豐水期和枯水期陽宗海湖泊水質(zhì)變化分析

豐水期和枯水期陽宗海湖泊水質(zhì)變化分析

云南省是中國最大的湖泊之一，有37個湖泊，面積超過1公里2公里。云南、普洱、福田湖、荊州湖、上海湖泊、齊福湖、陽宗海、云南湖和異湖是最著名的9個湖泊，總面積超過30公里2公里。這些湖泊主要為面源污染造成的有機質(zhì)和氮磷污染,其中滇池、杞麓湖、異龍湖已發(fā)展成異常富營養(yǎng)化,星云湖和程海也進入富營養(yǎng)化階段,洱海則處于中富營養(yǎng)后期,有向富營養(yǎng)化演變的趨勢。陽宗海是云南省九大湖泊的第九大湖泊,該湖泊與其它高原湖泊一樣,主要是農(nóng)業(yè)面源污染引起的富營養(yǎng)化,其污染與流域徑流有著密切的關(guān)系,這也是云南高原湖泊的特點之一。為了全面治理陽宗海湖泊污染和防止湖泊水體富營養(yǎng)化的加劇,有必要深入研究湖泊水質(zhì)與來水量之間的關(guān)系,為綜合治理陽宗海湖泊污染提供技術(shù)支撐。因此,研究對改善陽宗海湖泊生態(tài)環(huán)境具有一定的意義。1陽宗海湖泊概況陽宗海地處云南省中部,屬小江支流斷裂控制形成的天然淡水湖泊,位于東經(jīng)102°59′~103°02′,北緯24°51′~24°58′之間,地跨宜良、呈貢、澄江3縣,距昆明市約30km。陽宗海南北狹長,兩頭寬、中部略窄,東西寬約3km,南北長約12km,湖岸線長34km,湖面呈紡錘形狀,為南北向的巖溶構(gòu)造深水湖泊,屬珠江流域南盤江水系。陽宗海最大水深30m,平均水深20m,湖面面積31.5km2,流域面積192km2,多年平均入湖水量為4915萬m3,蓄水量5.69億m3。陽宗海流域地處滇中高原,四面環(huán)山,臨湖陸地為南北向與東西向構(gòu)造控制的中低山丘陵和盆地,地勢總體北高南低,山系總體呈南北向走向,地形地貌復雜;流域最高海拔2730m,最低為陽宗海湖面1770m,相對高差959.54m。根據(jù)陽宗海湖泊水質(zhì)監(jiān)測點湯池站多年的觀測,多年平均水質(zhì)為III類,營養(yǎng)化程度為中度營養(yǎng)化。陽宗海主要入湖河流在流域南部,有陽宗大河、石寨河、七星河和魯溪河等,1978年起開始從陽宗海北部擺夷河引水入湖。明代洪武年間人工開鑿的湯池渠為陽宗海唯一的出口河道,渠長約3.5km,湖水沿渠向東流約10km,在流經(jīng)宜良壩子后經(jīng)賈龍河匯入南盤江。陽宗海流域?qū)俚途晛啛釒Ц咴蜐駶櫦撅L氣候,受印度洋孟加拉灣海洋氣候影響比較明顯,冬無嚴寒,夏無酷暑,四季如春,干濕分明。湖區(qū)冬季平均氣溫9.1℃,夏季平均氣溫21.4℃,多年平均氣溫16.2℃,多年極端最高氣溫35.6℃,多年極端最低氣溫-10℃。陽宗海湖區(qū)為云南高原北亞熱帶植被區(qū),森林類型為半濕性長綠闊葉林、針葉林和針闊混交林,森林覆蓋率為29%,土壤侵蝕面積達65%,水土流失量每年達23.6萬t。土壤類型具有明顯的地帶性和地域性特點,主要為紅壤,嵌有黃棕壤,類型單一,有機質(zhì)含量高,林地環(huán)境向貧瘠型退化。陽宗海湖泊沒有實測入湖流量監(jiān)測水文站,湖泊水位由陽宗海水位站監(jiān)測,出流流量為湯池(閘下)水文站監(jiān)測,從擺夷河流域引水入湖量由湯池(引洪溝)水文站監(jiān)測。湖泊來水量采用湖泊水量平衡法還原間接推求。陽宗海湖泊水質(zhì)監(jiān)測點布置在陽宗海中部距湯池河口以南5.5km處。2陽宗海流域分析2.1暴雨天氣分析陽宗海流域處于哀牢山自然分界線以東的滇東高原湖盆亞區(qū),屬北溫亞熱帶濕潤氣候區(qū),水汽來源于孟加拉灣及南海暖濕氣流,降水具有明顯季節(jié)性。陽宗海流域多年平均面雨量為824.7mm,年最大面平均雨量1221.7mm(1961年),年最小面平均雨量598.6mm(1992年),降水量變差系數(shù)Cv值在0.15~0.20之間。多年平均湖面蒸發(fā)量1161.7mm。汛期(5~10月)雨量較為集中,所占年降水量的比例很大,降水量占全年降水總量的86%左右;其中6~8月降水量占全年的57%、占汛期的66%。陽宗海正北約6km為烏納山脈的主峰老爺山,是宜良縣的最高峰,也是宜良縣與官渡區(qū)的分水嶺,海拔2730m,陽宗海西岸為烏納山余脈。由于老爺山對東南、西南暖濕氣流的抬升作用,夏季常出現(xiàn)暴雨天氣。流域暴雨天氣也具有明顯的季節(jié)性,5、6月份常有暴雨出現(xiàn),持續(xù)時間一般較短,出現(xiàn)機率約30%;7、8月份暴雨集中、降水強度大、歷時長、持續(xù)時間可達2~3d,構(gòu)成夏汛洪水,出現(xiàn)機率約52%;9、10月暴雨洪水出現(xiàn)機率小,約18%左右;枯季暴雨洪水出現(xiàn)機會則更小。流域暴雨強度大,雨強隨時間變化急劇,衰減快,高強度的暴雨多集中在1h之內(nèi)。擺夷河中游百羊山雨量站一帶是昆明市四大暴雨中心區(qū)之一,實測最大日雨量246mm(1985.7.23)、215.6mm(1980.8.18)分別為昆明市最大1d雨量的第一、二位。百羊山、湯池雨量站的實測最大1h雨量94.7mm(2005.6.14)、90.1mm(1986.6.7)分別為昆明市最大1h降雨量的第一、二位。百羊山雨量站實測最大3h、6h、12h降水量130.3mm、152.2mm和168.9mm,分別排列昆明市最大3h、6h、12h降水量的第二、三、三位。造成暴雨的天氣系統(tǒng)主要是切變、低槽冷鋒、低渦等,其大暴雨主要由高空低渦或切變與地面鋒系相伴出現(xiàn)形成。正是流域特殊的降雨特征,導致了流域來水量與湖泊水質(zhì)間關(guān)系的特殊性。2.2陽宗海流域來水趨勢陽宗海流域來水量包括陸地產(chǎn)水量和湖面產(chǎn)水量兩部分。陽宗?，F(xiàn)狀水體功能為飲用、農(nóng)灌、工業(yè)用水、旅游景觀用水,流域月來水量按水量平衡方程計算,即:式中:W來為陽宗海月來水量(萬m3);W出為陽宗海月出湖水量(萬m3),為湯池(閘下)1985~2005年實測資料;△W為計算時段始末湖泊蓄水變量(萬m3),由每月1日8:00水位查H~V關(guān)系曲線求得;E湖為湖面蒸發(fā)量(萬m3),采用宜良縣氣象站觀測資料計算;P湖為湖面降水量(萬m3),以各雨量站實測資料根據(jù)其各自所占面積權(quán)重計算平均降雨量;W工業(yè)為工業(yè)從陽宗海湖內(nèi)取用水凈耗量;W農(nóng)業(yè)為農(nóng)業(yè)灌溉取用水凈耗量;W引為擺夷河引入陽宗海的水量(萬m3)。根據(jù)陽宗海出口湯池河湯池(閘下)水文站,湯池、海晏、陽宗等站1985~2005年雨量資料,及宜良縣氣象站21年水面蒸發(fā)資料,計算得到陽宗海流域1985~2005年來水量結(jié)果如圖1所示。陽宗海流域來水量主要來自大氣降水,降水年內(nèi)分配過程不均,導致徑流的分配過程也不均。1985~2005年間多年平均來水量4915萬m3,最大為9651萬m3(1986年),是多年平均的2.0倍;最小為3158萬m3(1999年),最枯年只為最豐年的33%的來水量,豐枯年間來水量相差大。來水量年際變化較大,變差系數(shù)0.50。年來水量變化范圍在3158~9651萬m3之間,其中汛期(5~10月)來水量占年來水量的72%左右,最大占90%;5~8月來水量占年來水量的52%,主汛期7~8月來水量占年總量的30%?？菁径嗄暝缕骄鶃硭?27萬m3,月平均來水量變化范圍在90~418萬m3之間。豐水期多年月平均來水量592萬m3,月平均來水量介于291~1262萬m3之間。3楊宗海湖泊水質(zhì)與來水量的關(guān)系分析3.1陽宗海湖泊水質(zhì)污染成因陽宗海湖泊水質(zhì)監(jiān)測點布置在陽宗海中部距湯池河口以南5.5km處,水質(zhì)監(jiān)測每兩個月取樣一次,分別在單月月中進行,個別年份采用雙月份監(jiān)測。從1985~2005年共21年的水質(zhì)資料來看,陽宗海水質(zhì)總體上沒有太多的變化,水質(zhì)類別仍在Ⅰ~Ⅲ類之間。除1989、1998年的總磷,1995年的總氮測值異常偏高外,其余年份均沒有多大變化。具體說來,溶解氧呈緩慢的下降趨勢,氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)呈緩慢的上升趨勢,略有富營養(yǎng)化趨勢。一般來說,年內(nèi)枯季(11月~次年4月)各種污染物的濃度均比汛期濃度偏高?？偭啄昶骄鶟舛冉橛?lt;0.010~0.157(mg/L)之間,其中枯季平均濃度變化范圍在<0.010~0.279(mg/L)之間,汛期平均濃度變化在<0.010~0.058(mg/L)之間?？偟昶骄鶟舛茸兓橛?.14~0.96(mg/L)之間,其中枯季平均濃度變化范圍介于0.13~1.41(mg/L)之間,汛期平均濃度介于0.10~0.83(mg/L)之間。湖泊水體環(huán)境由于受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工礦及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)排污、陽宗海電廠溫排及沿湖周邊居民生活污水等入湖,促進了藻類的繁殖生長,加速了湖泊的富營養(yǎng)化進程,致使該湖1997~1999年多次出現(xiàn)大面積“水華”現(xiàn)象,水質(zhì)降至Ⅳ類,湖水呈中、富營養(yǎng)狀態(tài)。其原因就是陽宗海湖水年替換功能差,沉積的氮、磷等有機物不易降解等。影響陽宗海湖泊水質(zhì)的因素很多,主要是隨徑流排入湖泊的農(nóng)業(yè)面源污染物,其中農(nóng)業(yè)面源污染物中主要是總氮、總磷。其次與湖泊來水量有關(guān),在入湖污染物數(shù)量和庫容一定的情況下,湖泊水體水質(zhì)隨著來水量的變化而變化。同時,陽宗海湖泊水質(zhì)與流域內(nèi)村莊、工礦企業(yè)等點源污染的排放有關(guān)。但隨著流域點源污染的治理,主要是與流域面源污染的關(guān)系密切。我們將上面計算得到的1985~2005年的年來水量和月來水量與年平均水質(zhì)監(jiān)測值和月水質(zhì)監(jiān)測值進行分析,發(fā)現(xiàn)年、月來水量與相應時段水質(zhì)的關(guān)系不明顯。這主要是陽宗海湖泊庫容較小,湖泊污染物降解自凈能力低,湖泊水質(zhì)主要與入湖污染物量有關(guān)。陽宗海流域汛期來水量大,入湖洪水攜帶大量地表或淺層土壤中的總氮、總磷等污染物質(zhì)進入湖泊,形成農(nóng)業(yè)面源的直接污染。同時,豐水期流域各類面污染源中,暴雨徑流污染是面源污染的主要輸出途徑,并且它本身也是一項主要的污染源,其污染沖擊性強,對受納水體產(chǎn)生嚴重污染?？菟竟?jié)陽宗海湖泊來水量小,各主要入湖河流來水量主要來自地下水徑流補給。由于來水量小,來水挾帶的總氮、總磷等污染物較少,污染主要是流域內(nèi)村莊、工礦企業(yè)等點源的污染。因此,在分析陽宗海湖泊來水量與水質(zhì)的關(guān)系時,將該關(guān)系分為豐水期和枯水期兩個方面。3.2豐水期主要污染源主要來源根據(jù)前面湖泊來水量的計算結(jié)果,采用1985~2005年的水質(zhì)監(jiān)測資料和分析時段即汛期與非汛期兩個水質(zhì)監(jiān)測時段內(nèi)所對應的平均來水量,分析陽宗海湖泊水質(zhì)與來水量之間的關(guān)系。其中,1986~1988年水質(zhì)監(jiān)測中沒有監(jiān)測總磷項目,總磷分析實際采用資料為18年,總氮為21年。點繪枯水期湖泊總氮和總磷與流域來水量間的關(guān)系如圖2和圖3。經(jīng)函數(shù)回歸得到其函數(shù)關(guān)系式見公式(2)和(3)。式中:TN為總氮濃度(mg/L);TP為總磷濃度(mg/L);q為流域平均來水量(萬m3)。點繪豐水期湖泊總氮和總磷與流域來水量間的關(guān)系如圖4和圖5。經(jīng)函數(shù)回歸得到其函數(shù)關(guān)系式見公式(4)和(5)。式中:TN為總氮濃度(mg/L);TP為總磷濃度(mg/L);q為流域平均來水量(萬m3)。從圖2~圖5及式(2)~(5)可以看出,在豐水期總氮、總磷與來水量呈正相關(guān)關(guān)系,而在枯水期呈負相關(guān)關(guān)系,這與流域?qū)嶋H情況相符。陽宗海流域總?cè)丝诩s5.6萬人,區(qū)內(nèi)經(jīng)濟以工業(yè)、農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)為主,國民生產(chǎn)總值中工業(yè)占38%,農(nóng)業(yè)占33.5%。陽宗海南部接納的主要幾條河流如陽宗大河、石寨河、七星河,沿途均為農(nóng)田,流經(jīng)陽宗鎮(zhèn)后未經(jīng)污水處理直接入湖。流域內(nèi)主要農(nóng)作物是水稻、小麥、玉米和蠶豆等,耕種面積4687.1hm2占總耕地面積的51.6%。每年枯季(11月~次年4月)小麥、蠶豆等小春作物化肥施用量小,5月份水稻栽秧返青期和7~8月上中旬水稻孕穗期和抽穗揚花期化肥施用量都較大。陽宗海流域有15.3%的耕地面積種植經(jīng)濟作物烤煙,烤煙的整個生長期內(nèi)化肥施用量都極大。5月煙苗移栽期和6~7月烤煙的旺長期和成熟期,同時也是化肥使用高峰期。據(jù)統(tǒng)計,2004年陽宗海流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥使用量2210t,磷肥1030t,鉀肥380t,農(nóng)藥65t。氮素在10%流失率時,每年進入水環(huán)境的總氮為524t,其中來自點源污染的總氮為125t,面源污染399t;磷素在5%流失率時,進入水環(huán)境的量每年為107.7t,其中來自點源污染的總磷為15.6t,面源污染92.1t?？梢妼τ谒|(zhì)污染的貢獻率來說氮素大于磷素,面源污染大于點源污染。由于陽宗海湖泊水質(zhì)污染主要是農(nóng)業(yè)面源污染,且豐水期和枯水期污染特點不同,流域內(nèi)污染物主要是由豐水期暴雨挾帶入湖,而枯水期則主要是流域內(nèi)村莊、工礦企業(yè)等形成的點源污染。因此,豐水期來水量越大,沖刷帶來的污染物越多,污染越嚴重。枯水期來水量少,入湖河流水流流速小,面源污染物不能沖刷入湖,污染主要是點源污染引起,在點源污染物數(shù)量一定的情況下,污染程度隨著流量的增加而減小,同時,來水量越大,水體的自凈能力大,水質(zhì)相對越好。正是陽宗海流域的這種污染特點,導致了豐水期總氮、