基于时空分布的阳澄湖营养化进程及其趋势

梁长蓂，李　新，冉　霞（.苏州科技学院　环境科学与工程学院，江苏　苏州　5009；.苏州市　环境应急与事故调查中心，江苏　苏州　5000）

·生命科学·

基于时空分布的阳澄湖营养化进程及其趋势

梁长蓂1，李新1，冉霞2
（1.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.苏州市环境应急与事故调查中心，江苏苏州215000）

目的：研究阳澄湖营养状态变化.方法：基于2002－2012年的水质监测数据，以生态学指标（叶绿素a）、营养盐指标（总氮、总磷）及理化指标（高锰酸盐指数、透明度）作为评价因子，运用综合营养状态指数法和Arc-GIS反距离权重插值法对时空分布下的阳澄湖营养程度进行了定量判别，并用spearman秩相关系数检验法对其变化趋势进行分析.结果：阳澄湖总体呈轻度富营养状态，TLI值西湖＞中湖＞东湖.年际间各湖区TLI值波动平稳，最大TLI值为60.7，出现在2008年的西湖.结论：整体变化大致可以分为直线上升、缓慢波动和水质转好3个阶段；空间上由西湖向东湖递减，南侧水质略优于北侧；湖泊营养状况总体得到好转，SD呈显著上升趋势，TN、TP和CODMn呈高度显著下降趋势，TLI呈显著下降趋势.

时空分布；阳澄湖；营养状态；趋势；spearman秩相关系数检验法

随着工农业的快速发展、人口的持续增长、城市规模的不断扩张，太湖流域水环境质量日益恶化，湖泊富营养化日趋严重，蓝藻水华暴发频繁［1－2］.经过20多年来的治理，近年太湖流域水环境呈好转态势，但水环境质量恶化现象并没有得到彻底扭转，湖泊富营养化以及蓝藻爆发仍是主要的水环境问题.尤其是2007年5月，由于太湖湖区内的贡湖爆发了大面积蓝藻，致使无锡发生了严重的供水危机，引起了世界范围内的高度关注［3－4］.水体富营养化程度评价作为水环境治理中的重要基础性工作，是对水体富营养化发展过程中某一阶段营养状况的定量描述，判断该水体的营养状态，从而为水环境管理及富营养化防治提供科学依据［5］.目前，水体富营养化没有统一的评价方法，国内外诸多学者对湖泊富营养化程度的定量评价已开展较多研究，诞生了很多不同评价方法［1，6－12］，这些方法有其各自的优缺点.这些研究虽能够定量判别湖泊的富营养化程度，但是反映其时空分布下的富营养化进程并预测其发展趋势的研究并不多见.本研究基于2002～2012年的水质监测数据，以生态学指标（叶绿素a）、营养盐指标（总氮、总磷）及理化指标（高锰酸盐指数、透明度）作为评价因子，运用综合营养状态指数法和ArcGIS反距离权重插值法对时空分布下的阳澄湖富营养化程度进行了定量判别，分析了营养状况的进程，并用季节性肯德尔检验法对其变化趋势进行了分析，从而为阳澄湖水环境管理和改善提供理论支持.

1　数据与方法

1.1研究区域

阳澄湖（120°66′－120°84′N，31°35′－31°49′E）位于苏州市区的东北部，跨苏州市区、工业园区及昆山市，是太湖流域重要的淡水湖泊之一［13］.阳澄湖作为苏州“四角山水”的重要组成部分，是苏州重要的战略备用水源，水质变化关系到湖区周边近百万居民的饮用水供给与安全问题；同时它还承担着养殖、旅游、航运和维持生态平衡的作用.阳澄湖东西宽约11 km，南北长约17 km，总面积约119 km2，分为东湖、中湖、西湖3个湖区，其中东湖最大，3湖之间有河道相通［14］.3湖平均水深分别为1.70 m、1.80 m、2.65 m，最大水深5 m，湖内常水位2.90 m左右，容积1.7亿m3.阳澄湖有出入湖河道63条，其中西面和北面以入湖为主，东面和南面以出湖为主［15］.

1.2监测数据

为研究阳澄湖营养状况的进程和变化趋势，从《苏州环境质量报告书》中筛选出阳澄湖2002－2012年各年常规水质监测数据，选取的监测指标主要包括生态学指标（叶绿素a）、营养盐指标（总氮、总磷）及理化指标（高锰酸盐指数、透明度），各指标监测值为每年丰、平、枯3个时期监测3次，取其平均值得到.对于个别缺失数据，运用内插、外推以及插值等方法补全数据，并运用SPSS19.0的缺失值替换功能，以临近点均值、中位数或点处的线性趋势进行替换.在监测点位的选取方面，为了保证研究数据的连续性，并考虑到各个湖区间指标的比较，选取西、中、东湖区的南北两个监测点.运用SPSS19.0对2002～2012年阳澄湖水质监测数据的特征进行分析，结果如表1.水质监测点位如图1所示.

表1　2002－2012年阳澄湖水质监测数据特征Table 1　The characteristics of water quality monitoring data of 2002－2012

由表中数据可以看出，从2002－2012年，Chl-a与其平均值相比离散程度较大，其他指标离散程度不大；所有指标为右偏分布，其中CODMn浓度较小的年份占多数，偏斜的程度大；所有指标分布比正态分布平缓，为扁平分布.

图1　阳澄湖水质监测点位分布图Fig.1　Water quality monitoring sites in Yangcheng Lake

1.3研究方法

首先运用中华人民共和国环境保护部于2004年颁布的《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》的湖泊（水库）富营养化状况评价方法，即综合营养状态指数法［16］，计算出各监测点的综合营养状态指数，定量判断处各湖区的营养状态.根据TLI（Σ）的数值，采用0～100的一系列连续数字对湖泊（水库）营养状态进行分级［17－18］，分级标准如下表2所示.

表2　湖泊营养状态分级标准Table 2　Grading standard of lake trophic state

再次，由于盛行风向和沿岸开闸口的作用，加之出入河道水质的不同以及周边地区排污量的差别，导致阳澄湖水质和生态系统在水平空间上存在着明显的差异，因此运用ArcGIS软件对阳澄湖的综合营养状态指数进行空间插值，插值方法选取反距离加权法［19］，取距离权为2次方.

最后，采用spearman秩相关系数检验法［20］对水质指标和TLI（Σ）进行分析.秩相关系数是描述两要素之间相关程度的一种统计指标，它用途广泛，是很多行业在统计分析中常用的方法.其基本思想是，给出时间周期Y1…Yn和其相应数值C（即月均值、季均值或年均值C1…Cn），将C从大到小排列好.秩相关系数的计算公式：；式中：di为变量Xi和变量Yi的差值，di＝Xi－Yi；Xi为周期1到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间顺序排列的序号.

查spearman秩相关系数表，将秩相关系数｜rs｜同spearman秩相关系数 Wp进行比较，当｜rs｜＞Wp则表明变化趋势有显著意义，如果rs值为负则表明在指标变化呈下降趋势或好转趋势；当值为正则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈上升趋势或加重趋势.当｜rs｜≤Wp则表明变化趋势没有显著意义，说明在评价时段内水质变化稳定或平稳.

2　结果与讨论

2.1营养化进程研究

运用综合营养指数法计算出阳澄湖2002－2012年东湖、中湖、西湖的TLI（Σ），具体结果如图2.由图可以看出阳澄湖近年来水质主要呈轻度富营养水平.从时间上看，富营养化程度总体呈下降趋势，大致可以分为3个阶段.第1阶段为2002－2003年，综合营养状态指数值直线上升，这与阳澄湖周边的农业、围网养殖和工业污染密切相关.阳澄湖的围网养殖业及湖边餐饮较发达，规模过大的养殖活动和不合理的养殖结构对湖内水草及底栖动物的多样性和生物量破坏严重［21］，营养盐含量和结构发生了变化，导致湖水水质呈现不断恶化的趋势.第2阶段为2003－2008年，数值呈波浪形缓慢波动趋势，2007年少雨高温等突发性环境因素曾对湖泊的营养物浓度和藻类生产力产生过短暂影响，但并未改变污染物输入增加而引起湖泊富营养化程度总体加剧的趋势，从而导致TLI（Σ）高峰值出现在2008年，西湖TLI（Σ）值达60.7，处于中度富营养化状态.另外，苏州市政府于2007年又1次将围网养殖面积进行了大规模缩减，并在沿岸300～1 000 m范围内形成了自然的空旷水域，养殖区按照《阳澄湖大闸蟹网围养殖规程》进行生态养殖.这一政策的实施使得在2008年后阳澄湖TLI（Σ）值明显降低，但退养区由于之前投加养料造成底泥中积累了大量的营养物质，造成退养区（Y04点位）水体漂浮着大量微囊藻、颤藻、鱼腥藻等水华生物.第3阶段为水质好转阶段（2008－2012年），经过一系列水环境治理工程和措施的实施，富营养化程度逐年降低.

图2　各湖区综合营养状态指数Fig.2　The Comprehensive Trophic State Index of lake areas

2.2空间差异性分析

运用ArcGIS软件对2002－2012年阳澄湖的综合营养状态指数进行空间插值，具体结果见图3.从图3可以看出，虽然历年营养状况分布略有不同，但东湖南侧水源地附近的营养状况一直良好.总体来看，富营养化水平由西湖至东湖递减，南侧普遍优于北侧.2007年以来的一系列措施使得总体富营养化程度得到好转，但空间变化仍不稳定，说明污染物质的削减并不会快速改善湖泊富营养化程度.

图3　阳澄湖营养状况分布图Fig.3　Trophic state distribution of Yangcheng Lake

2.3水环境变化趋势分析

采用Spearman秩相关系数检验对阳澄湖各监测点富营养化相关评价指标年均值和TLI（Σ）值进行分析，具体结果见表3.结果表明：水质参数浓度无显著变化的占77.7%；变化显著（ɑ＝0.05）的占16.7%；浓度变化及其显著（ɑ＝0.01）的占5.6%，说明水质参数浓度趋势以无显著变化为主，各监测点水质状况变化较为稳定.就叶绿素a而言，只有中湖北呈显著下降趋势，其他监测点位变化趋势不明显，但北侧总体指标优于南侧.在透明度指标中，仅东湖南呈显著上升趋势，这与风向及湖体流态有关，东南侧为下风向.总氮指标在北侧监测点整体呈显著下降趋，其中东湖北的监测点有极其显著的下降趋势，这与近些年来严格控制入湖河道的氮含量有关.中湖南侧的相关系数为正值，可能与该地区农家乐等旅游业的发展有关.总磷指标作为评价富营养化的重要指标之一，虽然无明显变化趋势，但由于秩相关系数均为负值，说明整体还是趋于好转的态势.高锰酸盐指数整体呈好转趋势，秩相关系数均为负值，且中湖北呈显著下降趋势，东湖南下降趋势及其显著，达所有指标中的最小值－0740.在TLI（Σ）中，阳澄湖富营养化水平整体呈下降趋势，且北侧的相关指标变化趋势较南侧显著，东湖呈显著下降趋势，这与该点靠近昆山饮用水水源地，受到了有关部门的重视有关.

3　结论与建议

（1）运用ArcGIS反距离权重插值法对时空分布下的阳澄湖富营养化程度进行了定量判别，阳澄湖综合营养状态指数整体呈轻度富营养状态，数值上西湖＞中湖＞东湖.年际间各湖区指数值波动基本相同，最大值出现在2008年的西湖，TLI（Σ）值为60.7.整体变化大致可以分为直线上升、缓慢波动和水质转好3个阶段.

表3　Spearman秩相关系数检验结果Table 3　Spearman's rank correlation coefficient test results

（2）虽然历年营养状况分布略有不同，但东湖南侧水源地附近的营养状况一直良好.总体来看，富营养化水平由西湖至东湖递减，南侧普遍优于北侧.

（3）spearman秩相关系数检验法分析了不同水期年水环境变化趋势，湖泊营养状况总体近年来得到好转，SD呈显著上升趋势，TN、TP和CODMn呈高度显著下降趋势，TLI（Σ）呈显著下降趋势.

阳澄湖承担着养殖、旅游、航运多重功能，因此仍需关注湖体富营养化情况，长期开展水环境生态安全管理措施才能保证水质.

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［责任编辑：刘蔚绥］

A spatiotemporal eutrophication process and the changing trends in Yangcheng Lake

LIANG Changming1，LI Xin1，RAN Xia2
（1.School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou City Environmental Emergency and Accident Investigation Center，Suzhou 215000，China）

Aim：Study on changes in the nutritional status of Yangcheng Lake，phased on water quality monitoring data from.Methods：The eutrophication levels of Yangcheng Lake were quantitatively discriminated by the Comprehensive Trophic State Index method and inverse distance weighted interpolation method of ArcGIS，and Spearman's rank correlation coefficient test was applied to analyze change trend，in which series of the environmental factors were considered including the ecological indicator of Chla，the nutrient indicator of TN and TP，the physical and chemical indicator of SD and CODMn.Results：Overall Yangcheng Lake was in mild eutrophication level，TLI value of West Lake is the largest，East Lake is the smallest.The fluctuation of TLI value in each lake area was the same，the maximum value ap-peared in West Lake in 2008，and the TLI value was 60.7.Conclusion：The whole change can be divid-ed into three stages：straight line，slow wave and water quality improvement.On the space，water quality is better from West Lake to East Lake and from.The trophic state of the lake has been improved in recent years.The SD shows a significant upward trend，and the TP，CODMnand TN are highly decreased，andTLI decreased significantly.

temporal and spatial distribution；Yangcheng Lake；trophic state；trends；spearmans rank correlation coefficient test

X171

A

1000－9965（2015）06－0443－05

10.11778/j.jdxb.2015.06.001

2015－07－13

国家自然科学基金重大专项（2012ZX07506－002、2012ZX07101－001）

梁长蓂（1991－），女，研究方向：水污染控制工程

李新（1955－），男，教授，博士，硕士生导师，Mobile：18305146195，E－mail：suzhoulixin＠126.com