三峡工程是世界上的重大水利工程，2003年6月开始蓄水运行，2010年10月成功蓄水到175 m，在防洪、发电、航运等方面发挥了非常重要的作用.作为长江出三峡进入中下游平原后的第一个通江湖泊，洞庭湖具有调蓄长江洪水、提供饮用水和生物多样性保护等重要生态功能，在维护区域生态平衡中具有重要作用，三峡工程对长江中下游湖泊生态环境的影响，洞庭湖首当其冲.因此，三峡工程建设对洞庭湖生态环境的影响成为当前洞庭湖研究的重点和学术界关注的热点问题^[1-5].目前相关的研究主要集中在三峡工程对洞庭湖湿地植被、鱼类、干旱、景观格局、生态系统服务功能、东方田鼠、血吸虫病流行等方面^[6-13], 然而，针对三峡工程运行前后洞庭湖水污染变化的研究尚不多见，目前只有李忠武等^[4]开展了初步研究.鉴于三峡工程运行所带来的各种生态环境效应逐渐凸显，全面、深入地开展三峡工程运行前后洞庭湖水质变化研究具有十分重要的意义.

水质评价是环境质量评价的主要内容，其为水资源合理开发利用和水体污染综合防治提供了科学依据.目前常用的方法包括单因子评价法、灰色系统理论法、人工神经网络法、模糊数学法、主成分分析法、综合水质标识指数法和内梅罗污染指数法等^{[4, 14]}，其中内梅罗污染指数法既突出了污染最为严重的污染因子，同时也一定程度上兼顾了其它水质较好的参评因子对总体结果的贡献，尤其避免了在计算过程中各因子权重人为赋值的主观影响，在水质评价中得到了广泛应用^[14-18].本研究基于1996-2013年水质监测数据，采用内梅罗污染指数法对三峡工程运行前后洞庭湖水质进行评价，并对洞庭湖主要污染物与水质的时空变化特征进行分析，以期为深入认识三峡工程建设对洞庭湖生态环境的影响、防控洞庭湖水质污染提供参考和依据.

1 材料与方法 1.1 洞庭湖概况

洞庭湖(28°44′~29°35′N, 111°53′~113°05′E)位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，北接长江松滋、太平、藕池“三口”，南纳湘、资、沅、澧“四水”，经城陵矶汇入长江，湖体呈近似“U”字形，总流域面积25.72×10⁴ km²，集水面积104×10⁴ km²，水位33.50 m时（岳阳站，黄海基面），湖长143.00 km，最大湖宽30.00 km，平均湖宽17.01 km，湖泊面积2625 km²，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相应蓄水量167×10⁸ m³，是我国第二大淡水湖.受泥沙淤积、筑堤建垸等自然和人类活动的影响，洞庭湖现已明显地分化为西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3个不同的水域.洞庭湖为一典型的过水性洪道型湖泊^[19]，兼具河流与湖泊双重属性，其水流方向大致为西洞庭湖→南洞庭湖→东洞庭湖→长江^[20].一般地，4-9月为汛期，10月-翌年3月为非汛期.

1.2 数据来源

本研究中的水质数据来源于湖南省洞庭湖生态环境监测中心.除个别断面稍有变动外，洞庭湖水质监测断面基本固定，全湖共设11个监测断面，其中西洞庭湖区3个，分别是南嘴(S1)、蒋家嘴(S2) 和小河嘴(S3)；南洞庭湖区3个，分别是万子湖(S4)、横岭湖(S5) 和虞公庙(S6);东洞庭湖区5个，分别是鹿角(S7)、君山(S8)、扁山(S9)、岳阳楼(S10) 和洞庭湖出口(S11).洞庭湖水质监测断面分布见图 1.

1.3 水质评价方法 1.3.1 内梅罗污染指数

内梅罗污染指数由美国叙拉古大学内梅罗(Nemerow NL)教授于1974年提出^[21], 其计算公式为:

$\begin{split} I_P=\sqrt{\frac{{(I^i_{\text{max}})}^2+{(\bar{I})}^2}{2}} \end{split}$

(1)

其中,

$\begin{split} \bar I=\frac{1}{n}∑\limits^n_{i=1}I_i，I_i=\frac{C_i}{C_{\text{o}i}} \end{split}$

(2)

式中, I_P为内梅罗污染指数； $I^i_{\text{max}}$ 为所有污染评价因子中污染指数最大值； $\bar{I}$ 为所有评价因子污染指数平均值；I_i为第i项评价因子的污染指数；C_i为第i项评价因子的实测值；C_oi为第i项评价因子的水质标准值.

1.3.2 评价因子与水质标准的选择

已有研究结果表明，洞庭湖水质呈现以氮、磷污染为主兼有机污染的特征^[22].根据洞庭湖水质污染特征并兼顾评价结果的可比性（监测断面基本固定，取样方法一致即均取标准澄清样，评价因子相同），本研究选择高锰酸盐指数(COD_Mn)、五日生化需氧量(BOD₅)、氨氮(NH₃-N)、总氮(TN)和总磷(TP)5个监测指标作为评价因子.

根据洞庭湖水域环境功能与保护目标^[23]，选择《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) 的Ⅲ类标准作为水质标准，COD_Mn、BOD₅、NH₃-N、TN和TP的水质标准浓度分别为6、4、1.0、1.0和0.05 mg/L.

1.3.3 污染分担率

为找出主要污染物，引入污染分担率k_i，计算公式为：

$\begin{split} k_i=I_i/∑\limits^n_{i=1}I_i×100\% \end{split}$

(3)

将k_i按从大到小的顺序累加，确定∑k_i＞70%的前几项污染物为主要污染物.

1.3.4 水质污染分级

一般来说，如果I_P≤1，说明水质较好，水体较清洁；如果I_P＞1，则水质较差，水体受到污染.内梅罗污染指数的水质污染分级具体为：I_P≤1，清洁；1＜I_P≤2，轻污染；2＜I_P≤3，污染；3＜I_P≤5，重污染；I_P＞5，严重污染^[15].

1.4 数据分析与统计

数据经检查、剔除特异值等预处理后，采用Microsoft Office Excel 2003和IBM SPSS 19.0软件对数据进行统计处理和分析.水质污染趋势分析采用Daniel的趋势检验，相关性用Pearson相关系数表示，均值差异性比较采用两独立样本的t检验.

2 结果与分析 2.1 水质评价结果

1996-2013年洞庭湖水质评价结果可知，洞庭湖I_P值在1.10~2.20之间，平均值为1.63，对照水质污染分级标准，水质属轻污染~污染，总体变化平稳，但从2010年起，洞庭湖I_P值连续低于其平均值，总体水质趋好（图 2）.

1996-2013年洞庭湖COD_Mn的污染分担率在7.05%~15.12%之间，平均值为10.13%；BOD₅的污染分担率在5.34%~9.38%之间，平均值为7.35%；NH₃-N的污染分担率在3.74%~11.40%之间，平均值为6.47%；TN的污染分担率在23.80%~42.83%之间，平均值为32.08%；TP的污染分担率在34.60%~53.87%之间，平均值为43.98%，评价因子污染分担率的大小顺序为TP＞TN＞COD_Mn＞BOD₅＞NH₃-N，主要污染物为TP和TN(图 2). 2010年前，洞庭湖的首要污染物为TP，从2010年起，洞庭湖首要污染物为TN.

1996-2013年洞庭湖TP和TN浓度的年际变化（图 3）表明，TP浓度总体变化平稳，与李有志等^[19]得出的TP浓度呈显著上升趋势的结论不一致.与I_P值相似，从2010年起，洞庭湖TP浓度的年均值连续低于多年平均值，TN浓度则呈显著上升趋势.趋势检验结果表明，TN浓度的秩相关系数r_s为0.661，大于其临界值W_P（0.564），表明TN浓度在0.01水平(双侧)上升趋势有显著意义.

洞庭湖水质污染的年际变化主要受TP浓度的影响，洞庭湖I_P值和TP浓度具有相同的时间分布，二者的Pearson相关系数高达0.977，呈极显著正相关(P＜0.01).从2010年起，洞庭湖总体水质趋好与TP浓度的连续走低有较好的一致性.有研究结果表明，入湖泥沙是洞庭湖水体TP的重要来源^[24]，而洞庭湖泥沙主要来源于长江“三口”^[25]，三峡工程运行后，长江“三口”来沙大幅下降，其占洞庭湖总入湖沙量的比例由1996-2002年的81.5%下降为2003-2012年的57.2%，相应地，洞庭湖泥沙沉积率由73.7%下降为11.5%(表 1)，2009年后，洞庭湖出湖沙量大于入湖水量，总体呈冲刷状态^[26]，导致洞庭湖水体TP浓度下降. 2003-2008年尽管长江“三口”来沙减少，但入湖沙量仍大于出湖沙量，洞庭湖总体仍沿袭以前的淤积态势，湖水TP浓度较高. 1999、2004和2008年洞庭湖I_P值较高，水质呈污染，主要是由于TP浓度较高所致.

2.2 三峡工程运行前后洞庭湖水质的水期变化

与三峡工程运行前相比，三峡工程运行后洞庭湖I_P值、TP和TN浓度均有不同程度的升高，其中TN浓度显著上升(P＜0.05).就不同水期而言，汛期洞庭湖I_P值和TP浓度有所下降，而TN浓度显著上升(P＜0.05)；非汛期，洞庭湖I_P值、TP和TN浓度均有不同程度的升高，但均无显著性差异(P＞0.05).三峡工程运行前后洞庭湖I_P值和TP浓度的水期分布格局发生明显变化，均由三峡工程运行前的汛期＞非汛期变化为三峡工程运行后的非汛期＞汛期，TN浓度的水期分布格局没变，仍然表现为非汛期＞汛期.洞庭湖I_P值水期分布格局变化结果与申锐莉等^[15]的研究结果基本一致（表 2，图 4）.

2.3 三峡工程运行前后洞庭湖水质的空间变化

与三峡工程运行前相比，三峡工程运行后西洞庭湖I_P值和TP浓度有所下降，TN浓度则有所上升，但均无显著性差异(P＞0.05)；南洞庭湖的I_P值、TP和TN浓度均有不同程度的上升，其中I_P值和TN浓度有显著上升(P＜0.05)，水质显著恶化；东洞庭湖的I_P值、TP和TN浓度均有不同程度的上升，但均无显著性差异(P＞0.05).三峡工程运行前后洞庭湖I_P值和TP浓度的空间分布格局发生一些变化，其大小顺序均由三峡工程运行前的西洞庭湖＞东洞庭湖＞南洞庭湖变化为三峡工程运行后的西洞庭湖＞南洞庭湖＞东洞庭湖，即南洞庭湖I_P值和TP浓度均超过东洞庭湖，上升为第二位，从2010年起，洞庭湖I_P值的空间分布格局发生了新的变化，I_P值的大小顺序变化为东洞庭湖＞南洞庭湖＞西洞庭湖；洞庭湖TN浓度的空间分布格局没变，仍然表现为东洞庭湖＞南洞庭湖＞西洞庭湖，此结果与王崇瑞等^[28]的研究结果一致（表 3，图 5）.

3 讨论

一般地，洞庭湖水体汛期表现为淤积，非汛期表现为冲刷^[29]，洞庭湖来水、来沙主要集中在汛期，三峡工程运行后汛期来水量减少、含沙量降低，致使TP浓度下降、I_P值减小.非汛期TP浓度的升高有两方面的原因，一方面是来水量尤其是长江“三口”来水量减少^[30]，另一方面是水面比降增大，流速增大，水体冲刷作用增强，特别是三峡水库汛后蓄水期(9-10月)，洞庭湖出流加快^[31]，加速泥沙再悬浮和底泥中TP的二次释放.非汛期TP浓度升高，导致其I_P值增大.

三峡工程运行前洞庭湖不同湖区TP浓度的分布格局与其泥沙来源不同^[30]有关，西洞庭湖区泥沙主要来源于长江“三口”，这部分入湖泥沙首先在西洞庭湖落淤后经南洞庭湖再入东洞庭湖，同时藕池东支河泥沙直入东洞庭湖，使得不同湖区泥沙含量和TP浓度表现为西洞庭湖＞东洞庭湖＞南洞庭湖.三峡工程运行后，由于长江“三口”来沙占洞庭湖总入湖沙量的比例减少，“四水”来沙占洞庭湖总入湖沙量的比例上升，再加上清水入湖对水体的冲刷，使得西洞庭湖泥沙含量和TP浓度下降，南、东洞庭湖泥沙含量和TP浓度上升. 2010年后，由于洞庭湖TP浓度空间分布格局进一步变化为东洞庭湖＞西洞庭湖＞南洞庭湖，首要污染物由TP变化为TN，再加上洞庭湖TN浓度一直呈现东洞庭湖＞南洞庭湖＞西洞庭湖的空间分布格局，使得从2010年起洞庭湖水质污染的空间分布格局变化为东洞庭湖＞南洞庭湖＞西洞庭湖.此结果与李忠武等^[4]的研究结果基本一致. 1999年西洞庭湖I_P值高达4.97，水质属重污染，主要是由于TP浓度高，达0.339 mg/L，超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002) 的Ⅲ类标准5.78倍.

三峡工程运行前后洞庭湖TN浓度空间分布格局的一致性，表明洞庭湖TN浓度受三峡工程运行影响较小，同时也暗示湘、资、沅、澧“四水”是洞庭湖TN的主要来源.秦迪岚等^[23]研究结果表明，湘、资、沅、澧“四水”TN的输入量占洞庭湖TN总输入量的74%，其中湘江TN的输入贡献最大，占洞庭湖TN总输入量的46%，资水次之，占12%，在各入湖河流中，湘江和资水入湖口TN浓度较高.较高TN浓度的湘江与资水汇入东、南洞庭湖，造成了目前洞庭湖TN浓度的空间分布格局.与三峡工程运行前相比，三峡工程运行后TN浓度在西、南、东洞庭湖均有不同程度的上升，其中南洞庭湖TN浓度有显著上升，表明湘江、资水等“四水”流域氮污染不断加剧.另外，三峡工程运行后，洞庭湖水位降低、水量减小也是导致洞庭湖TN浓度升高的原因之一.南洞庭湖水质显著恶化主要是由于TN和TP浓度的上升，尤其是TN浓度的显著上升.

东洞庭湖成为目前洞庭湖水质污染较重的区域，除与三峡工程的运行有关外，还受下列因素的影响：1) 东洞庭湖是洞庭湖湖水的汇聚地，污染物在此累积^[32]；2) 东洞庭湖离洞庭湖出湖口近，受长江水流顶托，容易在出湖口附近形成污染物的富集^[33]；3) 作为湖南北部政治、经济、文化中心的岳阳市坐落于此，人类活动频繁，日常生活与生产所产生的大量氮、磷污染物会对周边水质造成较大影响^[34].

由于三峡工程运行时间短，其对洞庭湖生态环境的影响还没有完全显现，因此本研究所得结论仅仅是初步结果，对三峡工程运行前后洞庭湖水质的变化仍需进行长期跟踪观测与研究.