巢湖流域河湖系统水环境因子分布特征及营养状态评价

吴利 张雁 陈亚军 耿明 陈小娟

摘要：分析秋季巢湖流域河湖系统水环境因子空间分布特征，对水质状况开展评价，为流域水环境综合治理和生态环境保护提供科学依据。2019年10月在巢湖和7条入湖河流分别设置8个和25个采样点，监测水环境因子，并采用水质指数（WQI）对其营养状态进行评价。结果表明：（1）巢湖流域河湖水系之间所有水质参数（除水温外）和WQI指数均存在显著性差异，巢湖流域河湖系统水环境在营养梯度上呈现明显的空间格局，东巢湖水质优于西巢湖；杭埠河、柘皋河、裕溪河水质优于兆河、白石山河、派河、南淝河；依据WQI指数，东巢湖、西巢湖、杭埠河、柘皋河、裕溪河水质为较好，兆河、白石山河、派河、南淝河水质为中等；（2）相较以往研究，本研究中西巢湖水质无明显变化，东巢湖水质略有下降，白石山河和兆河由原来的清水型河流转变为污染严重型河流，污染程度加重，其余环湖河流水质无明显变化；（3）应加强巢湖入湖河流氮源的管理和控制，并加强对小型流域的持续监测，深入了解小型支流在整个营养物质输送中所起的作用。

关键词：河湖系统；水环境因子；WQI指数；巢湖流域

中图分类号：X171.1        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）01-0065-08

自然过程、人为活动等诸多压力下，水质恶化情况十分普遍（Wang et al，2008；Todd et al，2012）。为了保护和控制水质，有必要收集有关水质状况及其时空变化的相关信息，开展水质评估，为水资源管理和水污染控制提供基础支撑（Romero et al，2016；Zhang et al，2019；Gitau et al，2016）。河流为工农业和生活提供了重要的水资源，同时也接纳大量的工业废水、农业退水和生活污水。入湖河道水质和水量直接影响到湖泊营养程度，成为湖泊富营养化最大的驱动力。巢湖位于安徽省中部，是我国著名的五大淡水湖泊之一，共有33条河流呈放射状排列在巢湖周围，巢湖水质一定程度上取决于连通河流的水质状况（特别是入湖河流）。近年来，对巢湖流域许多研究集中在物理、化学（如营养盐、溶解性有机物、重金属等）（储茵等，2011；王书航等，2011a；2011b；奚姗姗等，2016）和生物（如浮游植物、浮游动物、底栖大型无脊椎动物）等方面（吴利等，2017；Zhang et al，2019），而对巢湖全流域河流-湖泊系统水质状况研究较少。

水质评价可以采用多种方法，包括统计法、建模技术、水质指数（WQI）等（Wu et al，2021）。其中，WQI有效地将多个物理和化学参数整合为反映整体状况的单一数值，已被广泛应用于地表水和地下水质量评价，特别是河流的水质评估（Mohebbi et al，2013；Nong et al，2020；Pesce ＆ Wunderlin，2000）。与传统的水质评价方法相比，WQI可组合表征水质的各种参数，检测总体水质状况以及水质趋势（Hurley et al，2012；Qu et al，2020；Wu et al，2020），是一种有效的水质评价和管理方法，并在水资源管理中发挥着越来越重要的作用（Sutadian et al，2016）。本文通过分析秋季巢湖流域河湖系统水环境因子空间分布特征，运用水质指数（WQI）对水质状况开展评价，以期为巢湖流域水环境综合治理和生态环境保护提供科学依据。

1   材料和方法

1.1   研究区域概况

巢湖流域（30°52′25′′～32°7′53′′N，116°23′59′′～118°22′5′′E）属长江下游左岸水系，为亚热带湿润性季风气候，四季分明，流域面积为1.35×105 km2，约占安徽省总面积的9.3%（图1）。地貌以平原为主，海拔由西向东逐渐降低，低山区海拔从8 m到1.49×103 m不等。年平均气温和降雨量为16°C和1.22×103 mm。巢湖流域对当地经济发展至关重要，流域人口占安徽省人口的15.8%，贡献了29.4%的安徽省国内生产总值（Wu et al，2021）。巢湖流域33条河流分别属于柘皋河、南淝-店埠河、派河、杭埠-丰乐河、白石山河、兆河、裕溪河等7条水系，裕溪河水系为出湖水系，其他6条水系为入湖水系，且营养水平存在显著差异（王书航等，2011a）。

1.2   采样点设置

在巢湖湖体设置8个采样点，其中西巢湖（WCH）4个，包括西湖心、新河入湖区、湖滨、中庙；东巢湖（ECH）4个，包括东湖心、兆河入湖区、黄麓、船厂；7条环湖河流共设置25个采样点，其中南淝河（NFH）、杭埠河（HBH）、兆河（ZH）、裕溪河（YXH）分别在上游、中游、下游、河口设置采样点；派河（PH）、白石山河（BSSH）、柘皋河（ZGH）分别在中游、下游、河口设置采样点。所有采样点采用GPS定位，具体分布如图1，经纬度见表1。

1.3   样品采集与处理

采样时间为2019年10月11-17日，每个采样点采集上、中、下不同深度水体，取混合样品1.5 L。现场使用YSI多参数水质分析仪（YSI6600-V2，USA）测定溶氧（DO）、电导率（Cond）、水温（Temp）、pH、溶解性总固体（TDS）等参数，Secchi盘现场测定透明度（SD）。总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷（TP）采用过硫酸钾消解法，高锰酸盐指数（CODMn）采用高锰酸盐滴定法，硝态氮（NO3--N）采用酚二磺酸法，亚硝态氮（NO2--N）采用α-萘胺比色法，磷酸盐（PO43--P）采用钼-锑-抗分光光度法，氨氮（NH4+-N）采用纳氏试剂比色法，叶绿素a（Chl-a）采用分光光度法，生化需氧量（BOD5）采用稀释接种法（金相灿和屠清瑛，1990）。

1.4   营养状态评价

采用WQI指数对巢湖及7条河流营养状态进行评价。WQI指数中每个水质参数都被分配一个权重因子，以反映其作为整体水质参数的重要性（Pesce ＆ Wunderlin，2000）。WQI指数计算公式如下：

WQI=[i=1nCiPii=1nPi]             ①

式中：n为参数总数，Ci为参数i的归一化值，Pi为参数i的权重。研究中使用的Ci和Pi值详见表2（Qu et al，2020；Wu et al，2020）。WQI值从0到100不等，较高的数值表明水质状况较好。水质状况分为5级，即0～25，26～50，51～70，71～90，91～100，分别对应于非常差、差、中等、较好、好。根据查阅最新文献，SD和Chl-a未有Ci和Pi值，因此本文采用Temp、pH、Cond、DO、TP、TN、NO3--N、NH4+-N、NO2--N、PO43--P、CODMn、BOD5等12个水质参数计算WQI，并对其实测值进行归一化处理。

1.5   数据处理

采用单因素方差分析检验不同样点对单个水质参数的影响。基于log（x+1）数据转换，采用主成分分析（PCA）方法检测水质模式，采用皮尔逊相关分析确定影响WQI的关键水质参数，运用PRIMER 6软件对水质参数进行聚类分析。单因素方差分析、相关分析和主成分分析通过R软件3.3.2版本实现，显著水平设为P<0.05。

2   结果与分析

2.1   巢湖流域河湖系统水体理化参数

巢湖及7条河流水质参数如表3所示。方差分析结果表明，除Temp差异性不显著外，其他所有水质参数均存在显著性差异（P<0.05）。巢湖及7条河流整体呈碱性，pH为7.55～10.09，西巢湖、东巢湖、兆河pH最高。TN变化范围为0.86～5.65 mg/L，氮营养盐浓度总体表现为：西巢湖高于东巢湖，南淝河、派河、兆河、白石山河高于西巢湖，柘皋河高于东巢湖，除杭埠河外，5条入湖河流高于出湖河流裕溪河。磷营养盐浓度总体表现为：西巢湖高于东巢湖，南淝河、白石山河、兆河高于西巢湖，除杭埠河和柘皋河外，4条入湖河流高于出湖河流裕溪河。根据地表水环境质量标准（GB3838-2002），西巢湖和东巢湖TN、TP含量皆超地表水IV类标准，南淝河、派河、白石山河、兆河4条河流的TN和TP含量分别超地表水V类标准和IV类标准。

主成分分析（PCA）前两轴解释了超过69.7%的水质总方差。Cond（-0.79）、TN（-0.92）、TP（-0.85）、PO43--P（-0.68）、NH4+-N（-0.72）、NO2--N（-0.72）、CODMn（-0.71）、BOD5（-0.79）与第一轴密切相关，DO（0.70）、pH（0.90）、Chl-a（0.76）与第二轴密切相关。聚类分析和PCA分析显示，所有样点分为5组：第一组包括杭埠河，具有最高的SD；第二组包含南淝河和派河，具有较高的营养盐（包括TN、TP、PO43--P、NO3--N和NO2--N和NH4+-N）和Cond；第三组包括裕溪河和柘皋河；第四组包括白石山河，具有较高的TN和TP；第五组包括兆河、西巢湖和东巢湖，具有较高BOD5、CODMn、pH、DO和 Chl-a（图2和图3）。巢湖和7条河流在营养梯度上呈现出明显空间分布格局。

2.2   水质指数（WQI）分析

巢湖及其环湖河流WQI指数见图4。方差分析结果表明，巢湖及7条河流WQI指数存在显著性差异（P<0.05）。东巢湖、西巢湖WQI指数均值分别为79.69和76.88；7条河流WQI指数均值顺序为：杭埠河（84.90）>柘皋河（80.14）>裕溪河（78.96）>兆河（67.60）>白石山河（65.14）=派河（65.14）>南淝河（64.58）。东巢湖、西巢湖、杭埠河、柘皋河、裕溪河水质为较好，兆河、白石山河、派河、南淝河水质为中等。总体来看，东巢湖水质优于西巢湖；杭埠河、柘皋河、裕溪河水质优于兆河、白石山河、派河、南淝河。各水质参数对WQI指数的相关性为TN（-0.79）、NO2--N（-0.76）、TP（-0.74）、NH4+-N（-0.73）、BOD5（-0.68）、PO43--P（-0.60）、NO3--N（-0.52）、Cond（-0.51）、CODMn（-0.43）、DO（0.42）（图5），影响WQI指数的主要参数为氮磷营养盐。

3   讨论

3.1   巢湖流域水环境因子空间分布特征

本次调查发现，巢湖流域河湖系统巢湖与河流之间及河流与河流之间所有水质参数（除水温外）和WQI指数均存在显著性差异（P<0.05），聚类分析和PCA分析显示巢湖及7条河流可以划分为5组，进一步验证了相关报道（王书航等，2011a；Wu et al，2021），即巢湖流域河湖系统水环境在营养梯度上呈现出明显的空间格局，表现在东巢湖水质优于西巢湖；杭埠河、柘皋河、裕溪河水质优于兆河、白石山河、派河、南淝河。

依据Zhang等（2020）对河流流域的划分，本研究中杭埠河为森林河段，南淝河和派河为城市河段，白石山河和兆河为农业河段，柘皋河为混合河段，裕溪河河口和上游为混合河段，中游和下游为森林河段。相关分析表明影响WQI指数的主要参数为氮磷营养盐。城市河流通常从各种来源获得大量的营养物质输入（张笛等，2020）。城市河段的南淝河和派河N、P含量较高。南淝河和派河的Cond也较高，表明河水具有更强的电流传导能力，这可能意味着具有更适合微生物生长的条件（Quick et al，2019）。

环湖河流中南淝河、派河、兆河、白石山河4条河流氮营养盐含量均高于西巢湖；柘皋河氮营养盐含量均高于东巢湖，南淝河、兆河、白石山河TP含量均高于西巢湖，表明巢湖氮磷营养盐特别是氮营养盐主要由南淝河、派河、兆河、白石山河4条河流输入。西巢湖Chl-a、CODMn、氮磷营养盐浓度均高于东巢湖，主要原因是西巢湖氮磷营养盐主要由南淝河、派河、白石山河输入，东巢湖氮磷营养盐主要由兆河和柘皋河输入，并由出湖河流裕溪河输出，导致巢湖西部湖区水体中氮磷营养盐含量高于东部湖区。张民等（2020）基于2012-2018年的调查数据显示巢湖中东部营养盐水平显著增加，使得巢湖湖体富营养化的空间差异缩小，并指出兆河、东部双桥河和柘皋河3条河流的入湖TP负荷升高，是导致中东部湖区营养盐水平升高的最直接因素，也是导致巢湖营养盐水平呈现升高趋势的主要原因。与上述研究结果一致，本研究中结果也显示东巢湖较高的营养盐由兆河和柘皋河输入。

Yu等（2019）估算1955-2014年中国各地水体氮排放的空间模式，给出通过管理氮以恢复水质的建议。王书航等（2011b）指出在现有经济条件下，可优先控制巢湖入湖河流 TN 的输入总量。与上述研究结果一致，本研究认为巢湖水体富营养化的污染治理应着重加强入湖河流氮源的管理和控制。Mooney等（2020）发现相对于大型支流来说，小型支流输送的水含有更高浓度的营养物质，对受纳水体藻华暴发具有更大的潜在威胁。本研究中巢湖流域3条小型支流派河、兆河、白石山河对巢湖氮磷营养盐输入负荷较大。因此应加强对小型流域的持续监测，深入了解小型支流在整个养分输送中所起的作用。

王书航等（2011a）指出杭埠河和白石山河是巢湖清水的主要来源；柘皋河和兆河水质尚好。白石山河和兆河污染分级仅高于杭埠河，而低于其他环湖河流。本研究中，白石山河和兆河为农业河段，氮磷营养盐含量仅次于城市河流南淝河和派河，高于巢湖湖体，且白石山河和兆河Chl-a浓度均高于其他环湖河流，TN和TP含量皆超地表水V类和IV类标准，表明白石山河和兆河污染程度加重。兆河流经白湖农场，周边有大面积农田，白石山河流域耕地面积占该流域总面积的81.12%，大量磷肥的施用，通过雨水冲刷和地表径流等途径进入河流导致水体TP含量高于其他河流（张殷俊等，2011）。

本研究中营养盐含量较低的3条河流为杭埠河、柘皋河和裕溪河。杭埠河为森林河段，河流两岸植被覆盖率高，周边工农业废水和生活污水排放较少，河面开阔，水体自净能力较强（周慧等，2020），因此杭埠河具有最高的SD，最低的Cond及最低的Chl-a、CODMn、BOD5、氮磷营养盐浓度。柘皋河为混合河段，上游流域地貌为丘陵，耕地以农田为主，单位面积人口少；中游河段穿过柘皋镇，地势平缓，沿河有居民居住。下游河边有大量水葫芦、芦苇、香蒲水生植物生长（储茵等，2011）。裕溪河为巢湖水系入江唯一通道，自巢湖闸开始，东南向流，河口和上游为混合河段，中游和下游为森林河段，两岸工农业污染和生活污染较少，人工筑堤较高，常年通航运沙船只，水质良好。

3.2   巢湖流域河湖系统水质历史演变

同张民等（2020）对巢湖水质的研究结果一致，本研究中西巢湖和东巢湖TN、TP含量皆超地表水IV类标准，表明西巢湖水质无明显变化，东巢湖水质略有下降，这可能与南部入湖河流兆河污染程度加重有关。唐萍和胡伟（2013）对2001-2012年巢湖流域河流水质变化趋势进行了分析，研究结果表明南淝河、派河水质均为重度污染，兆河、柘皋河、裕溪河水质为良好，杭埠河和白石山河水质为轻度污染和良好。奚姗姗等（2016）指出2013-2014年南淝河和派河污染较为严重，兆河和柘皋河污染较轻。张民等（2020）基于2012-2018年调查数据，指出巢湖西部 4 条主要入湖污染河流（南淝河、十五里河、塘西河和派河）水质明显改善，但仍处于较高污染水平，中东部入湖河流（兆河、双桥河和柘皋河）总磷浓度明显升高。Wu等（2021）指出杭埠河和柘皋河水质最好，兆河、裕溪河和白石山河水质优于南淝河和派河。相较上述研究，本研究表明南淝河和派河水质无显著变化，但白石山河、兆河TN、TP达V类水质标准，NH4+-N浓度分别达IV和III类水标准，水质下降明显，白石山河和兆河由原来的清水型河流转变为污染严重型河流，其余环湖河流水质无明显变化。

志谢：感谢合肥师范学院16级生物科学中美合作班的胡轩锐、沈古月、姚丰在野外样品采集中辛苦工作，在此致以衷心感谢！

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（责任编辑   郑金秀）

Distribution of Water Environmental Factors and Evaluation of Trophic State

in the River-Lake System of Chaohu Lake Basin

WU Li1，2，ZHANG Yan2，CHEN Ya‐jun2，GENG Ming2，CHEN Xiao‐juan1

（1. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources，Institute of Hydroecology，

Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences，Wuhan   430079，P. R. China；

2. School of Life Sciences，Hefei Normal University，Hefei   230061，P. R. China）

Abstract： Chaohu Lake， located in central Anhui Province， is a typical eutrophic lake with 33 rivers surrounding the lake in radial pattern. In this study， we analyzed the spatial distribution of water environmental factors in the Chaohu Lake basin and the trophic state of the lake was assessed using the water quality index （WQI）. Our aim was to provide scientific evidence for managing water quality and conserving the ecology of Chaohu Lake basin. During October 11-17， 2019， water environmental factors were determined on water collected at 33 sampling stations in Chaohu Lake and 7 tributaries， including East and West Chaohu Lake （ECH and WCH ）， Nanfei River （NFH）， Hangbu River （HBH）， Zhaohe River （ZH）， Yuxi River （YXH）， Paihe River （PH）， Baishishan River （BSSH） and Zhegao River （ZGH）. Results were as follows： （1） Except for water temperature， there were significant spatial differences in water quality parameters and the WQI in the Chaohu Lake basin. The water environment of the basin presented an obvious spatial nutrient gradient：the water quality of East Chaohu Lake was better than that of West Chaohu Lake，the water quality of Hangbu River，Zhegao River and Yuxi River were better than that of Zhaohe River，Baishishan River，Paihe River and Nanfei River. The WQI of East and West Chaohu Lake were 79.69 and 76.88， and the WQI of the seven investigated rivers were in the order： Hangbu River （84.90）>Zhegao River （80.14）>Yuxi River （78.96）>Zhaohe River （67.60）>Baishishan River （65.14） = Paihe River （65.14）>Nanfei River （64.58）. According to WQI， the water quality conditions in East Chaohu Lake， West Chaohu Lake，Hangbu River，Zhegao River and Yuxi River were at the good level，while Zhaohe River，Baishishan River，Paihe River and Nanfei River were at the moderate level. （2） Compared with previous studies， there was no significant change in the water quality of West Chaohu Lake and water quality in East Chaohu Lake decreased slightly， pollution levels in Zhaohe River and Baishishan River increased dramatically， from clean to seriously polluted， and water quality in the other rivers remained about the same. （3） The management and control of nitrogen sources in tributaries of Chaohu Lake should be strengthened， and continuous monitoring of water quality in small watersheds should be strengthened to better understand the role of small tributaries in the nutrient transport of the entire basin.

Key words：river-lake system；water environmental factor；water quality index （WQI）; Chaohu Lake basin