鄱阳湖水质变化特征及水体富营养化评价

2020-11-23温春云刘聚涛

中国农村水利水电 2020年11期

温春云，刘聚涛，胡芳，杨平，韩柳

(江西省水利科学研究院，江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室，南昌 330029)

近年来，由于鄱阳湖周边生活污水和工业废水排放量不断增加，农业面源污染日益严峻，湖区水体水环境质量不断下降[1]。相关研究表明，1985-2013年间，鄱阳湖水体I-III类水的比例由99.9%下降至68%，总氮和总磷成为主要污染物[2]。鄱阳湖水质变化越来越受到人们的关注，如黄学辉等人[3]于2016 年对鄱阳湖水质进行了测定，分析了水体水质季节性变化特征；陈晓玲等人[4]于2011 年7 月份对鄱阳湖丰水期水质进行了实测，分析了总氮、总磷的空间分布特征。郭秋平等人[5]系统分析了鄱阳湖2015年度枯水期主湖体、五河入口、湖口过江水道、赣江下游主河道和南昌市周边湿地表层水体中总氮、总磷、汞、铜、锌、铅、镉等几种污染物的含量。鄱阳湖水位受“五河”及长江来水的共同影响，使得湖区面积的扩大或萎缩，鄱阳湖洪水和干旱现象交替出现，同时鄱阳湖水位季节性波动产生的巨大差异也给水环境带来一定影响，使得鄱阳湖水质呈现动态变化[6]。湖区的水环境状况对鄱阳湖生态安全有着极为重要的意义[7]。因此，加强鄱阳湖水质动态监测，及时掌握湖泊水生态变化，是保障鄱阳湖生态安全的重要支撑。

本研究于2017年对鄱阳湖平、丰、枯3个时期的水质现状进行了系统调查与评价，旨在动态掌握鄱阳湖水质变化，为鄱阳湖水生态环境保护与治理提供科学的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖是中国最大的淡水湖泊，位于江西省北部，长江中下游交接处的南岸，是长江流域一个重要的过水性、吞吐型、季节性的浅水湖泊[8]。“高水是湖，低水似河”、“洪水一片，枯水一线”是鄱阳湖最为突出的水文特征和自然地理特征[9]。鄱阳湖接纳赣江、抚河、信江、饶河、修水等五大河流以及博阳河、漳田河等独流入湖的小河流来水，水系流域面积达16.22 万km2，占江西省面积的97.2%，长江流域面积的9%。鄱阳湖年均出湖总径流量达1 436 亿m3，占长江总水量的15.5%[10]，在调节长江水位、涵养水源、改善当地气候条件和维护生态环境平衡等方面发挥着重大作用，为长江中下游水安全、水生态环境及水资源提供了重要保障。

1.2 样品的采集与处理

于2017年选择典型的平水期(4月下旬)、丰水期(8月下旬)、枯水期(12月下旬)对鄱阳湖湖区11个典型样点进行水质调查采样，样点位置见图1。用5 L有机玻璃采水器采集各样点50 cm 左右的表层水样，每个样点采集3份重复水样。

1-湖口；2-姑塘村(鞋山)；3-蛤蟆石；4-屏峰；5-星子；6-老爷庙；7-都昌与吴城来水交汇处；8-吉山；9-都昌县城；10-朱袍山；11-棠荫图1 鄱阳湖水样采集点位Fig.1 Location of the sampling sites in Poyang Lake

采集的水样分装于若干500 mL的预先处理的聚乙烯瓶中，部分水样加H2SO4酸化保存，用装有冰块的保温箱当天带回实验室，在48 h内进行测定。用烘干称重后的GF/C滤膜过滤500 mL左右水样，将过滤后的滤膜放入锡箔纸中封装，并带回实验室测定水体中悬浮物的含量；将经过滤的水样加H2SO4酸化后，带回实验室测定水体中氨氮含量。用GF/F滤膜过滤500 mL左右水样，将过滤后的滤膜放入自封袋中封装后冷冻保存，并带回实验室测定水体中叶绿素a含量。

1.3 测定方法

1.4 数据处理与计算

本文采用单因子指数法对鄱阳湖不同时期的水体水质进行评价，对照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)标准，确定其水质类别，以水质最差类别作为水体的水质类别[11]。采用中国环境监测总站推荐的综合营养状态指数法对鄱阳湖富营养化水平(TLI)进行评价，利用叶绿素a、总磷、总氮、透明度和高锰酸盐指数等5项目水质指标检测值进行计算，相关参数及评价标准参照《中国湖泊环境》[12]和《湖泊富营养调查规范( 第二版) 》[13]中的标准。所有数据运用SPSS20. 0进行统计分析，选择单因素方差分析( one way ANOVA)进行差异性分析，采用Origin 2015 进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 鄱阳湖水体物理指标变化分析

鄱阳湖各水域水温、透明度、pH值、浊度、悬浮物等指标监测结果见表1。从表1可以看出，鄱阳湖水体各指标在平、丰、枯3个不同时期显著不同。具体分析如下：

(1)水温、pH值及溶解氧含量变化。鄱阳湖不同时期的水温主要随气温变化而变化，表现为丰水期>平水期>枯水期。鄱阳湖水体pH值范围为7.54～8.65，平均值为8.2，呈弱碱性。鄱阳湖水体溶解氧含量范围5.84～12.68 mg/L，平均值为8.14 mg/L，溶解氧含量变化和水温变化正好相反，溶解氧含量受水温影响较大，水温升高时，溶解氧含量降低。因此鄱阳湖水体含量变化表现为枯水期>平水期>丰水期。

(2)透明度、浊度及悬浮物含量变化。3个时期的透明度平均值分别为50、40、35 cm，总体表现为平水期>丰水期>枯水期。但是，受局部采砂、水量少等的影响，平水期及枯水期透明度变化范围较大，最小时为5 cm，最大可达80 cm。根据各点位透明度分析可知，低透明度主要分布在入江水道采砂区。

鄱阳湖水体浊度平均值为16.86 NTU。其中，最小值为3.7 NTU，为5号点(星子水域)，而最大值达到106.3 NTU，为入江口水域。枯水期水体浊度最高，平水期浊度最低。浊度较高处主要为通江水道，尤其是入江口处水域，该处主要受上游采砂影响，悬浮泥沙在入江口处集聚，导致水体浊度升高。

同样受采砂影响，鄱阳湖水体悬浮物含量变化和浊度保持一致，表现为枯水期>丰水期>平水期，3个时期悬浮物含量分别为79.16、27.35、25.77 mg/L。悬浮物含量变化范围较大，在平水期最小为3.17 mg/L，而在枯水期可达318 mg/L，平水期和枯水期各样点悬浮物含量的差异较大。根据张琍等人[14]的研究，鄱阳湖悬浮体浓度空间分布格局主要受到河口输入、湖泊流场、底质冲淤、生物作用、再悬浮作用及湖泊采砂活动的影响。其中，采砂活动对鄱阳湖悬浮体空间分布格局的变化影响最大，近年来，采砂区有慢慢向南部湖区扩展的趋势，导致鄱阳湖悬浮体高值区也有扩大的趋势。

表1 鄱阳湖不同时期水体物理参数性状Tab.1 The physical parameters in different periods in Poyang Lake

2.2 鄱阳湖水体化学指标变化分析

(1)高锰酸盐指数变化分析。CODMn是一个表征环境水体有机物污染的特定指标，从表2的监测结果可以看出，2017年鄱阳湖在平水期、丰水期、枯水期3个时期的水体CODMn含量平均值分别为3.19、2.17、3.38 mg/L。平水期和枯水期CODMn含量略高于丰水期，3个时期并无明显差异(t-testp>0.05)。

表2 2017年鄱阳湖不同时期CODMn的变化 mg/L

(2)不同形态氮含量变化特征。2017年鄱阳湖平、丰、枯3个时期的氮含量情况见表3。从表3可以看出，鄱阳湖平、丰、枯3个时期水体总氮含量平均值分别为1.68、1.01、2.22 mg/L，均达到了富营养化水平；氨态氮和硝态氮含量分别为0.28、0.17、0.53和1.16、0.63、1.45 mg/L。鄱阳湖枯水期各样点的氨态氮、硝态氮和总氮含量均最高，其次是平水期，丰水期各样点总氮、氨态氮和硝态氮含量最低，呈现枯水期>平水期>丰水期的季节变化特征，这和陈波等人[15]的研究结果是一致的。分析氮素不同形态可知，鄱阳湖水体的氮素形式以硝酸盐氮和氨态氮为主，这与刘倩纯等人[16]的研究一致。

表3 2017年鄱阳湖不同时期氮含量 mg/L

(3)总磷及正磷酸盐含量变化特征。2017年鄱阳湖平、丰、枯3个时期的磷含量变化见图2。结果显示，鄱阳湖平水期各样点总磷、正磷酸盐含量最高，其次是枯水期，丰水期各样点总磷、正磷酸盐含量最低，总体表现为平水期>枯水期>丰水期。平水期与丰水期、枯水期之间TP含量均存在显著性差异(t-testp<0.05)，但枯水期与丰水期之间TP含量差异不显著(t-testp>0.05)。有研究表明，磷主要通过颗粒磷的沉降作用而被滞留，水体中的磷酸根能被悬浮颗粒物吸附或包裹，因此磷受泥沙的运输影响较大[17]。平水期上游来水虽较枯水期多，但适宜的水位使得采砂行为及船舶行驶相对较频繁，这增加了对湖泊底质颗粒磷及内源营养盐的释放，使得平水期磷含量较枯水期多，这可能是造成平水期磷的含量较枯水期高的原因。而丰水期上游来水明显较平水期和枯水期多，流速明显加快，水流对泥沙的搅动力及运输量显著增强，同时丰水期水量较大，这使得磷的沉降作用更明显，这是丰水期磷含量低于平水期和枯水期的主要原因。

图2 2017年鄱阳湖水体不同时期磷含量变化Fig.2 Variation of the phosphorus in different periods in Poyang Lake，2017

(4)叶绿素a含量分析。鄱阳湖2017年平、丰、枯3个时期水体Chl.a的含量见表4。由表4可知，水体Chl.a 在平水期和枯水期总体上含量较低，平均值分别为3.58和4.26 μg/L，而丰水期显著高于平水期和枯水期，平均值为23.73 μg/L。有研究指出，鄱阳湖Chla.a含量在空间分布上表现为南湖区>北湖区，呈现出一定的空间分布特征[18]。而本次调查结果显示，8、9、10、11 4个位于南湖的样点水体Chl.a含量显著高于北部入江水道的各个样点，同样具有显著的样地差异性。

表4 2017年鄱阳湖水体不同时期Chl.a含量 μg/L

2.3 水质综合评价

2017年鄱阳湖水质综合评价结果如表5所示。从表5可以看出，2017年鄱阳湖水体水质总体为Ⅴ类水，各时期水体水质均超过Ⅲ类标准，为Ⅳ～Ⅴ类标准。其中，枯水期水质最差为劣Ⅴ类水，丰水期水质相对较好，但也劣于Ⅲ类标准。

表5 2017年鄱阳湖水质综合评价Tab.5 Comprehensive water quality assessment of Poyang Lake in 2017

各样点水质评价结果如表6。结果显示：2017年鄱阳湖所有点位pH值均在6～9范围内，满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的要求。CODMn含量达到Ⅲ类标准，除枯水期10(朱袍山)、11号(棠荫)两个点为Ⅲ类标准外，其余样点均小于4 mg/L，达到了Ⅱ类标准，枯水期屏峰、星子、老爷庙3个样点甚至达到I类标准；总氮含量处于Ⅲ～Ⅳ类标准之间，部分样点甚至达到劣Ⅴ类标准，例如平水期除9号样点(都昌县)为Ⅲ类标准外，其余样点水体总氮含量均达到Ⅴ类标准，丰水期鄱阳湖水体总氮含量在Ⅲ～Ⅳ类标准之间，枯水期各样点总氮含量均为Ⅴ类标准。鄱阳湖平、丰、枯3个时期水体总磷含量除8、10号点为Ⅴ类标准外，其余样点均为Ⅳ类标准，丰水期各样点水体总磷含量均达到Ⅲ类标准，而枯水期各样点水体总磷含量在Ⅲ～Ⅳ类标准之间。

综上分析可知，各样点水体pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮等均优于Ⅲ类标准，而TN和TP两个指标大部分样点为Ⅳ或Ⅴ标准，这是影响鄱阳湖水质等级的重要因素。由此可以看出，鄱阳湖主要污染因子仍然是TN和TP。这与鄱阳湖周边水产养殖污染、生活污水排放、农业面源污染等人为因素有较大关系。例如饶河段，该水域水产养殖业较发达，投放的饵料使大量营养盐进入河水中，河水含氮量明显偏高[19]；赣江是流入鄱阳湖的最大河流，沿岸城镇较多，生活污水排放及农业面源污染等人为因素影响也造成氮含量偏高[20]。

表6 各样点不同时期水质评价结果Tab.6 Water quality evaluation results in different periods at various points

2.4 鄱阳湖水体富营养化评价

对2017年鄱阳湖平、丰、枯3个时期各监测点水体富营养化水平进行计算，结果如图3所示。由图3可以看出，鄱阳湖平水期各样点富营养化指数变化范围为45～52，平均为50，由此可知鄱阳湖平水期富营养化状态为中营养状态，并向轻度富营养化过渡，其中3号(蛤蟆石)、4号(屏峰)及9、10、11号(即都昌县至棠荫水域)表现为轻度富营养化状态；鄱阳湖丰水期各样点富营养化指数变化范围为47～51，平均为50，表现为中营养状态，并向轻度富营养化过渡，3号(蛤蟆石)、4号(屏峰)及9、10、11号(即都昌县至棠荫水域)同样表现为轻度富营养化状态；枯水期各样点富营养化指数变化范围为46～57，平均为51，表现为轻度富营养状态，其中1～3号(湖口至蛤蟆石)及9～11号(都昌县至棠荫)水域表现为轻度富营养状态，且湖口及棠荫两个点的富营养化指数达到57，接近中度富营养状态。

图3 2017年鄱阳湖不同时期各监测点水域富营养化水平Fig.3 Comprehensive trophic level index for each sampling site in different periods in Poyang Lake,2017

由此可以看出，平水期和丰水期富营养化程度较枯水期轻，这主要与水位有关。水位的抬升能明显扩大湖泊环境容量、提高水体自净能力、促使江湖生物交换，对减轻水体富营养化、改善水环境质量具有重要作用[21]。此外，从不同水域富营养化程度来看，湖口至屏峰、都昌至棠荫两段水域总体呈现轻度富营养状态，而星子至都昌水域为中营养。结合朱海虹[22]、李博之[23]、王毛兰[24]、吴兰[25]、刘倩纯[16]等人分别在1988年、1996 年、2005 年、2006年和2010年对鄱阳湖水质开展的调查结果可见，随着社会经济的快速发展，鄱阳湖水质逐渐恶化，并已缓慢发展为富营养化。