調(diào)水前后南四湖藻密度及水環(huán)境要素變化特征*

譚 浪，王宗志，白 瑩，舒博寧，王衛(wèi)光

(1：南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029) (2：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098) (3：長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，南京 210098) (4：山東省濟(jì)寧市水文中心，濟(jì)寧 272004)

南四湖是我國(guó)華北地區(qū)最大的淡水湖泊，是魯南、蘇北地區(qū)的重要水源地，也是南水北調(diào)東線(xiàn)工程的重要調(diào)蓄場(chǎng)所，其水生態(tài)穩(wěn)定性對(duì)沿線(xiàn)水質(zhì)安全及調(diào)水效益起決定性作用[1]. 南水北調(diào)東線(xiàn)工程在2013年12月正式開(kāi)始運(yùn)行后，增加了湖泊水量補(bǔ)給和物質(zhì)輸入，也改變了水動(dòng)力條件、水文循環(huán)過(guò)程與水生動(dòng)植物棲息環(huán)境[2]. 在2002年南水北調(diào)東線(xiàn)工程建設(shè)初期，由于圍湖造田、過(guò)度捕撈、工業(yè)排放等活動(dòng)影響，南四湖入湖河流和湖區(qū)污染嚴(yán)重[3]. 徐好等[4]在南四湖水質(zhì)時(shí)空變化特征研究中，強(qiáng)調(diào)了“治”“用”“保”并舉等流域綜合治理措施，發(fā)現(xiàn)2006-2016年間南四湖水質(zhì)有所改善，基本穩(wěn)定在地表Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn). 在淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化波動(dòng)與高強(qiáng)度治理發(fā)展互動(dòng)的態(tài)勢(shì)下[5]，湖泊水生態(tài)環(huán)境的演變是亟需關(guān)注的重大問(wèn)題.

受流域內(nèi)外源污染、外調(diào)水、水文、氣象多重影響，南四湖水環(huán)境水生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn). 在調(diào)水影響方面，調(diào)水工程的建設(shè)及其常態(tài)化運(yùn)行，對(duì)龐大而復(fù)雜的湖泊生態(tài)系統(tǒng)有何影響是目前研究中還未解決的難點(diǎn). 對(duì)南水北調(diào)東線(xiàn)6個(gè)調(diào)蓄湖泊水質(zhì)狀況的研究表明[6]，從上游至下游湖泊水質(zhì)呈改善趨勢(shì)，調(diào)水期存在TN濃度較高，非調(diào)水期TP濃度較高；李慶等[7]對(duì)比分析調(diào)水期與非調(diào)水期，湖泊浮游植物與水質(zhì)狀況，發(fā)現(xiàn)調(diào)水引起的水文脈沖對(duì)浮游植物有明顯影響；張春梅等[8]認(rèn)為應(yīng)優(yōu)化調(diào)水方式，調(diào)控水動(dòng)力條件，從而有效防控藻類(lèi)突增. 在水文氣象影響因素方面，氣溫升高、極端天氣增多、日照時(shí)間延長(zhǎng)等均有利于藻類(lèi)生長(zhǎng)[9]；鄧文文等[10]討論了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的生物擾動(dòng)、水位波動(dòng)增強(qiáng)等變化，會(huì)造成突變閾值減小，并對(duì)湖泊穩(wěn)態(tài)造成影響. 藻密度作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平的關(guān)鍵指標(biāo)之一[11]，其長(zhǎng)序列年內(nèi)、年際變化趨勢(shì)及水環(huán)境要素演變特征對(duì)識(shí)別調(diào)水的生態(tài)效應(yīng)具有重要指示作用. 董貫倉(cāng)等[12]在南水北調(diào)東線(xiàn)工程運(yùn)行3年后對(duì)東平湖浮游植物及水質(zhì)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)調(diào)水工程可能通過(guò)物質(zhì)帶入影響水質(zhì), 進(jìn)而引起藻密度較通水初期稍有升高；2015-2019對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)干渠的研究表明[13]，藻密度每年都有一致性季節(jié)變化，在春季增長(zhǎng)，隨后從夏季到冬季持續(xù)下降，藻密度最大值的夏季和最小值的冬季分別為572.95×104和157.09×104cells/L，氨氮是影響藻類(lèi)生長(zhǎng)的最關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)，其次是COD. 大規(guī)模調(diào)水背景下，淺水湖泊營(yíng)養(yǎng)水平發(fā)生劇烈波動(dòng)，藻類(lèi)生長(zhǎng)與相關(guān)水環(huán)境要素的互饋關(guān)系不確定性增加. 目前，少見(jiàn)周期性調(diào)水行為前后湖泊藻類(lèi)生長(zhǎng)趨勢(shì)對(duì)比及其影響因素識(shí)別研究.

本文依據(jù)2010-2020年長(zhǎng)系列監(jiān)測(cè)資料，綜合分析南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程正式運(yùn)行前后，南四湖藻密度及相關(guān)環(huán)境因子年內(nèi)、年際變化特征，在此基礎(chǔ)上識(shí)別南四湖水生態(tài)水環(huán)境的關(guān)鍵影響因素，以期為南四湖科學(xué)管理及南水北調(diào)東線(xiàn)工程良性運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南四湖位于山東西南部，南北狹長(zhǎng)約125 km，東西寬5～25 km，湖內(nèi)面積1266 km2. 湖泊中部建有二級(jí)壩樞紐工程，分成上級(jí)湖和下級(jí)湖，其中上級(jí)湖由南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖和昭陽(yáng)湖(大部分)組成，下級(jí)湖由昭陽(yáng)湖(小部分)和微山湖組成. 南四湖入湖河流合計(jì)53條，河流同時(shí)用于行洪、農(nóng)灌、納污，主要入流河道寬淺，水流較緩，并且南四湖各入湖河流上修建了較多的水庫(kù)及閘壩工程，起到攔蓄調(diào)洪作用，湖濱區(qū)溝渠串通嚴(yán)重，引進(jìn)、引出水量不能全面控制，大部分河流無(wú)記錄年徑流量，無(wú)法精確控制入湖水量.

南水北調(diào)東線(xiàn)工程將長(zhǎng)江水通過(guò)各級(jí)泵站提水向北輸送，經(jīng)南四湖等多個(gè)調(diào)蓄湖泊后，流至膠東地區(qū)和天津. 南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程調(diào)水期在上半年，調(diào)水量逐年增加，工程擬利用南四湖進(jìn)行輸、蓄水. 南四湖地勢(shì)北高南低，天然水流方向是從上級(jí)湖至下級(jí)湖，在調(diào)水工程中，上級(jí)湖建長(zhǎng)溝泵站抽水入梁濟(jì)運(yùn)河，二級(jí)壩建泵站抽水入上級(jí)湖，下級(jí)湖建韓莊閘泵站，上級(jí)湖起到只輸水不調(diào)蓄的功能，下級(jí)湖入流較少，作為調(diào)蓄湖泊. 《南水北調(diào)總體規(guī)劃》對(duì)輸水干線(xiàn)的水質(zhì)要求達(dá)到地表水III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，由于輸水干線(xiàn)穿過(guò)城市人口密集區(qū)、工農(nóng)業(yè)區(qū)、航運(yùn)區(qū)等，目前輸水水質(zhì)保障工作仍面臨著挑戰(zhàn).

1.2 采樣與監(jiān)測(cè)

在南四湖設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)，空間分布見(jiàn)圖1，包括3個(gè)上級(jí)湖點(diǎn)位(S1、S2、S3)、3個(gè)下級(jí)湖點(diǎn)位(S4、S5、S6)、4個(gè)距離工業(yè)區(qū)和生活區(qū)較近的主要入湖河流斷面(S7、S8、S9、S10). 總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)采樣點(diǎn)為S1～S10. 藻密度、葉綠素a(Chl.a)采樣點(diǎn)為S1、S2、S3、S5. 水文氣象數(shù)據(jù)由濟(jì)寧市水文中心提供，水文氣象站點(diǎn)位置與水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置一致. 監(jiān)測(cè)時(shí)段為2010年1月-2020年12月，頻率為月度監(jiān)測(cè)，每月上旬采樣及送樣檢測(cè).

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

柱狀采水器采集水面下0.5 m處水樣4 L，2 L聚乙烯采樣瓶低溫避光保存，用于水質(zhì)測(cè)定；2 L加入魯哥試劑固定后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜置24～48 h，用虹吸管緩慢吸走上清液，保留50 mL濃縮樣品. TN濃度采用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定；TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定；氨氮濃度采用納氏試劑光度法測(cè)定；CODMn采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定；BOD5采用稀釋接種法測(cè)定；Chl.a濃度參照《水質(zhì)葉綠素a的測(cè)定分光光度法》(SL 88-2012)進(jìn)行測(cè)定；藻密度參照《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 733-2016)移液樣品至浮游植物計(jì)數(shù)框中，用40～600倍光學(xué)顯微鏡計(jì)數(shù). 取上級(jí)湖各樣點(diǎn)檢測(cè)平均值代表上級(jí)湖指標(biāo)；取下級(jí)湖各樣點(diǎn)檢測(cè)平均值代表下級(jí)湖指標(biāo).

1.3 分析方法

1.3.1 污染指數(shù)計(jì)算 綜合污染指數(shù)是一種常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值來(lái)綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)狀態(tài)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002) Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中,Pi為i污染物的污染指數(shù)；Ci為i污染物實(shí)測(cè)平均值，mg/L；Si為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中水質(zhì)因子i的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；n是選取污染物的項(xiàng)數(shù)；P為綜合污染指數(shù).

1.3.2 時(shí)間序列分析方法 采用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法分析時(shí)間序列趨勢(shì)[14]. 可以利用構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z，判斷序列在置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)是否存在明顯的上升或下降趨勢(shì)，當(dāng)Z的絕對(duì)值大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)，分別表示通過(guò)了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn). 也可以利用M-K檢驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，建立統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk，進(jìn)一步分析水質(zhì)序列的變化，明確突變的區(qū)域，UFk為M-K統(tǒng)計(jì)值正向序列，UBk為逆向序列，(-1.96，1.96)為顯著水平置信區(qū)間，若UFk超過(guò)顯著水平置信區(qū)間(臨界線(xiàn))，表明上升或下降趨勢(shì)顯著，若UFk和UBk序列出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界直線(xiàn)之間，那么交點(diǎn)即為突變點(diǎn). 在Mann-Whitney-Pettitt(MWP)檢驗(yàn)中[15]，確定顯著水平α=0.05后，尋找具有顯著性的變異點(diǎn)并可求得整個(gè)變異區(qū)間. 本文使用M-K檢驗(yàn)法與MWP檢驗(yàn)法找出逐月時(shí)間序列所有變化節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用累積距平曲線(xiàn)法[16]對(duì)變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和綜合診斷，確定水質(zhì)指標(biāo)序列中最合理的突變年份. 時(shí)間序列自相關(guān)性對(duì)趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果有重要影響，所以在本次趨勢(shì)檢驗(yàn)之前，先進(jìn)行了時(shí)間序列的自相關(guān)性分析，各序列具有良好的獨(dú)立性. 采用Spearman相關(guān)系數(shù)分析南四湖與主要入湖河流之間水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性、藻密度與相關(guān)環(huán)境因子的相關(guān)性. 采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析指標(biāo)濃度不同時(shí)段的差異性，其中統(tǒng)計(jì)量P值為原假設(shè)為真時(shí)所得到的樣本觀(guān)察結(jié)果或更極端結(jié)果出現(xiàn)的概率. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析在Excel 2010、MATLAB、SPSS 20.0中完成.

2 結(jié)果

2.1 水文氣象要素變化特征

2010-2020年南四湖湖區(qū)平均水溫為15.7℃，夏季最高月平均水溫為29.5℃，出現(xiàn)在2013年8月. 2010-2020年南四湖湖區(qū)年降水量均值為686 mm，流域內(nèi)75%的降水和入湖徑流集中在6-9月份的汛期，其中2013年與2014年降水量分別為597、610 mm，屬于偏枯水年份(圖2). 南四湖徑流分布格局基本符合降水的分布規(guī)律[17]，而且入湖徑流量與湖區(qū)水位漲幅基本對(duì)應(yīng)，湖泊水位是反映水體水情變化較為直觀(guān)的指標(biāo)[18]. 由于2013年與2014年沂沭泗流域降水量較同期偏少，入湖徑流量減少，湖區(qū)蓄水量持續(xù)減少，2014年6月12日下級(jí)湖水位降至死水位(33.0 m)以下，7月28日南四湖下級(jí)湖降至生態(tài)水位(31.05 m)以下，部分湖區(qū)裸露干裂. 在持續(xù)的干旱后有較強(qiáng)降雨，2016年南四湖湖區(qū)年降水量為794 mm，出現(xiàn)旱澇交替的現(xiàn)象.

圖2 2010-2020年南四湖水文氣象因素變化Fig.2 Changes in hydrometeorological factors in Lake Nansi from 2010 to 2020

2.2 藻密度及水環(huán)境要素年際變化特征

根據(jù)2010-2020年南四湖藻密度及其水環(huán)境要素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)，南四湖藻密度變幅最大，其中上級(jí)湖藻密度變異系數(shù)為2.046，藻密度最大值是最小值的120倍. 對(duì)2010-2020年南四湖上、下級(jí)湖藻密度進(jìn)行M-K趨勢(shì)性檢驗(yàn)，診斷結(jié)果中統(tǒng)計(jì)量Z分別為-2.02、-1.04，其中上級(jí)湖藻密度序列通過(guò)了信度95%的顯著性檢驗(yàn)，序列存在明顯下降趨勢(shì). 但在M-K檢驗(yàn)方法中，趨勢(shì)性只受到樣本秩與樣本個(gè)數(shù)n的影響，從而忽略了樣本中排序靠后的較大數(shù)據(jù)值[19]，從圖3可見(jiàn)，南四湖藻密度具有顯著的季節(jié)特征，上級(jí)湖藻密度在2016年后部分月份出現(xiàn)極大值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他月份，故不能得出上級(jí)湖藻密度在2010-2020年呈顯著減少趨勢(shì). 其中上級(jí)湖2016-2020年10月藻密度分別為520.0×104、515.0×104、500.0×104、480.0×104、470.0×104cells/L.

表1 2010-2020年南四湖藻密度及其水環(huán)境要素統(tǒng)計(jì)量*

圖3 2010-2020年南四湖藻密度及水環(huán)境要素變化(灰色區(qū)域表示上、下級(jí)湖UFk同時(shí)超越臨界線(xiàn)的范圍)Fig.3 Changes of algae density and water environment factors in Lake Nansi from 2010 to 2020(The gray area indicates the range where the UFk exceeds the critical line)

在突變點(diǎn)分析過(guò)程中，全部樣本數(shù)據(jù)序列兩端的部分樣本點(diǎn)就不能做突變點(diǎn)的判斷，故靠近2010年與2020年兩端的突變點(diǎn)不予采信. 結(jié)合M-K檢驗(yàn)、MWP檢驗(yàn)、累積距平曲線(xiàn)法(圖略)分析各站點(diǎn)水質(zhì)序列的突變點(diǎn)，其中在M-K檢驗(yàn)中，若UFk超越臨界直線(xiàn)，表示上升或下降趨勢(shì)顯著. 藻密度及水環(huán)境要素序列在2010-2020年間存在多個(gè)突變點(diǎn)(表2)，局部年份變化明顯，突變點(diǎn)主要集中在2013-2015年. 南四湖上級(jí)湖藻密度在2013年12月出現(xiàn)突變點(diǎn)，下級(jí)湖在2014年4月出現(xiàn)突變點(diǎn)，均在突變發(fā)生后開(kāi)始增長(zhǎng)至2016年，但不顯著；上、下級(jí)湖TP、氨氮濃度分別在2014年、2013年有突變點(diǎn)，且均在突變點(diǎn)后一直保持顯著上升趨勢(shì)；Chl.a濃度在2015年存在突變點(diǎn)，隨后濃度有所上升；TN、氮磷質(zhì)量比(TN/TP)、BOD5、CODMn在上、下級(jí)湖中沒(méi)有識(shí)別出突變點(diǎn).

表2 南四湖藻密度及其水環(huán)境要素序列趨勢(shì)突變點(diǎn)*

南四湖水質(zhì)總體良好(圖4)，2010-2020年南四湖上、下級(jí)湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)年均值范圍分別為0.759～0.945、0.719～0.926，基本達(dá)到了東線(xiàn)工程輸水水質(zhì)地表Ⅲ類(lèi)水要求，但仍有個(gè)別污染物的污染指數(shù)出現(xiàn)較大值，造成總體水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，其中上、下級(jí)湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)最大值均出現(xiàn)在2013年. 上、下級(jí)湖BOD5污染指數(shù)部分年份超過(guò)1，TN污染指數(shù)一直大于1，TN單項(xiàng)指標(biāo)污染情況最嚴(yán)重. 對(duì)2010-2020年南四湖上、下級(jí)湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)進(jìn)行M-K趨勢(shì)性檢驗(yàn)，診斷結(jié)果中統(tǒng)計(jì)量Z分別為-4.11、-3.36，通過(guò)了信度99%的顯著性檢驗(yàn)，序列存在明顯下降趨勢(shì). 2020年南四湖上、下級(jí)湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)年均值分別為0.796、0.767，2010年分別為0.886、0.907，與2010年相比分別下降10.2%、15.4%，湖泊水環(huán)境質(zhì)量總體出現(xiàn)一定程度的好轉(zhuǎn).

圖4 2010-2020年南四湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)變化Fig.4 Changes of comprehensive pollution index of water quality in Lake Nansi from 2010 to 2020

2.3 藻密度及水環(huán)境要素年內(nèi)變化特征

根據(jù)南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程的運(yùn)行規(guī)則和南四湖流域的水文氣象特征，將南四湖藻密度及水環(huán)境要素從年際劃分為南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程運(yùn)行前后兩個(gè)部分(2010年1月-2013年12月、2014年1月-2020年12月)，從年內(nèi)劃分為汛前、汛中、汛后(2-5月、6-9月、10-1月)，從而明晰南四湖湖區(qū)2010-2020年藻密度及水環(huán)境要素年內(nèi)分布情況(圖5).

圖5 調(diào)水前后南四湖藻密度及其水環(huán)境要素年內(nèi)分布特征對(duì)比(圖中橫括弧顯示統(tǒng)計(jì)量P值，**表示在0.01級(jí)別呈顯著差異，*表示在0.05級(jí)別呈顯著差異)Fig.5 Comparison of the distribution characteristics of algae density and water environment factors in Lake Nansi before and after water transfer

結(jié)果表明，調(diào)水工程使湖區(qū)藻密度年內(nèi)分布發(fā)生了明顯變化，汛前藻密度平均值由33.96×104cells/L(工程運(yùn)行前)下降至6.42×104cells/L(工程運(yùn)行后)，并具有顯著性差異. 調(diào)水工程引起的汛中、汛后藻密度平均值變化并沒(méi)有通過(guò)差異顯著性檢驗(yàn)，但南四湖藻密度每年峰值主要集中在汛中(工程運(yùn)行前)，轉(zhuǎn)為出現(xiàn)在汛后(工程運(yùn)行后). TN、TP的年內(nèi)各時(shí)期濃度在調(diào)水工程前后變化規(guī)律并不相同，但從氮磷比的角度分析，調(diào)水對(duì)南四湖湖區(qū)氮磷比造成了較大影響，氮磷比汛前、汛中、汛后在工程運(yùn)行后相對(duì)工程運(yùn)行前顯著下降，分別降低了30.7%、45.3%、39.5%，沒(méi)有改變氮磷比汛前高、汛后低的分布情況. BOD5年內(nèi)各時(shí)期在調(diào)水工程前后也顯著下降，分別降低了32.1%、42.5%、29.7%. Chl.a、氨氮、CODMn在工程運(yùn)行前后，年內(nèi)分布沒(méi)有明顯變化，均在汛中出現(xiàn)較高值.

3 討論

3.1 南四湖營(yíng)養(yǎng)元素變化原因分析

對(duì)比2006-2010年[20]，2010年以來(lái)南四湖整體水質(zhì)明顯改善，但較高濃度的氮使東線(xiàn)一期工程水質(zhì)保護(hù)問(wèn)題凸顯. 林雪原等[21]指出流域TN排放中，農(nóng)田化肥和畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率達(dá)到85.39%，而農(nóng)業(yè)面源污染型治理難度大，短期內(nèi)改善程度較低；二級(jí)壩的建立，使南四湖分為上、下級(jí)湖，湖中水體流速減緩、污染物滯留時(shí)間增加，使水質(zhì)進(jìn)一步惡化. 南四湖湖面狹長(zhǎng)，受納蘇、魯、豫、皖4省32縣(市)來(lái)水， TN污染發(fā)生隨機(jī)、機(jī)理復(fù)雜、時(shí)空差異性大、來(lái)源多和來(lái)量大讓南四湖流域的TN污染治理問(wèn)題難以突破.

水文氣象通過(guò)影響水體中污染源的來(lái)源、遷移、生態(tài)效益等過(guò)程直接或間接對(duì)水生態(tài)環(huán)境造成影響. 南四湖在2013-2015年水文氣象條件有所變化(圖2)，在人為干預(yù)下，2014年與2015年二級(jí)湖閘站全年未開(kāi)閘放水，下級(jí)湖總出湖年徑流量為“0”. 上、下級(jí)湖與運(yùn)河之間阻隔，減少湖泊的連通性與流動(dòng)性，大大增加了流域入湖污染物在水體滯留時(shí)間，水體自?xún)裟芰图{污能力都會(huì)減弱，加之高溫與水淺，水質(zhì)持續(xù)惡化，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅[22]. 為應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的旱情，緊急制定了2014年南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水方案，通過(guò)南水北調(diào)東線(xiàn)從長(zhǎng)江向南四湖實(shí)施調(diào)水. 調(diào)水工程引起的外源輸入變化，同時(shí)南四湖的嚴(yán)重旱情、水體隔絕、營(yíng)養(yǎng)富集，可能是2013年與2015年期間南四湖水環(huán)境指標(biāo)的時(shí)序發(fā)生突變和突變點(diǎn)后上升趨勢(shì)的原因.

3.1.1 入湖河流的影響 入湖河流的水質(zhì)狀況是南四湖水質(zhì)狀況優(yōu)劣的決定性因素[23]. 分析2010-2020年南四湖上、下級(jí)湖水質(zhì)與對(duì)應(yīng)入湖河流水質(zhì)相關(guān)程度(表3)，南四湖主要入湖河流水質(zhì)對(duì)南四湖整體水質(zhì)影響顯著，其中上級(jí)湖與入湖河流的TN、BOD5呈顯著相關(guān)，下級(jí)湖與入湖河流的各水質(zhì)指標(biāo)都呈顯著相關(guān). 并結(jié)合圖3和表4，上、下級(jí)湖TN處于較高水平，這與入湖河流長(zhǎng)期的高濃度氮輸入有一定關(guān)系. 解文靜等[24]也認(rèn)為南四湖水體接納入湖河流的污染，河流中有機(jī)物污染相對(duì)嚴(yán)重，含氮量高.

表3 2010-2020年南四湖與主要入湖河流水質(zhì)指標(biāo)Spearman相關(guān)系數(shù)

隨著南四湖流域城市建設(shè)用地和農(nóng)村建設(shè)用地整體分布從點(diǎn)到面的擴(kuò)大，下墊面條件的改變[25]，導(dǎo)致不透水面積增加和農(nóng)業(yè)面源污染加重. 將含暴雨等級(jí)以上降雨強(qiáng)度的月份從總體時(shí)序中篩選出來(lái)，對(duì)比降雨時(shí)期河流污染程度與多年平均值，見(jiàn)表4. 南四湖流域存在強(qiáng)降水時(shí)，河流中各營(yíng)養(yǎng)元素都存在不同程度的增加，一方面可能是南四湖作為流域內(nèi)污染源排放的唯一歸宿，在受汛期暴雨沖刷的影響，大量的營(yíng)養(yǎng)元素隨排水或雨水淋溶進(jìn)入水體，湖泊水體污染負(fù)荷勢(shì)必會(huì)增加，導(dǎo)致汛中整體水質(zhì)較差，另一方面可能是河流中徑流量與流速增大，使河道中氮磷污染物從底泥中釋放再懸浮，進(jìn)一步增大河流中污染負(fù)荷.

表4 主要河流降雨時(shí)期水質(zhì)與多年均值對(duì)比

3.1.2 調(diào)水工程的影響 調(diào)水是通過(guò)改變水文條件和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度間接影響藻類(lèi)的生長(zhǎng)與消落，而且湖泊本身存在點(diǎn)面源污染，湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境不會(huì)因?yàn)檎{(diào)水立刻發(fā)生變化，增加了影響因子量化的困難性，導(dǎo)致難以具體分析受水區(qū)水環(huán)境與調(diào)水工程響應(yīng)關(guān)系，但從水環(huán)境指標(biāo)的長(zhǎng)序列變化來(lái)看，上半年的規(guī)律性調(diào)水營(yíng)造出了年內(nèi)與年際的周期性水文脈沖，影響了水環(huán)境中各要素或各要素之間的轉(zhuǎn)化和傳輸，改變了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律[26].

對(duì)比調(diào)水工程建設(shè)運(yùn)行前后(圖5)，汛前調(diào)水期氮和磷濃度有所增加，可能是調(diào)水泄流產(chǎn)生的水動(dòng)力擾動(dòng)會(huì)讓底泥中大量懸浮物進(jìn)入水體，而底泥作為污染物的天然蓄積池，沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景值[27]，釋放的加快造成水體二次污染. 從外源污染輸入方面分析，南四湖調(diào)水期水質(zhì)的改善可能是經(jīng)過(guò)駱馬湖與京杭運(yùn)河的來(lái)水量大且水質(zhì)較好. 從內(nèi)源污染方面分析，由于南四湖窄長(zhǎng)的湖泊形態(tài)和泵站抽排水，湖泊水位波動(dòng)較大(圖2)，在自然變化和人為調(diào)水的干預(yù)下，水位是受到影響最顯著的水文過(guò)程[28]，有研究表明[29-31]，水位波動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，會(huì)導(dǎo)致湖泊的自?xún)裟芰铜h(huán)境承載能力降低. 湖泊過(guò)高水位對(duì)入湖河道的頂托和水漫坡地面積增加，導(dǎo)致地面徑流和地質(zhì)帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)鹽增多，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化；湖泊過(guò)低水位會(huì)對(duì)污染輸入響應(yīng)更劇烈，水環(huán)境指標(biāo)易出現(xiàn)峰值，增加突發(fā)環(huán)境污染事件的風(fēng)險(xiǎn).

3.2 藻密度的影響因素

通過(guò)南四湖藻密度與各指標(biāo)Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明，水溫、降水對(duì)南四湖藻密度的變化起著至關(guān)重要的作用(表5). 由上述分析可知，降雨導(dǎo)致大量外源污染物進(jìn)入南四湖水體，通過(guò)改變?cè)孱?lèi)所需營(yíng)養(yǎng)鹽濃度而間接影響藻類(lèi)生長(zhǎng). 南四湖藻密度四季變化明顯，有大量研究表明[32-34]，當(dāng)溫度較低時(shí)，水體藻類(lèi)生長(zhǎng)受到限制，藻在春季生物量并不高，夏季日照增強(qiáng)、水溫較高，隨著溫度的升高，綠藻、藍(lán)藻等喜溫浮游植物大量生長(zhǎng). 溫度升高與藻類(lèi)生長(zhǎng)消落過(guò)程會(huì)增強(qiáng)水體中氮的吸收利用及脫氮能力[35]，這可能是造成藻的生物量與氮呈負(fù)相關(guān)，湖體氮濃度峰值一般出現(xiàn)在初春的原因(圖5).

表5 南四湖藻密度與主要水環(huán)境要素Spearman相關(guān)系數(shù)

對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)關(guān)系對(duì)藻密度的影響程度并不一致，其中與氮磷比呈顯著負(fù)相關(guān)，與TP呈顯著正相關(guān). 氮和磷作為藻類(lèi)生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，兩者之比對(duì)藻密度的變化有著重要的影響[36]，Redfield等[37]認(rèn)為浮游植物生長(zhǎng)最適氮磷比為16∶1，大于此值時(shí)為磷素限制狀態(tài)，也有研究發(fā)現(xiàn)[38]最適氮磷比根據(jù)不同水體而發(fā)生變化. 南四湖氮磷比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最適氮磷比，結(jié)合圖3、圖5分析，氮磷比在調(diào)水工程建設(shè)運(yùn)行后明顯下降，而且藻密度在調(diào)水后的增長(zhǎng)趨勢(shì)與TP濃度上升基本上保持一致，表明南四湖可能為磷限制性湖泊. 藻密度細(xì)胞與Chl.a濃度都為表征藻類(lèi)生物量的2種重要方法，兩者之間也具有顯著的相關(guān)性. 南四湖藻密度與CODMn呈顯著正相關(guān)，與BOD5相關(guān)性較低，與田時(shí)彌[39]、Qu等[6]的研究結(jié)果相似，水中有機(jī)物經(jīng)過(guò)氧化分解后也是藻類(lèi)可以利用營(yíng)養(yǎng)鹽的直接來(lái)源.

4 結(jié)論

1)2010-2020年南四湖上、下級(jí)湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)年均值范圍分別為0.759～0.945、0.719～0.926，2020年南四湖上、下級(jí)湖水質(zhì)綜合污染指數(shù)年均值分別為0.796、0.767，2010年為0.886、0.907，與2010年相比分別下降10.2%、15.4%，南四湖整體水質(zhì)逐漸改善，但TN單項(xiàng)污染指數(shù)仍超標(biāo)，與入湖河流長(zhǎng)期的高濃度TN輸入有關(guān). 南四湖水污染防范與治理可將重點(diǎn)落腳于入湖河流關(guān)鍵性水質(zhì)指標(biāo)污染的治理.

2)同時(shí)受南水北調(diào)東線(xiàn)工程運(yùn)行初期與嚴(yán)峻旱情的疊加效應(yīng)影響，南四湖藻密度、TP、氨氮、Chl.a監(jiān)測(cè)序列在2013-2015年有突變點(diǎn)，且在突變點(diǎn)后指標(biāo)濃度均呈增加趨勢(shì).

3)南水北調(diào)東線(xiàn)工程的運(yùn)行，改變了南四湖藻密度年內(nèi)分布情況，改善了調(diào)水期總體水質(zhì)情況. 藻密度年內(nèi)波動(dòng)較為強(qiáng)烈，在調(diào)水期結(jié)束后的10月份出現(xiàn)峰值，其中2016年上級(jí)湖藻密度高達(dá)520.0×104cells/L.

4)南四湖藻密度的變化不僅僅與TP、氮磷比、CODMn呈顯著相關(guān)，還與水溫和降水關(guān)系密切.