三峡工程作为世界上最宏伟的水利工程之一，在防洪、发电方面带来了巨大的社会经济效益，但它对整个长江干流、支流流域及下游水域的环境也产生了巨大的影响^[1]。三峡水库自蓄水以来，消落带土地利用变化、支流流速减缓和营养物质富集造成22条支流爆发水华^[2]。湖泊富营养化不仅影响水质，扰乱水生生态系统^[3]，同时富营养化湖泊中的部分藻类会释放毒素，导致水处理成本增加，甚至造成饮用水危机^[4]。重庆市开州区位于三峡库区澎溪河支流回水末端，为移民人口密集的开阔平坦地形，是三峡库区面积最大、受人口影响最多的消落区^[5-6]。开州区为解决消落区生态环境问题，利用水位调节坝工程拦蓄减少消落区范围，形成了兼具湖泊、河流、回水河湾等多种形态特征和明显年度周期的前置水库——汉丰湖^[7-8]。其具有独特的反季节消落区湿地特点，生活污染和农业面源污染源过多，受调节坝试运行期水位频繁变动以及河流-湖泊形态交替等多种因素的负面影响，汉丰湖氮磷含量明显高于水体富营养化的临界浓度^[9-11]。尽管已有研究表明汉丰湖水体富营养化程度处于中营养-轻度富营养^{[10, 12]}，但关于汉丰湖水质的时空变化特征及主导因素，尚不清楚。本研究分别在汉丰湖来水区、湖区、出水区设置多处水样采集点，通过高频次采样对汉丰湖及其支流水质因子进行监测，借助多元统计评价方法^[13-15]，阐明汉丰湖水质的时空变化特征及主导因素，为三峡库区水质的监测管理提供理论指导和技术支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

汉丰湖(108°25′ 01″ E，31°11′ 13″ ~30°26′ 28″ N)位于三峡库区澎溪河中上游的开州城区东河与南河交汇处(图 1)，范围东起乌杨桥水位调节坝，西至南河大邱坝，南以新城防护堤高程180 m为界，北到开州老县城所在的汉丰坝-乌杨坝一线。库周长为36.4 km，湖泊东西跨度12.51 km，南北跨度5.86 km，西段狭窄，东段开阔，呈“Y”字形沿城区东西延展，蓄水量8000万m³，多年平均流量24亿m³，其中约89.3%的流量来自东河(55.9%)、桃溪河(17.3%)、竹溪河(13.6%)、头道河(2.5%)，是我国西部内陆最大的城市人工湖^[7]。汉丰湖2015年水位处于154.4~169.9 m之间，与三峡大坝水位对比发现，在2015年2—4月下旬，由于三峡库区蓄水，汉丰湖由湖泊形态转变为低水位的河流形态，8月中旬至9月受到三峡回水影响(图 2)河流形态转变为湖泊形态，具有独特性^{[14, 16]}。

1.2 采样点的设置

本研究共设置14个采样点，具体为：汉丰湖来水区竹溪河ZX1、ZX2，桃溪河TX1，竹桃交汇处ZT1，头道河TD1，东河DH1、DH2；汉丰湖湖泊区HF1、HF2、HF3、HF4、HF5，在汉丰湖下游出水区XJ1、XJ2，各采样点具体位置及基本信息见表 1。

1.3 样品的采集及测定 1.3.1 水样的采集

本研究于2015年每月下旬，选择无雨时(晴天或多云天气为主)采集水样。采样时，依据不同的水深(h)，水样采集深度不同，具体方法为：h≤5.0 m时，采集表层水(距离水体表面0.5 m)，当5.0 m < h < 10.0 m时，采集底面上方0.5 m处水样；当h≥10.0 m时，则采集表层、中层(实测水深一半处)与底层水。

1.3.2 测定指标及方法

现场测定：采用美国哈希便携式多参数水质仪直接测定叶绿素(Chl-a)、水温(T)、pH值、电导率(EC)和溶解氧(DO)，用50 m的皮尺测定水深(h)，用塞氏盘测定透明度(SD)。

室内测定：其他指标利用2.5 L的采样器采集水样，注入用湖水润洗过的塑料瓶密封保存，当日运回实验室进行测定。固体悬浮物(TSS)采用称质量法测定，高锰酸盐指数(COD_Mn)采用酸性高锰酸钾法测定。采集的水样分成2份，1份用0.45 μm滤膜抽滤，过滤后的溶液用于测定硝态氮(NO₃^--N)、铵态氮(NH₄⁺-N)、亚硝态氮(NO₂^--N)、正磷酸盐(PO₄^3--P)和可溶性磷(DP)；另外1份不抽滤，用于测定总氮(TN)和总磷(TP)。TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，TP和DP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定，NO₃^--N采用紫外分光光度法测定，NH₄⁺-N采用纳氏试剂比色法测定，NO₂^--N采用紫外分光光度法测定，PO₄^3--P采用钼酸铵分光光度法测定。具体测定方法均参照文献[17]。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据处理，SPSS 19.0软件进行聚类分析、方差分析和主成分分析。研究采用综合营养状态指数法，对汉丰湖水体营养化程度进行评价，其计算公式为：

(1)

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；W_j为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数；m为评价因子个数。各项营养状态指数计算方法：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Chl-a单位为mg·m^-3，SD单位为m；其他指标单位均为mg·L^-1。

湖泊营养状态分级用1~100连续数字对水库富营养程度进行分级，分为贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养、重度富营养等5个级别，即TLI (∑) ≤ 30为贫营养；30 < TLI (∑) ≤50为中营养；50 < TLI (∑) ≤ 60为轻度富营养；60 < TLI(∑) ≤70为中度富营养；TLI (∑) >70为重度富营养。

2 结果与分析 2.1 水体营养化程度的时空分布评估

表 2表示了汉丰湖流域水质富营养化状况的空间聚类特征。从表中可以看出，汉丰湖流域的富营养化程度可聚类为4个空间区域。第1区域位于南河来水区，包括了TX1、ZT1、ZX1、ZX2四处采样点，该区各采样点水质呈轻富营养化特征；第2区域则位于东河来水区，包括了DH1、DH2两处采样点，且各采样点水质均为轻富营养；第3区域属于汉丰湖上游，包括了HF1、HF2、TD1三处采样点，该区各采样点水质均为轻富营养；第4区域位于汉丰湖流域中下游，包括了HF3、HF4、HF5、XJ1、XJ2五处采样点，其中HF5和XJ1采样点水质营养程度为中营养，其余采样点水质为轻度富营养。

表 3表示了汉丰湖流域水质富营养化状况的时间聚类特征。从表中可以看出，汉丰湖流域的富营养化程度可聚类为两个时间周期。第1个时期属于蓄水期，时间为当年1—2月和9—12月，此时间段，1月、12月的水质营养程度为中营养，2月、9月、11月的水质为轻度富营养，而10月份水质为中度富营养；第2个时期为泄水期，时间为3—8月，此时段中各月水质均为轻度富营养。

2.2 汉丰湖环境因子特征

图 3为汉丰湖流域水体理化指标时空变化。水体蓄水期和泄水期水温在4个空间区域差异均显著(P < 0.05)，其平均值分别为17.22、23.46 ℃；蓄水期和泄水期pH值在南河来水区、东河来水区与汉丰湖上游差异均不显著(P>0.05)，在汉丰湖中下游差异显著(P < 0.05)，其平均值分别为7.8、7.9；蓄水期和泄水期DO在东河来水区、汉丰湖上游及汉丰湖中下游差异不显著(P>0.05)，在南河来水区差异显著(P < 0.05)，其平均值分别为8.79、8.75 mg·L^-1；蓄水期和泄水期EC在东河来水区和汉丰湖上游差异不显著(P>0.05)，在南河来水区和汉丰湖中下游差异显著(P < 0.05)，其平均值分别为427.54、408.71 μS·cm^-1(图 3)。

如图 4所示，采样期间汉丰湖流域蓄水期和泄水期的平均TSS浓度分别为10.14、43.94 mg·L^-1；平均SD分别为1.18、0.29 m。从时间上看，蓄水期TSS浓度比泄水期低76.92%，而蓄水期的SD高于泄水期。各采样区域蓄水期与泄水期的TSS和SD均具有显著差异(P < 0.05)。

汉丰湖流域Chl-a变化如图 5所示，平均Chl-a浓度为10.09 mg·m^-3。从时间上看，总体表现出2月、4月、10月较高，5—8月较低，其中最高值出现在南河(镇东大丘)的10月，为74.19 mg·m^-3。从空间上看，镇东大丘(19.25 mg·m^-3) >东南河交汇(18.54 mg·m^-3) >调节坝(8.78 mg·m^-3)，表现出上游向下游递减的趋势。汉丰湖流域的平均COD_Mn浓度为3.25 mg·L^-1。从时间上看，蓄水期比泄水期增加6.03%，但在各区域差异均不显著(P>0.05)；从空间上看，表现出上游向下游递减的趋势，东河来水区低于南河来水区。按照地表水环境标准，水质为Ⅰ~Ⅱ类。

汉丰湖流域的TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N、NO₂^--N平均浓度分别为1.720、1.280、0.180 mg·L^-1和0.052 mg·L^-1 (图 6A)。从时间上看，蓄水期TN、NO₃^--N和NH₄⁺-N的含量均高于泄水期，增幅分别为24.83%、32.58%和32.63%，而蓄水期NO₂^--N含量较泄水期低63.96%。从空间上看，汉丰湖中下游的各形态氮含量总体上低于上游，表现出上游向下游递减趋势，且东河来水区含量低于南河来水区。

流域的TP、DP和PO₄^3--P的平均浓度为0.174、0.150 mg·L^-1和0.08 mg·L^-1(图 6B)；其中蓄水期磷各形态浓度均高于泄水期，同时表现为上游向下游递减的趋势，且东河来水区含量低于南河来水区。

2.3 汉丰湖水质变化主导因素

从表 4可以看出，提取出了具有较大贡献率的5个主成分，分别为a1、a2、a3、a4、a5，其累积的贡献率达到73.83%。其中，主成分a1方差贡献率为28.78%，主要与TSS、TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N和T有关联，代表汉丰湖水体的氮污染和温度变化，其中氮素营养包括TN、NO₃^- -N、NH₄⁺ -N，与第一主成分呈正相关，TSS和T与其呈负相关；主成分a2的贡献率为16.90%，主要关联参数有Chl-a、COD_Mn和SD，代表汉丰湖的有机物及浮游植物的生长状况，反映湖泊的富营养化状况，有机物浓度增加，引起浮游植物生长，从而导致SD的降低。主成分a3的贡献率为12.65%，主要相关参数为h，反映汉丰湖水质受三峡库区水位调控的影响较大；主成分a4的贡献率为9.15%，与其相关的因子主要有PO₄^3--P和DO，且其与PO₄^3--P浓度呈负相关，与DO呈正相关，代表汉丰湖的磷污染和水体物理环境状况，说明磷的增加导致浮游植物生长，浮游植物造成DO的降低；主成分a5的贡献率仅有6.35%，与其相关的因子有pH值，且呈负相关，该成分主要反映汉丰湖的酸碱环境。

因子得分系数排序(表 5)表现为来水区：桃溪(0.29)>竹桃交汇(0.20)>东河大桥(0.18)>丰登村(0.12) >头道沟(-0.07) >饶家坪(-0.15) >竹溪(-0.22)；湖泊区：镇东大丘(0.23) >东湖郡(0.02) >东南河交汇(-0.02) >调节坝(-0.16) >石龙船大桥(-0.35)，除石龙船大桥以外，污染程度表现出上游向下游递减的趋势；出水区：普里小江交汇(0.22) >调节坝下(-0.30)。

3 讨论

从空间聚类角度分析，汉丰湖流域水质监测点可聚类为4个空间区域，第1区域为汉丰湖南河来水区，该区周边耕地较多，施肥量较高，加之城镇污水排放，导致水中氮、磷浓度高(TN：1.22~2.33 mg·L^-1；TP：0.123~0.257 mg·L^-1)，水体呈轻度富营养化。第2区域为东河来水区，该区附近分布有城镇和耕地，生活污水排放和不合理施肥，导致水体呈轻度富营养化。第3区域为汉丰湖上游，该区内有河道的护岸工程建设，人为扰动频繁，排污口较多，氮、磷浓度较高(TN：1.301~2.683 mg·L^-1；TP：0.15~0.283 mg·L^-1)，导致水体轻度富营养化。第4区域为汉丰湖流域中下游，受上游的第1和第3区域影响，水体氮、磷相对较高(TN：1.334~2.722 mg·L^-1；TP：0.208~0.254 mg·L^-1)，导致富营养化程度加深；该区的HF4采样点位于湖泊中心地带，受南河和东河来水的双重影响，使得水体轻度富营养化；而HF5采样点位于坝前，人为扰动较小，再加上周边植物对污染物的吸附作用，使水体营养程度为中营养；而XJ1采样点位于调节坝下200 m左右位置，周边无排污口和农田，且湖泊呈河流形态(v= 0.21 m·s^-1)，不利于营养物质的富集，水体营养程度为中营养，与坝前基本保持一致；XJ2采样点位于汉丰湖与普里河的交汇处，受到汉丰湖和普里河的双重影响，该处水体呈轻度富营养化。

从时间聚类角度分析，汉丰湖流域的蓄水期受三峡蓄水的影响较大。其中1月、12月营养化程度只有中营养，通过环境指标数据分析，这两个月的TN、TP、COD_Mn的含量相对较低，人为扰动较小，降雨量较低，径流携带营养盐入湖较少，再加上温度较低，水体不分层，营养化程度较低；10月温度较高(24.10 ℃)，营养盐浓度较大(TN=1.64 mg·L^-1，TP=0.21 mg·L^-1)，污染程度较深(COD_Mn=5.22 mg·L^-1)，爆发了甲藻水华，导致营养化程度达到中度富营养。汉丰湖流域泄水期，3—8月的水体富营养化水平都达到轻度富营养，分析可能有以下几方面原因：3—8月湖泊呈河流形态，河流冲刷导致底泥扰动，再加上雨量充沛，雨水携带泥沙进入湖泊，泥沙中含有较多的营养盐，而且此期间水温逐步回升，导致沉积物中营养盐的内源释放加强，增加了水体中富营养物含量，浮游植物在营养盐充足的环境下大量繁殖可能会引起水体富营养化程度增加；此外，相比其他月份，4—8月钓鱼人数、游客数量增加，水体过度频繁扰动导致底泥中营养盐缓慢释放，投放鱼饵等人为活动影响也可能是造成水体富营养化的原因。

长江流域土壤主要以紫色砂页岩为主，成土过程快，质地松软，易于风化、流失和崩塌，加上地形陡、降雨强度大，水土流失严重，再加之泄水期流速较大(v= 0.21 m·s^-1)，冲刷力强，导致TSS高于蓄水期，SD低于蓄水期；蓄水使水位抬高，淹没岸边植被，通过微生物的作用向水中释放氮磷元素，且释放量随pH值的增加而提高，河床底泥在淹水条件下向水体释放氮磷营养盐，加之水流过缓(v=0.02 m·s^-1)，有机物更容易富集，导致蓄水期TN、TP、COD_Mn浓度高于泄水期。根据湖库发生富营养化的条件：TN>0.2 mg·L^-1，TP> 0.02 mg·L^-1，汉丰湖流域TN浓度达到临界值的8.6倍，TP则为8.7倍，表明汉丰湖各断面水体TN与TP的浓度均远超富营养化阈值。蓄水期，水体中溶解态氮(以NO₃^--N为主)占TN的87.79%，溶解态磷(磷酸盐)占TP的84.76%，说明水体氮、磷的来源与化肥使用联系密切。这与王娟等^[18]对澎溪河回水区的研究结果一致。

4 结论

(1) 汉丰湖水质变化可聚类为南河来水区、东河来水区、汉丰湖上游、汉丰湖中下游4个空间区域，及蓄水期和泄水期2个时段。汉丰湖各空间区域水质处于中营养及轻度富营养状态，同时水质在1月和12月为中营养，10月为中度富营养，2—9月及11月为轻度富营养。

(2) 汉丰湖水质指标TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、TP、DP、PO₄^3--P、COD_Mn浓度变化趋势一致，表现为自上游向下游降低趋势。TN、TP浓度达到富营养化临界值的8.6、8.7倍，应加强对TN、TP输入的控制。

(3) 各指标中TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N、TSS和温度是水质变化的主要解释指标，而Chl-a、COD_Mn及水深也对水质变化有重要贡献。汉丰湖流域水土流失是湖区水质恶化的主要诱因，而三峡库区水位调控也影响汉丰湖的水质变化。