洪湖水质特异性分析

2019-11-25 作者:环境检测知识   |   浏览(196)

  水质是湖泊生态系统的重要指标,水质的好坏对流域内人民的生产、生活有着重要的意义。由于受复杂的地质、气候等自然条件及人类生产、生活的影响,湖泊水质是由多因素、多层次相互组合和影响的结果,在很大程度上也反映了流域的基本特征状况[1]。当前,有关河流、湖泊水质的研究主要集中在污染物扩散以及水质评价等[2],而对于水质的空间分布特征与流域之间关系的研究较少。了解湖泊水质参数的空间分布特征是进行湖泊水环境评价的前提,而空间发生的生态学现象与空间的相互作用密切相关[3]。不同方向、不同距离组分间的相互作用不同。地统计学通过计算变异函数来揭示区域化变量的空间变异特点以及不同方向上的空间异质性[4,5],与传统方法比较,对于样本分布以及数据质量等要求较高。洪湖地处长江中游北岸,跨湖北省东南部洪湖、监利二市(县),处于江汉平原四湖水系尾端,是长江和汉水支流东荆河之间的洼地壅塞湖。汇水区域5025km2,现存水面积344km2,是湖北省最大的湖泊,也是我国第七大淡水湖泊。洪湖平均水深1.34m,最大水深2.30m,最小水深0.40m,属大型浅水湖泊。洪湖在水文特征上有众水所归之势,汇水区内地面径流主要通过四湖总干渠入湖,并经若干涵闸与长江相通,实现洪湖水量的调蓄。此外,洪湖还兼具供水、灌溉、湿地生物栖息地、养殖、航运和旅游等多种功能,在江汉平原乃至长江中下游湖泊中具有代表性和典型性[6]。2004年以前,由于水土资源、水生生物资源的高强度开发,洪湖湿地水环境面临着水域面积减少、湖滨湿地萎缩、水生生物量下降、珍稀物种减少和水质富营养化加剧等一系列问题。2004年,洪湖湿地自然保护区被列为湖北省省级自然保护区,进行了大湖拆围、示范区建设、核心区保护、植被恢复、生物多样性保护等一系列生态措施,洪湖水环境得到显著改善,生态系统逐步得到恢复,水体自净能力增强,保护区水质明显好转。但由于外源污染和内源污染的多重负荷,洪湖水质呈现空间异质性。本文运用聚类分析和主成分分析方法探讨了洪湖水质的主导因子及空间异质性的主导因素,为湿地生态治理和管理提供科学依据。

  1.1采样点设置和监测项目分别于2008年3、6、8、12月对洪湖进行了4次调查,使用美国GPSMAP76导航定位。根据湿地功能区特征,共设置12个采样点(表1),其中6#、7#为入湖(河)口;8#、9#为保护核心区;其他采样点为实验区。调查项目包括水温、电导率、溶解性总固体(TDS)、pH、氧化还原电位(ORP)、DO、浊度、总碱度、总硬度、Cl-、COD、BOD5、TN、NO-2-N、NO-3-N、NH-3-N、TP、PO2-4-P、SO2-4等19项。水温等理化指标用多参数水质分析仪(YSI6600)现场测试,其他水质指标添加固定剂后冷藏保存带回实验室检测。洪湖为浅水型湖泊,各点均采集表层(0.5m)水样。

  1.2数据分析及处理水质分析方法参考《水和废水监测分析方法》(第四版),综合运用聚类分析和主成分分析方法研究洪湖水质空间特异性和主导因子,由于所有监测项目的单位并不完全相同,为了消除量纲的影响,对原始数据进行标准化,公式为Xij=(Sij-Sj)/Σ(Sij-Sj)2/(n-1[])1/2式中,Xij为变量S标准化之后的第i个采样点第j个指标的数值,Sij为原始数据的值,Sj为第j个指标的均值。首先通过聚类分析,将相似的样本归并成类。聚类分析的方法选择了目前应用广泛的等级聚类法,以欧氏距离度量样本之间的距离,运用Ward算法生成具有层次结构的聚类树。应用主成分分析提取洪湖水质指标中主要的影响因素。主成分分析是在不损失原有信息(即方差)的前提下,将原来多个彼此相关的指标转化为新的少数几个彼此独立的综合指标的一种多元统计的分析方法。计算过程均在统计软件SPSS16.0上进行。

  2.1洪湖历史水质总体状况据相关资料记载[7],1990—2003年,洪湖水质总体上以《地表水环境质量标准》Ⅲ类和Ⅳ类为主,仅1990、1998年达到了Ⅱ类水标准。1998年达到了Ⅱ类,可能与当年的特大洪水对湖中污染物的稀释作用有关。从1990年开始,洪湖水质逐渐恶化,大量的围网养殖及其他人类活动对洪湖水质产生明显影响。2005年8月,在洪湖大面积拆除围网后,洪湖及周边水域采集水样监测表明,已拆围栏区域水质明显好于围栏区域,无人区域水质好于居民聚集区。

  2.2洪湖水质空间特性分析对洪湖水质各项指标在空间上进行聚类(图1),根据采样点水质的相似性将所有采样点分成3组,其中第1组包括1#样点。结果表明,洪湖水质在空间上存在显著差异性,而3组采样点基本上分属于不同功能区。其中,第1组为核心区和缓冲区,该区域人为干扰较小,水草繁茂,水体自净能力较强,水体清澈见底;第2组为实验区,为2005年拆围行动后设置的养殖安置区,受养殖、行船、排污等各种因素的影响,水体混浊,水草较少;第3组为河口区,3个采样点受外源污染的直接影响,上游为居民区,生活污水和工业废水的排放对湖泊的污染影响较大。应用多重方差分析比较,验证聚类结果的可靠性。在方差分析中,当计算的t值大于t的临界值时,两类间有显著性差异,且t值越显著,判别效果越好。从表2可以看出,这3组类别之间存在显著差异,尤其第1组与第3组、第2组与第3组之间的显著性差异很大,聚类效果较好。

  2.3洪湖水质主导因子分析主成分分析目的在于将数据从高维空间投影至低维空间,甚至用2维或3维空间显示数据特征。它将原始变量进行变换,使少数几个新变量成为原变量的线性组合,同时这些新变量要尽可能多地表征原变量的数据结构特征而不丢失原始变量的数据信息,新变量之间相互正交[8]。为了进一步确定哪些水质指标差异产生了上述聚类结果的差异,分别对各组水质指标进行主成分分析(表3),结果表明,第1组、第3组前2个主成分量和第2组前3个主成分量的累计贡献率均超过80%,基本包含了19项水质指标的信息。洪湖不同功能区水质的主要因素差异很大。在第1组中,第1主成分量(PC1,贡献率为47.09%)主要体现了水体富营养化信息,其最大相关指标为总磷和叶绿素a;第2主成分量(PC2,贡献率为32.92%)主要体现了pH的信息。表明在第1组核心区水体富营养化为该区域水质的主要特征,而湖泊中生物群落的新陈代谢对pH影响较大,因为湖泊中部分生物通过光合作用吸收水中的CO2,从而增加湖泊水体的pH。该区域主要是生物活动主导水体水质状况。在第2组中,第1主成分量(贡献率为33.19%)主要体现了TN的信息;第2主成分量(贡献率为25.71%)主要体现了ORP、浊度的信息;第3主成分量(PC3,贡献率为22.17%)主要体现了总硬度、Cl-的信息。在第2组实验区,TN相关系数最大,而当氧化还原环境发生变化时,底泥可成为水体的主要污染源,实验区养殖、污水排放、行船等人为干扰成为该区域水体的主要外部驱动力。在第3组中,第1主成分量(贡献率为52.52%)主要体现了DO及NO-2-N的信息;第2主成分量(贡献率为31.16%)主要体现了COD和BOD5的信息。该组为河口区,受上游来水的影响,DO较低,反硝化作用明显,NO-2-N的强信号是对水体污染的警示,而COD和BOD5的信息表明,水体有机污染较为严重。在有机物浓度较高的地方,含氮有机物的腐烂分解、污水中的尿酸分解能在分解的中间步骤产生亚硝酸盐,说明在该区域中微生物的分解作用活跃,而外来污水排放是该水体的主要影响因素。

  2.4洪湖水质影响因素分析20世纪80年代初,因水浅草茂,洪湖面临沼泽化危险。此时,围网养殖将洪湖一部分水草转化成草食性鱼类的食物,不仅控制了沼泽化进程,而且增加了渔民收入。受利益驱动,洪湖围网不断扩大,大湖围网养殖面积从1989年的8.7km2逐年增至2005年的200km2,已占整个湖面面积的58.1%。2005年拆围行动后,除保留实验安置区外,划定核心区面积约12.85万亩,养殖面积约占全湖面积的32.9%。洪湖草食性鱼类喜食的微齿眼子菜(Potamogetonmaackianus)和黑藻(Hydrillaverticillata)的自然生长能力仅能满足27km2围网养殖的需求[9]。由于过度围养,水草的覆盖率衰减,入湖的N、P等营养盐不能被生物吸收利用,水体自净能力下降;另一方面,养殖投放的大量饵料及生物代谢物等在湖底沉积,这些残渣分解将会不断向水体释放营养盐。外源营养负荷的不断输入与内源营养盐的连续释放共同构成了洪湖水体富营养的物质基础。另外,由于大规模的围湖造田活动,洪湖湿地面积减少,湖滨滩地萎缩。滨湖带是湿地自然景观的重要组成部分和流域中水陆相互作用的交错带,具有不同于水生生态系统和陆地生态系统的独特的生态功能。滨湖带对进入湖泊和地下含水层的污染物具有截留阻滞和富集作用,从而成为湖泊和地下水的重要生态缓冲区[10]。滨湖带内大量的微生物还能利用和固定重金属、农药和其他高分子有机污染物,尤其是对农业面源污染,滨湖带就像一个庞大的天然污水处理系统。因此,尽快恢复洪湖滨岸湿地是控制污染、遏制湖泊富营养化趋势的重要措施。水利工程的建设,使得洪湖只有通过涵闸与四湖水系及长江相通,洪湖水体自由交换或更新变得缓慢或不可能,主要通过降雨和蒸发来实现水体的循环,不能使洪湖中的污染物及时地迁移而积少成多,污染日益加剧,洪湖水体环境进一步恶化。恢复洪湖的江湖连通,在有效控制和治理其水体污染方面具有积极作用。

  聚类分析和主成分分析结果表明,洪湖水质存在空间异质性,核心区、实验区、河口等不同区域水质状况显著不同,且不同区域水质的主导因子也不同。核心区主要为生物活动主导水质状况,富营养化趋势明显;实验区养殖、污水排放、行船等人为干扰成为该区域水体的主要外部驱动力,底泥的内源负荷问题也值得重视;河口区厌氧环境下微生物分解活跃,主要受上游外源污染物的影响。为了使洪湖水环境更有利于人们的生产和生活,在控制污染源的基础上,应加强退耕还湖、控制围网养殖面积、恢复湖滨带和建设有效的江湖连通工程等一系列有效措施,逐步恢复其水体自净功能,以重建洪湖生态环境,实现区域环境生态的可持续发展。

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