洪泽湖水质时空变化和富营养化研究

沈海岑， 张 敏， 汪 露， 薛联青

(1.河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098； 2.江苏省洪泽湖管理委员会办公室， 江苏 淮安 223100)

湖泊是一种重要的自然资源，具有防洪调蓄、用水供水、灌溉养殖、调节气候、船舶续航等多种功能。中国近几十年经济发展迅速，但自然资源被过度开发，城市人口增长速度过快，工业集中，而城市下水道和农村污水处理设施的建设发展速度极为缓慢，湖泊整体水环境恶化。洪泽湖是淮河流域洪水的主要调蓄湖泊，淮河下游地区重要的水源地，同时也是南水北调东线工程的主要调节湖泊，在防洪保安、城乡供水、交通航运以及维系生态平衡等方面有不可替代的作用。过量施肥、施肥结构不合理、农田排水直接进入湖泊, 会加剧水体富营养化[1-3]。长期以来，洪泽湖为促进地区社会经济的发展发挥了重要作用，但受粗放式发展模式的影响，洪泽湖非法侵占水域、非法采砂等引起的生态环境退化问题较为严重，削弱了洪泽湖综合功能的发挥，洪泽湖的健康遭受严重威胁。

本文综合考虑洪泽湖的实际情况，根据洪泽湖的区域特点，选用内梅罗污染指数法和综合营养状态指数法，采用2018—2020年洪泽湖湖区老子山、湖心区、成子湖、临淮四处及主要入湖河流的水质监测数据，分析洪泽湖湖区水质时空变化特点，并进行湖泊富营养化水平综合评价，探究其影响原因。

1 材料及方法

采用2018—2020年洪泽湖湖区老子山、湖心区、成子湖、临淮四处，及主要入湖河流包括淮河干流、新汴河、老汴河、新濉河、老濉河、徐洪河和怀洪新河的水质监测数据，由洪泽湖水利工程管理处提供。

1.1 研究区域

洪泽湖是我国第四大淡水湖泊，地理位置在东经118°10′～118°52′、北纬33°06′～33°40′之间，位于苏北平原西部，承接淮河中上游来水，湖区跨江苏省盱眙、洪泽、淮阴、泗洪、泗阳和宿城六个城区，洪泽湖主要入湖河流包括淮河干流、新汴河、老汴河、新濉河、老濉河、徐洪河和怀洪新河。

1.2 水质评价方法

(1)内梅罗污染指数

内梅罗指数[4]基于多因子评价水体污染情况，兼顾水质因子质量浓度的极值和均值。

对于DO:

(1)

(2)

对于其他水质参数：

(3)

(4)

式中，Cim为饱和溶解氧的数值; P为当地实测大气压; P0为标准大气压，101.325 kPa; T为检测水温。Ci为第i类评价因子的实测质量浓度；Sij为第i类评价因子的第j类标准质量浓度；F最大为Fi的最大值；F平均为Fi的平均值；P′为内梅罗污染指数。水质级别划分见表1。

表1 水质级别分级

(2)综合营养状态指数

应用综合营养状态指数[5]评价各月份、各样点的营养状态，计算公式为

(5)

式(1)中，ITL,j为第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数营养状态指数的相关权重，Chl-a、TP、TN、SD和CODMn的权重分别为 0.266、0.188、0.179、0.183和0.184，ITL,j的计算公式见参照文献[6]。综合营养状态指数分级见表2。

2 结果与讨论

2.1 入湖河流水质评价分析

由表3，洪泽湖西部湖滨的7条主要入湖河流中，淮河的内梅罗污染指数最高，同时淮河也是入湖流量最大的入湖河流，因此淮河的上游来水中的污染物对洪泽湖影响最大，淮河干流入湖口的采样点为老子山，老子山的水质也较差，这是由于汛期时，淮河中上游发生强降雨，径流携带污水冲向淮河下游，污水借行洪通道被夹带入洪泽湖，此时洪泽湖水位较低，淮河入湖口区域受到严重污染，蔓延全湖。其次是新濉河、老濉河、老汴河、徐洪新河和徐洪河，均为Ⅳ类水，只有新汴河为达到Ⅲ类水标准，入湖河流的主要超标污染物均为TN。总体来看，入湖河流除TN以外，其余水质因子均达到Ⅲ类水标准。

表3 洪泽湖主要入湖河流水质评价

2.2 湖区水质时空分布特征

图1显示了洪泽湖湖区四个监测点总磷(TP)、总氮(TN)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、氟化物(F)2018—2020年度变化趋势。整体来看，TN质量浓度老子山>湖心区>成子湖>临淮，老子山湖区的TN质量浓度总体最高，冬季较高。湖心区次之，成子湖和临淮变化趋势较一致，TN质量浓度均在夏季明显升高。TP质量浓度总体各湖区变化较一致，成子湖和临淮湖区质量浓度较高，最高值出现在7—9月。DO质量浓度全湖质量浓度空间差异较小，总体冬春季质量浓度较高，夏秋季质量浓度较低。NH3-N全湖空间变化较大，季节变化均无明显规律。临淮和成子湖湖区NH3-N质量浓度较大，时序变化幅度也较大，分别为0.09～0.84 mg/L和0.14～0.88 mg/L；湖心区和老子山湖区质量浓度较小，老子山为0.06～0.69 mg/L，湖心区时序变化幅度较小，为0.04～0.31 mg/L。老子山和湖心区CODMn质量浓度较高，成子湖和临淮湖区质量浓度较低，冬春季质量浓度较高，夏秋季质量浓度较低。全湖F质量浓度为0.4～0.97 mg/L，时空变化无明显规律。

图1 2018—2020年洪泽湖水体理化指标的时空变化

由表2，洪泽湖区4个点位均为Ⅳ类水，湖区主要超标污染物均为TP和TN， 其中，老子山TP和TN污染程度最高，其次是成子湖和临淮氮磷污染严重，湖心区污染程度最低，TP、TN含量老子山湖区由于位处淮河入湖口，淮河TN输入量为七大入湖河流最多，导致老子山湖区TN单项污染指数远远超过湖区其他位置。成子湖和临淮靠近养殖区，淡水养殖尾水中的TP主要来源于饲料中的添加剂、饲料分解物及养殖生物的排泄产物,农村生活废水处理率低，因此TP含量远多于老子山和湖心区。湖心区远离养殖区和入湖口，污染物经过充分混合后，湖心区受外源污染影响较小。因此，外源输入是造成湖泊水体氮磷质量浓度增加的主要原因之一，外源性氮磷流入湖泊造成边缘区域污染高于湖心区。

表2 综合营养状态指数分级

(续表3)

表4 洪泽湖典型湖区水质评价

2.3 湖区营养化程度分析

由表5、图2可知，老子山和湖心区、临淮和成子湖的富营养化指数分别呈现相同的变化规律，总体来看，成子湖和临淮湖区营养化程度较低，基本呈现中营养，但成子湖在枯水期呈现轻度富营养，说明成子湖区营养化程度受流速影响大，水流交换速度缓慢时营养化程度加重。老子山和湖心区富营养化程度较高，枯水期和丰水期水期呈现轻度富营养化，营养化指数枯水期较丰水期高，平水期呈现中营养。湖心区内梅罗污染指数最低，但营养化程度最高，富营养化的主要影响因子为透明度，湖心区的透明度明显低于入湖区域，且透明度随季节变化大，枯水期和丰水期明显高于平水期。2019年8月老子山区域的营养化程度最高，主要由于6月以来湖区遭遇60年一遇的气象干旱时间，水位变化大，生态系统受到剧烈扰动，加剧富营养化。总氮和透明度为洪泽湖富营养化主要影响因素，洪泽湖为“藻型浊水状态”的浅水湖泊，但由于湖区受强烈风浪搅动作用，水质混浊，透光率差[7]，湖泊跃变成透明度低的“泥沙型浊水状态”。丰水期氮磷污染程度较高，这是因为汛期来临之前，为了响应南水北调，洪泽湖采取开闸放水措施，水位急速下降，水生植物的生长环境受到冲击，主要是沉水植物[8]，水生植物对水质的净化效果减弱，汛期时期，大量降雨径流携带农耕养殖污水进入湖区，导致氮磷污染大量输入。

图2 2018—2020年洪泽湖典型湖区富营养化指数变化

表5 洪泽湖典型湖区富营养化状态评价

3 讨 论

洪泽湖近岸湖区存在大面积圈圩围网养殖和住家船[9]，主要分布在有河道入湖的近岸湖区，圈圩养殖最集中分布在入流河道密布的洪泽湖东北区域沿岸，即二河闸以北，涉及到淮阴区、泗阳县、泗洪县和宿城区，淮河干流入湖处圈圩围网情况也很严重，多年的圈圩围网养殖，鱼虾养殖投放密度高的外源性饲料，鱼虾排泄物和残饵极容易对湖体造成污染。同时，畜禽养殖的氮磷输入较高，畜禽养殖废弃物造成湖泊水体富营养化[10-11]。除养殖污染外，农村生活污染也是洪泽湖的重要面源污染源，洪泽湖周别农村地区缺少污水管道，生活污水处理率低，沿湖农村的生活污水处理覆盖率仅49.26%，大量生活污水直排。同时，住家船、餐饮船居民沿湖大量分布，船民上岸涉及民生问题，一时难以解决，住家船产生大量生活污染，生活垃圾和排泄物直排入湖。

洪泽湖入湖大流量的河道除总氮外水质状况总体良好，一些小沟小河存在区域性面源污染。首先是秸秆造成的面源污染，主要由于禁止焚烧秸秆，目前大多数村民处理秸秆的方法就是将其扔进水沟，造成两个严重问题。首先是堵塞河流，尤其是夏天雨量比较大的时候，很多用于排水的沟渠被秸秆堵住，这很容易让雨水滞留在田里进而导致庄稼被淹死的现象。其次是秸秆在水沟里面腐烂引起水质变差，一到夏季水沟里的水变黑发臭，秸秆浸泡产生的面源污染等集聚，经洪水冲刷，随支流汇入湖体，本来禁止燃烧秸秆时为了保护环境，现在却成为了水质污染的根源。

4 结论与建议

2018—2020年，洪泽湖西部湖滨的7条主要入湖河流中，淮河的内梅罗污染指数最高，入湖河道的主要超标污染物均为TN。洪泽湖区总体达到Ⅳ类水质标准，湖区主要超标污染物均为TP和TN，老子山污染程度最高，其次是成子湖和临淮，湖心区受氮磷污染程度最低。成子湖和临淮湖区营养化程度较低，基本呈现中营养，但成子湖在枯水期呈现轻度富营养，老子山和湖心区富营养化程度较高，枯水期和丰水期呈现轻度富营养化，营养化指数枯水期较丰水期高，平水期呈现中营养。现对于洪泽湖水质污染情况提出以下建议：

(1)严格控制入湖河流的水质情况，减少入湖的污染物输入量，对上游入湖河道水质进行定时定点检测，加强监测体系资金投入。在淮河流域严格执行排污许可制度，确保入湖水质达标，不超过湖泊的纳污能力。

(2)加强农业面源污染综合治理工程，提高洪泽湖周边城镇污水集中处理率，严禁农业生活污水直排，把农村生活污水纳入污水管网，完善农村排水管网设施。研发推广生态农业，减少化肥氮磷流失量。

(3)严厉打击非法采砂，坚持陆治水打相结合、刑事司法和行政执法相配合，大力实施退养还湖，压缩洪泽湖湿地围网养殖面积，调整传统的水产养殖产业结构，加快整合拆除围网养殖后的水域。种植各类水生植物，投放螺蛳、蚌类等手段净化水质，修复湖区生态环境，增强水体自净能力。