洞庭湖水质演变特征及驱动因子识别研究_朱丹丹.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 18基金项目:湖南省生态环境万科项目(2019120525)作者简介:朱丹丹，女，工程师，研究方向为水质环境监测。E mail:22569252 qq com文章编号:1001 4179(2023)02 0106 06引用本文:朱丹丹，胡琦，陈兆祺，等 洞庭湖水质演变特征及驱动因子识别研究 J 人民长江，2023，54(2):106 111洞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)摘要:为了全面掌握洞庭湖水生态变化状态，为改善其生态环境提供理论支撑，收集整理了 1989 2018 年洞庭湖 11 个监测断面的水质监测数据，采用单因子评价法和综合营养状态指数分别对洞庭湖水质演变特征、营养化状态进行研究，利用主成分分析法和多元回归分析法筛选识别社会经济和水文驱动因子，分阶段对驱动因子进行分析，并提出湖区水环境保护建议策略。结果表明:1989 2018 年，洞庭湖水质下降明显，已处于轻度富营养化状态;从空间演变状况看，富营养状况分布为东洞庭湖 南洞庭湖 西洞庭湖;TN 和 TP 是关键影响因素;经识别筛选，社会经济发展和水文变化是两大驱动因子。1989 2002 年，洞庭湖水质总体呈明显下降趋势，社会经济驱动因子是关键原因;2003 2007 年，洞庭湖水质变化相对平稳;2008 2018 年，前期受社会经济发展和水文变化两个驱动因子共同作用，水质下降明显，后期由于水污染防治力度加大，水质呈现逐渐好转态势。对照洞庭湖水质演变分析结果，为改善洞庭湖生态环境，建议重点要加强生活污染治理、防治工业点源污染、严控农业面源污染和加强洞庭湖水资源调控。关键词:水质演变特征;驱动因子识别;治理建议;洞庭湖中图法分类号:X524文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0160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。第 2 期朱丹丹，等:洞庭湖水质演变特征及驱动因子识别研究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(05 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 1Monitoring site of Dongting Lake water quality1 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 1189389)测定 TP 浓度;用高锰酸钾酸性滴定法(GB11892 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，水质由类逐渐演变为类，1996，2004，2005，2006，2008，2009，2015 年类水质占比超过 45%;2004 年和 2008 年，个别监测断面水质甚至达到劣类(见图2)。图 21989 2018 年洞庭湖水质类别Fig 2Water quality categories in Dongting Lakefrom 1989 to 20182 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，水质由类逐渐变化为类。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。Chla 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。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 701人民长江2023 年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。图 31989 2018 年洞庭湖水质关键指标演变特征Fig 3Evolution characteristics of key water quality indicatorsof Dongting Lake from 1989 to 2018表 1水质关键指标演变特征统计分析Tab 1Statistical analysis of evolution characteristics of keywater quality indicators指标rs值Wp(P 005)Wp(P 001)评价结果TN07900 3060 432极显著上升TP01160 3060 432上升(不显著)CODMn01820 3060 432下降(不显著)Chl a03210 3060 432显著上升SD01230 3060 432上升(不显著)注:rs表示秩相关系数，Wp表示临界值，rs值 0 表明呈上升趋势或加重趋势，rs Wp表明变化趋势有显著意义。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 浓度总体保持在类，2009 年后TN 浓度显著增长，水质由类迅速变化为类、劣类，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 4Interannual variation trend of TN and TP ineach lake region2 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: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;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;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、801第 2 期朱丹丹，等:洞庭湖水质演变特征及驱动因子识别研究第二产值、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。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 2洞庭湖水质变化的驱动因子主成分分析Tab 2Principal component analysis