洞庭湖水質(zhì)及出入湖主要污染物通量變化趨勢分析

周 琴，賈海燕，盧 路，朱 惇

（長江水資源保護科學研究所，武漢 430051）

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是長江流域重要的調(diào)蓄性湖泊，南匯湘、資、沅、澧四水，北納松滋河、虎渡河、藕池河三口分泄的長江洪水，東接汨羅江和新墻河水，由城陵磯注入。因此，它在調(diào)節(jié)長江徑流、維護生態(tài)平衡、保護生物多樣性和促進區(qū)域發(fā)展等方面具有重要的作用。近年來，受氣候及水文節(jié)律變化、江湖關(guān)系變化以及水資源開發(fā)利用程度不斷提高等多方面因素影響，三口入湖水量減少，洞庭湖枯水期提前、持續(xù)時間延長，部分地區(qū)生產(chǎn)生活用水困難[1-2]；受人為活動影響，洞庭湖區(qū)濕地面積不斷萎縮，濕地景觀破碎化問題突出[3-4]；水污染形勢嚴峻，大部分湖泊斷面水質(zhì)持續(xù)超標[5-6]。

目前，針對洞庭湖流域的研究主要集中在濕地水位與植被覆蓋[7-9]、沉積物污染及釋放風險[10-11]、洪水遭遇規(guī)律[12-13]、水文情勢變化特征及模擬[14-15]、水質(zhì)評價[5，16-17]、營養(yǎng)鹽通量[18]等方面。

由于洞庭湖與長江相連通的特殊屬性，其水環(huán)境不僅受湖泊周圍人類活動影響，而且受荊江三口和湖南四水多重影響，水沙組成復雜。盡管針對洞庭湖開展了許多研究，但已有研究更多關(guān)注水沙演變特征、水質(zhì)指標的變化等，缺乏從水沙水文情勢、水質(zhì)指標、出入湖營養(yǎng)鹽通量綜合聯(lián)動分析，特別是三峽工程運行后，長時間序列的綜合分析。

鑒于此，本研究分析了三峽工程運行后洞庭湖水質(zhì)、徑流量、輸沙量和主要污染物通量時空分布特征及歷年變化趨勢，探討了洞庭湖主要污染物來源和組成，為洞庭湖水環(huán)境和水生態(tài)環(huán)境保護提供支撐。

1 研究材料及方法

1.1 研究范圍

洞庭湖區(qū)是指荊江河段以南，湘、資、沅、澧四水湘河、桃江、桃源、石門水文站以下，高程在50 m以下跨湘、鄂兩省的廣大平原、湖泊水網(wǎng)區(qū)，湖區(qū)總面積19 195 km2，其中天然湖泊面積約2 625 km2（城陵磯七里山水位為33.5 m），洪道面積1 418 km2，受堤防保護面積15 152 km2。湖南省內(nèi)湖區(qū)面積15 243 km2，約占湖區(qū)總面積的80%；湖北省內(nèi)湖區(qū)面積3 952 km2，約占湖區(qū)總面積的20%。洞庭湖區(qū)涉及湖南省岳陽、常德、益陽、長沙、湘潭、株洲6市和湖北荊州市，共涉及7個市43個縣（市、區(qū)）。其中，湖南6市涉及39個縣（市、區(qū)），湖北荊州涉及4個縣（市、區(qū)）。

洞庭湖入湖水沙主要來自湘、資、沅、澧四水和荊江三口分流、分沙，從城陵磯（七里山）出流匯入長江。采用湘江湘潭站、資水桃江站、沅江桃源站、澧水石門站合成流量代表洞庭湖四水入湖水量，松滋河新江口站和沙道觀站、虎渡河彌陀寺站、藕池河康家港站和管家鋪站合成流量代表荊江三口入湖水量，城陵磯（七里山）站流量代表洞庭湖出湖入江水量。采用湘江施家港斷面、資水益陽斷面、沅江常德斷面、澧水津市斷面代表洞庭湖四水入湖水質(zhì)，松滋河楊家垱斷面、虎渡河黃山頭閘斷面、藕池河藕池斷面代表荊江三口入湖水質(zhì)，城陵磯（七里山）斷面水質(zhì)代表洞庭湖出湖入江水質(zhì)，各站位置示意圖見圖1。

圖1 洞庭湖入、出湖主要流量及水質(zhì)監(jiān)測站點分布圖Fig.1 Distribution map of main flow and water quality monitoring stations of Dongting Lake

1.2 研究時段

2003年6月，三峽水庫開始蓄水到135 m水位，到2015年9月，175 m試驗性蓄水正式啟動。本文收集了2003—2015年城陵磯、湘潭、桃江、桃源、石門、彌陀寺、康家港、管家鋪、新江口和沙道觀站逐日流量和輸沙量，以及施家港、益陽、常德、津市、楊家垱、黃山頭閘和藕池斷面氨氮、總氮、總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)，并逐月計算各斷面氮、磷通量，分析洞庭湖2003—2015年氮、磷通量變化。

洞庭湖水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于《長江流域及西南諸河水資源公報》2003—2016年數(shù)據(jù)，洞庭湖區(qū)水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測斷面有君山、南咀、小河咀和橫嶺湖4個斷面，以及出湖城陵磯斷面。

1.3 水質(zhì)參數(shù)選擇

依據(jù)2003—2015年洞庭湖主要污染物情況，重點選擇總磷、氨氮和總氮進行濃度和污染物通量長期變化趨勢分析。

1.4 污染物通量計算方法

污染物通量是指水體中的各污染物在單位時間內(nèi)通過某一斷面的總質(zhì)量，是水環(huán)境的水文、地質(zhì)、化學及生物等綜合作用的結(jié)果，污染物通量計算公式如下：

式中：Fij為第i月第j種污染物的平均通量，g/s；Cij為第i月第j種污染物的平均質(zhì)量濃度，mg/L；Qi為第i月的流量，m3/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要污染物濃度分析

2.1.1 主要污染物濃度均值分析

總磷是洞庭湖區(qū)水質(zhì)分析的重要指標，是水體富營養(yǎng)化的重要參數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計分析（表1），洞庭湖區(qū)總磷濃度變幅為0.02～0.25 mg/L，平均濃度值為0.09 mg/L?？偭锥嗄昶骄鶟舛确謩e為：城陵磯斷面0.10 mg/L，橫嶺湖斷面0.08 mg/L，君山斷面0.08 mg/L，南咀斷面0.09 mg/L和小河咀斷面0.10 mg/L，可滿足湖泊Ⅳ類水質(zhì)標準[19]。5個重要監(jiān)測斷面總磷濃度多超湖泊Ⅲ類水質(zhì)標準（0.05 mg/L），滿足Ⅲ類水質(zhì)標準的監(jiān)測頻次僅為17.14%，但近年來滿足Ⅲ類水質(zhì)標準的頻次增加，2012年至今，達標監(jiān)測頻率可達22.92%。

表1 洞庭湖歷年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)均值統(tǒng)計表Table 1 Mean value of water quality of Dongting Lake over the years

洞庭湖區(qū)氨氮濃度普遍較低，變化范圍為0.01～1.46 mg/L，平均濃度為0.20 mg/L，其中氨氮多年平均濃度分別為城陵磯斷面0.27 mg/L，橫嶺湖斷面0.22 mg/L，君山斷面0.19 mg/L，南咀斷面0.21 mg/L和小河咀斷面0.27 mg/L，多可滿足Ⅱ類水質(zhì)標準[19]。城陵磯斷面受岳陽市城市排污影響，氨氮濃度變幅較大，在0.025～1.46 mg/L范圍內(nèi)波動，且2003年非汛期曾出現(xiàn)1次超Ⅲ類水質(zhì)標準（1.46 mg/L），其他時段均可滿足湖泊Ⅲ類水質(zhì)管理目標[19]?？傮w而言，氨氮濃度基本維持在同一水平，無明顯趨勢變化。

總氮是水體富營養(yǎng)化的另一項重要參數(shù)，是洞庭湖水質(zhì)主要控制指標。根據(jù)統(tǒng)計分析，洞庭湖區(qū)總氮濃度變幅為0.30～3.48 mg/L，平均濃度值為2.04 mg/L?？偟嗄昶骄鶟舛确謩e為：城陵磯斷面2.10 mg/L，橫嶺湖斷面1.86 mg/L，君山斷面1.97 mg/L，南咀斷面2.01 mg/L和小河咀斷面1.76 mg/L，超Ⅲ類水質(zhì)管理目標（1.0 mg/L）。

2.1.2 污染物濃度歷年變化趨勢分析

根據(jù)洞庭湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行趨勢分析（圖2），從2003年至2016年的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析可以看出，洞庭湖區(qū)總磷濃度從2003年至2009年在波動中下降，從2009年至2016年，穩(wěn)定維持在0.1 mg/L；總氮濃度下降趨勢不明顯，在2.0 mg/L濃度值上下波動。

圖2 洞庭湖區(qū)水質(zhì)年度變化趨勢圖Fig.2 Annual variation trend of water quality in Dongting Lake area

2.2 徑流量和輸沙量時空特征

2.2.1 徑流量變化

2003年三峽工程運行后，洞庭湖湖南四水、荊江三口歷年總?cè)牒搅髁烤禐?.988×1011m3，其中四水歷年徑流量均值排序為湘江＞資水＞沅江＞澧水，分別占總?cè)牒陱搅髁康?1.1%，26.5%，12.9%和5.4%；荊江三口歷年徑流量均值排序為松滋河＞藕池河＞虎渡河，分別占總?cè)牒陱搅髁康?4.5%，5.3%和4.4%。

從2003—2015年多年平均情況來看，洞庭湖的來水絕大部分來源于湖南四水，其多年平均徑流量為1.508×1011m3，占洞庭湖入湖徑流總量（荊江三口+湖南四水）的75.8%。城陵磯出湖年徑流量為2.347×1011m3，經(jīng)湖泊調(diào)蓄，出湖年徑流量明顯大于湖南四水、荊江三口入湖水量。洞庭湖入、出湖年徑流量變化如圖3所示。

圖3 洞庭湖入、出湖年徑流量變化趨勢圖Fig.3 Annual runoff variation trend of Dongting Lake

湖南四水年徑流量范圍為（0.984～1.789）×1011m3，年平均徑流量為1.508×1011m3，年徑流量從2003年至2009年呈下降趨勢，從2009年起，年徑流量呈小幅波動，趨勢變化不顯著。其中湘江和澧水年徑流量變化趨勢不明顯；資水年徑流量呈下降趨勢；沅江年徑流量從2003年至2013年基本保持穩(wěn)定，2014—2015較2003—2013年有顯著增大趨勢。荊江三口年徑流量變化呈小幅波動，變化趨勢不顯著，年徑流量范圍為0.183×1011～0.655×1011m3，年平均徑流量為0.48×1011m3。

2.2.2 輸沙量變化

從2003—2015年平均情況來看，洞庭湖的泥沙絕大部分來源于荊江三口，但2003—2015年，洞庭湖入湖總沙量持續(xù)減少的同時，荊江三口和湖南四水來沙量均呈下降趨勢，但出湖沙量呈一定幅度的上升趨勢。入、出湖的荊江三口、湖南四水及城陵磯年輸沙量的具體變化過程如圖4所示。

圖4 洞庭湖入、出湖年輸沙量變化趨勢圖Fig.4 The annual sediment transport in and out of Dongting Lake

2003—2015年湖南四水輸沙量呈階段性減小的變化過程，其年均輸沙量僅為7.98×106t，但占入湖總沙量的比例為45.3%。荊江三口輸沙量也呈現(xiàn)波動性減小的變化過程，受流域來水量偏少的影響，其年均輸沙量僅為9.64×106t，但占入湖總沙量的比例為54.7%。同時，湖南四水沙量的減幅不及荊江三口，也進一步反映了三峽工程巨大的攔沙作用。

2007年之前，洞庭湖入湖的泥沙部分經(jīng)湖區(qū)沉積作用后，經(jīng)由城陵磯匯入長江干流，城陵磯年輸沙量變化在2007年之前基本上呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，階段特征不甚明顯，2008年開始出湖沙量出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，可能與湖區(qū)，尤其是集中在東洞庭湖的采砂活動有一定關(guān)系。

2.3 污染物通量變化趨勢

2.3.1 荊江三口入湖營養(yǎng)鹽變化

（1）現(xiàn)狀營養(yǎng)鹽特征

2015年，荊江三口入湖氨氮通量平均值為128.4 g/s，其中最小通量為5.3 g/s，最大通量為518.3 g/s（7月），年內(nèi)變化較大；入湖總磷通量平均值為135 g/s，其中最小通量為1.6 g/s，最大通量為506.6 g/s（7月），總磷入湖通量也呈較顯著的年內(nèi)波動。污染物入湖通量峰值均在7月（圖5）。

圖5 2015年荊江三口入湖營養(yǎng)鹽通量變化Fig.5 Changes of nutrient influx in three inlets of Jingjiang in 2015

2015年，松滋河、虎渡河和藕池河入湖氨氮通量分別為76.2、94.5 g/s和20.8 g/s，氨氮入湖通量比例為虎渡河＞松滋河＞藕池河；松滋河、虎渡河、藕池河入湖總磷通量分別為96.2、18.6 g/s和32.5 g/s，總磷入湖通量比例為松滋河＞藕池河＞虎渡河。同時，由氨氮和總磷來源比例可見，荊江三口入湖污染物來源比例為8.7%～28.4%，污染物入湖比例整體相對較小，詳見表2。

表2 2015年洞庭湖入湖營養(yǎng)鹽通量及比例Table 2 Nutrient influx and proportion of Dongting Lake in 2015

（2）年際、年內(nèi)營養(yǎng)鹽變化特征

荊江三口入湖營養(yǎng)鹽年際、年內(nèi)變化特征結(jié)果如圖6所示。2003—2015年，氨氮通量呈現(xiàn)一定程度的波動，年平均值為161.5 g/s，其中最小通量為55 g/s，最大通量為269.5 g/s；入湖總磷通量平均值為57.4 g/s，其中最小通量為13.4 g/s，最大通量為110.8 g/s。荊江三口不同時段營養(yǎng)鹽入湖通量的變化較大，5—10月入湖營養(yǎng)鹽通量較大，其中最高值均出現(xiàn)在7月，其氨氮入湖通量為568.8 g/s，總磷入湖通量為244.7 g/s。

圖6 2003—2015年荊江三口入湖氨氮和總磷通量年際、年內(nèi)變化過程Fig.6 Interannual and annual changes of ammonia nitrogen and total phosphorus influx in three inlet rivers of Jingjiang from 2003 to 2015

2.3.2 湖南四水入湖營養(yǎng)鹽變化

（1）現(xiàn)狀營養(yǎng)鹽特征

2015年湖南四水入湖氨氮和總磷通量如圖7所示。湖南四水入湖氨氮通量平均值為2 008.6 g/s，其中最小通量為636 g/s，最大通量為4 611 g/s（6月），年內(nèi)變化較大；入湖總磷通量平均值為217.8 g/s，其中最小通量為52.7 g/s，最大通量為471.6 g/s（12月），總磷入湖通量也呈較顯著的年內(nèi)波動。其中污染物入湖通量峰值在6月和12月。

圖7 2015年湖南四水入湖氨氮和總磷通量變化Fig.7 Changes of ammonia nitrogen and total phosphorus influx in four rivers of Hunan in 2015

由表2可見，2015年，沅水、澧水、湘江和資水桃江入湖氨氮通量分別為659.7、208.2、960.7 g/s和180.1 g/s，氨氮入湖通量比例為湘江＞沅水＞澧水＞資水桃江；沅水、澧水、湘江和資水桃江入湖總磷通量分別為134.3、19.6、179.6 g/s和38.2 g/s，總磷入湖通量比例為湘江＞沅水＞資水桃江＞澧水?？梢姾纤乃牒廴疚镏饕獊碓从谙娼豌渌ㄕ?0.5%～73.7%），桃江和澧水貢獻率（11.2%～17.7%）整體相對較小。

（2）年際、年內(nèi)營養(yǎng)鹽變化特征

湖南四水入湖營養(yǎng)鹽年際、年內(nèi)變化特征結(jié)果如圖8所示。2003—2015年，氨氮通量呈現(xiàn)一定程度的波動，年平均值為503.1 g/s，其中最小通量為377.5 g/s，最大通量為615 g/s；入湖總磷通量平均值為90.6 g/s，其中最小通量為49.5 g/s，最大值為115.7 g/s。湖南四水年內(nèi)不同時段營養(yǎng)鹽入湖通量的變化較大，3—7月入湖營養(yǎng)鹽通量較大。其中最高值均出現(xiàn)在6月，其氨氮入湖通量為913.9 g/s，總磷入湖通量為205.6 g/s。

圖8 2003—2015年湖南四水入湖氨氮和總磷通量年際、年內(nèi)變化過程Fig.8 Interannual and annual changes of ammonia nitrogen and total phosphorus influx in four rivers of Hunan from 2003 to 2015

2.3.3 出湖營養(yǎng)鹽通量

（1）現(xiàn)狀營養(yǎng)鹽特征

洞庭湖從城陵磯（七里山）出流匯入長江，2015年6—7月和10—11月未進行氨氮指標監(jiān)測，因此綜合全年看，城陵磯（七里山）斷面氨氮通量年內(nèi)變化不明顯，總氮和總磷通量有明顯峰值?？偟钚⊥繛? 137.8 g/s，最大通量為42 957.4 g/s（7月），年內(nèi)變化較大；總磷最小通量為235.7 g/s，最大通量為1 581.3 g/s（6月）。其中總氮和總磷入湖通量峰值在6—7月（圖9）。

圖9 2015年洞庭湖出湖營養(yǎng)鹽氨氮、總氮和總磷通量變化Fig.9 Changes in the outflux of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in Dongting Lake in 2015

根據(jù)表3，2015年洞庭湖入湖氨氮通量為2 200.2 g/s，大于出湖通量（1 300.3 g/s），入湖總磷通量為519 g/s，小于出湖總磷通量（727.6 g/s）。

表3 2015年洞庭湖入湖、出湖通量對比Table 3 Comparison of influx and outflux of Dongting Lake in 2015

（2）年際、年內(nèi)營養(yǎng)鹽變化特征

城陵磯（七里山）斷面出湖營養(yǎng)鹽年際、年內(nèi)變化特征如圖10所示。2003—2015年，氨氮、總氮和總磷通量呈現(xiàn)一定程度的波動，但無明顯變大或變小趨勢。其中氨氮在2001—2005年和2007—2008年數(shù)據(jù)缺失，因此綜合其他年份數(shù)值進行計算，氨氮通量年均值為1 211.5 g/s，總氮通量年均值為15 160.4 g/s，總磷通量年均值為693.8 g/s。2003—2015年，城陵磯（七里山）斷面年內(nèi)不同時段營養(yǎng)鹽出湖通量的變化較大，4—10月出湖營養(yǎng)鹽通量較大。氨氮通量年內(nèi)變化不明顯，總氮和總磷通量有明顯峰值，其峰值出現(xiàn)在6—7月?？偟牒糠逯禐?7 744.8 g/s，總磷入湖通量峰值為1 235.9 g/s。

圖10 2003—2015年洞庭湖出湖營養(yǎng)鹽氨氮、總氮和總磷通量年際、年內(nèi)變化過程Fig.10 Interannual and annual changes of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus outflux in Dongting Lake from 2003 to 2015

3 結(jié)論

1）洞庭湖區(qū)總磷濃度從2003年至2009年在波動中下降，2009—2016年，穩(wěn)定維持在0.1 mg/L；總氮濃度下降趨勢不明顯，在2.0 mg/L濃度值上下波動。

2）荊江三口年徑流量變化呈小幅波動，趨勢變化不顯著；湖南四水年徑流量從2003年至2009年呈下降趨勢，從2009年，年徑流量呈小幅波動，趨勢變化不顯著。

3）荊江三口年均輸沙量穩(wěn)定維持在9.64×106t，占入湖總沙量的54.7%。湖南四水年均輸沙量僅為7.98×106t，占入湖總沙量的比例是45.3%。洞庭湖入湖的泥沙部分經(jīng)湖區(qū)沉積作用后，經(jīng)由城陵磯匯入長江干流，城陵磯年輸沙量變化在2007年之前基本上呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，階段特征不甚明顯，2008年開始，出湖沙量出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

4）空間分布上，入湖營養(yǎng)鹽通量主要來源于湖南四水（占總?cè)牒I養(yǎng)鹽通量的71.6%～91.3%），其中湘江和沅水貢獻較大，荊江三口入湖量僅占8.7%～28.4%。2015年洞庭湖入湖氨氮通量（2 200.2 g/s）大于出湖通量（1 300.3 g/s），入湖總磷通量（519 g/s）小于出湖通量（727.6 g/s）。時間分布上，受水情的影響，洞庭湖污染物入湖通量在年內(nèi)分配不均，最高值出現(xiàn)在6—7月。