巢湖作为中国五大淡水湖之一,地处长江中下游,连接长江与淮河,是引江济淮的重要通道,具有水源调蓄、维护区域生态平衡和生物多样性保护、航运、观光旅游等重要生态功能和战略价值,在合肥市国民经济和社会发展中发挥着重要作用[1]。巢湖主要出入湖河流有9条[2-3],呈放射状分布在巢湖周围,巢湖水质在一定程度上受入湖河流水质影响[4]。随着流域内经济的快速发展,农业面源污染和工业废水排放以及环湖河流污染物输入,导致巢湖水体氮、磷元素严重超标。为解决巢湖水体富营养化的问题,安徽省人民代表大会常务委员会审议通过了《巢湖流域水污染防治条例》,安徽省生态环境厅发布了《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》[5-6]等相关政策,开展巢湖蓝藻“天地一体化”应急防控监测,并结合巢湖蓝藻水华情势,及时启动预警加密监测。然而,巢湖水体富营养化问题并没有被很好地解决,巢湖西部湖区夏季蓝藻暴发依然普遍。磷作为湖库富营养化的重要影响因素,近年来众多学者也从不同角度对湖库总磷(TP)问题进行了分析研究。王菁晗等[7]对“老三湖”总磷浓度与气象条件的相关关系进行了研究;刘杰等[8]利用贝叶斯网络模型分析了太湖总磷等营养盐对叶绿素a的影响。巢湖蓝藻水华风险和水体富营养化现象被广泛研究[9-11]。但以上研究是对时间跨度短和有限的空间范围磷元素污染来源、变化规律的研究,缺少对巢湖流域河湖系统TP浓度联动分析以及中长期变化趋势的研究。因此,本研究系统分析了2014—2023年巢湖流域河湖系统ρ(TP)时空变化规律,一方面反映了巢湖流域水污染防治成效,另一方面为巢湖流域TP污染深入治理提供技术支撑。
1 研究方法 1.1 采样点位设置本研究选择巢湖流域国家地表水环境质量监测网中巢湖湖区和出入湖河流共17个水质监测点,其中东巢湖5个点位,分别为:龟山(L1)、黄麓(L2)、东半湖湖心(L3)、兆河入湖区(L4)、忠庙(L5);西巢湖3个点位,分别为:新河入湖区(L6)、湖滨(L7)、西半湖湖心(L8);入湖河流断面8个,分别为:南淝河(R1)、十五里河(R2)、派河(R3)、杭埠河(R4)、白石天河(R5)、兆河(R6)、柘皋河(R7)、双桥河(R8);出湖河流断面1个,为裕溪河(R9)。巢湖流域水质监测点位分布示意见图 1。
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图 1 巢湖流域水质监测点位分布示意 |
采用2014—2023年巢湖湖区、出入湖河流17个监测点ρ(TP)月度监测值和年平均值。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[12]中Ⅰ—Ⅴ类ρ(TP)标准限值(表 1)和《地表水环境质量评价办法(试行)》[13]进行单因子评价。
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表 1 《GB 3838—2002》中ρ(TP)标准限值 |
采用Microsoft Excel 2016软件对水质监测数据进行统计分析以及斯皮尔曼(Spearman)秩相关系数(rs)的计算;采用Origin 2018绘制污染物浓度时空分布箱线图和K-means聚类分析;采用ArcGIS软件绘制监测点位分布示意图。季节划分为:3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月至次年2月为冬季。
2 结果与分析 2.1 巢湖流域ρ(TP)年际变化2014—2023年巢湖流域ρ(TP)年均值统计结果及变化趋势见表 2和图 2,变化趋势显著性检验结果见表 3。
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表 2 2014—2023年巢湖流域ρ(TP)年均值统计结果 |
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图 2 2014—2023年巢湖流域ρ(TP)年均值变化趋势 |
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表 3 2014—2023年巢湖流域ρ(TP)年均值变化趋势显著性检验结果① |
由表 2、3和图 2可见,10年间,巢湖ρ(TP)年均值(0.066~0.107 mg/L)有所下降,但下降趋势不显著(rs=-0.461),ρ(TP)总体呈先升后降趋势,2017年达到峰值,2019年和2020年下降幅度较大,分别较峰值下降了27.1%和38.3%,2023年ρ(TP)为近10年最小值,较2014年下降18.5%,较峰值下降38.3%。2014年ρ(TP)为0.046~0.123 mg/L,2017年变化范围最大,ρ(TP)为0.066~0.169 mg/L,2023年ρ(TP)变化范围为0.052~0.086 mg/L。2023年巢湖全湖及各监测点的ρ(TP)年均值仍超过《GB 3838—2002》中湖库总磷Ⅲ类标准限值,需引起重视。
分湖区看,巢湖ρ(TP)分布呈西高东低趋势。东巢湖ρ(TP)年均值(0.058~0.091 mg/L)变化趋势与巢湖全湖一致(图 2),有所下降,但下降趋势不显著(rs=-0.424),2018年ρ(TP)年均值为0.091 mg/L,为近10年最高年份,与巢湖全湖和西巢湖相比,峰值向后延后1年;2019年东巢湖ρ(TP)为0.062 mg/L,下降程度明显,较峰值下降31.9%;2023年为近10年最小值,ρ(TP)年均值为0.058 mg/L,较2014年下降7.9%,较峰值下降36.3%。2014年ρ(TP)变化范围为0.046~0.095 mg/L,2017年为近10年ρ(TP)变化范围最大年份,变化范围为0.066~0.132 mg/L,2023年变化范围为0.052~0.063 mg/L;东巢湖5个监测点的ρ(TP)年均值变化情况不一致,其中龟山测点ρ(TP)呈略有上升趋势,黄麓,东半湖湖心和兆河入湖区3个监测点的ρ(TP)均有所下降,但下降趋势不显著,而忠庙测点ρ(TP)则呈显著下降趋势。
西巢湖ρ(TP)年均值(0.076~0.142 mg/L)变化趋势与东巢湖有所不同(图 2),呈显著下降趋势(rs=-0.8),2017年ρ(TP)年均值为0.145 mg/L,为近10年最高年份;2018—2020年西巢湖ρ(TP)下降明显,较峰值分别下降15.5%,26.1%和46.5%,2020年为近10年最小值,ρ(TP)年均值为0.076 mg/L,2020年以后呈波动式变化,2023年ρ(TP)年均值为0.081 mg/L,分别较2014,2017和2020年分别下降26.4%,43.0%和上升6.6%;西巢湖ρ(TP)变化范围情况与全湖一致,2014年西巢湖ρ(TP)变化范围为0.101~0.123 mg/L,2017年为近10年ρ(TP)变化范围最大年份,变化范围为0.111~0.169 mg/L,2023年变化范围为0.075~0.086 mg/L;西巢湖3个监测点的ρ(TP)年均值均呈显著下降趋势。
由表 3可见,环巢湖河流ρ(TP)年均值(0.087~0.29 mg/L)总体呈显著性下降趋势(rs=-0.958),2014—2019年下降幅度较大(图 2),2019年较2014年下降64.1%,自2019年以来,环湖河流ρ(TP)下降进入“瓶颈期”。分河流看,西巢湖3条入湖河流(南淝河、十五里河和派河点位)ρ(TP)均呈显著下降趋势;5条东巢湖入湖河流ρ(TP)变化情况不一致,其中双桥河点位ρ(TP)呈显著下降趋势,杭埠河和兆河点位ρ(TP)下降趋势不显著,白石天河点位ρ(TP)呈显著上升趋势,柘皋河点位ρ(TP)呈上升趋势但不显著;出湖河流裕溪河点位ρ(TP)有所下降,但下降趋势不显著。
初步分析,流域污染减排与控制、污水处理设施的建设与升级以及农业面源污染的治理是导致ρ(TP)下降的主要原因。通过先进技术提高污水处理率[14],合肥市城市污水处理率由2015年的92.12%提升至2021年的95.70%。“十三五”期间,合肥市分别新建和扩建污水处理厂5座和7座,合计处理能力136万t/d,城区所有污水处理厂全部完成提标改造,出水水质符合《巢湖流域城镇污水处理厂和工业行业主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016) 标准。《2020年中国生态环境状况公报》显示,长江经济带11省(市)279家“三磷”企业(矿、库)均完成问题整治。根据统计资料[15],近年来合肥市范围内农业面源贡献量呈快速下降趋势,合肥市2022年农用磷肥施用量为19 005 t,较2014年和2020年分别减少58.3%和39.5%;2022年农药使用量为3 105 t,较2014年和2020年分别减少43.9%和18.8%;2022年畜牧业肉类总产量为35.5万t,较2015年减少27.7%。随着城镇及农村污水处理设施的建设完善,污水直排现象减少,降低了城镇污染源贡献。但近年来合肥市人口数量和经济总量快速增长,2022年城镇人口较2015年增长35.7%,2022年工业废水排放量较2015年增长28.2%,加上巢湖周边也存在磷矿区[16],流域内的工农业活动产生的过量磷以及汛期时流域内断面TP易超标,TP污染形势仍十分严峻。
2.2 巢湖流域ρ(TP)月度变化2014—2023年巢湖流域ρ(TP)月均值统计结果见表 4。2014—2023年巢湖流域ρ(TP)月均值变化趋势见图 3。
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表 4 2014—2023年巢湖流域ρ(TP)月均值统计结果 |
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图 3 2014—2023年巢湖流域ρ(TP)月均值变化趋势 |
由表 4可见,10年间,巢湖水体ρ(TP)月均值范围为0.061~0.118 mg/L,1—12月逐月ρ(TP)平均值分别为0.071,0.061,0.067,0.069,0.069,0.089,0.103,0.089,0.118,0.111,0.103和0.085 mg/L,其中2月份最低(0.061 mg/L),9月份最高(0.118 mg/L)。分湖区看,东、西巢湖季节变化与巢湖全湖基本一致,其中东巢湖ρ(TP) 月均值范围为0.054~0.100 mg/L,2月份最低,10月份最高。西巢湖ρ(TP)月均值范围为0.71~0.165 mg/L,2月份最低,9月份最高;与西巢湖相比,东巢湖ρ(TP)月均值变化幅度较小,月平均浓度峰值延后1个月。环巢湖河流ρ(TP)月均值范围为0.141~0.175 mg/L,1—12月逐月ρ(TP)平均值分别为0.164,0.171,0.161,0.168,0.170,0.175,0.150,0.141,0.141,0.150,0.164和0.163 mg/L,其中8、9月份最低(0.141 mg/L),6月份最高(0.175 mg/L),春、冬季略高于夏、秋季,但最高值出现在夏初。
由图 3可见,巢湖全湖各月ρ(TP)平均值均超过地表水Ⅲ类标准限值(≤0.05 mg/L),总体呈现出1—5月ρ(TP)较低,6—12月较高的特征。这与朱广伟等[17]研究发现太湖总磷浓度呈现夏、秋季湖体磷赋存量明显高于冬、春季节的特征具有一致性,春季是藻类快速增殖期,春季水体总磷浓度下降可能与水体藻类的快速吸收利用有关,秋季总磷浓度较高与巢湖周边湿地植物和湖内大量藻类凋亡腐烂导致植物和藻类体内有机磷分解有关。同时相关研究表明[18-19],湖体底泥是磷元素累积和再生的重要场所,底泥中磷的释放主要与水体中的水温和水体扰动有关,水温升高以及湖水流速的加快都有利于底泥中磷的释放。夏季水温升高促进底泥中磷的交换,有利于底泥中磷的释放,同时夏季降雨带入大量含磷营养盐进入湖体。以2023年为例,巢湖8条主要入湖河流夏季总磷平均质量浓度较春、冬季高40.3%。与巢湖湖区相比,环湖河流月均ρ(TP)变化幅度较小,出现最高月均浓度时间提前3个月。春、冬季环湖河流ρ(TP)变化趋势不明显,在0.165 mg/L左右(图 3),这是由于枯水期季降雨较少,河流流量减少,工业废水和生活污水排放的含磷物质得不到有效稀释,导致水体中总磷浓度升高。夏初环湖河流ρ(TP)达最高值,这是由于春、冬季无雨或小雨,面源污染不容易被冲刷到河内,夏初强降雨会把长期积累的污染物随雨水带到河内导致ρ(TP)升高。巢湖流域7—10月降雨较大[7],河水上涨对污染物能有效稀释,随着11—12月河水量减少,ρ(TP)呈上升趋势。
2.3 巢湖流域ρ(TP)空间分布2014—2023年巢湖流域ρ(TP)空间分布见图 4(a)(b)。
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图 4 2014—2023年巢湖流域ρ(TP)空间分布 注:IQR指数据集的四分位差。 |
由图 4(a)可见,10年间,巢湖湖区8个水质监测点逐月监测ρ(TP)平均值大小排序依次为:L6>L7>L8>L5>L4>L3>L2>L1,ρ(TP)平均值分别为:0.120,0.107,0.095,0.091,0.077,0.068,0.067,0.063 mg/L。逐月监测的TP超标率(超地表水湖库Ⅲ类标准限值0.05 mg/L)分别为:95.8%,88.3%,91.7%,83.3%,75.0%,71.7%,63.3%和62.5%。由图 4(b)可见,9个环巢湖河流监测断面的逐月ρ(TP)平均值大小依次为:R1>R2>R3>R8>R4>R9>R7>R5>R6,ρ(TP)平均值分别为:0.353,0.332,0.229,0.094,0.091,0.085,0.082,0.068 mg/L,逐月监测的TP超标率(超总磷地表水河流Ⅲ类标准限值:0.2 mg/L)分别为:72.5%,44.2%,39.2%,10.8%,2.5%,0.8%,0,0和1.7%。
巢湖流域ρ(TP)空间聚类结果见图 5(a)(b)。由图 5(a)可见,巢湖湖区ρ(TP)在空间上分为3类,分别定义为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级,西半湖湖心、湖滨、新河入湖区、忠庙4个点位为Ⅰ级,TP超标率范围为83.3%~95.8%,ρ(TP)均值均>0.09 mg/L,兆河入湖区和东半湖湖心2个点位为Ⅱ级,TP超标率为71.7%~75.0%,ρ(TP)范围为0.068~0.077 mg/L;黄麓和龟山2个点位为Ⅲ级,TP超标率为62.5%~63.3%,ρ(TP)范围为0.063~0.067 mg/L。由图 5(b)可见,主要环巢湖河流ρ(TP)在空间上分为3类,分别定义为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级,南淝河和十五里河2条河流水质为Ⅰ级,TP超标率和ρ(TP)均值分别>40%和>0.3 mg/L(河流总磷Ⅳ类标准限值);派河和双桥河2条河流水质为Ⅱ级,2014—2017年水质污染较重,之后水质明显改善;杭埠河、兆河、裕溪河、白石天河和柘皋河5条河流为Ⅲ级,水质良好,其中杭埠河、兆河、裕溪河3条河流ρ(TP)下降趋势不显著,而白石天河和柘皋河2条河流ρ(TP)有所上升,且白石天河呈显著上升趋势。
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图 5 巢湖流域ρ(TP)空间聚类结果 |
综上所述,巢湖湖区ρ(TP)在空间分布上表现为由西向东逐步降低的趋势,但是这种趋势已经明显变缓,例如2023年,西巢湖ρ(TP)较东巢湖高0.023 mg/L,而2013年西巢湖ρ(TP)较东巢湖高0.053 mg/L。2014—2023年,西侧入湖河流断面ρ(TP)明显高于南侧和东北侧入湖河流断面,环湖河流ρ(TP)变化趋势各有差异。同时,巢湖湖区和环湖河流水质是相互联动的,即由于入湖河流ρ(TP)增加或减少导致湖区相应点位ρ(TP)的变化,其中西巢湖西北部3条主要入湖河流治理成效显著与西巢湖3个湖区监测点位ρ(TP)均显著性下降相一致,忠庙主要受西巢湖3条入湖河流影响,ρ(TP)下降趋势显著;受东巢湖南部白石天河和东北部柘皋河ρ(TP)升高以及南部兆河和杭埠河ρ(TP)无显著性变化影响,东巢湖L1—L4点位ρ(TP)均无显著性变化。
3 巢湖流域污染防控建议(1) 统筹全流域污染源头治理,在继续加大西北部入湖河流治理的同时,加大南部和东北部河流治理的力度。2014—2023年,8条主要入湖河流中巢湖西北部R1—R3断面和东北部R8断面治理成效显著,但入湖ρ(TP)仍远高于湖库总磷Ⅲ类标准限值,特别是南淝河水质提升的拉动作用仍显不足,南淝河横穿合肥市区,因此要着重解决城市地下污水管网问题,切实杜绝污水散排,加大运行监管力度,有效提高污水处理厂的处理能力和处理效率;针对巢湖南部R5和东北部R7断面入湖河流ρ(TP)有上升趋势的现象,要全面排查小流域内污染来源,严格控制养殖污染,加快推进农业面源污染治理,深入实施入河排污口全面排查整治,按照“一口一策”推进整治,对入河排污口超标企业进行整治。
(2) 加快构建智慧化监管网络。随着水质自动监测站和视频监控电子围栏的建设,充分利用人工智能(AI)、大数据分析等技术,部署综合监管平台,实现对河流周边异常行为和监测数据异动的实时告警,对平台发现的疑似人为干扰告警事件和环境污染类问题线索进行及时闭环处理,实现了从人防到智防的转变,大大提高监管效率,同时有效保障了污染源的精准识别和溯源分析。
4 结论(1) 从时间上看,2014—2023年巢湖ρ(TP)呈现先升后降趋势,2017年达到峰值(0.107 mg/L),2018—2020年快速下降,之后进入“波动期”,2023年ρ(TP)年均值下降至0.066 mg/L;环湖河流ρ(TP)呈下降趋势,年均值由2014年的0.29 mg/L下降至2023年的0.087 mg/L,环湖河流主要受R1—R3和R8断面带动,2014—2019年ρ(TP)下降幅度明显,2019年之后进入“瓶颈期”。
(2) 从空间上看,巢湖湖区ρ(TP)呈由西向东逐步降低的趋势,但这种趋势已明显变缓,西侧入湖河流断面ρ(TP)高于南侧和北侧入湖河流断面,巢湖湖区和环湖各河流ρ(TP)变化趋势各有差异,即环湖河流ρ(TP)下降幅度远大于巢湖湖区,湖区内西巢湖各点位ρ(TP)下降幅度大于东巢湖,环湖河流中西北部R1—R3和东北部R8断面入湖河流治理成效显著,巢湖南部R5和东北部R7断面ρ(TP)有上升趋势。对于污染较重的河流,减少河流中总磷,可有效控制进入湖泊中的磷元素。建议在对西侧入湖河流持续控磷的基础上,加强对南侧、东北侧入湖河流的磷元素污染防控。
(3) 从季度变化看,巢湖湖区和环湖河流ρ(TP)呈现出相反的季节变化。其中,巢湖湖区ρ(TP)基本表现为秋季>夏季>冬季>春季,9月份最高,2月份最低,而环湖河流ρ(TP)则表现为春、冬季高于夏、秋季,但最高值出现在6月。
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