2011～2018年洞庭湖水质变化规律分析

唐 聪，杨 宇，关兴中，郭 含，潘 畅

(1.长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430000； 2.江西省水文监测中心，江西 南昌 330000)

0 引 言

洞庭湖作为“长江之肾”，其水质变化情况一直是学者们研究的热点。张光贵等[1]基于1996～2013年洞庭湖水质监测数据，采用内梅罗污染指数(IP)法对三峡工程运行前后洞庭湖水质进行评价，并对洞庭湖水质与主要污染物的时空变化特征进行了分析；王旭等[2]利用长江中下游地区监测站点1950～2009年逐日水文监测数据及1995～2010年水质分析资料，结合Spearman相关分析和综合污染指数评价法，分析了长江中下游江湖关系演变对洞庭湖水质变化影响；饶建平等[3]以洞庭湖1992～2010年系列监测资料为依据，对洞庭湖19 a的整体水质情况、富营养化状况以及主要污染指标进行了评价分析，认为洞庭湖水质污染以氮磷污染为主，水体状况呈逐渐恶化的趋势；方凯等[4]根据1991～2000年对洞庭湖的水质监测，分析洞庭湖的水质现状，并对洞庭湖环境变化所产生的水质变化和发展趋势进行了分析；胡光伟等[5]利用洞庭湖区1991～2015年水质监测数据以及入出湖径流量和输沙量数据，结合水质单因子评价法和综合营养状态指数法系统评价和分析了洞庭湖水质与营养状态演变特征，结果表明洞庭湖水质整体上表现出明显的恶化趋势；申锐莉等[6]根据2002～2004年洞庭湖水质监测数据，选用内梅罗水污染指数法和黄浦江污染指数对洞庭湖水质现状进行评价。前人的分析主要集中在2010年之前的水质时空变化，不能全面反映近年来洞庭湖水质的变化情况。本研究选取西、南、东洞庭湖和洞庭湖出口代表站为研究对象，选用2011～2018年水质监测资料，采用季节性Kendall检验法对代表洞庭湖水污染特点的高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、总磷(TP)3个参数的时空变化规律进行分析[7-8]，有效地补充了近10 a洞庭湖水质变化的研究，加入了对于不同年份内同时期水质变化趋势的分析方法。通过研究洞庭湖水质污染变化特点，探究污染产生原因，分析主要着力方向，并提出相应对策方向，为洞庭湖水污染治理提供科学依据。

1 研究背景

洞庭湖(28°44′～29°35′N，111°53′～113°05′E)位于湖南省东北部，是中国第二大淡水湖，也是目前长江中游荆江段唯一与长江干流连通的湖泊[9-10]。洞庭湖是亚洲最大的内陆湿地保护区，被誉为“拯救世界濒危珍稀鸟类的主要希望地”，其中东洞庭湖湿地为国家级湿地自然保护区，是全球范围内公认的生态保护区，在国际上具有十分重要的地位[11-12]。洞庭湖唯一出口河段城陵矶水文站隶属长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，被誉为洞庭湖及长江流域水情“晴雨表”，距离洞庭湖入长江汇合口上游3.5 km。2008年起，在洞庭湖增设城陵矶、鹿角、沅江、小河咀等断面，作为常规水质监测断面，开始监测洞庭湖水质状况以及进入长江水质状况。

2 材料与方法

2.1 数据准备

依据站点分布特征，分别选取南咀(西洞庭湖)、沅江(南洞庭湖)、鹿角(东洞庭湖)、城陵矶(东洞庭湖、洞庭湖出口)共计4个监测站点作为研究对象，站点分布见图1。根据各站点历年主要超标指标情况以及季节性Kendall检验法判断水质趋势时的年份系列长度要求，选取上述4站2011～2018年间CODMn，TN，TP等3个参数作为水质变化趋势分析指标，各站点基本情况见表1。数据来源于长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局(长江中游水环境监测中心，CMA证书编号：160012081541)历年监测数据。分析站点研究时段内每月采样一次，其中，南咀站、城陵矶站采用3线6点法、沅江站、鹿角站采用3线3点法。年均值采用月均值的算术平均求得，月均值为各点算术平均值，本研究中暂未考虑流量因素影响。全年监测采样符合水质监测技术规范规定的时间分布、样本数要求。

2.2 分析方法

河湖水质受径流变化影响，传统意义上的汛期与非汛期水质数据比较，缺乏一定的可比性。季节性Kendall趋势检验分析为Hirsch等[13]于1982年提出的一种通过比较历年相同月份间水质数据，避免季节性影响的检验水质变化趋势的方法，是Mann Kendall检验的一种推广[14]。该方法可用于系列有漏测值、未检测值以及变量非正态分布时间序列，其原理是针对收集的多年数据，分别计算各月份的Mann-Kendall 检验统计量S及其方差Var(S)，然后将各月份统计量相加，算出总统计量，若月份数与年数足够大，则可根据总统计与标准正态表之间的比较来进行统计显著性趋势检验[15-16]。

图1 监测站点分布示意

表1 监测站点基本情况

通常情况下根据Kendall检验统计量判断上升或下降趋势，取显著性水平α为0.1和0.01，即当α≤0.01时，说明检验具有高度显著性水平，当0.01<α≤0.1时，说明检验是显著的。在α计算结果满足上述两条件情况下，当z为正时说明具有显著(或高度显著)上升趋势，当z为负时说明具有显著(或高度显著)下降趋势，当z为0时说明无趋势。本研究中季节性Kendall趋势检验分析基于R软件提供的函数实现。

图2 监测站点污染物浓度变化过程

3 结果与分析

3.1 时间变化趋势

洞庭湖2011～2018年各监测站点年均CODMn，TN，TP实测浓度过程线见图2。由图2可知，南咀、沅江、鹿角、城陵矶4站年均CODMn，TN呈明显下降趋势，各站最大CODMn浓度分别为2.65，2.57，2.94，3.07 mg/L，最大TN浓度分别为2.15，1.93，2.67，2.34 mg/L；南咀、沅江的TP呈先下降后上升变化趋势，首次最大TP浓度均出现在2015年，分别为0.10，0.13 mg/L，鹿角的TP下降趋势明显，最大浓度为0.11 mg/L，城陵矶的TP浓度在2016年后下降明显。

3.2 季节性Kendall检验

为了进一步探究洞庭湖水质变化趋势，对监测站点的水质资料通过季节性Kendall检验法进行2011～2018年的趋势分析，结果见表 2。由于资料年限的系列长度完全符合季节性Kendall检验方法的要求，所选参数CODMn，TN和TP能够反映洞庭湖水质污染特点，因此认为本次分析检验结果是可信的。

从各监测站点水质季节性变化趋势检验结果可知：研究年份洞庭湖各站点CODMn，TN和TP有趋势变化的居多，无明显趋势变化的少，说明水质存在明显动态变化；4个站点CODMn浓度均呈现高度显著下降趋势，TN浓度同样呈现下降趋势，其中除沅江显著下降外，其余3站均高度显著下降；TP浓度变化趋势中，南咀呈高度显著上升趋势，鹿角、城陵矶呈高度显著下降趋势，沅江无明显升降趋势，检验结果与时间变化趋势基本一致。由此可见，洞庭湖2011～2018年水质状况整体呈不断向好发展态势。

3.3 空间变化特征

洞庭湖2011～2018年各监测站点CODMn，TN，TP浓度空间变化趋势见图3。由图3可知：① 洞庭湖CODMn总体变化趋势相对稳定，代表南洞庭湖的沅江站除2012年外，其余分析年份均低于其他3站；代表东洞庭湖的鹿角站、城陵矶站普遍高于南咀站，且洞庭湖出口城陵矶站明显高于鹿角站；浓度最大年份出现在2011年城陵矶站，CODMn浓度达3.07 mg/L，浓度最小年份出现在2016年沅江站，CODMn浓度为1.96 mg/L。② 洞庭湖TN浓度变化趋势历年来基本一致，呈现浓度c(鹿角)>c(城陵矶)>c(南咀)>c(沅江)的分布特征；浓度最大年份出现在2011年鹿角站，TN浓度达2.67 mg/L，浓度最小年份出现在2018年沅江站，TN浓度为1.55 mg/L。③ 洞庭湖TP浓度空间分布无明显特征，年均浓度在0.07～0.13 mg/L之间波动；浓度最大年份出现在2015年沅江站，最小浓度在各站不同年份均有表现。

表2 季节性 Kendall 趋势检验结果

图3 浓度空间分布特征

4 讨 论

4.1 时间变化趋势原因分析

洞庭湖区各研究站点CODMn浓度均呈现高度显著下降趋势，TN浓度除沅江显著下降外，其余3站均高度显著下降，表明近年来洞庭湖各个湖区水质指标呈现明显好转态势，环境治理成效显著。TP浓度变化中，南咀呈高度显著上升趋势，沅江无明显升降趋势，说明该两处监测站点所处流域西、南洞庭湖仍然存在工业源废水或农业源污水等点、面源污染。根据《湖南省第二次全国污染源普查公报》(普查时点为2017年，以下简称“二污普”)，洞庭湖(湖南部分)水污染物排放量中，总氮排放量为3.57万t，总磷排放量为0.43万t，分别占全省水污染物排放总量的18.56%和19.28%。结合《湖南省第一次全国污染源普查公报》(普查时点为2007年，以下简称“一污普”)，10 a来，湖南省废水主要污染物排放总量中TN排放量减少2.66万t，减少率为12.15%，TP排放量增加0.17万t，增加率为8.25%，TP排放量不减反增；二污普结果表明，TP，TN排放量农业源占比64.57%，51.59%，工业源占比仅为1.35%和3.48%。综上分析可知，农业源TP，TN排放量为湖南省TP，TN排放量的主要来源，占比在50%以上，且洞庭湖(湖南部分)水污染物排放量TP，TN约占全省水污染物排放总量的20%，可以推测农业施用化肥是造成的洞庭湖区N，P污染的主导因素，该分析结论与湖南省2012～2019年统计年鉴结果(统计年份2011～2018年)基本一致(图4)，由图4可知，湖南省2011～2018年农业氮肥施用折纯量明显下降，磷肥无明显变化，而过量施用的氮肥和磷肥将通过地表径流和土壤侵蚀汇入水体中，加剧水体污染程度[17]。对此，应积极推进洞庭湖农业面源污染治理，尤其是西、南洞庭湖以及沅水、澧水入湖流域农业片区，不断改善入湖水质，整体提升洞庭湖水环境质量。

图4 湖南省2011～2018年农业氮肥、磷肥施用折纯量

最新《湖南省洞庭湖保护条例》(2021年5月27日湖南省第十三届人民代表大会常务委员会第二十四次会议通过，以下简称《条例》)表明，为了保护和改善洞庭湖生态环境，保障经济社会可持续发展，湖南省人民政府生态环境主管部门规定洞庭湖湖区禁止生产、销售、使用含磷洗涤用品(指总磷酸盐含量(以五氧化二磷计)超过国家标准的洗涤用品)，全面削减和控制入湖氮磷污染物排放总量。其中，工业方面，建立洞庭湖工业污染源信息库，严格控制重点行业氮磷排放总量；农业方面，制定鼓励支持化肥、农药农膜减量增效使用和秸秆综合利用绿色补贴的配套政策，推广先进农业生产技术，有效控制农业面源污染。结合本研究分析结果，笔者认为随着《条例》的实施，洞庭湖的N，P污染将得到有效的控制。

4.2 空间变化趋势原因分析

洞庭湖不同区域TP浓度空间分布无明显特征，CODMn,TN的空间变化规律总体为南咀至沅江呈下降趋势，沅江至城陵矶呈显著上升趋势，该变化与洞庭湖水流行进方向一致，但沅江下游资水、湘江、汨罗江入湖口存在一定量的污染物汇入，导致鹿角站CODMn，TN污染物浓度明显高于沅江站。治理重点为汨罗江入湖段，应加强该河段的排污口监测工作，严格实施达标排放，控制污染物排放总量。

5 结 论

本文通过研究分析洞庭湖区4站2011～2018年水质监测结果，采用季节性Kendall检验法综合分析，主要得出以下结论。

(1) 南咀、沅江、鹿角、城陵矶4站年均CODMn，TN呈明显下降趋势；南咀TP呈高度显著上升趋势，鹿角、城陵矶TP呈高度显著下降趋势，沅江TP无明显升降趋势，检验结果与时间变化趋势基本一致，水质状况整体呈不断向好发展态势。

(2) 空间变化趋势分析表明，洞庭湖不同区域TP浓度空间分布无明显特征，CODMn，TN的空间变化规律总体为南咀至沅江呈下降趋势，沅江至城陵矶呈显著上升趋势，应加强汨罗江河段排污口监测工作，控制污染物排放总量。

(3) 一、二污普和统计年鉴数据分析表明，农业施用化肥是造成的洞庭湖区N，P污染的主导因素，应积极推进洞庭湖农业面源污染治理工作。