烏梁素海水質(zhì)變化特征

李紅悅　李興 管超 周炎廣

摘要 [目的]研究烏梁素海水質(zhì)變化特征和污染物濃度的時(shí)空分布。[方法]利用2014—2016年烏梁素海12個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取TN、NH3-N、TP、COD這4項(xiàng)污染指標(biāo)，分析其水質(zhì)變化特征和污染物濃度的時(shí)空分布。[結(jié)果]近3年來(lái)烏梁素海的水質(zhì)逐年改善，由于蘆葦?shù)戎参镂者^(guò)濾及沿途污染物的物理沉降等，由西北部入湖地區(qū)各點(diǎn)向湖心和西南部出湖地區(qū)的污染物濃度降低；污染物濃度隨時(shí)間變化明顯，TN、NH3-N、TP、COD濃度整體體現(xiàn)出1月（枯水期）濃度較高，5月（平水期）最低，9月（豐水期）污染物濃度普遍重新回升。污染物濃度與氣溫和蒸發(fā)量無(wú)顯著相關(guān)，與降水量相關(guān)，且湖泊水質(zhì)主要與農(nóng)田退水有關(guān)。[結(jié)論]該研究為烏梁素海水污染治理和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 污染物濃度；水質(zhì)；時(shí)空變化；烏梁素海

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）14-0082-04

Variation Characteristics of Water Quality in Wuliangsuhai Lake

LI Hongyue1，2，LI Xing2，GUAN Chao1 et al （1.Faculty of Geographical Science， Beijing Normal University， Beijing 100875；2.Inner Mongolia Engineering Research Center for Watersaving Agriculture， Inner Mongolia Normal University， Hohhot，Inner Mongolia 010022）

Abstract [Objective] The research aimed to study the change characteristics of water quality and the spatiotemporal distribution of pollutant concentrations in the Wuliangsuhai Lake.[Method]Based on the measured data from 12 sampling sites of Wuliangsuhai Lake from 2014 to 2016， four pollution indicators were selected including TN， NH3-N， TP and COD to analyze the water quality characteristics of Wuliangsuhai Lake and the spatiotemporal distribution of pollutant concentration.[Result]In the past three years， the water quality of Wuliangsuhai Lake had been improving year by year.Due to the absorption and filtration of plants such as reeds and the physical settlement of pollutants along the way， the concentrations of pollutants from the northwestern lake into the lake and the southwestern part of the lake had decreased； The concentrations changed significantly with time.The concentrations of TN， NH3-N， TP and COD showed a higher concentration in January （dry season） and the lowest in May （flat water period）.The concentration of pollutants in September （flooded season） generally recovered.There was no significant correlation between pollutant concentration and temperature and evaporation， and it was related to precipitation.The quality of lake water was mainly related to farmland water withdrawal.[Conclusion]The study provided scientific basis for Wuliangsu seawater pollution control and environmental management.

Key words Pollutant concentration；Water quality；Spatiotemporal change；Wuliangsuhai Lake

湖泊水質(zhì)變化問(wèn)題是湖泊學(xué)研究的重要內(nèi)容[1]。黃河流域最大的淡水湖泊——烏梁素海，蒙古語(yǔ)意為“楊樹(shù)之?！?，具有調(diào)節(jié)和改善周圍環(huán)境的功能，也兼具防止沙漠東進(jìn)的屏障功能。該區(qū)域在維護(hù)湖泊流域地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡方面起著重大作用[2]。目前，由于人類對(duì)水資源的濫采濫用和過(guò)度開(kāi)發(fā)給環(huán)境和生態(tài)帶來(lái)嚴(yán)重危害，每年排入烏梁素海的水質(zhì)污染物數(shù)量極大，使得水體出現(xiàn)水位下降、湖泊面積萎縮[3]、水體富營(yíng)養(yǎng)化[4-5]、湖泊鹽化沼澤化等復(fù)合污染[6-7]。雷宏軍等[8]應(yīng)用綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法對(duì)烏梁素海的營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前水質(zhì)情況不容樂(lè)觀，處于中度富營(yíng)養(yǎng)水平。因此，十分有必要對(duì)這類特殊湖泊生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展環(huán)境指標(biāo)及更新水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究，同時(shí)對(duì)湖泊的生態(tài)保護(hù)也具有重要意義。目前，針對(duì)烏梁素海地區(qū)已積累了諸多研究成果，分別有烏梁素海污染源[9-10]、污染物類型[11-12]、水生植物對(duì)水質(zhì)的影響[13-14]以及用多種分析方法對(duì)烏梁素海的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)[15-17]。

烏梁素海是一個(gè)極具代表性的濕地生態(tài)系統(tǒng)，它是河套排灌系統(tǒng)承接水體與排水的唯一通道[18]。它不同于我國(guó)一般的湖泊，湖水變化主要受河套灌區(qū)水流的進(jìn)退制約。昆茲威克斯等[19]分析指出氣候因素對(duì)河流水質(zhì)的影響不可忽視。在前期對(duì)烏梁素海的相關(guān)研究中主要考慮了非氣象要素的原因[20]，而關(guān)于氣象要素是否影響水質(zhì)污染的研究微乎其微。筆者利用2014—2016年烏梁素海12個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取TN、NH3-N、TP、COD這4項(xiàng)污染指標(biāo)，就實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的濃度變化進(jìn)行時(shí)空角度的說(shuō)明，分析其水質(zhì)變化特征和污染物濃度的時(shí)空分布，并研究氣溫、降水和蒸發(fā)等氣象要素對(duì)烏梁素海污染物濃度的影響，以期為烏梁素海水污染治理和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 烏梁素海流域系黃河改道而形成的河跡湖[21]，地處荒漠草原地帶，位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗中部，地理坐標(biāo)為108°43′～108°57′E、40°36′～41°03′N。烏梁素海屬溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱少雨。根據(jù)臨河氣象觀測(cè)站多年（2007—2016年）觀測(cè)數(shù)據(jù)，年均氣溫為7.3 ℃，年降水量為224 mm，年蒸發(fā)量1 502 mm，年均風(fēng)速為3.5 m/s（圖1）。該湖冰封期約5個(gè)月，每年10月末至11月初為結(jié)冰期，冰厚在0.6～1.0 m，次年3月末至4月初為解冰期[22]。

1.2 樣品采集與分析方法

按照我國(guó)水環(huán)境及濕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查規(guī)范，并根據(jù)烏梁素海水動(dòng)力和環(huán)境特征、污染源的分布及該地區(qū)蘆葦生長(zhǎng)分布狀況，

應(yīng)用2 km×2 km 的網(wǎng)格在空間上對(duì)烏梁素海進(jìn)行剖分，獲得交點(diǎn)后以梅花形布置取樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)12 處（圖2）。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要包括進(jìn)水區(qū)（J11）、出水區(qū)（K2）、北部明水區(qū)（L15）、南部明水區(qū)（B1）、蘆葦區(qū)（N13）和旅游區(qū)（Q10）等典型區(qū)域，可反映出研究區(qū)整體水質(zhì)情況。

取樣時(shí)間為每月中旬，頻率為每月1次，每次取樣點(diǎn)位置利用全球GPS 定位，利用水質(zhì)專門取樣裝置，采集水深0.5 m 處的水質(zhì)樣品，水樣經(jīng)采集后用聚乙烯取樣瓶密封，在2～5 ℃條件下保存，并在48 h內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、生化需氧量（COD），采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN，采用納氏試劑比色法測(cè)定NH3-N，采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP，采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD。為保證水質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品做2個(gè)平行樣，取均值作為該采樣地點(diǎn)某監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度。根據(jù)該區(qū)氣候特征，以1月代表枯水期、5月代表平水期和9月代表豐水期，選取這12個(gè)采樣點(diǎn)2014—2016年中1、5、9月的水質(zhì)指標(biāo)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)烏梁素海的污染指標(biāo)濃度進(jìn)行時(shí)空分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物濃度描述統(tǒng)計(jì)

由表1可知，2014—2016年TN平均質(zhì)量濃度最大值、最小值分別為12.31、0.37 mg/L，均出現(xiàn)在2014年，3年內(nèi)濃度呈緩慢下降的趨勢(shì)；NH3-N平均質(zhì)量濃度最大值與最小值均出現(xiàn)在2014年，分別為8.60、0.01 mg/L，3年平均質(zhì)量濃度分別為0.91、0.74、0.72 mg/L，2014—2016年呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，3年濃度均為Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；TP作為評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的另外一個(gè)重要指標(biāo)，2014—2016年平均質(zhì)量濃度最大值為3.26 mg/L（2014年），最小值

為0.01 mg/L（2016年），2014年平均濃度達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，之后濃度呈下降趨勢(shì)，2015—2016年水質(zhì)狀況轉(zhuǎn)為Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)得到明顯的改善；COD作為反映水體中需氧有機(jī)污染物含量的環(huán)境指標(biāo)，2014—2016年COD平均質(zhì)量濃度最大值、最小值均出現(xiàn)在2015年，分別為352.27、5.19 mg/L，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差3年均較大，表明具有明顯的時(shí)間變化和空間差異。COD 3年的平均濃度均高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，在2016年COD含量已達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的2～3倍，為劣Ⅴ類。由此可知，近年來(lái)烏梁素海的水環(huán)境污染形勢(shì)仍十分嚴(yán)峻，但總體上呈現(xiàn)不同程度的改善。

2.2 污染物濃度空間變化特征

由圖3可知，TN、NH3-N、TP在排水入口處（J11）明顯達(dá)到峰值，3種污染物濃度空間分布特征基本一致，COD濃度在全湖分布都較高，表現(xiàn)為不同程度的波動(dòng)變化。入水口處（J11）位于水渠總排干尾端，是河套灌區(qū)的農(nóng)田退水以及工業(yè)廢水和生活污水排入烏梁素海的入口，農(nóng)田退水卷積大量的未經(jīng)充分利用的TN、NH3-N、TP等營(yíng)養(yǎng)元素通過(guò)總排干排入烏梁素海，大量的營(yíng)養(yǎng)鹽排入使入水口處濃度最高。烏梁素海的南北狹長(zhǎng)分布使得湖水由北向南流動(dòng)途中，途經(jīng)蘆葦覆蓋密集的水域（N13、O10、Q8），對(duì)污染物濃度的吸收過(guò)濾及沿途污染物的物理沉降共同作用使得污染物濃度呈不同程度降低，可見(jiàn)湖中心處蘆葦區(qū)生長(zhǎng)的蘆葦?shù)却笮屯λ参飳?duì)其周圍的水質(zhì)有明顯的改善作用，這與白妙馨等[23]對(duì)于水生植物凈化水體潛力研究結(jié)果是一致的。在旅游區(qū)（Q10）各項(xiàng)指標(biāo)濃度均有不同幅度回升，也可看出人類活動(dòng)對(duì)污染物濃度的影響是不可忽視的，河口處污染物濃度顯著降低，表現(xiàn)出湖河口處（K2）濃度均呈偏小狀態(tài)，可知西北入湖處水質(zhì)劣于湖心及西南出湖口處。

2.2 污染物濃度時(shí)間變化特征

從圖4可看出，除2014年的TP濃度，TN、NH3-N、TP、COD這4種污染物濃度整體體

現(xiàn)出枯水期濃度最高、平水期最低，而豐水期污染物濃度普遍重新回升，可知平水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期和枯水期。另外，烏梁素海的水質(zhì)對(duì)于氣溫、蒸發(fā)量這2種響應(yīng)機(jī)制無(wú)顯著相關(guān)規(guī)律性。烏梁素海污染物濃度是由降水量和農(nóng)業(yè)面源污染共同作用決定。

究其原因是1月為冬季，湖泊水體已至結(jié)冰期，降水量達(dá)全年最低，湖泊水位下降，水環(huán)境容量相比其他時(shí)期極大縮減，污染物易于累積，并且水體中的微生物和水生生物在冬季的低氣溫條件下不適宜進(jìn)行大量生長(zhǎng)繁殖活動(dòng)，使得水體自凈能力大幅下降，故各指標(biāo)濃度都呈現(xiàn)較高水平；而5月天氣轉(zhuǎn)暖，適宜的生物環(huán)境為烏梁素海水域中水生植物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖提供有利條件，有機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素被各種水生植物充分利用，加之外來(lái)的排污量較少，使?fàn)I養(yǎng)鹽濃度逐漸減小，水質(zhì)較之前有了明顯的改觀，經(jīng)過(guò)與1月份相比的冰雪消融，降水逐漸增加，對(duì)污染物濃度稀釋作用增強(qiáng)，使得5月份濃度明顯降低；在9月份河套灌區(qū)農(nóng)耕作業(yè)時(shí)進(jìn)行秋灌，將大量未被利用充分的營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物沖刷進(jìn)入烏梁素海，同時(shí)秋季多風(fēng)、風(fēng)速大，沉積在淺水湖泊底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以攪動(dòng)并釋放，使污染物濃度重新呈回升趨勢(shì)。與此同時(shí)污染物濃度隨著降水量的增加而呈降低趨勢(shì)，這也充分說(shuō)明降水量影響污染物濃度的遷移和稀釋。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)與國(guó)家現(xiàn)行地表水環(huán)境現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)比較，可知2014—2016年烏梁素海的水質(zhì)逐年改善。

（2）烏梁素海污染物濃度隨時(shí)空變化明顯，在空間分布上，污染物濃度與入水口、出水口的相對(duì)位置具有很大的相關(guān)性，烏梁素海西北部入湖地區(qū)各點(diǎn)的水質(zhì)劣于湖心和西南部出湖地區(qū)。時(shí)間上，TN、NH3-N、TP、COD濃度整體體現(xiàn)出1月（枯水期）濃度最高，5月（平水期）最低，而9月（豐水期）污染物濃度普遍重新回升，可知水質(zhì)平水期>豐水期>枯水期。

（3）在選取的3項(xiàng)氣象要素中，烏梁素海污染物濃度與氣溫和蒸發(fā)量無(wú)顯著相關(guān)，與降水量相關(guān)。

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