丰水期和枯水期阳宗海湖泊水质变化分析

丰水期和枯水期阳宗海湖泊水质变化分析

云南省是中国最大的湖泊之一，有37个湖泊，面积超过1公里2公里。云南、普洱、福田湖、荆州湖、上海湖泊、齐福湖、阳宗海、云南湖和异湖是最著名的9个湖泊，总面积超过30公里2公里。这些湖泊主要为面源污染造成的有机质和氮磷污染,其中滇池、杞麓湖、异龙湖已发展成异常富营养化,星云湖和程海也进入富营养化阶段,洱海则处于中富营养后期,有向富营养化演变的趋势。阳宗海是云南省九大湖泊的第九大湖泊,该湖泊与其它高原湖泊一样,主要是农业面源污染引起的富营养化,其污染与流域径流有着密切的关系,这也是云南高原湖泊的特点之一。为了全面治理阳宗海湖泊污染和防止湖泊水体富营养化的加剧,有必要深入研究湖泊水质与来水量之间的关系,为综合治理阳宗海湖泊污染提供技术支撑。因此,研究对改善阳宗海湖泊生态环境具有一定的意义。1阳宗海湖泊概况阳宗海地处云南省中部,属小江支流断裂控制形成的天然淡水湖泊,位于东经102°59′~103°02′,北纬24°51′~24°58′之间,地跨宜良、呈贡、澄江3县,距昆明市约30km。阳宗海南北狭长,两头宽、中部略窄,东西宽约3km,南北长约12km,湖岸线长34km,湖面呈纺锤形状,为南北向的岩溶构造深水湖泊,属珠江流域南盘江水系。阳宗海最大水深30m,平均水深20m,湖面面积31.5km2,流域面积192km2,多年平均入湖水量为4915万m3,蓄水量5.69亿m3。阳宗海流域地处滇中高原,四面环山,临湖陆地为南北向与东西向构造控制的中低山丘陵和盆地,地势总体北高南低,山系总体呈南北向走向,地形地貌复杂;流域最高海拔2730m,最低为阳宗海湖面1770m,相对高差959.54m。根据阳宗海湖泊水质监测点汤池站多年的观测,多年平均水质为III类,营养化程度为中度营养化。阳宗海主要入湖河流在流域南部,有阳宗大河、石寨河、七星河和鲁溪河等,1978年起开始从阳宗海北部摆夷河引水入湖。明代洪武年间人工开凿的汤池渠为阳宗海唯一的出口河道,渠长约3.5km,湖水沿渠向东流约10km,在流经宜良坝子后经贾龙河汇入南盘江。阳宗海流域属低纬亚热带高原型湿润季风气候,受印度洋孟加拉湾海洋气候影响比较明显,冬无严寒,夏无酷暑,四季如春,干湿分明。湖区冬季平均气温9.1℃,夏季平均气温21.4℃,多年平均气温16.2℃,多年极端最高气温35.6℃,多年极端最低气温-10℃。阳宗海湖区为云南高原北亚热带植被区,森林类型为半湿性长绿阔叶林、针叶林和针阔混交林,森林覆盖率为29%,土壤侵蚀面积达65%,水土流失量每年达23.6万t。土壤类型具有明显的地带性和地域性特点,主要为红壤,嵌有黄棕壤,类型单一,有机质含量高,林地环境向贫瘠型退化。阳宗海湖泊没有实测入湖流量监测水文站,湖泊水位由阳宗海水位站监测,出流流量为汤池(闸下)水文站监测,从摆夷河流域引水入湖量由汤池(引洪沟)水文站监测。湖泊来水量采用湖泊水量平衡法还原间接推求。阳宗海湖泊水质监测点布置在阳宗海中部距汤池河口以南5.5km处。2阳宗海流域分析2.1暴雨天气分析阳宗海流域处于哀牢山自然分界线以东的滇东高原湖盆亚区,属北温亚热带湿润气候区,水汽来源于孟加拉湾及南海暖湿气流,降水具有明显季节性。阳宗海流域多年平均面雨量为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),降水量变差系数Cv值在0.15~0.20之间。多年平均湖面蒸发量1161.7mm。汛期(5~10月)雨量较为集中,所占年降水量的比例很大,降水量占全年降水总量的86%左右;其中6~8月降水量占全年的57%、占汛期的66%。阳宗海正北约6km为乌纳山脉的主峰老爷山,是宜良县的最高峰,也是宜良县与官渡区的分水岭,海拔2730m,阳宗海西岸为乌纳山余脉。由于老爷山对东南、西南暖湿气流的抬升作用,夏季常出现暴雨天气。流域暴雨天气也具有明显的季节性,5、6月份常有暴雨出现,持续时间一般较短,出现机率约30%;7、8月份暴雨集中、降水强度大、历时长、持续时间可达2~3d,构成夏汛洪水,出现机率约52%;9、10月暴雨洪水出现机率小,约18%左右;枯季暴雨洪水出现机会则更小。流域暴雨强度大,雨强随时间变化急剧,衰减快,高强度的暴雨多集中在1h之内。摆夷河中游百羊山雨量站一带是昆明市四大暴雨中心区之一,实测最大日雨量246mm(1985.7.23)、215.6mm(1980.8.18)分别为昆明市最大1d雨量的第一、二位。百羊山、汤池雨量站的实测最大1h雨量94.7mm(2005.6.14)、90.1mm(1986.6.7)分别为昆明市最大1h降雨量的第一、二位。百羊山雨量站实测最大3h、6h、12h降水量130.3mm、152.2mm和168.9mm,分别排列昆明市最大3h、6h、12h降水量的第二、三、三位。造成暴雨的天气系统主要是切变、低槽冷锋、低涡等,其大暴雨主要由高空低涡或切变与地面锋系相伴出现形成。正是流域特殊的降雨特征,导致了流域来水量与湖泊水质间关系的特殊性。2.2阳宗海流域来水趋势阳宗海流域来水量包括陆地产水量和湖面产水量两部分。阳宗海现状水体功能为饮用、农灌、工业用水、旅游景观用水,流域月来水量按水量平衡方程计算,即:式中:W来为阳宗海月来水量(万m3);W出为阳宗海月出湖水量(万m3),为汤池(闸下)1985~2005年实测资料;△W为计算时段始末湖泊蓄水变量(万m3),由每月1日8:00水位查H~V关系曲线求得;E湖为湖面蒸发量(万m3),采用宜良县气象站观测资料计算;P湖为湖面降水量(万m3),以各雨量站实测资料根据其各自所占面积权重计算平均降雨量;W工业为工业从阳宗海湖内取用水净耗量;W农业为农业灌溉取用水净耗量;W引为摆夷河引入阳宗海的水量(万m3)。根据阳宗海出口汤池河汤池(闸下)水文站,汤池、海晏、阳宗等站1985~2005年雨量资料,及宜良县气象站21年水面蒸发资料,计算得到阳宗海流域1985~2005年来水量结果如图1所示。阳宗海流域来水量主要来自大气降水,降水年内分配过程不均,导致径流的分配过程也不均。1985~2005年间多年平均来水量4915万m3,最大为9651万m3(1986年),是多年平均的2.0倍;最小为3158万m3(1999年),最枯年只为最丰年的33%的来水量,丰枯年间来水量相差大。来水量年际变化较大,变差系数0.50。年来水量变化范围在3158~9651万m3之间,其中汛期(5~10月)来水量占年来水量的72%左右,最大占90%;5~8月来水量占年来水量的52%,主汛期7~8月来水量占年总量的30%。枯季多年月平均来水量227万m3,月平均来水量变化范围在90~418万m3之间。丰水期多年月平均来水量592万m3,月平均来水量介于291~1262万m3之间。3杨宗海湖泊水质与来水量的关系分析3.1阳宗海湖泊水质污染成因阳宗海湖泊水质监测点布置在阳宗海中部距汤池河口以南5.5km处,水质监测每两个月取样一次,分别在单月月中进行,个别年份采用双月份监测。从1985~2005年共21年的水质资料来看,阳宗海水质总体上没有太多的变化,水质类别仍在Ⅰ~Ⅲ类之间。除1989、1998年的总磷,1995年的总氮测值异常偏高外,其余年份均没有多大变化。具体说来,溶解氧呈缓慢的下降趋势,氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数呈缓慢的上升趋势,略有富营养化趋势。一般来说,年内枯季(11月~次年4月)各种污染物的浓度均比汛期浓度偏高。总磷年平均浓度介于<0.010~0.157(mg/L)之间,其中枯季平均浓度变化范围在<0.010~0.279(mg/L)之间,汛期平均浓度变化在<0.010~0.058(mg/L)之间。总氮年平均浓度变化介于0.14~0.96(mg/L)之间,其中枯季平均浓度变化范围介于0.13~1.41(mg/L)之间,汛期平均浓度介于0.10~0.83(mg/L)之间。湖泊水体环境由于受农业生产、工矿及乡镇企业排污、阳宗海电厂温排及沿湖周边居民生活污水等入湖,促进了藻类的繁殖生长,加速了湖泊的富营养化进程,致使该湖1997~1999年多次出现大面积“水华”现象,水质降至Ⅳ类,湖水呈中、富营养状态。其原因就是阳宗海湖水年替换功能差,沉积的氮、磷等有机物不易降解等。影响阳宗海湖泊水质的因素很多,主要是随径流排入湖泊的农业面源污染物,其中农业面源污染物中主要是总氮、总磷。其次与湖泊来水量有关,在入湖污染物数量和库容一定的情况下,湖泊水体水质随着来水量的变化而变化。同时,阳宗海湖泊水质与流域内村庄、工矿企业等点源污染的排放有关。但随着流域点源污染的治理,主要是与流域面源污染的关系密切。我们将上面计算得到的1985~2005年的年来水量和月来水量与年平均水质监测值和月水质监测值进行分析,发现年、月来水量与相应时段水质的关系不明显。这主要是阳宗海湖泊库容较小,湖泊污染物降解自净能力低,湖泊水质主要与入湖污染物量有关。阳宗海流域汛期来水量大,入湖洪水携带大量地表或浅层土壤中的总氮、总磷等污染物质进入湖泊,形成农业面源的直接污染。同时,丰水期流域各类面污染源中,暴雨径流污染是面源污染的主要输出途径,并且它本身也是一项主要的污染源,其污染冲击性强,对受纳水体产生严重污染。枯水季节阳宗海湖泊来水量小,各主要入湖河流来水量主要来自地下水径流补给。由于来水量小,来水挟带的总氮、总磷等污染物较少,污染主要是流域内村庄、工矿企业等点源的污染。因此,在分析阳宗海湖泊来水量与水质的关系时,将该关系分为丰水期和枯水期两个方面。3.2丰水期主要污染源主要来源根据前面湖泊来水量的计算结果,采用1985~2005年的水质监测资料和分析时段即汛期与非汛期两个水质监测时段内所对应的平均来水量,分析阳宗海湖泊水质与来水量之间的关系。其中,1986~1988年水质监测中没有监测总磷项目,总磷分析实际采用资料为18年,总氮为21年。点绘枯水期湖泊总氮和总磷与流域来水量间的关系如图2和图3。经函数回归得到其函数关系式见公式(2)和(3)。式中:TN为总氮浓度(mg/L);TP为总磷浓度(mg/L);q为流域平均来水量(万m3)。点绘丰水期湖泊总氮和总磷与流域来水量间的关系如图4和图5。经函数回归得到其函数关系式见公式(4)和(5)。式中:TN为总氮浓度(mg/L);TP为总磷浓度(mg/L);q为流域平均来水量(万m3)。从图2~图5及式(2)~(5)可以看出,在丰水期总氮、总磷与来水量呈正相关关系,而在枯水期呈负相关关系,这与流域实际情况相符。阳宗海流域总人口约5.6万人,区内经济以工业、农业和旅游业为主,国民生产总值中工业占38%,农业占33.5%。阳宗海南部接纳的主要几条河流如阳宗大河、石寨河、七星河,沿途均为农田,流经阳宗镇后未经污水处理直接入湖。流域内主要农作物是水稻、小麦、玉米和蚕豆等,耕种面积4687.1hm2占总耕地面积的51.6%。每年枯季(11月~次年4月)小麦、蚕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扬花期化肥施用量都较大。阳宗海流域有15.3%的耕地面积种植经济作物烤烟,烤烟的整个生长期内化肥施用量都极大。5月烟苗移栽期和6~7月烤烟的旺长期和成熟期,同时也是化肥使用高峰期。据统计,2004年阳宗海流域农业生产氮肥使用量2210t,磷肥1030t,钾肥380t,农药65t。氮素在10%流失率时,每年进入水环境的总氮为524t,其中来自点源污染的总氮为125t,面源污染399t;磷素在5%流失率时,进入水环境的量每年为107.7t,其中来自点源污染的总磷为15.6t,面源污染92.1t。可见对于水质污染的贡献率来说氮素大于磷素,面源污染大于点源污染。由于阳宗海湖泊水质污染主要是农业面源污染,且丰水期和枯水期污染特点不同,流域内污染物主要是由丰水期暴雨挟带入湖,而枯水期则主要是流域内村庄、工矿企业等形成的点源污染。因此,丰水期来水量越大,冲刷带来的污染物越多,污染越严重。枯水期来水量少,入湖河流水流流速小,面源污染物不能冲刷入湖,污染主要是点源污染引起,在点源污染物数量一定的情况下,污染程度随着流量的增加而减小,同时,来水量越大,水体的自净能力大,水质相对越好。正是阳宗海流域的这种污染特点,导致了丰水期总氮、