近30年鄱陽湖營養鹽時空異質性演變趨勢研究

張 迪,王 華,莊 巍，袁偉皓，曾一川，田瑩瑩

(1.河海大學環境學院，南京 210098；2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，南京 210098；3. 生態環境部南京環境科學研究所，南京 210042)

引 言

1 研究區域與數據來源

鄱陽湖(E115°49′～116°46′，N28°11′～29°51′)位于江西省北部長江中下游南岸(圖1)，是我國第一大淡水湖，也是國際重要濕地。流域涉及南昌、新建、進賢等30個縣市區，上游承接贛江、撫河、信河、饒河、修河五條主要河流來水，經湖區調蓄后由湖口注入長江，是一個典型的通江湖泊，對調節長江徑流以及在維系區域水量平衡與生態安全方面發揮著重要作用[15～18]。湖區以松門山為界可分為南北兩部分，北面為入江水道，湖體窄而深，長40km，寬3～5km，最窄處約為2.8km，構成北部湖區；南部構成主湖體，湖泊寬而淺，長133km，最寬處達74km，且水面面積與庫容隨季節變幅較大。根據近50年觀測資料，鄱陽湖水位高程為9m時(湖口水文站，吳淞基面)，湖區面積為204.5km2；水位高程為14m時，面積為2 692km2；水位高程為18m時，面積為3 155km2，歷年最高水位22.59m時(1998年7月31日)，湖區水面面積4 500km2，容積3.4×1010m3。歷年最低水位5.9m時(1963年2月6日)，面積僅為146km2[19～21]。

圖1 研究區域地理位置及主要監測控制點分布圖Fig.1 Geographical location of the study area and distribution map of the main station

2 研究方法

2.1 R/S分析法

表1 Hurst指數判別標準Tab.1 The discriminant standard of Hurst

2.2 相關性分析

運用R3.6.1計算鄱陽湖各監測點之間的Pearson系數并進行相關性檢驗，設置0.01和0.05兩種顯著性水平，p<0.05表示具有統計學意義相關，p<0.01則表示顯著相關。Pearson系數計算的具體公式如下[26-27]：

式中，r為兩點位相關系數，xi、yi分別為研究點位營養鹽含量年均值序列，n為年數，取n=30，lxx、lyy分別為變量x、y的離均差平方和，lxy為變量x、y的離均差積和。相關系數的絕對值越大，相關性越強，相關系數越接近于1或-1，相關度越強，相關系數越接近于0，相關度越弱。根據經驗可將相關程度分為以下幾種情況：當 0.8≤│r│<1 時，視為極強相關；0.6≤│r│<0.8 時，視為強相關；0.4≤│r│<0.6 時，視為中等程度相關；│r│<0.4 時，說明變量之間的相關程度極弱，或視為不相關。

3 結果與討論

3.1 鄱陽湖營養鹽演變趨勢分析

圖2 鄱陽湖近30年主要監測點位氨氮年均濃度演變趨勢分析Fig.2 Analysis of the evolution trend of concentration at major monitoring points in Poyang lake in the past 30 years

圖3 鄱陽湖近30年主要監測點位總磷年均濃度演變趨勢分析Fig.3 Analysis of the evolution trend of TP concentration at major monitoring points in Poyang lake in the past 30 years

TP年均濃度存在兩個峰值點，在1988～1993年間整體處于較高水平，在1993年達到峰值，平均濃度為0.071mg/L，為Ⅳ類水濃度水平；1993～2000年期間，濃度整體呈現下降趨勢，于2000年降至一個相對較低的濃度水平，該年9個站點的平均值為0.027mg/L，除信江東支外，基本處于Ⅱ類水標準；之后又處于上升趨勢，在2014年達到第二次最大值，峰值范圍為0.105 mg/L，整體處于Ⅴ類水標準。各站點中濃度最高的為鄱陽，近30年均值為0.101mg/L，峰值為0.260 mg/L，出現在2014年，谷值為0.015 mg/L，出現在1998年。濃度最低的是修河口，近30年均值為0.041mg/L，峰值為0.065mg/L，出現在2018年，谷值為0.011 mg/L，出現在1998年。此外，信江東支濃度也處于較高水平，可能與排入信江的污染物濃度有關。

鄱陽的氨氮、總磷濃度常年居高，是因為受到饒河支流樂安河的工業污水排放影響，而修河口處于鄱陽湖主湖區的北部出口，且根據實測數據顯示，修河對鄱陽湖的氮磷排放也處于一個相對較低的水平，鄱陽站的營養鹽濃度經湖區調蓄后有了顯著的減小，至修河口處水質有所好轉。

鄱陽湖不同點位營養鹽濃度實測結果變化過程線直觀上反映了近30年來營養鹽的波動特征。為進一步揭示營養鹽時間序列的分形特征，現采用R/S分析法計算序列的Hurst指數(部分擬合結果見圖4)。分析可知，各監測斷面營養鹽序列的Hurst指數均大于0.5，說明各監測點營養鹽序列呈現出較強的持續性，鄱陽湖各項營養鹽指標自2014年至今均呈現小幅度的波動趨勢，即表示一段時間內各項營養鹽將持續當前的小幅度波動演變趨勢。

圖4 鄱陽湖部分監測點營養鹽濃度與Log10n相關性Fig.4 The correlation between and log10n in each monitoring sectionof the Poyang Lake

3.2 鄱陽湖營養鹽空間分異特征

并進一步定量分析鄱陽湖各點位營養鹽濃度的相關特征，運用R3.6.1計算Pearson系數并進行相關性檢驗，結果如圖5、圖6所示。

圖5 鄱陽湖主要監測點濃度相關性Fig.5 Correlation of concentration in main monitoring

圖6 鄱陽湖主要監測點TP濃度相關性Fig.6 Correlation of TP concentration in main monitoring points of the Poyang Lake

分析可知：(1)各點位間氨氮較總磷總體呈現出較好的相關性特征；(2)位于北部湖區的蛤蟆石和星子氨氮和總磷均表現出極強的相關性，相關系數分別為0.8(p<0.01)、0.46(p<0.01)，原因是北部湖區湖體狹長，寬度較窄，流速較快，兩站點之間的水質呈現了較好的傳遞性。(3)位于中部湖區的鄱陽、棠蔭、都昌、蚌湖的氨氮呈現出較強的相關性，從湖泊水體的流向來看，4個站點位于主湖體的中泓線，站點之間傳遞了鄱陽的湖流條件，呈現了相似的水質變化趨勢，但是水質因子濃度經過湖區水體的調蓄后有了明顯的減小，說明湖區水量增多起到了稀釋的作用；(4)贛江主支、信江東支、修河口與之間表現出相較弱的相關性，原因可能是分別來自贛江、信江、修河的河流在不同位置匯入鄱陽湖，相互之間水流交換較弱。(5)修河口和鄱陽的相關性極低，原因是站點之間位置較遠，鄱陽站點水質經湖區調蓄后流至修河口已不具有鄱陽站點的水質特性。

4 結論與建議

本文研究結果表明：鄱陽湖營養鹽濃度自2006年左右開始呈現顯著上升趨勢，在2014年左右達到峰值，全湖水質處于Ⅳ～Ⅴ水濃度水平，2015～2018年有一定幅度的下降，并預測了一段時間內的上升趨勢；且全湖不同湖區不同監測斷面也表現出一定的差異性，北部湖區水質優于南部湖區，鄱陽常年處于較高濃度水平，修河口則處于較低濃度水平。鄱陽和信江東支可能是由于距離饒河流域入湖口較近，樂安河是饒河的主要支流，近年來樂安河流域工業排放大量氮磷超標的污水。修河口處于鄱陽湖主湖區出口，湖區污染物在流經整個湖區后經湖泊調蓄到北部湖區后水質有所好轉，且作為通江湖泊的鄱陽湖，在年內汛期7～9月份、枯季11～12月份會發生長江水倒灌的現象，對鄱陽湖水質交換也起到一定作用。

鄱陽湖近30年的水質演變趨勢與江西省的經濟發展和工業化進程密切相關，為保證鄱陽湖經濟帶的可持續發展，建議嚴格流域污染源控制和加快轉變經濟發展模式，對位于繞河入湖處的鄱陽、信江東支斷面常年處于較高濃度水平的情況，建議進一步針對饒河流域做污染源調查和污染源強分析；建議下一步研究可對長江與鄱陽湖的江水交換水量和水質做相關性分析，以期制定靈活的彈性污染限制排放政策。