结果（表2）显示，戴家洼、关沮口和桥河口TP的变化与降雨呈正相关，在习家口相关性较弱。对比2014—2017年长湖地区强降雨数据（表3）也显示，每次强降雨期间TP的值都较高，说明强降雨会造成非点源来源的TP输入量增加，导致水体TP浓度上升。4个监测站点的TN浓度高值都出现在冬季，应与当地春耕前施用化肥有关。所有监测站点的COD和BOD5与气象因素间的相关性都较弱，因为其污染源主要是生活污水和工业废水等点源污染，受气候影响较小。

图2 长湖主要污染指标：（a）TP，（b）TN，（c）COD和（d）BOD5及降雨变化曲线Fig. 2 Variations of the main pollution indexes (a) TP, (b) TN, (c) COD, (d) BOD5 and rainfall

图3 长湖主要污染指标：（a）TP，（b）TN，（c）COD和（d）BOD5及温度变化曲线Fig. 3 Variations of the main pollution indexes (a) TP, (b) TN, (c) COD, (d) BOD5 and temperature

表2 各监测站点污染指标与气温、降水的相关性分析Table 2 Correlations of the pollution indexes with temperature and rainfall at observed sites

表3 2014—2017年长湖地区强降雨记录Table 3 Statistics of the heavy rainfall in years between 2014 and 2017

3 小结

2014—2017年，长湖水质问题主要是富营养化，超标指标为总磷、总氮、化学需氧量和五日生化需氧量。长湖入水口和出水口的水质差异明显，出水口的水质要好于入水口。水体污染指标的空间分布主要受到位置和水文特征的影响。

尽管这几年长湖水质有所好转，但仍未达标。总磷、总氮、化学需氧量和五日生化需氧量等污染指标浓度呈现出不同程度的季节性波动。其中长湖入水口附近的总磷变化与降雨变化呈正相关，且受强降雨影响明显；水体中总氮浓度的峰值一般出现在冬季，应与春耕前化肥的施用有关。