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0 引言
鄱阳湖是我国五大淡水湖泊之首,纳赣江、抚河、信江、饶河、修水五大河等来水,经调蓄后由湖口水道注入长江。鄱阳湖流域面积为162 225 km2,约占江西省国土面积的97%。按照流域水系、地质单元及行政区划界限,根据全国水资源综合规划水资源分区划分,鄱阳湖流域分为8个水资源三级区,分别为赣江上游区、赣江中游区、赣江下游区、抚河区、信江区、饶河区、修水区和鄱阳湖环湖区[1]。
近年来,随着鄱阳湖流域高度密集化的农业生产和高速城市化的发展,大量营养盐经过“五河”来水进入鄱阳湖,导致鄱阳湖水质总体呈现下降趋势[2⇓⇓⇓-6],2018年的相关监测结果显示,湖体监测断面水质优良比例仅为 5.9%,其主要超标因子为总磷,是导致鄱阳湖水质恶化的关键因子[7⇓⇓⇓-11]。当前,在鄱阳湖总磷污染形势依然严峻情况下,探析环鄱阳湖区出入湖总磷浓度与负荷的时空分布特征显得十分迫切,这有助于科学、精准防治总磷污染及促进地区可持续发展。已有学者开展了相关研究:贾娟娟等[7]、万志勇等[8]等揭示了鄱阳湖总磷的变化趋势,研究表明10 a间(2006—2016年)鄱阳湖总磷浓度年均值总体呈下降趋势。唐国华等[12]、刘发根等[13]、涂安国等[14]探明了入湖总磷负荷的空间变化特征,均认为入湖污染负荷与入湖径流量之间具有正相关关系。马广文等[15]、杨中文等[16]解析了入湖污染负荷的来源,表明鄱阳湖总磷污染负荷主要来源于面源污染。考虑到五河来水在水量和水质上的时空差异性,如果仅仅简单采用算术平均法计算总磷年平均浓度,将无法准确反映不同河流的真实情况;此外,以环鄱阳湖各水资源分区为研究单元,揭示环鄱阳湖区入出湖总磷浓度及污染负荷特征变化的研究却较为少见。故本研究采用算术平均法、加权平均法比较计算2009—2018 年各水资源分区入湖总磷年平均浓度;运用双累积曲线法、回归分析法,分析入湖水量和入湖总磷浓度与入湖总磷负荷之间的相关关系,揭示污染负荷的主要控制因素,从而达到削减入湖河流总磷负荷,降低鄱阳湖富营养化风险的目的。
1 资料与方法
1.1 资料收集与处理
2009—2018 年入出鄱阳湖水量、水质资料由江西省水文监测中心及其流域水文水资源监测中心提供。江西水文部门在各水资源三级区设置了监测站点,赣江流域的上中下游区合并成一个研究单元,即赣江区。共选取7个监测站点进行分析,分别为赣江外洲站、抚河李家渡站、信江梅港站、饶河的乐安河石镇街站、饶河的昌江渡峰坑站、修水王家河站和鄱阳湖湖口站(见图1)。
王家河站的入湖水量采用水文比拟法,由万家埠站和虬津站的径流量推求得到,其他出入湖水量由相应站点的流量计算。水质监测项目主要为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中的基本项目,其中总磷采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89),监测频次为每月1次,且年际相同月份水质监测时间基本保持一致。
表1 入出湖总磷负荷与入湖水量、总磷浓度的相关关系Table 1 Correlations of inflow and outflow TP loads versus inflow volume and TP concentration |
| 指标 | 总磷负荷与水量、总磷浓度的相关系数 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 赣江区 | 抚河区 | 信江区 | 饶河区 | 修水区 | 湖口 | |
| 水量 | 0.895** | 0.869** | 0.727** | 0.618** | 0.869** | 0.564** |
| 总磷浓度 | 0.628** | 0.255** | 0.487** | 0.232* | 0.255** | 0.469** |
注:**表示在0.01水平上显著相关;*表示在0.05水平上显著相关(下同)。 |
1.2 研究方法
1.2.1 总磷年负荷和年平均浓度计算
将各监测站点的月入、出湖水量与水质监测断面总磷月平均浓度相乘,得到河流湖泊月入、出湖总磷负荷,并累积得出其年入出湖负荷。算术平均法中各水资源分区入湖、出湖总磷年平均浓度为年内各月监测值的算术平均值,五河入湖总磷年平均浓度为各水资源分区入湖总磷年平均浓度的算术平均值。计算公式如下:
式中: 为水资源分区内河流入湖总磷负荷; 为鄱阳湖出湖总磷负荷;n为各水资源分区内监测站点个数;i为月份; 为水质监测断面总磷月平均浓度; 、 分别为水质监测断面月入湖水量、月出湖水量。
考虑到五河来水在水量和水质上的时空差异性,采用算术平均法和加权平均法分别计算各水资源分区的入湖总磷年平均浓度,对比分析2种方法计算结果的差异[17]。算术平均法中各水资源分区入湖、出湖总磷年平均浓度为年内各月监测值的算术平均值,五河入湖总磷年平均浓度为各水资源分区入湖总磷年平均浓度的算术平均值。加权平均法计算公式如下:
式中:C分区入为各水资源分区入湖总磷年平均浓度;C出为鄱阳湖出湖总磷年平均浓度。此外,五河总磷入湖加权年平均浓度为各水资源分区年入湖总磷负荷相加值与各水资源分区年入湖水量相加值的比值。
1.2.2 水污关系分析
采用年来水量累积值和总磷年负荷累积量,绘制双累积曲线,分析曲线斜率变化情况,摸清总磷污染变化特征。利用SPSS软件计算各水资源分区月入湖总磷负荷-水量-总磷浓度之间的相关关系,分析它们之间的相关性。
2 结果与分析
2.1 入出湖总磷年平均浓度变化特征
2.1.1 各水资源分区总磷年平均浓度
图2为算术平均法和加权平均法分别计算得到的鄱阳湖入出湖总磷年平均浓度。由图2可知,赣江区和抚河区整体上入湖总磷加权平均浓度大于算术平均浓度,其原因在于汛期(4—9月份)入湖水量占比达到全年的60%以上,而汛期水质却劣于非汛期水质;信江区2009年入湖总磷加权平均浓度大于算术平均浓度,2010—2013年入湖总磷加权平均浓度小于算术平均浓度,2014—2018年总磷加权平均浓度与算术平均浓度的大小关系呈波动变化,其主要原因在于2014年以前信江河道非汛期水质劣于汛期水质,2014年以后,非汛期水质得到明显改善。饶河区整体上入湖总磷算术平均浓度明显大于加权平均浓度,其主要是由汛期入湖水量占比达到全年的70%以上,且汛期水质明显优于非汛期水质造成的。但对于修水区,由于汛期和非汛期的入湖总磷浓度相差不大,导致水量权重变化对浓度计算结果影响很小,因此2种方法的计算结果接近。综上分析可知,加权平均法更能反映不同河流水量、水质的年内差异性。
采用加权平均法计算得到的总磷浓度进行年际变化趋势分析,如图2所示。由图2可知:①赣江区和抚河区入湖总磷浓度整体呈上升趋势,但始终处于Ⅱ类水质;信江区入湖总磷浓度整体呈下降趋势,总磷浓度从2009年的0.111 mg/L下降至2018年的0.056 mg/L,水质类别由Ⅲ类提高到Ⅱ类;饶河区入湖总磷浓度呈先上升后下降趋势,2012年入湖总磷浓度(0.195 mg/L)最高;修水区入湖总磷浓度呈波动变化,处于Ⅱ类水质。②在空间分布上,2009—2018年入湖总磷多年平均浓度从高到低依次为饶河区(0.123 mg/L)>信江区(0.091 mg/L)>抚河区(0.069 mg/L)>赣江区(0.063 mg/L)>修水区(0.045 mg/L)。综合来看,鄱阳湖东南部河流入湖总磷浓度高于其他区域,与刘发根等[13]的分析结果一致。此外,通过双累积曲线斜率的变化情况可知(见图3),赣江区、修水区入湖总磷年平均浓度变化不明显,抚河区、信江区和饶河区在2012年突然增大,这主要是由于2012年上游来水量明显偏大,受到强降雨形成的地表径流携带大量污染物质进入水体,总磷浓度偏高。各水资源分区双累积曲线斜率均没有逐年变小趋势,表明若想通过削减五河入湖总磷浓度来降低鄱阳湖湖区总磷浓度依然面临着巨大压力。
2.1.2 鄱阳湖入出湖总磷年平均浓度
由图2可以看出,五河入湖总磷加权平均浓度小于算术平均浓度,这主要是加权平均浓度受赣江区入湖水量高(占五河入湖水量的比例在50%以上)而浓度偏低影响,而算术平均浓度计算结果偏大则因饶河区和信江区的总磷浓度较高导致的。鄱阳湖出湖总磷加权平均浓度整体上小于算术平均浓度,其原因在于非汛期水质明显劣于汛期水质,但出湖水量仅占全年的30%左右,导致算术平均法计算结果偏大。综合两种方法的计算结果对比可知,加权平均法更能反映入出湖水量、水质在时间上、空间上的差异性。
采用加权平均法计算得到的总磷浓度进行年际变化趋势分析。可知,五河入湖总磷浓度整体上比较稳定,始终处于Ⅱ类水质;鄱阳湖出湖总磷浓度整体上呈先上升后下降的趋势,但水质类别均为Ⅳ类,其中2014年出湖总磷浓度(0.095 mg/L)最高。此外,从图3可以看出,双累积曲线斜率并没有出现明显的转折点,表明2009—2018年出湖总磷浓度随时间没有发生显著变化,因此,鄱阳湖总磷治理工作需进一步加大力度。
2.2 入出湖总磷年负荷变化特征
2.2.1 年际变化
鄱阳湖入出湖总磷负荷、年水量变化如图4所示。2009—2018年五河入湖、湖口出湖总磷负荷年均值分别为98 514、108 442 t/a。理论上来讲,污染物入湖后,在水体自净作用下,出湖负荷应小于入湖负荷,但2009—2018年期间,除2009年、2010年、2012年外,其他年份总磷出湖负荷均大于五河入湖负荷,这主要是由于鄱阳湖滨湖区输入、湖体内源释放以及干湿沉降等均未进行计算。本研究中,部分入湖负荷仅为出湖负荷的63%~94%,这与已有研究结果相符合:1987—1988年五河总磷入湖负荷的贡献率为76.6%[18];2004—2007年五河总磷入湖负荷的贡献率为82.4%[19];2008—2012年加上西河、博阳河,7条河入湖负荷占比为67%~99%[13]。此外,从年际变化趋势来看,入湖总磷负荷在很大程度上受水量控制,出湖总磷负荷同时受到水量和总磷浓度的双重影响。
2.2.2 年内变化
图5为2009—2018年五湖入湖、湖口出湖总磷负荷的年内分布。
2.2.3 空间分布
各水资源分区入湖水量、总磷负荷的空间分布见图6所示。由图6可知,2009—2018年,五河入湖总磷负荷年均值为98 514 t/a,其中赣江区入湖总磷负荷年均值为45 208 t/a,占比为46%,而且占比呈递增趋势,2018年达到60%;信江区入湖总磷负荷为18 792 t/a,占比为19%,而且呈递减趋势;其他区域入湖总磷负荷分别为饶河区19 320 t/a、抚河区9 339 t/a、修水区为5 854 t/a,占比分别为20%、9%、6%。这表明入湖总磷主要来源于赣江区、饶河区和信江区。但从2.1节分析可知,总磷浓度最高的区域主要是饶河区和信江区,赣江区总磷浓度偏低,只是因为水量占比达到50%以上,而导致入湖总磷负荷占比最大。因此,针对鄱阳湖水体中总磷污染的防治,不仅需要治理入湖总磷浓度高的饶河和信江,还需要统筹治理入湖总磷负荷最高的赣江。
2.3 入出湖总磷负荷与水量、总磷浓度相关关系
月出湖总磷负荷与水量、总磷浓度的相关系数相差不大,分别为0.564、0.469,表明月出湖水量变化对月出湖总磷负荷变化的影响与月出湖总磷浓度变化的影响不相上下。在线性回归曲线中,月出湖总磷负荷-月出湖水量点据比较分散,同样印证了这个论点。
对2009—2018年入出湖的总磷浓度与其相应的水量进行相关关系分析(表2),结果显示赣江区、抚河区、饶河区的总磷浓度与其相应的入湖水量呈显著正相关(P<0.01),表明存在非点源污染为主的情况;信江区和修水区的总磷浓度与其相应的入湖水量相关性不显著,表明存在点源与非点源复合污染的情况;湖口的总磷浓度与出湖水量呈显著负相关(P<0.01),表明主要受点源污染影响。
表2 入出湖总磷浓度与各水资源区水量的相关关系Table 2 Coefficients of correlation between inflow and outflow TP concentrations and water volumes in different water zones |
| 水资源区 | 各水资源区水量与 总磷浓度的相关系数 | 水资源区 | 各水资源区水量与 总磷浓度的相关系数 |
|---|---|---|---|
| 赣江区 | 0.339** | 饶河区 | 0.235** |
| 抚河区 | 0.233** | 修水区 | -0.155 |
| 信江区 | -0.032 | 湖口 | -0.324** |
3 结论
(1)相较于算术平均法计算结果,采用加权平均法计算鄱阳湖入出湖总磷年平均浓度更为合理,结果表明五河入湖总磷加权平均浓度小于算术平均浓度,这主要与赣江区入湖水量占比偏高(50%以上)、浓度偏低,而饶河区、信江区入湖总磷浓度较高、入湖水量偏小有关;鄱阳湖出湖总磷加权平均浓度整体上小于算术平均浓度,其根本原因在于非汛期水质明显劣于汛期水质,而非汛期出湖水量仅占全年的30%。
(2)五河入湖总磷负荷在很大程度上受入湖水量控制,鄱阳湖出湖总磷负荷同时受到入湖水量和总磷浓度的双重影响。未来在制定鄱阳湖流域磷污染源汇过程减排措施时,要统筹考虑入湖总磷浓度高的饶河和信江的治理以及入湖总磷负荷最高的赣江的治理。