阳澄湖氮磷时空变化特征及富营养化评价

2019-06-20金文龙

四川环境 2019年3期

金文龙，周维

(苏州市环境科学研究所，江苏苏州 215007)

1 前言

我国重点流域治理经验表明，湖泊一旦污染，有的将不可逆转，治理成本巨大。保护湖泊生态环境具有重要意义[1-2]。阳澄湖是太湖平原第三大淡水湖，位于苏南工业发达地区，为典型城市浅水湖泊，在区域经济社会和生态环境方面发挥着重要作用[3-4]。近年来，由于周边工农业及生活污水的排放，阳澄湖的氮磷污染及富营养化问题正越来越受到研究者们的关注：梁长蓂等[5]利用2002～2012年的水质监测数据，对阳澄湖营养化进程及其趋势进行了研判；吕文等[6]对阳澄西湖的富营养化状态及营养盐时空变化特征进行了分析；桂智凡等[7]分析了阳澄湖氮磷的污染现状及丰枯水期的变化特征，并识别了导致这些变化的主要原因是养殖活动和底泥营养盐释放等；刘洋等[8]通过阳澄湖主要河道2006～2009年水质数据，对阳澄湖水污染成因进行了分析，并提出了相应的整治对策；宋学宏等[9]采用营养状态指数法对阳澄湖养殖区的营养状况进行了综合评价；周静等[10-11]的研究表明近几年阳澄湖的水质污染主要体现在富营养化指标氮、磷方面。前人的研究主要集中在阳澄湖或其局部湖区氮磷污染的评价等方面，且研究基于的监测数据已相对陈旧，未能综合反映目前阳澄湖的氮磷及富营养状态的空间分布以及时间变化规律。本文利用2015～2017年的监测数据，对阳澄西湖、中湖、东湖的总氮(TN)、总磷(TP)及富营养化程度的时空变化特征进行了研究，有助于更有针对性地开展阳澄湖的水环境治理，并为湖泊水环境保护提供一定的理论依据和技术参考。

2 研究方法

2.1 研究区域概况

阳澄湖南北长约17km 东西宽约11km，面积为118.93km2，平均水深1.43m，库容约3.2×108m3。湖中有2条东北至西南走向的狭长半岛，把阳澄湖分为东湖(约占总面积的44.08%)、中湖(约占总面积的29.03%)和西湖(约占总面积的26.89%)，三湖之间彼此有河流港汊相互沟通而汇成一体。

2.2 数据来源和分析方法

TN、TP浓度数据来源于苏州市环保部门，本次研究收集2015～2017年阳澄湖湖体6个采样点每月一次的监测数据，其中阳澄西湖、中湖、东湖各两个采样点，具体见图1。

数据的统计分析采用Excel2010完成。绘图采用Excel2010、Origin Pro9.0等软件完成。

2.3 富营养化评价方法

选择TP、TN、叶绿素a(Chl-a)、高锰酸盐指数(CODMn)和透明度(SD)等5项主要指标，依据中国环境监测总站《关于印发湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定的通知》中推荐的综合营养状态指数方法[12-13]，对水体的营养状态按“贫”、“中”、“富”进行分级。其评价公式为：

图1 阳澄湖内采样点布设示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling points in Yangcheng Lake

式中：TLI(Σ)——综合营养状态指数；Wj——第j种参数的营养状态指数的相对权重；TLI(j)——第j种参数的营养状态指数。

Chl-a是浮游植物现存量的重要指标，氮、磷则是浮游植物生长所必需的营养元素，3者之间的相关关系对确定湖泊水体的限制因子具有重要意义。以Chl-a作为基准参数，则第j种参数的归一化相关权重计算公式为：

式中：rij——第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；m——评价参数的个数。

营养状态指数计算公式为：

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66lnCODMn)

式中：Chl-a的单位为mg/m3，SD的单位为m，其余指标单位均为mg/L。

采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级：TLI<30为贫营养；30≤TLI≤50为中营养；5070为重度富营养。

3 结果和讨论

3.1 阳澄湖氮磷时空变化特征

2015年～2017年阳澄湖及其西湖、中湖、东湖的TN、TP年均值变化情况见图2。显然，阳澄湖的TN、TP变化趋势有一定差异：三年来，阳澄湖的TN浓度先升高后降低，但是变化幅度不大，而TP浓度逐年上升，2017年比2015年升高了73.5%。

从空间上来看，西湖的TN污染始终最严重，TN均值先升高后降低呈下降趋势；中湖的TN均值也是先升高后降低，但呈上升趋势，2017年较2015年升高了19.6%；东湖则逐年下降。湖体TN浓度的变化与周边入湖河道水质密切相关，其中阳澄西湖主要受湖体西线入湖河道影响，阳澄中湖、东湖主要受北线入湖河道影响，因此中湖TN污染加剧的原因可能与阳澄湖北线河道的水质恶化有关，而东湖由于位于阳澄湖下游，其东线和南线均是出湖河道，水流条件较好，河道来水污染可得到较快稀释自净，因此TN浓度呈下降趋势。

TP浓度方面，阳澄中湖、东湖逐年升高，而西湖则是先升高后下降，西、中、东湖2017年的TP浓度比2015年分别上升45.5%、81.7%和113.8%，说明近三年湖体TP污染主要体现在中湖和东湖。2015、2016年TP浓度均是西湖最高，到2017年中湖TP浓度超过西湖，成为三个湖区中最高。阳澄中、东湖TP浓度的升高可能是由湖体北线七浦塘引排水工程的建设运行造成，由于河道与湖泊TP水质标准的差异，导致引水水质TP浓度偏高，为平衡阳澄湖南侧苏州工业园区的用水压力，2017年七浦塘向湖体大量引水，水量主要进入阳澄中湖和东湖，导致了对中、东湖TP浓度的冲击。

图2 阳澄湖及其西、中、东湖的TN、TP年均值变化特征Fig.2 Annual variation of TN and TP in Yangcheng Lake and its West,Middle,East Lakes

图3为2015～2017年阳澄湖TN、TP每年的月变化趋势。不难看出，TN呈现明显的季节变化性，每年的1～3月TN浓度均较高，浓度区间在1.62mg/L～2.55mg/L之间；4月开始，TN浓度明显下降，到7～9月达到最低，三年内的最低值在0.65mg/L～0.77mg/L之间，从10月份开始又呈现上升趋势，即冬春季节氮含量高，夏秋季节相对较低，这可能与湖体库容量及面源输入情况有关，夏秋季为丰水期，同时农业活动正处于减弱期收获期，外源营养盐输入减少[14]。

图3 阳澄湖TN、TP的年内变化特征Fig.3 Monthly varication in the year of TN and TP in Yangcheng Lake from 2015～2017

TP浓度则呈现上下波动的形态，季节变化规律不明显，但在2016和2017年的8月份，都有出现了一次明显波峰，总体来说，夏、秋两季相对于冬、春两季浓度较高，这可能与湖泊养殖饵料碎屑沉积[15]、气温升高、底泥释放[16]以及河道引水等综合因素有关。

3.2 TN/TP的变化特征

TN/TP比值对于藻类的暴发性生长具有重要的意义，是水体中浮游植物营养结构特点的重要反映[17]。有研究[14]发现，当水体中TN/TP小于7时，氮将限制藻类的生长，TN/TP在8至30之间时，水体比较适合藻类生长，而当TN/TP超过30时磷成为藻类生长的限制因子。

阳澄湖各个湖区2015年～2017年的TN/TP值见图4。不难发现，三年中阳澄湖及其西、中、东湖的TN/TP均呈逐年下降趋势，这主要是由于湖体TP浓度的升高引起的。2015年除阳澄中湖外，东、西湖TN/TP均在30以上，2016年和2017年，西、中、东湖的TN/TP下降至18～26的区间，说明阳澄湖已具备了适合藻类生长的条件。横向来看，阳澄湖各个湖区每年的TN/TP值均比较接近。

图4 阳澄湖及其西、中、东湖的TN/TP年均值变化特征Fig.4 Annual variation of TN/TP in Yangcheng Lake and its West,Middle,East Lakes

阳澄湖TN/TP的月变化情况见图5。可以看出，除2015年2月TN/TP异常升高外，阳澄湖的TN/TP有较为明显的季节变化性。其中，每年的1～4月TN/TP值较高，且一般大于30，说明此时藻类生长得到一定抑制；从5月开始，阳澄湖TN/TP出现明显下降，到11月份又开始上升。在气温较高的5～10月，阳澄湖TN/TP一般均在30以下，其中2017年的7月最低为7.5，说明这段时间较适合藻类生长，藻类爆发的风险较高，应适当加强湖体藻类的控制。

图5 阳澄湖TN/TP的年内变化特征Fig.5 Monthly variation of TN/TP in Yangcheng Lake from 2015～2017

3.3 富营养化状态评价

采用综合营养状态指数法(TLI)对2015～2017年阳澄湖各个湖区每年的富营养化状态变化情况进行分析，见图6。由图6可知，2015年～2016年，阳澄西湖的TLI基本持平，而中湖和东湖的TLI则明显升高；2016年～2017年，阳澄西湖的TLI出现下降，而中湖的TLI继续上升，东湖基本持平。说明近三年西湖富营养情况有一定好转，而中湖和东湖出现恶化，这与前文所述的阳澄中、东湖TN、TP浓度的升高的结论是一致的，主要与阳澄湖北线入湖河道污染的加剧有关，阳澄湖北侧区域工业发达、人口密集，大量分散的工业企业以及农业面源是造成该区域氮、磷污染的主要原因。三年中，阳澄西湖、中湖均处于轻度富营养状态，阳澄东湖2015年为中营养，2016和2017年转变为轻度富营养。横向来看，2015和2016年均是西湖的TLI最高，到2017年，则是中湖最高，且东湖的TLI也上升至与西湖接近的水平。