洞庭湖水质及出入湖主要污染物通量变化趋势分析

周 琴，贾海燕，卢 路，朱 惇

（长江水资源保护科学研究所，武汉 430051）

洞庭湖是我国第二大淡水湖，是长江流域重要的调蓄性湖泊，南汇湘、资、沅、澧四水，北纳松滋河、虎渡河、藕池河三口分泄的长江洪水，东接汨罗江和新墙河水，由城陵矶注入。因此，它在调节长江径流、维护生态平衡、保护生物多样性和促进区域发展等方面具有重要的作用。近年来，受气候及水文节律变化、江湖关系变化以及水资源开发利用程度不断提高等多方面因素影响，三口入湖水量减少，洞庭湖枯水期提前、持续时间延长，部分地区生产生活用水困难[1-2]；受人为活动影响，洞庭湖区湿地面积不断萎缩，湿地景观破碎化问题突出[3-4]；水污染形势严峻，大部分湖泊断面水质持续超标[5-6]。

目前，针对洞庭湖流域的研究主要集中在湿地水位与植被覆盖[7-9]、沉积物污染及释放风险[10-11]、洪水遭遇规律[12-13]、水文情势变化特征及模拟[14-15]、水质评价[5，16-17]、营养盐通量[18]等方面。

由于洞庭湖与长江相连通的特殊属性，其水环境不仅受湖泊周围人类活动影响，而且受荆江三口和湖南四水多重影响，水沙组成复杂。尽管针对洞庭湖开展了许多研究，但已有研究更多关注水沙演变特征、水质指标的变化等，缺乏从水沙水文情势、水质指标、出入湖营养盐通量综合联动分析，特别是三峡工程运行后，长时间序列的综合分析。

鉴于此，本研究分析了三峡工程运行后洞庭湖水质、径流量、输沙量和主要污染物通量时空分布特征及历年变化趋势，探讨了洞庭湖主要污染物来源和组成，为洞庭湖水环境和水生态环境保护提供支撑。

1 研究材料及方法

1.1 研究范围

洞庭湖区是指荆江河段以南，湘、资、沅、澧四水湘河、桃江、桃源、石门水文站以下，高程在50 m以下跨湘、鄂两省的广大平原、湖泊水网区，湖区总面积19 195 km2，其中天然湖泊面积约2 625 km2（城陵矶七里山水位为33.5 m），洪道面积1 418 km2，受堤防保护面积15 152 km2。湖南省内湖区面积15 243 km2，约占湖区总面积的80%；湖北省内湖区面积3 952 km2，约占湖区总面积的20%。洞庭湖区涉及湖南省岳阳、常德、益阳、长沙、湘潭、株洲6市和湖北荆州市，共涉及7个市43个县（市、区）。其中，湖南6市涉及39个县（市、区），湖北荆州涉及4个县（市、区）。

洞庭湖入湖水沙主要来自湘、资、沅、澧四水和荆江三口分流、分沙，从城陵矶（七里山）出流汇入长江。采用湘江湘潭站、资水桃江站、沅江桃源站、澧水石门站合成流量代表洞庭湖四水入湖水量，松滋河新江口站和沙道观站、虎渡河弥陀寺站、藕池河康家港站和管家铺站合成流量代表荆江三口入湖水量，城陵矶（七里山）站流量代表洞庭湖出湖入江水量。采用湘江施家港断面、资水益阳断面、沅江常德断面、澧水津市断面代表洞庭湖四水入湖水质，松滋河杨家垱断面、虎渡河黄山头闸断面、藕池河藕池断面代表荆江三口入湖水质，城陵矶（七里山）断面水质代表洞庭湖出湖入江水质，各站位置示意图见图1。

图1 洞庭湖入、出湖主要流量及水质监测站点分布图Fig.1 Distribution map of main flow and water quality monitoring stations of Dongting Lake

1.2 研究时段

2003年6月，三峡水库开始蓄水到135 m水位，到2015年9月，175 m试验性蓄水正式启动。本文收集了2003—2015年城陵矶、湘潭、桃江、桃源、石门、弥陀寺、康家港、管家铺、新江口和沙道观站逐日流量和输沙量，以及施家港、益阳、常德、津市、杨家垱、黄山头闸和藕池断面氨氮、总氮、总磷监测数据，并逐月计算各断面氮、磷通量，分析洞庭湖2003—2015年氮、磷通量变化。

洞庭湖水质数据来源于《长江流域及西南诸河水资源公报》2003—2016年数据，洞庭湖区水质常规监测断面有君山、南咀、小河咀和横岭湖4个断面，以及出湖城陵矶断面。

1.3 水质参数选择

依据2003—2015年洞庭湖主要污染物情况，重点选择总磷、氨氮和总氮进行浓度和污染物通量长期变化趋势分析。

1.4 污染物通量计算方法

污染物通量是指水体中的各污染物在单位时间内通过某一断面的总质量，是水环境的水文、地质、化学及生物等综合作用的结果，污染物通量计算公式如下：

式中：Fij为第i月第j种污染物的平均通量，g/s；Cij为第i月第j种污染物的平均质量浓度，mg/L；Qi为第i月的流量，m3/s。

2 结果与分析

2.1 主要污染物浓度分析

2.1.1 主要污染物浓度均值分析

总磷是洞庭湖区水质分析的重要指标，是水体富营养化的重要参数。根据统计分析（表1），洞庭湖区总磷浓度变幅为0.02～0.25 mg/L，平均浓度值为0.09 mg/L。总磷多年平均浓度分别为：城陵矶断面0.10 mg/L，横岭湖断面0.08 mg/L，君山断面0.08 mg/L，南咀断面0.09 mg/L和小河咀断面0.10 mg/L，可满足湖泊Ⅳ类水质标准[19]。5个重要监测断面总磷浓度多超湖泊Ⅲ类水质标准（0.05 mg/L），满足Ⅲ类水质标准的监测频次仅为17.14%，但近年来满足Ⅲ类水质标准的频次增加，2012年至今，达标监测频率可达22.92%。

表1 洞庭湖历年水质监测数据均值统计表Table 1 Mean value of water quality of Dongting Lake over the years

洞庭湖区氨氮浓度普遍较低，变化范围为0.01～1.46 mg/L，平均浓度为0.20 mg/L，其中氨氮多年平均浓度分别为城陵矶断面0.27 mg/L，横岭湖断面0.22 mg/L，君山断面0.19 mg/L，南咀断面0.21 mg/L和小河咀断面0.27 mg/L，多可满足Ⅱ类水质标准[19]。城陵矶断面受岳阳市城市排污影响，氨氮浓度变幅较大，在0.025～1.46 mg/L范围内波动，且2003年非汛期曾出现1次超Ⅲ类水质标准（1.46 mg/L），其他时段均可满足湖泊Ⅲ类水质管理目标[19]。总体而言，氨氮浓度基本维持在同一水平，无明显趋势变化。

总氮是水体富营养化的另一项重要参数，是洞庭湖水质主要控制指标。根据统计分析，洞庭湖区总氮浓度变幅为0.30～3.48 mg/L，平均浓度值为2.04 mg/L。总氮多年平均浓度分别为：城陵矶断面2.10 mg/L，横岭湖断面1.86 mg/L，君山断面1.97 mg/L，南咀断面2.01 mg/L和小河咀断面1.76 mg/L，超Ⅲ类水质管理目标（1.0 mg/L）。

2.1.2 污染物浓度历年变化趋势分析

根据洞庭湖区水质监测数据进行趋势分析（图2），从2003年至2016年的水质数据分析可以看出，洞庭湖区总磷浓度从2003年至2009年在波动中下降，从2009年至2016年，稳定维持在0.1 mg/L；总氮浓度下降趋势不明显，在2.0 mg/L浓度值上下波动。

图2 洞庭湖区水质年度变化趋势图Fig.2 Annual variation trend of water quality in Dongting Lake area

2.2 径流量和输沙量时空特征

2.2.1 径流量变化

2003年三峡工程运行后，洞庭湖湖南四水、荆江三口历年总入湖径流量均值为1.988×1011m3，其中四水历年径流量均值排序为湘江＞资水＞沅江＞澧水，分别占总入湖年径流量的31.1%，26.5%，12.9%和5.4%；荆江三口历年径流量均值排序为松滋河＞藕池河＞虎渡河，分别占总入湖年径流量的14.5%，5.3%和4.4%。

从2003—2015年多年平均情况来看，洞庭湖的来水绝大部分来源于湖南四水，其多年平均径流量为1.508×1011m3，占洞庭湖入湖径流总量（荆江三口+湖南四水）的75.8%。城陵矶出湖年径流量为2.347×1011m3，经湖泊调蓄，出湖年径流量明显大于湖南四水、荆江三口入湖水量。洞庭湖入、出湖年径流量变化如图3所示。

图3 洞庭湖入、出湖年径流量变化趋势图Fig.3 Annual runoff variation trend of Dongting Lake

湖南四水年径流量范围为（0.984～1.789）×1011m3，年平均径流量为1.508×1011m3，年径流量从2003年至2009年呈下降趋势，从2009年起，年径流量呈小幅波动，趋势变化不显著。其中湘江和澧水年径流量变化趋势不明显；资水年径流量呈下降趋势；沅江年径流量从2003年至2013年基本保持稳定，2014—2015较2003—2013年有显著增大趋势。荆江三口年径流量变化呈小幅波动，变化趋势不显著，年径流量范围为0.183×1011～0.655×1011m3，年平均径流量为0.48×1011m3。

2.2.2 输沙量变化

从2003—2015年平均情况来看，洞庭湖的泥沙绝大部分来源于荆江三口，但2003—2015年，洞庭湖入湖总沙量持续减少的同时，荆江三口和湖南四水来沙量均呈下降趋势，但出湖沙量呈一定幅度的上升趋势。入、出湖的荆江三口、湖南四水及城陵矶年输沙量的具体变化过程如图4所示。

图4 洞庭湖入、出湖年输沙量变化趋势图Fig.4 The annual sediment transport in and out of Dongting Lake

2003—2015年湖南四水输沙量呈阶段性减小的变化过程，其年均输沙量仅为7.98×106t，但占入湖总沙量的比例为45.3%。荆江三口输沙量也呈现波动性减小的变化过程，受流域来水量偏少的影响，其年均输沙量仅为9.64×106t，但占入湖总沙量的比例为54.7%。同时，湖南四水沙量的减幅不及荆江三口，也进一步反映了三峡工程巨大的拦沙作用。

2007年之前，洞庭湖入湖的泥沙部分经湖区沉积作用后，经由城陵矶汇入长江干流，城陵矶年输沙量变化在2007年之前基本上呈现持续下降的趋势，阶段特征不甚明显，2008年开始出湖沙量出现增大的现象，可能与湖区，尤其是集中在东洞庭湖的采砂活动有一定关系。

2.3 污染物通量变化趋势

2.3.1 荆江三口入湖营养盐变化

（1）现状营养盐特征

2015年，荆江三口入湖氨氮通量平均值为128.4 g/s，其中最小通量为5.3 g/s，最大通量为518.3 g/s（7月），年内变化较大；入湖总磷通量平均值为135 g/s，其中最小通量为1.6 g/s，最大通量为506.6 g/s（7月），总磷入湖通量也呈较显著的年内波动。污染物入湖通量峰值均在7月（图5）。

图5 2015年荆江三口入湖营养盐通量变化Fig.5 Changes of nutrient influx in three inlets of Jingjiang in 2015

2015年，松滋河、虎渡河和藕池河入湖氨氮通量分别为76.2、94.5 g/s和20.8 g/s，氨氮入湖通量比例为虎渡河＞松滋河＞藕池河；松滋河、虎渡河、藕池河入湖总磷通量分别为96.2、18.6 g/s和32.5 g/s，总磷入湖通量比例为松滋河＞藕池河＞虎渡河。同时，由氨氮和总磷来源比例可见，荆江三口入湖污染物来源比例为8.7%～28.4%，污染物入湖比例整体相对较小，详见表2。

表2 2015年洞庭湖入湖营养盐通量及比例Table 2 Nutrient influx and proportion of Dongting Lake in 2015

（2）年际、年内营养盐变化特征

荆江三口入湖营养盐年际、年内变化特征结果如图6所示。2003—2015年，氨氮通量呈现一定程度的波动，年平均值为161.5 g/s，其中最小通量为55 g/s，最大通量为269.5 g/s；入湖总磷通量平均值为57.4 g/s，其中最小通量为13.4 g/s，最大通量为110.8 g/s。荆江三口不同时段营养盐入湖通量的变化较大，5—10月入湖营养盐通量较大，其中最高值均出现在7月，其氨氮入湖通量为568.8 g/s，总磷入湖通量为244.7 g/s。

图6 2003—2015年荆江三口入湖氨氮和总磷通量年际、年内变化过程Fig.6 Interannual and annual changes of ammonia nitrogen and total phosphorus influx in three inlet rivers of Jingjiang from 2003 to 2015

2.3.2 湖南四水入湖营养盐变化

（1）现状营养盐特征

2015年湖南四水入湖氨氮和总磷通量如图7所示。湖南四水入湖氨氮通量平均值为2 008.6 g/s，其中最小通量为636 g/s，最大通量为4 611 g/s（6月），年内变化较大；入湖总磷通量平均值为217.8 g/s，其中最小通量为52.7 g/s，最大通量为471.6 g/s（12月），总磷入湖通量也呈较显著的年内波动。其中污染物入湖通量峰值在6月和12月。

图7 2015年湖南四水入湖氨氮和总磷通量变化Fig.7 Changes of ammonia nitrogen and total phosphorus influx in four rivers of Hunan in 2015

由表2可见，2015年，沅水、澧水、湘江和资水桃江入湖氨氮通量分别为659.7、208.2、960.7 g/s和180.1 g/s，氨氮入湖通量比例为湘江＞沅水＞澧水＞资水桃江；沅水、澧水、湘江和资水桃江入湖总磷通量分别为134.3、19.6、179.6 g/s和38.2 g/s，总磷入湖通量比例为湘江＞沅水＞资水桃江＞澧水。可见湖南四水入湖污染物主要来源于湘江和沅水（占60.5%～73.7%），桃江和澧水贡献率（11.2%～17.7%）整体相对较小。

（2）年际、年内营养盐变化特征

湖南四水入湖营养盐年际、年内变化特征结果如图8所示。2003—2015年，氨氮通量呈现一定程度的波动，年平均值为503.1 g/s，其中最小通量为377.5 g/s，最大通量为615 g/s；入湖总磷通量平均值为90.6 g/s，其中最小通量为49.5 g/s，最大值为115.7 g/s。湖南四水年内不同时段营养盐入湖通量的变化较大，3—7月入湖营养盐通量较大。其中最高值均出现在6月，其氨氮入湖通量为913.9 g/s，总磷入湖通量为205.6 g/s。

图8 2003—2015年湖南四水入湖氨氮和总磷通量年际、年内变化过程Fig.8 Interannual and annual changes of ammonia nitrogen and total phosphorus influx in four rivers of Hunan from 2003 to 2015

2.3.3 出湖营养盐通量

（1）现状营养盐特征

洞庭湖从城陵矶（七里山）出流汇入长江，2015年6—7月和10—11月未进行氨氮指标监测，因此综合全年看，城陵矶（七里山）断面氨氮通量年内变化不明显，总氮和总磷通量有明显峰值。总氮最小通量为5 137.8 g/s，最大通量为42 957.4 g/s（7月），年内变化较大；总磷最小通量为235.7 g/s，最大通量为1 581.3 g/s（6月）。其中总氮和总磷入湖通量峰值在6—7月（图9）。

图9 2015年洞庭湖出湖营养盐氨氮、总氮和总磷通量变化Fig.9 Changes in the outflux of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in Dongting Lake in 2015

根据表3，2015年洞庭湖入湖氨氮通量为2 200.2 g/s，大于出湖通量（1 300.3 g/s），入湖总磷通量为519 g/s，小于出湖总磷通量（727.6 g/s）。

表3 2015年洞庭湖入湖、出湖通量对比Table 3 Comparison of influx and outflux of Dongting Lake in 2015

（2）年际、年内营养盐变化特征

城陵矶（七里山）断面出湖营养盐年际、年内变化特征如图10所示。2003—2015年，氨氮、总氮和总磷通量呈现一定程度的波动，但无明显变大或变小趋势。其中氨氮在2001—2005年和2007—2008年数据缺失，因此综合其他年份数值进行计算，氨氮通量年均值为1 211.5 g/s，总氮通量年均值为15 160.4 g/s，总磷通量年均值为693.8 g/s。2003—2015年，城陵矶（七里山）断面年内不同时段营养盐出湖通量的变化较大，4—10月出湖营养盐通量较大。氨氮通量年内变化不明显，总氮和总磷通量有明显峰值，其峰值出现在6—7月。总氮入湖通量峰值为27 744.8 g/s，总磷入湖通量峰值为1 235.9 g/s。

图10 2003—2015年洞庭湖出湖营养盐氨氮、总氮和总磷通量年际、年内变化过程Fig.10 Interannual and annual changes of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus outflux in Dongting Lake from 2003 to 2015

3 结论

1）洞庭湖区总磷浓度从2003年至2009年在波动中下降，2009—2016年，稳定维持在0.1 mg/L；总氮浓度下降趋势不明显，在2.0 mg/L浓度值上下波动。

2）荆江三口年径流量变化呈小幅波动，趋势变化不显著；湖南四水年径流量从2003年至2009年呈下降趋势，从2009年，年径流量呈小幅波动，趋势变化不显著。

3）荆江三口年均输沙量稳定维持在9.64×106t，占入湖总沙量的54.7%。湖南四水年均输沙量仅为7.98×106t，占入湖总沙量的比例是45.3%。洞庭湖入湖的泥沙部分经湖区沉积作用后，经由城陵矶汇入长江干流，城陵矶年输沙量变化在2007年之前基本上呈现持续下降的趋势，阶段特征不甚明显，2008年开始，出湖沙量出现增大的现象。

4）空间分布上，入湖营养盐通量主要来源于湖南四水（占总入湖营养盐通量的71.6%～91.3%），其中湘江和沅水贡献较大，荆江三口入湖量仅占8.7%～28.4%。2015年洞庭湖入湖氨氮通量（2 200.2 g/s）大于出湖通量（1 300.3 g/s），入湖总磷通量（519 g/s）小于出湖通量（727.6 g/s）。时间分布上，受水情的影响，洞庭湖污染物入湖通量在年内分配不均，最高值出现在6—7月。