洞庭湖水质演变特征及驱动因子识别研究

朱 丹 丹，胡 琦，陈 兆 祺，吴 可 方，熊 剑，彭 娴

(湖南省岳阳生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000)

0 引 言

洞庭湖是中国的第二大淡水湖，北纳长江的松滋、太平、藕池“三口”来水，南接湘江、资江、沅江、澧水“四水”，是长江流域重要的滞洪调蓄区和淡水资源储备区，有保护生物多样性、保障长江流域水生态安全等多项功能[1-4]。由于湖区长期泥沙淤积和人为围湖筑垸等历史原因，洞庭湖被分割为目前的东、南、西3个湖区[5]。近年来随着流域经济的快速发展，洞庭湖水质主要呈现下降趋势[6]。三峡工程建成运行后，水文状态发生了根本性变化，荆江“三口”来水来沙量锐减，使得湖泊自净能力减弱[7-9]；社会经济发展和农业产业化导致工业废水、农业废水和生活污水过多排入湖区，加剧了其水环境污染[10-11]。

近年来大量学者对洞庭湖水质状况进行了相关研究，张光贵等对洞庭湖近20 a的总氮和总磷进行了分析[12]，李芬芳等对洞庭湖氮磷及污染状况进行了分析[13]，王岩等对洞庭湖氮磷时空分布和营养状态进行了分析[14]。虽然已有对水环境变化趋势和影响因素的研究，但多集中在氮磷盐、重金属污染等方面[15-18]，且未能从社会经济发展相关的地区生产总值、人口增长、第一产值、化肥施用量、第二产值、工业废水排放量和径流量、水位变化等因子进行数据定量分析识别。本文研究了洞庭湖1989～2018年水质变化特征，从社会经济发展和水文变化两个方面进行驱动因子识别分析，并提出相应防控对策和措施，以期为全面掌握洞庭湖水生态变化状态和改善其生态环境提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集和数据来源

为了全面掌握洞庭湖水质演变状况，筛选3个湖区的11个监测断面，具体监测断面分布位置见图1，其中选取断面S1、S2、S3代表西洞庭湖区；选取断面S4、S5、S6代表南洞庭湖区；选取断面S7、S8、S9、S10、S11代表东洞庭湖区。每月上旬采集表层(0.5 m)水样进行监测分析，监测项目主要包括GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中24项基本项目及Chl-a、SD等。本研究水质监测数据来源于湖南省岳阳生态环境监测中心和湖南省洞庭湖生态环境监测中心，水文统计数据来源于水利部统计公报，社会经济数据来源于湖南省统计年鉴。

图1 洞庭湖水质监测布点Fig.1 Monitoring site of Dongting Lake water quality

1.2 测定和评价方法

本研究重点讨论分析TP、TN、CODMn、SD、Chl-a等指标，用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)测定TN浓度；用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定TP浓度；用高锰酸钾酸性滴定法(GB 11892-89)测定CODMn；用塞式盘现场测定SD。采用综合营养状态指数(TLI)评价水质营养化状态。考虑到1989～2018年时间跨度较长，期间评价参数和评价标准变化对结果都有不同程度影响，但为了保证评价分析的一致性，水质类别均按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》[19]划分。

1.3 数据处理

采用Excel对原始数据进行统计，Sigmaplot软件绘图，SPSS软件进行数据分析处理，Spearman秩相关系数进行检验和相关性分析，主成分分析法和多元回归统计对驱动因子进行识别研究。

2 结果与讨论

2.1 水质演变分析

2.1.1水质类别演变状况

1989～2018年，洞庭湖水质类别变化趋势明显，水质由Ⅱ类逐渐演变为Ⅳ类，1996，2004，2005，2006，2008，2009，2015年Ⅴ类水质占比超过45%；2004年和2008年，个别监测断面水质甚至达到劣Ⅴ类(见图2)。

图2 1989～2018年洞庭湖水质类别Fig.2 Water quality categories in Dongting Lake from 1989 to 2018

2.1.2水质关键指标时间演变特征

对1989～2018年监测结果进行统计分析，5个关键水质指标时间演变状况如图3所示。

由图3(a)可见，1989～2018年，TN浓度上升趋势明显，年均值在0.95～2.03 mg/L之间变化，水质由Ⅲ类逐渐变化为Ⅴ类。TP年均浓度变化趋势总体表现为上下波动起伏(见图3(b))，变化范围介于0.02～0.20 mg/L之间，水质主要在Ⅳ类、V类之间上下波动，在2005年达到浓度最高值0.20 mg/L。CODMn浓度时间分布状况如图3(c)所示，总体呈现先上升后下降的趋势，浓度变化范围在0.62～4.28 mg/L之间，其中1990年浓度最低，1998年达到最高峰，水质整体处于较好的Ⅱ类。 SD时间分布状况如图3(d)所示，主要表现为上下不断波动的趋势，年均值变化范围在0.30～0.55 m之间。Chl-a年均浓度分布出现多次突变状况(见图3(e))，1991年由0.83 mg/L快速上升到1993年3.50 mg/L，2004年由0.83 mg/L快速上升到2010年5.34 mg/L。

图3 1989～2018年洞庭湖水质关键指标演变特征Fig.3 Evolution characteristics of key water quality indicators of Dongting Lake from 1989 to 2018

利用Spearman秩相关系数对水质关键指标的变化进行检验，统计分析结果如表1所列。TN浓度的秩相关系数为0.790，为极显著上升，说明洞庭湖1989～2018年TN上升趋势明显；TP和Chl-a浓度、SD呈上升趋势；CODMn浓度呈下降趋势。

表1 水质关键指标演变特征统计分析Tab.1 Statistical analysis of evolution characteristics of key water quality indicators

2.1.3水质关键指标空间演变特征

《长江三峡工程生态与环境监测公报》研究表明，TN和TP是影响洞庭湖水质的关键指标[20]，故重点选取TN、TP两项指标进行空间演变状况分析。洞庭湖3个湖区TN、TP浓度的空间演变状况见图4。3个湖区中西洞庭湖两项水质指标略优于南洞庭湖和东洞庭湖。3个湖区2008年前TN浓度总体保持在Ⅳ类，2009年后TN浓度显著增长，水质由Ⅳ类迅速变化为Ⅴ类、劣Ⅴ类，其中东洞庭湖对全湖区的TN浓度贡献率最大。3个湖区的TP浓度总体分布规律较为接近，除个别年份波动幅度较大外，变化规律平缓，水质主要在Ⅳ类、V类之间变化，东洞庭湖TP浓度略高于另外两个湖区。

图4 各湖区TN和TP年际变化特征Fig.4 Interannual variation trend of TN and TP in each lake region

2.1.4综合营养状态演变状况

利用5个水质关键指标监测结果计算综合营养状态指数(TLI)，分布特征如图4(c)所示。各湖区TLI变化趋势经历了3个阶段：① 1989～2002年间增长趋势明显，其中东洞庭湖TLI指数在2000～2002年超过50，呈轻度富营养化；② 2003～2007年间变化幅度较小，总体保持在40～50之间，一直处于中营养状态；③ 2008～2018年间呈波动状态。从空间变化特征来看，东洞庭湖TLI指数最高，总体高于南洞庭湖和西洞庭湖，TLI指数介于38.7～55.2；南洞庭湖次之，TLI指数介于37.4～49.9；西洞庭湖最小，TLI指数介于36.0～50.0。

2.2 驱动因子识别

湖泊水资源与人口、经济、社会和环境密切相关，阶段不同，影响的程度也存在不同程度的差异[21]。为识别影响洞庭湖水环境的驱动因子，选取径流量、水位、地区生产总值、人口密度、第一产值、化肥施用量、第二产值、工业废水排放量等进行主成分分析，识别出主要驱动因子，再分时间段进行多元回归分析。

洞庭湖水质变化的驱动因子主成分分析结果如表2 所列，共筛选出2个因子，累计方差贡献率为93.718%，几乎能全面反映出所有因素。因子1特征值为5.755，方差贡献率为71.941%，地区生产总值、人口密度、第一产值、化肥施用量、第二产值、工业废水排放量可看作社会经济驱动因子。因子2特征值为1.742，方差贡献率为21.777%，径流量和水位可看作为水文变化因子。

表2 洞庭湖水质变化的驱动因子主成分分析Tab.2 Principal component analysis of driving factors for water quality change in Dongting Lake

根据水质综合营养状态指数(TLI)变化时间节点，将2个驱动因子和水质关键指标分1989～2002年、2003～2007年、2008～2018年3个阶段进行多元回归分析，结果如表3所列。1989～2002年，水质关键指标中CODMn与因子1显著相关，TN与因子2显著相关，其他水质指标与2个驱动因子相关性不显著，说明在这个时间段，水文状态变化和社会经济的高速发展对洞庭湖水质影响较大。2003～2007年水质指标与2个驱动因子相关性不显著；2008～2018年，水质关键指标中仅TN与因子1相关，TN、Chl-a与因子2呈显著相关，其他水质指标与2个驱动因子相关性不显著。

表3 水质关键指标和驱动因子多元回归分析Tab.3 Multiple regression analysis of key indicators and driving factors of water quality

1989～2002年，社会经济的高速发展是影响洞庭湖水质的重要因素，人口数量、第一产值、化肥施用量、第二产值都呈不同程度增加趋势(见图5)。第一产业增加引发农业面源污染与农药化肥、畜禽养殖、水土流失等造成洞庭湖区水质下降，每年因过量使用化肥而流入湖区水体的全氮量就超过2 700 t[22]。这一时间段洞庭湖流域来沙量巨大，“三口”“四水”年均来沙量分别为6 900万～10 000万t、1 600万～2 800万t[23]，而氮、磷等污染物沉积在沙土中，流入洞庭湖后释放，使洞庭湖水体氮、磷浓度进一步升高；“三口”入湖水量逐年减少，“三口”分流比由1951～1966年的31.2%下降至1997～2002年的14.4%[24-25]，来水量减少导致水体流动性降低，洞庭湖对污染物的降解能力下降。

图5 驱动因子年际变化趋势Fig.5 Interannual trend of driving factors

2003～2007年，洞庭湖水体富营养化趋势有所减缓，主要影响因素包括化肥施用量、水文变化、产业发展等。2006年湖南省制定了专项整治方案，对湖区造纸、化工企业开展强力整治，仅益阳市就关停整治了129家造纸厂[26]，此阶段洞庭湖实施退田还湖工程，湖区面积扩大至3 970 km2[27]，水体中TN和TP等主要污染物浓度有所降低，洞庭湖净化能力增强，TLI稳定在较低水平；这一时间段，“三口”年均来水量由1989～2002年622亿m3下降为2003～2007年492.5亿m3，来水量明显减少；“三口”输沙量由1989～2002年6 785万t下降为2003～2007年1 873万t，减幅达72.4%[10]，导致洞庭湖在扩容的同时泥沙吸附释放进入洞庭湖的污染物大幅减少。

2008～2018年，受社会经济发展和水文变化两个驱动因子共同作用，水质呈波动变化。2008年，洞庭湖湖区生猪、牛存栏1 711.29 万头、10.74 万头，鸡、鸭存栏3 290.35 万羽、2 814.22 万羽，其他家禽87.20 万羽[28]，湖区污染加重。2011年，洞庭湖径流量、水位变小等原因导致氮、磷等浓度上升，污染程度增加[29]。2015年湖区农产品种植面积达2.7×106hm2，畜禽养殖、农业面源污染对洞庭湖水体TN、TP贡献率超过70%，为TN、TP超标的主要原因[30]。2017年，第一产值、第二产值、工业废水排放量下降明显，水质明显好转。2018年，湖南省开展洞庭湖水环境综合治理和污染防治攻坚战三年行动，水质持续好转。

2.3 水环境保护建议策略

根据驱动因子讨论分析结果，洞庭湖水环境污染源主要为生活污染、工业点源污染、农业面源污染和水文变化，特提出以下水环境保护建议策略。

(1) 加强生活污染治理。加快洞庭湖区城镇污水处理设施提标改造，严格执行排放标准；加快推进城镇生活垃圾分类，逐步实现生活垃圾无害化处理；实施农村厕所改造工程。

(2) 防治工业点源污染。对环洞庭湖区重点行业、园区加强监管，按规定实行清洁生产审核，严格环境准入，对超标排放且整改不到位的企业依法实施停产整治或关闭。

(3) 严格控制农业面源污染。在洞庭湖区全面推行测土配方施肥，鼓励使用高效低毒低残留农药；严格实行畜禽养殖分区管理，鼓励畜禽粪污资源化利用；加强水产养殖污染防治，大力推广生态养殖。

(4) 加强洞庭湖水资源调控。一方面，做好洞庭湖“开源”工作，根据湖区基本水文节律，加强“四水”来水综合管理，合理拦截分流入流量，保障入湖水源充足。另一方面，做好洞庭湖“节流”工作，汛期时合理调节上游三峡水库下泄流量，减轻洞庭湖蓄洪压力；非汛期适当提前蓄水，确保洞庭湖水位不低于生态水位下限值。

3 结 论

(1) 从时间演化状况来看，洞庭湖水质逐年下降。1992年以前，水质以Ⅱ类为主，到1995年以后，水质由Ⅲ类水质为主逐渐演变为Ⅳ类水质为主。由Spearman秩相关系数趋势检验结果可知，洞庭湖水质污染和富营养化状态在30 a间呈现上升趋势，其中TN呈显著增长趋势，TP浓度、Chl-a浓度、SD均呈上升趋势。

(2) 从空间分布上看，3个湖区中西洞庭湖水质略优于南洞庭湖和东洞庭湖。TN浓度东洞庭湖最高，南洞庭湖次之，西洞庭湖最低，3个湖区的TP浓度分布规律较为接近，东洞庭湖TP浓度略高于其他湖区。

(3) 分析洞庭湖水质变化及富营养化驱动因子，主要影响因素包括地区生产总值、人口密度、第一产值、化肥施用量、第二产值、工业废水排放量、径流量和水位等。

(4) 针对洞庭湖水质恶化状况及原因，从加强生活污染治理、防治工业点源污染、严格控制农业面源污染、加强洞庭湖水资源调控4个方面提出了水环境保护建议策略。