博斯騰湖水質(zhì)時空變化特征

娜仁格日樂，王慧杰

（1.新疆巴音郭楞蒙古自治州博斯騰湖研究所，新疆 巴音郭楞 841000；2. 新疆巴音郭楞蒙古自治州環(huán)境保護局，新疆 巴音郭楞 841000）

湖泊作為一種重要的自然資源，具有蓄水、供水、養(yǎng)殖和旅游等多項生態(tài)功能［1-2］，對人類生存和城市發(fā)展起著重要作用［3-4］。然而，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國七大水系總體呈現(xiàn)不同程度的污染，湖泊富營養(yǎng)化問題突出［5-6］。湖泊水質(zhì)的情況受到政府和學(xué)術(shù)界的廣泛重視，2010年以來政府先后實行了湖泊“十二五”和“十三五”生態(tài)環(huán)境保護項目，學(xué)術(shù)界也對我國重點湖泊做了大量研究［7-10］。

博斯騰湖位于新疆巴音郭楞蒙古自治州焉耆盆地東南，是我國第一大內(nèi)陸淡水湖［11］，屬于國家控制重點湖泊。近幾年，研究學(xué)者為改善博斯騰湖水質(zhì)做了大量研究［12-15］，但很少報道2010年實行湖泊生態(tài)環(huán)境保護項目以來博斯騰湖的水質(zhì)動態(tài)變化特征和空間分布。本研究以博斯騰湖大湖區(qū)為研究對象，對2000—2017年水質(zhì)的動態(tài)變化特征進行分析，并采用普通克里金插值和Pearson相關(guān)性檢驗探討博斯騰湖8種水質(zhì)指標的空間分布特征及相關(guān)性，以期為該區(qū)水環(huán)境污染控制規(guī)劃及制定改善措施提供重要的理論依據(jù)，供相關(guān)研究者參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖位于新疆天山山脈中段南麓，焉耆盆地最低處博斯騰湖區(qū)（41°46′～42°08′N，86°19′～87°28′E）（圖1），屬于溫帶大陸性干旱氣候，平均海拔1 048 m，年平均降水量64.7 mm，年蒸發(fā)量1 881.2 mm。博斯騰湖分為大湖區(qū)和小湖區(qū)，大湖區(qū)東西長55 km，南北平均寬20 km，在海拔高程為1 048.75 m時，水面面積為1 002.4 km2，容積為8.8×109m3，平均水深為7.38 m，小湖區(qū)面積約300 km2。

圖1 博斯騰湖地理位置

1.2 研究方法

采用克里金插值（Kriging），也稱為空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法［16］。由于具有地統(tǒng)計學(xué)的統(tǒng)計特征，運用克里金插值方法，不僅可以得到預(yù)測結(jié)果，還可以得到預(yù)測誤差，有利于評估預(yù)測結(jié)果的不確定性。

1.3 數(shù)據(jù)來源

博斯騰湖17個固定監(jiān)測點（圖2）2000—2017年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于巴州環(huán)境監(jiān)測站，每年5～10月各監(jiān)測采樣1次，博斯騰湖年度動態(tài)變化的分析數(shù)據(jù)為各項指標17個采樣點的平均值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算及繪圖采用Excel 2003、Arcgis 10.2和SPSS 22.0系統(tǒng)軟件。

圖2 博斯騰湖水樣采樣點分布

2 結(jié)果與分析

2.1 博斯騰湖水質(zhì)指標年度動態(tài)變化

博斯騰湖2000—2017年的各項水質(zhì)指標分析結(jié)果（圖3）顯示：博斯騰湖水體中溶解氧含量（DO）呈先升高后降低再升高的波動趨勢，在2005年達到最高、為9.2 mg/L，隨后逐漸降低至2012年的6.5 mg/L，再逐漸升高；生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）含量均呈先升高再逐漸下降的單峰模式，分別在2005、2006年達到峰頂；氨氮（NH3-N）含量呈先迅速下降再逐漸上升的趨勢；高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和化學(xué)需氧量（CODcr）變化趨勢基本一致，均呈先下降后升高再下降的趨勢；總氮（TN）含量基本保持不變，在0.68～1.00 mg/L之間浮動；礦化度（TDS）則呈先逐漸上升（2000—2012年）后逐漸下降（2013—2017年）的趨勢?？傮w來看，2010年后博斯騰湖各項水質(zhì)指標有所下降，可見博斯騰湖水質(zhì)在2010年后有所好轉(zhuǎn)。

對博斯騰湖進行8項監(jiān)測指標、總體水質(zhì)測定及水質(zhì)標準評價可知，博斯騰湖2017年生化需氧量、總磷、溶解氧達到Ⅰ類標準，氨氮達到Ⅱ類標準，高錳酸鹽指數(shù)、總氮達到Ⅲ類標水。根據(jù)水質(zhì)單因子評價結(jié)果可知，博斯騰湖水質(zhì)2000—2017年均為IV類水質(zhì)，超標因子為化學(xué)需氧量。

2.2 博斯騰湖水質(zhì)指標相關(guān)性分析

為研究博斯騰湖8種水質(zhì)指標的相關(guān)密切程度，從而尋求改善博斯騰湖水質(zhì)的方法，本研究對博斯騰湖8種水質(zhì)進行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果（表1）表明：總磷與總氮含量的相關(guān)系數(shù)最高，達極顯著負相關(guān)；其次是五日生化需氧量與化學(xué)需氧量，也達到極顯著負相關(guān)；氨氮含量與礦化度的相關(guān)系數(shù)最低，R=0.019。溶解氧與高錳酸鹽指數(shù)、氨氮含量均呈極顯著正相關(guān)，與五日生化需氧量呈極顯著負相關(guān)；高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量、氨氮含量均呈極顯著正相關(guān)，與五日生化需氧量呈極顯著負相關(guān)；化學(xué)需氧量與氨氮、礦化度均呈極顯著正相關(guān)，與總氮呈顯著正相關(guān)；五日生化需氧量與氨氮、礦化度均呈極顯著負相關(guān)；氨氮與總氮含量呈極顯著正相關(guān)，與總磷呈極顯著負相關(guān)；總氮與總磷含量呈極顯著負相關(guān)，總磷含量與礦化度呈極顯著正相關(guān)。

2.3 博斯騰湖水質(zhì)指標空間分布

為更直觀地了解博斯騰湖水質(zhì)空間分布狀況，利用普通克里金插值對8項水質(zhì)指標進行插值估計。結(jié)果（圖4，封二）顯示：8項水質(zhì)指標空間分布不同，其中溶解氧含量以西北部黃水溝區(qū)域最低，隨后向東南部湖心區(qū)域逐漸升高；高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總氮、礦化度4項指標含量在湖西南部開都河區(qū)域最低，由湖心向西北部和東南部呈逐漸升高的趨勢；化學(xué)需氧量在西北部黃水溝區(qū)域含量最高，由湖北部向南部逐漸減少，呈階梯狀降低；氨氮含量在湖西北部和西南部含量較高，環(huán)繞著該區(qū)域的氨氮含量逐漸降低；總磷含量在湖區(qū)域內(nèi)變化不大，呈現(xiàn)由湖心向著西南部逐漸降低的趨勢。

圖3 博斯騰湖水質(zhì)指標年際變化狀況

3 結(jié)論與討論

本研究基于博斯騰湖大湖區(qū)內(nèi)17個固定采樣點2000—2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了近18年博斯騰湖水質(zhì)的動態(tài)變化特征，結(jié)果表明2010年實行湖泊生態(tài)環(huán)境保護項目以來博斯騰湖的水質(zhì)有所改善，但仍存在空間分布不均的問題。

湖泊水環(huán)境對整個生態(tài)系統(tǒng)起關(guān)鍵性作用，開展湖泊水質(zhì)評價及污染物空間分布特征研究是保護該類生態(tài)系統(tǒng)的重要前提［17］。從博斯騰湖2000—2017年8項水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，博斯騰湖水質(zhì)變化可劃分為兩個階段：2000—2010年各項水質(zhì)指標均呈逐步升高的趨勢，2010—2017年各項水質(zhì)指標呈逐漸下降的趨勢，其中總磷含量由Ⅲ類變成Ⅰ類水質(zhì)，五日生化需氧量由V類變?yōu)镮類水質(zhì)。以往研究認為湖泊的水質(zhì)指標與水位呈正相關(guān)［18］，然而根據(jù)調(diào)查2000—2017年博斯騰湖水位整體呈下降趨勢（圖5）。

表1 博斯騰湖水質(zhì)Pearson 相關(guān)系數(shù)

圖5 博斯騰湖水位變化

水質(zhì)指標是評價湖泊水質(zhì)等級的重要因素，本研究通過對2000—2017年博斯騰湖8項水質(zhì)指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)性分析可知，各項水質(zhì)指標存在不同程度的相關(guān)性。其中博斯騰湖溶解氧與生化需氧量呈極顯著負相關(guān)，化學(xué)需氧量與氨氮、礦化度均呈極顯著正相關(guān)，礦化度與高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量呈極顯著正相關(guān)，這與以往學(xué)者的研究結(jié)果一致［19-20］。

化學(xué)需氧量和生化需氧量均是用定量的數(shù)值來間接地、相對地表示水樣中有機物質(zhì)數(shù)量的重要水質(zhì)指標［21］。以往學(xué)者的研究認為，通過計算生化需氧量/化學(xué)需氧量的比值可大致判斷水體的生物可降解性，一般認為BOD5/CODCr＞0.58為完全可生物降解污水，BOD5/CODCr=0.45～0.58為生物降解性良好，BOD5/CODCr=0.30～0.45為可生物降解污水，BOD5/CODCr＜0.30為難生物降解污水。利用博斯騰湖2003—2016年生化需氧量和化學(xué)需氧量的均值，可計算博斯騰湖BOD5/CODCr=0.064，遠小于0.3，表明博斯騰湖為難生物降解的污水。針對此問題，后續(xù)研究將對博斯騰湖難降解物質(zhì)進行檢測，從目前國內(nèi)外對難降解有機物廢水的處理方法中選擇適合博斯騰湖的處理方法，提出科學(xué)有效的改善博斯騰湖水質(zhì)措施。

通過普通克里金差值研究博斯騰湖的空間分布可知，目前博斯騰湖水質(zhì)存在空間分布極為不均的情況，博斯騰湖西北部和東南部各項水質(zhì)指標含量較高，湖中心區(qū)和西南部水質(zhì)指標含量較低。本研究結(jié)果表明，博斯騰湖水質(zhì)空間分布不均，其原因在于湖泊地表水補給輸出現(xiàn)狀。目前，博斯騰湖地表水補給主要來源于位于湖泊西南側(cè)的開都河?xùn)|支，年均徑流量約為17億m3；地表水輸出唯一出口是位于湖泊西南角的揚水站，年均取用水量約為8億m3。地表徑流入口與出口距離過近，導(dǎo)致湖泊中部、東部等大部分區(qū)域無法實現(xiàn)有效的水文循環(huán)，僅依靠風(fēng)力實現(xiàn)水力交換。整體導(dǎo)致湖泊水體內(nèi)循環(huán)動力不足，繼而引起水質(zhì)空間分布不均，污染物降解也受到一定影響。建議改變博斯騰湖地表徑流入口與出口的位置，從而促進水質(zhì)循環(huán)。

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