东江湖水质时空变化规律及其与流域土地利用的关系_王铁铮.pdf

生态环境学报 2023,32(4):722-732 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：湖南省重点研发计划（2019SK2336）；国家可持续发展议程创新示范区建设专项（2019sfq21）；湖南省水利科技项目（XSKJ2022068-31）作者简介：王铁铮（1994 年生），男，硕士，主要从事湿地生态研究。E-mail:*通讯作者：李有志（1981 年生），男，教授，博士，博士研究生导师，主要从事湿地生态与环境研究。E-mail: 收稿日期：2023-02-17 东江湖水质时空变化规律及其与流域土地利用的关系 王铁铮，瞿心悦，刘春香，李有志*湖南农业大学环境与生态学院，湖南 长沙 410128 摘要：东江湖是长江中下游重要的人工湖泊之一，也是湖南省最大的饮用水源地，探究水质变化规律及其与流域土地利用关系，可为东江湖生态保护提供科学依据。基于 20112022 年东江湖 2 个国控断面及 20212022 年 6 条主要入湖河口水质监测数据，运用统计分析和 Spearman 秩相关系数法，阐明了东江湖水质时空变化规律及其与土地利用变化的关系。结果表明，（1）在近 12 年期间，东江湖水环境污染综合指数呈上升趋势，水质由地表类水下降到地表类水。东江湖主要入湖河口水质介于地表类水之间，水环境污染综合指数呈现出枯水期高于丰水期特点。（2）东江湖流域各土地利用类型的面积呈现出林地耕地水域建设用地草地的特点，其中建设用地、耕地和草地面积随着时间的增加而增高，林地面积随着时间的增加而减少，水域面积呈现小幅减少。（3）东江湖国控断面的化学需氧量、高锰酸盐指数、电导率及水环境污染综合指数与流域内耕地和建设用地面积呈极显著正相关，而与林地面积呈显著负相关；然而，东江湖入湖河口水体的溶解氧与子流域内水域面积呈显著正相关。可见，在 20112022 年间，东江湖水质呈下降趋势，而流域内耕地、建设用地面积的增加和林地面积的减少是水质降低的主要原因。建议减少全流域化肥施用，推进城镇污水处理设施全覆盖，实施退耕还林还草，加强河湖消落带生态修复等措施，以减少入湖污染物，确保东江湖水质良好。关键词：总氮；总磷；水环境污染综合指数；土地利用类型；林地；耕地 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.04.010 中图分类号：X52;X144 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）04-0722-11 引用格式：王铁铮,瞿心悦,刘春香,李有志,2023.东江湖水质时空变化规律及其与流域土地利用的关系J.生态环境学报,32(4):722-732.WANG Tiezheng,QU Xinyue,LIU Chunxiang,LI Youzhi,2023.Spatial and temporal changes in water quality in the Dongjiang Lake and their relationships with land use in the watershed J.Ecology and Environmental Sciences,32(4):722-732.城市化的高速发展导致人类活动对水环境的影响越来越显著，随着排入水体污染负荷的增加，加速了水体污染进程，导致水环境问题日益严重（Liu et al.，2005；李延林等，2019；张飞等，2022）。人类活动对流域水环境的影响程度可以通过土地利用的变化进行反映（贾亚男等，2003），流域土地利用结构的不合理已经成为湖泊水环境恶化的主要因素（夏叡等，2010；郝守宁等，2020），而土地利用结构具有不同尺度和分布差异性，从而导致土地利用对湖泊水环境影响的研究结果不同（刘丽娟等，2011）。流域土地利用与水环境参数具有一定相关性（董锐等，2022）。杨洁等（2017）认为，水田及城镇用地变化是影响水质的主要因素，其中城镇用地面积与水体高锰酸盐指数（CODMn）呈显著正相关，水田面积与水体溶解氧（DO）浓度呈正相关；曹芳芳等（2013）发现，新安江水体总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）与草地和林地面积呈现显著负相关关系，与耕地、水体和建设用地面积呈现显著正相关关系。可见，在流域尺度上，土地利用对水环境具有强烈影响，研究土地利用与水环境之间的关系对揭示水质变化成因具有重要意义。东江湖位于湖南省郴州市境内，为典型的人工湖泊，是长沙、株洲、湘潭等大中城市的重要生活饮用水源地（邹忠义等，2011；何望，2012；徐洁等，2016）。长期以来，由于库区人口数量的增长以及传统农业的快速发展，东江湖部分水质参数出现“跨（降）类”现象（赵晓亮等，2022）。在时间上，流域内土地利用格局在过去几十年内变化最为明显的特征是建设用地及耕地面积增加，而在空间上，土地利用格局在各子流域分异较大。因此，本研究选取东江湖主要国控断面 20112022 年 12年的水质参数以及主要入湖口 2021 年一周年的水质参数，分析了东江湖水质时空变化规律，并探讨王铁铮等：东江湖水质时空变化规律及其与流域土地利用的关系 723 了东江湖水质与流域土地利用的关系，以期揭示湖泊水质变化的重要驱动要素，为东江湖流域水污染综合防治和水生态保护提供科学依据。1 材料与方法 1.1 研究区域概况 东江湖（25342618N，1130811344E）位于湖南省郴州市，涉及资兴、汝城、桂东、宜章4 个县（市）52 个乡镇，流域总面积 4.72103 km2（图 1）。东江湖流域内共有河流 819 条，其中流域面积在 50 km2以上的河流共有 22 条，主要有浙水、沤江、滁水等。此流域属于亚热带季风性湿润气候，年均温度 16.9，最低温度为7.5，最高温度为 37.6，年均日照时数 1.48103 h，年均降雨量1.33103 mm（彭亚辉等，2014）。基于郴州市数字高程模型（DEM），利用 ArcGIS 10.6 Hydrology 工具，确定东江湖全流域边界，并提取流域内的主要水系，确定 6 条主要入湖河流，同时界定这 6 条入湖河流的子流域边界，分别以代号 W1W6 表示（图 1）。1.2 数据来源 1.2.1 东江湖水质数据 东江湖水质监测数据主要来源于郴州市生态环境局资兴分局和野外实际监测。其中，头山和白廊两个国控断面 20112022 年水质监测数据来自于郴州市生态环境局资兴分局，主要包括 TN、TP、NH3-N、五日生化需氧量（BOD5）、高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）、pH 值、电导率、砷（As）及铅（Pb）。东江湖兴宁河、石盈河、杭溪、浙水、沤江及滁水这 6 条主要河流入湖口一周年（2021 年 4 月2022 年 3 月）的水质数据来自于野外采样分析，水质参数包括水体 DO、TN、TP、PO43-P、NH3-N、NO3-N、pH 值、电导率（图 1）。1.2.2 土地利用数据 土地利用数据来源于武汉大学 19902021年全国地表覆盖数据，分辨率为30 m（Yang et al.，2021）。为揭示东江湖流域土地利用随时间变化特点，利用 ArcGIS 10.6 软件的空间分析模块，提取流域土地利用数据，再根据土地利用与覆盖变化分类体系及实际利用情况，将流域内土地利用类型主要有耕地、林地、草地、水域、建设用地等 5 种。1.3 数据处理 1.3.1 水质等级评价 根据 地表水环境质量标准（GB 38382002）对 20112022 年东江湖水质进行分类评价，其中TP 参考湖、库标准（国家环境保护总局，2002）。1.3.2 水环境污染综合指数 水环境污染综合指数是将水环境中的污染物含量转换成无量纲来表征污染程度的数值。由于东江湖水质长期符合地表 I 类水标准（李赟，2015），参考地表水环境质量标准（GB 38382002）中规定的 I 类水质标准限值，计算出水质各参数的环境污染分指数 Pi后求和，即得到水环境污染综合指数 P。水质各参数的环境污染分指数 Pi计算方法如下（陈雷，2016）：Pi=Ci/Si（1）式中：Pi 某污染物的污染分指数；Ci 某污染物的实测浓度；Si 某污染物的评价标准。选择东江湖国控断面与主要河流入湖口共同的且不符合地表 I 类水标准的水质参数（TN、TP以及 NH3-N）作为评价指标，水环境污染综合指数P 的计算公式如下：3TNTPNH-N1=niPIII=+（2）1.3.3 数据分析 采用 IBM SPSS statistics 23 软件，对东江湖头山和白廊两个国控断面的水质参数的均值和流域内各土地利用类型面积随时间变化趋势进行一元线性回归，显著水平为 0.05，若变化趋势呈现出显著性，则做直线回归（图 24）。基于 Spearman 秩相关系数法，分析 20112022 年东江湖国控断面以及 2021 年 6 条主要河流入湖口的水质参数和土地利用面积之间的关系（表 1、2）。图 1 东江湖流域国控断面和入湖河口水质监测点位 及子流域划分 Figure1 Monitoring position of water quality in national control sections and in estuaries and the sub-watersheds in the Dongjiang Lake basin 724 生态环境学报 第 32 卷第 4 期（2023 年 4 月）2 结果与讨论 2.1 东江湖水质时间变化特征 在 20112022 年，水体 TN、COD、CODMn、电导率及 pH 值呈现出显著上升趋势，TP 呈现出显著下降趋势，而 NH3-N 和 As 呈现出先波动上升后下降的趋势，BOD5呈现出波动下降的趋势，Pb 呈现出先上升后波动下降的趋势（图 2）。在 20112022 年间，东江湖水环境污染综合指数在 1.636.32 之间。随着时间的变化，东江湖水环境污染综合指数呈现出上升趋势（图 3）。不同年份之间，水环境污染指数变化较大，最低值和最高值分别出现在 2013 年（1.63）和 2015 年（6.32）。(a)TN 质量浓度 (b)TP 质量浓度 (c)COD 质量浓度 (d)电导率 (e)pH 值 (f)CODMn质量浓度 (g)NH3-N 质量浓度 (h)BOD5质量浓度 (i)As 质量浓度 (j)Pb 质量浓度 n=3，下同 图 2 20112022 年东江湖头山和白廊两个国控断面水质参数变化 Figure 2 Variation in water quality parameters in the Toushan and Bailang sections in the Dongjiang Lake from 2011 to 2022 王铁铮等：东江湖水质时空变化规律及其与流域土地利用的关系 725 参考 地表水环境质量标准（GB 38382002），2011年和 2012 年达到类水标准，2013 年达到 I 类水标 准，20142022 年达到类水标准。可见，随着时间变化，东江湖水质总体下降，仍然存在一定污染。2.2 东江湖典型河流入湖口水质变化特征 在 20212022 年间东江湖水质在不同入湖河口之间差异明显，以北部兴宁河入湖口和南部滁水河入湖口污染较为严重。其中，水体 DO 含量在兴宁河入湖口最低，在沤江入湖口最高，而电导率含量呈现与 DO 含量相反的特征；pH 值在杭溪河入湖口最低，在沤江入湖最高；TN 含量最低值出现在浙水入湖口（0.288 mgL1），最高值出现在兴宁河入湖口（0.410 mgL1）；NH3-N 含量最低值出现在沤江入湖口（0.069 mgL1），最高值出现在滁水入湖口（0.085 mgL1）；NO3-N 含量以杭溪河入湖口最低（0.087 mgL1），以兴宁河入湖口最高（0.136 mgL1）。TP 和 PO43-P 含量呈现相似的分布特征，最高值均出现