洞庭湖水质变化及其形成机制分析

胡光伟， 张 明， 刘 珍， 徐佳豪， 樊 姿

(1.湖南工业大学 城市与环境学院， 湖南 株洲 412007； 2.湖南工业大学 农牧业废弃物资源化综合利用湖南省重点实验室，湖南 株洲 412007；3. 中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室， 北京 100101； 4. 湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖是湖南省最大的淡水湖泊，吞吐长江，承纳湖南湘、资、沅、澧四水，是典型的洪道型湖泊，兼有调蓄长江洪水和保障湖区淡水资源的重要功能。然而，湖区作为湘北重要的工业基地，深受人类活动影响，造成湖泊面积持续缩小[1]，湖区面临旱涝并存[2-3]、水土流失严重[4]、水质污染日益加剧[5]、区域性和季节性水资源短缺[2,6]、饮水安全受到威胁[7]、生物多样性下降[1]以及血吸虫病疫情加剧[4]等流域性水生态安全问题。特别是三峡工程蓄水以来，江湖关系发生了较大调整，荆江三口入洞庭湖的水沙量锐减，湖泊自净能力减弱[8]，加上湖区城镇化和农业产业化带来的工业废水、农业废水和生活污水进入洞庭湖，加剧了洞庭湖的水环境污染，深入研究洞庭湖的水质变化状况对湖区水资源可持续利用具有重要意义。

事实上，洞庭湖在20世纪50年代时水质保持在Ⅱ-Ⅲ类之间，未受到严重污染。但进入21世纪，受自然和人类活动的双重影响，洞庭湖整体处于中-富营养化水平，富营养化愈发严重，水质呈现出不断恶化的趋势[9-10]。基于三峡蓄水运行前后洞庭湖水沙时空变异导致江湖关系重新调整这一事实，本文在分析洞庭湖水质变化特征的基础上，探讨了洞庭湖水质变化的形成机制，并提出保障洞庭湖水质安全的防治措施，为洞庭湖生态经济区建设提供理论支撑。

2 数据来源与评价方法

2.1 研究区域概况

洞庭湖坐落于湖南省东北部，长江干流荆江南岸，跨湘、鄂两省，与长江中游的关系密切。洞庭湖水体面积2 625 km2，是长江中游重要的通江型湖泊，对长江中游洪水的调蓄至关重要。洞庭湖北有长江松滋口、太平口、藕池口三口(1958年冬调弦口封堵)来水来沙，南有湘、资、沅、澧四水入汇，经洞庭湖调蓄后由出口城陵矶重新汇入长江，江湖关系复杂。受泥沙淤积和围垦作用影响，洞庭湖由西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3个湖泊组成。西洞庭湖位于赤山以西，澧水自西北流入，沅江横贯其中，西南与丘陵、山麓相接，东以赤山为屏障，现仅存目平湖与七里湖(七里湖已淤积成平原，成为澧水洪道)等两大湖泊。

2.2 数据来源

为了掌握洞庭湖水质安全形势，筛选湖区14个监测断面，涵盖4个入湖口监测断面，湖体监测断面9个，出湖口监测断面1个，湖区水质监测断面分布见图1。收集1991-2015年洞庭湖水质监测数据，监测项目包括水温、pH、溶解氧、CODMn、CODCr、BOD5、NH3—N、TP(以P计)、TN、铜、锌、氟化物(以F-计)、硒、砷、汞、镉、铬(六价)、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物和粪大肠菌群等24项常规指标，还包括叶绿素a和透明度等指标。数据来源于湖南省洞庭湖生态环境监测中心和湖南省水文水资源勘测局。

图1 洞庭湖水质监测断面分布图

2.3 评价和分析方法

水质评价和综合营养状态指数(TLI)计算是根据《地表水资源质量评价技术规程(SL 395-2007)》的要求，参照《地表水环境质量评价办法(试行)环办[2011]22号》中的评价方法，各水质类别划分方法采用的是《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》。水质类别Ⅰ-Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类分别对应优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染五级。

数据整理使用office2016版本软件，数据统计分析和Spearman秩次相关检验使用SPSS20.0，绘图软件使用Origin2019。

3 结果与分析

3.1 洞庭湖整体水质演变状况

根据《地表水资源质量评价技术规程(SL 395-2007)》的要求，结合数据资料的可获取性，选取TN、TP、NH3—N、CODCr、CODMn5个常用评价指标分析湖区水质变化趋势。1991-2015年5个关键水质指标变化趋势见图2。

在1991-2015的25 a间，TP浓度大致呈现出有升有降的波动变化(图 2(a))，浓度变化介于0.027～0.172 mg/L之间，1995年之后均高于0.05 mg/L(Ⅲ类水质标准限值)，在Ⅳ类水质标准限值上下波动。其中1991-1999年TP浓度波动较大，从Ⅲ类水质变化到Ⅳ类水质，在1999年达到最大值；2000-2015年TP浓度维持在Ⅳ类水质上下波动，其中，2004-2009年TP浓度基本处于Ⅳ类水质，这一阶段的TP浓度是前一阶段的1.47倍，2009年之后出现下降，但2013年重新开始上升，整体来看上升趋势较为明显。

TN的浓度总体上呈现出较为显著的波动上升趋势(图 2(b))，TN浓度变化介于1.121～2.056 mg/L之间，均高于1 mg/L(Ⅲ类水质标准限值)，且由Ⅳ类水质逐渐变化为Ⅴ类水质。其中，2009年之前，TN浓度基本处于Ⅲ-Ⅳ类水质之间变化，但从2010年TN浓度迅速上升至Ⅴ类水质，这一阶段的浓度是前一阶段的1.43倍。

CODMn浓度的变化呈现出显著的上升趋势(图 2(c))，变化范围介于2.087～4.859 mg/L之间，其平均值3.269 mg/L低于4 mg/L(Ⅱ类水质标准限值)，表现出由Ⅱ类水质向Ⅲ类水质变化的趋势，但整体浓度处于较好的Ⅱ类水质。

CODCr浓度波动变化无显著趋势性(图 2(d))，浓度最大值是最小值的2.67倍，但是整体处在Ⅰ-Ⅱ类水质范围内变化，在2000年达到峰值，其他时间段均处于较好的Ⅰ类水质。

NH3—N的浓度变化较小(图 2(e))，表现出先上升后下降再上升的趋势。浓度变化介于0.181～0.394 mg/L之间，均低于0.5mg/L(Ⅱ类水质标准限值)。

图2 洞庭湖关键水质指标变化趋势图(1991-2015年)

从洞庭湖的整体水质来看，可以发现洞庭湖水质由1991-1994年的Ⅱ类水质为主演变为2011-2015年的Ⅳ类水质为主(图 3)，影响洞庭湖水质状况的主要污染物以TP和TN为主，超标率分别达71.9%和62.1%，其他指标介于Ⅰ-Ⅲ类水质(图 2)。14个断面的水质评价结果见表1，由表1可看出，只有万家嘴、坡头、沙河口和樟树港4个断面水质呈现Ⅱ或Ⅲ类水质，水质优良，其余大部分断面都属于Ⅳ类水质，特别是东洞庭湖和岳阳楼断面出现Ⅴ类水质，洞庭湖水质呈现出恶化趋势。通过计算，Ⅳ类水质和Ⅴ类水质在不同阶段的平均比例为1991-1999年占13.2%，2000-2009年占14.1%，2001-2015年占30.6%，可以看出，洞庭湖整体水质呈现出加速恶化的趋势。

特别是通过评价洞庭湖各断面2015年水质可以看出，洞庭湖的不同类别水质(Ⅱ～Ⅴ类)的比例分别占14.07%、13.57%、58.12%和14.24%，Ⅳ类和Ⅴ类水质的比例在不断增大，评价结果见表1、2。

图3 洞庭湖水质类别演变特征(1991-2015年)

表1 洞庭湖各断面水质评价结果

整体水质评价一般按下述判别标准进行：Ⅰ-Ⅲ类水质比例大于等于90%时，水质为优；Ⅰ-Ⅲ类水质比例小于90%同时大于等于75%时，水质为良好；Ⅰ-Ⅲ类水质比例小于75%，且劣Ⅴ类比例小于20%时，水质为轻度污染；Ⅰ-Ⅲ类水质比例小于75%，且劣Ⅴ类比例小于40%但大于等于20%时，水质为中度污染；Ⅰ-Ⅲ类水质比例小于75%，且劣Ⅴ类比例大于等于40%时，水质为重度污染。因此，根据各水质类别断面所占比例(表2)可以得出，洞庭湖III类水质断面比例小于75%，劣Ⅴ类水质断面比例为0，根据水质类别判定标准，洞庭湖整体水质为轻度污染。另外，通过Spearman秩相关系数对洞庭湖整体Ⅰ-Ⅲ类水质的年际变化进行趋势检验，结果显示，Spearman相关系数R值为-0.673，T统计量值为-2.490，在95%的置信水平下，T临界值为2.060，|T|>2.060，充分表明25年来洞庭湖Ⅰ-Ⅲ类水质呈现出极显著的下降趋势，即洞庭湖的水质恶化趋势显著。

3.2 洞庭湖分湖区主要污染物分析

洞庭湖分为西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3个部分，使用算术平均数的方法分别对其控制断面的污染物进行计算处理，限于篇幅，本文仅列出1991-2015年3个湖区TN和TP的变化趋势，见图4。分别对影响洞庭湖水质污染的TN、TP、CODMn、NH3—N和CODCr的变化趋势进行秩相关趋势检验，见表3。结果表明，湖区TN浓度表现出的上升趋势非常显著(图4(a))，在0.840～2.283 mg/L之间波动上升，且从表3的趋势检验中看出，西、南、东洞庭湖均呈现出极显著的上升趋势。从图4(a)可以看出，在2003年以前，TN浓度无明显变化趋势，2003-2007年波动变化幅度变大，而2009年以后呈现极显著的上升态势。在空间分布上，TN浓度的变化总体上表现出：东洞庭湖最大，南洞庭湖次之，西洞庭湖最小。

湖区的TP浓度表现出不同的变化趋势，整体的波动较TN浓度变化平缓，由图4(b)和表 3可知，东、西、南洞庭湖TP浓度变化均表现出较为显著上升趋势，其中南洞庭湖的TP浓度上升趋势更为显著。3个湖区的TP浓度变化均呈现出由Ⅲ-Ⅳ类水质向Ⅴ类水质转化的趋势，但3个湖区的TP浓度变化在空间上表现的差异性并不明显，东洞庭湖的TP浓度比其他湖区略高。

3.3 洞庭湖富营养化变化趋势

总体来看，全湖长期处于中营养状态，但洞庭湖全湖TLI指数呈现逐年波动上升趋势，1991-2015年洞庭湖3个湖区TLI指数变化趋势见图5。

表2 洞庭湖各水质类别所占比例 %

图4 洞庭湖3个湖区TN、TP浓度变化趋势图(1991-2015年)

湖区指标Spearman相关系数T统计量值T(P<0.05)T(P<0.01)显著性西洞庭湖0.3882.4802.0602.787显著上升 南洞庭湖TP0.4372.9122.0602.787极显著上升东洞庭湖0.3812.4212.0602.787显著上升 西洞庭湖0.5914.6212.0602.787极显著上升南洞庭湖TN0.8179.5492.0602.787极显著上升东洞庭湖0.85511.2272.0602.787极显著上升西洞庭湖0.3822.4302.0602.787显著上升 南洞庭湖CODMn0.6315.1942.0602.787极显著上升东洞庭湖0.8239.7812.0602.787极显著上升西洞庭湖-0.818-2.1022.0602.787显著下降 南洞庭湖NH3—N-0.25-0.7752.0602.787不显著下降东洞庭湖0.2541.0192.0602.787不显著上升西洞庭湖-0.79-2.9522.0602.787显著下降 南洞庭湖CODCr-0.211-0.9592.0602.787不显著下降东洞庭湖0.1510.8192.0602.787不显著上升

分湖区来看(表 4)，除了西洞庭湖的富营养化指数趋势变化不显著外，南洞庭湖、东洞庭湖和全湖区的富营养化指数均呈现出显著的趋势变化，特别是南洞庭湖的富营养化上升的极为显著。1991-2007年，洞庭湖各湖区综合富营养化指数(∑TLI指数)一直保持在40～50之间波动，洞庭湖始终处于中营养状态；但2008年以后，洞庭湖各湖区∑TLI指数上升趋势变得更为显著，特别是东洞庭湖∑TLI指数开始超过50，洞庭湖出现轻度富营养化状态。从湖区的富营养化空间分布规律来看，洞庭湖出湖口富营养化程度比入湖口的富营养化程度重，南洞庭湖<西洞庭湖<东洞庭湖，以东洞庭湖富营养化程度最重。

图5 洞庭湖TLI指数变化趋势图(1991-2015年)

湖区Kendall秩次检验非参数统计检验西洞庭湖0.890不显著0.1267不显著南洞庭湖4.064显著U(0.05)0.5800显著Z(0.05)=东洞庭湖2.011显著=1.960.2867显著0.2797全湖区2.852显著0.4067显著

4 讨 论

4.1 水质污染与富营养化驱动机制

洞庭湖区水质污染和富营养化是受工业污染、农业污染、地表径流污染和生活污染等点源污染和面源污染共同作用形成的，洞庭湖的N、P元素超标是水质恶化的关键因素[1, 11]。

以洞庭湖富营养化出现拐点的时间节点将洞庭湖水质变化分为3个不同的阶段来分析，可以发现3个阶段的主要影响因素有一定的差异性。

(1)第1阶段为1991-2002年。洞庭湖水质以Ⅱ类水质为主，首先是工业污染，1999年对湖区的100家工业企业调查数据显示[12-14]，年工业废水排放量达2.0046×108t，COD排放量达17.0201×104t，BOD排放量达53.7128×104t，NH3—N排放量达0.2487×104t，其中造纸和化肥行业废水排放量分别占49.6%、28.4%[14-15]；其次，从图 4可以看出，湖区TN和TP浓度的显著变化与洪水灾害有一定的相关关系，这一阶段经历了1996、1998和1999年几次较大规模的全流域性洪水，地表径流的增加使农业面源污染随着暴雨径流进入洞庭湖。造成湖区水质恶化的农业面源污染与农业养殖、农药化肥、水土流失存在相关关系，其中每年因使用化肥而流入水体的全氮量超过2 700 t[14]；另外，从三口入湖水沙量方面分析，1997-2002年三口年均入湖沙量达5 660.2×104t，淤积泥沙4 794.9×104t，泥沙淤积率为70.3%，四水年均入湖沙量1 164.7×104t，大量泥沙作为N、P等污染物的载体，影响了湖区的水环境质量。同时，三口入湖水量在逐年减少，三口分流比由1951-1966年的31.2%下降至1997-2002年的14.4%，来水量的减少减弱了洞庭湖的水体自净能力。

(2)第2阶段为2003-2007年。首先，1998-2003年洞庭湖退田还湖工程成功实施，湖泊面积扩大至3 970 km2，增强了湖区水体的稀释和自净能力，TN和TP等主要污染物浓度有所下降，∑TLI指数稳定在42.2～47.6的较低水平；但是面源污染(主要包括农业、生活、地表径流污染等)的比重开始上升，导致洞庭湖由Ⅱ类水质为主下降为Ⅱ-Ⅲ类水质；其次，2003年三峡工程开始蓄水运行，2003-2007年三口年均入湖水量为492.5×108m3，比1991-2002年均值减少了129.5×108m3，最为明显的还是三口输沙量的锐减，2003-2007年三口年均入湖沙量为1872.7×104t，比1991-2002年均值6785.0×104t，减少了4912.3×104t，减少幅度达72.4%，水沙量的锐减使湖泊自净能力受到影响。

(3)第3阶段为2008-2015年，洞庭湖的水质污染和富营养化又出现加重趋势，特别是TN和∑TLI指数呈现出显著的波动上升态势。整体水质下降为Ⅳ类水质为主，这一时期的水质恶化是由工业污染、农业污染、生活废水[7,14]和三峡工程运行等共同作用的影响。湖区每年排入湖中的城镇生活废水总量达4.03×108t，其中生态移民带来的年均入湖废水量约为2.7×108t[13]，化学需氧量年入湖排放量达9.78×104t，直接排入湖中的TN和TP分别达1 124 t和17 622 t，导致N、P浓度显著上升[16]，人畜粪便作为肥料引起湖区大肠杆菌严重超标也是水质恶化的重要原因[17]。而湖区每年的污水处理量仅为7 975×104t，污水处理率不到20%[18]。其次，这一时期正值三峡水库蓄水至175m最高水位的关键时期，导致三口入湖水量较前期减少幅度提高，年均入湖水量锐减至305.8×108m3。20世纪90年代水沙交换频率仅为4.7d，三峡工程建设前江湖水沙交换周期为18.2d[7, 19]，而三峡水库蓄水导致换水周期延长至214 d，水体自净功能随之降低，N、P滞留在湖泊水体中的可能性增大，为藻类的过度繁殖提供了条件；三峡水库清水下泄导致荆江河段河床被冲刷，而下游趋于淤积，洞庭湖出湖水流受到长江的顶托作用，水流不畅不利于湖泊水体的自身净化能力，加剧了水质污染。根据2008年7月的现场调查，东洞庭湖蓝藻面积将近达到10 km2，叶绿素浓度最高处达40 mg/m3[18, 20]，而2013年水华面积增加到400 km2，叶绿素浓度最高处达411 mg/m3[20]。最后，水质污染最严重的是东洞庭湖，洞庭湖区的废纸再生浆企业主要分布在东洞庭湖，制浆能力占到湖区的一半以上[14]。

4.2 水质污染防治措施

根据前文的讨论，洞庭湖的污染主要受工业污染、农业污染、生活废水和三峡工程的作用等共同影响，要实现洞庭湖水质环境的改善须做到以下几个方面。(1)逐步调整环湖区产业结构。一是加强污染企业的治理，建设高技术、生态化工业体系[14]；二是发展绿色生态农业，推广生物防治虫害的成功经验，减少面源污染。调整农业种植结构，壮大精深加工产业，发展节水型绿色农业[21]，推广灌排分离技术控制农田N、P的流失；(2)探索建立湖区生态补偿机制。按照谁污染、谁付费，谁受益、谁补偿的原则，加强污染源的治理；(3)逐步提高城乡生活污水处理率，强化污水处理配套管网建设，逐步构建雨污排水管道分流体系；实行城市污水排放许可制度，加强对污水排放的监管；严格控制含磷洗涤用品的使用量[14]。(4)推动城陵矶枢纽工程建设，减轻洞庭湖出湖顶托作用；同时加快湖区蓄滞洪区的建设，退田还湖，退耕还林，解决湖区洪旱灾害威胁。

5 结 论

(1)从空间分布上看，3个湖区以东洞庭湖水质污染最为严重，东洞庭湖的TN和TP浓度基本均高于其他湖区，而且富营养化∑TLI指数也大于其他两个湖区，这与东洞庭湖与城市位置较近有关，出湖口的水质较各水系入湖口的水质差，并且三峡工程运行后湖区水质整体有变劣趋势。

(2)从时间演化规律来看，洞庭湖水质有逐年恶化的趋势。1994年以前，洞庭湖水质以Ⅰ～Ⅲ类为主，而到2004年以后，水质以Ⅳ类水质为主，由Spearman相关系数趋势性检验结果可知，洞庭湖水质污染和富营养化状态在25 a间呈现显著的上升趋势，特别是主要污染物TN、TP和CODMn浓度呈显著增长趋势，湖区富营养化趋势将继续加强。

(3)从水质污染形成机制分析，洞庭湖区水质污染和富营养化是点源污染和面源污染共同作用所形成的，其中点源污染主要指工业污染，面源污染主要包括农业污染、地表径流污染和生活污染等。受江湖关系变化的影响，荆江三口来水锐减减弱了湖泊水体的自净能力。

(4)调整湖区工业结构、发展生态农业、治理小城镇和乡村环境、探索建立湖区生态补偿机制是洞庭湖水质综合治理的最终出路。