新疆開都河流域水環(huán)境特征研究

吾甫爾·托乎提， 賽·巴雅爾圖， 張建平， 胡洋， 邵克強， 高光， 湯祥明*

1.新疆巴音郭楞蒙古自治州生態(tài)環(huán)境局2.湖泊與環(huán)境國家重點實驗室， 中國科學院南京地理與湖泊研究所

水是生命的源泉，是動植物賴以生存的基礎(chǔ)。干旱地區(qū)淡水資源的多少及水質(zhì)的好壞對區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展尤為重要。我國干旱區(qū)集中分布在蒙新高原[1]，其面積達2.5×106km2，占國土面積的26%。河流與湖泊是干旱區(qū)水分循環(huán)不可缺失的組成部分，并對干旱區(qū)的生態(tài)與環(huán)境變化有著重大影響。我國干旱區(qū)的湖泊主要分布在新疆境內(nèi)，其中博斯騰湖(簡稱博湖)是新疆最大的湖泊，它不僅為巴音郭楞蒙古自治州工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了寶貴的淡水資源，而且對下游塔里木河流域生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

博湖曾是我國內(nèi)陸地區(qū)最大的淡水湖，建國初期水體礦化度(TDS)約0.4 g/L。自20世紀60年代以來，大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)活動、氣候環(huán)境的變遷以及水資源的過度開發(fā)利用等，導致博湖生態(tài)環(huán)境急劇惡化，尤其是湖水TDS升高，嚴重影響了流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生態(tài)服務(wù)功能[3]。20世紀70年代末期，博湖平均TDS已超過1.6 g/L，博湖從淡水湖演變?yōu)槲⑾趟?。?0世紀80年代末期以來，新疆地區(qū)暖濕化趨勢明顯[4]。關(guān)于博湖流域水資源利用[5]、土地利用變化[6]及其生態(tài)服務(wù)價值[7],博湖水位與面積[8]、水質(zhì)[9]、水鹽平衡及其生態(tài)輸水對塔里木河下游生態(tài)環(huán)境的影響[10]等方面的研究已有大量報道，然而，目前仍缺乏從全流域尺度對博湖及其主要入湖河流水環(huán)境的綜合研究。筆者通過對2014—2015年博湖及其主要入湖河流——開都河支流及干流水環(huán)境的綜合調(diào)查，分析流域主要水質(zhì)參數(shù)的月度變化特征，比較河湖主要理化參數(shù)的差異，闡明博湖主要水質(zhì)參數(shù)的空間分異規(guī)律，并探討造成水環(huán)境時空差異的主要原因，以期為流域水環(huán)境長期變化趨勢研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為新時期流域生態(tài)環(huán)境問題診斷及治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

開都河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，北倚天山山脈，南臨塔里木盆地，地勢西北高、東南低。地貌分區(qū)屬于天山大區(qū)，包括天山山地、尤勒都斯盆地和焉耆盆地3個小區(qū)。該區(qū)長320 km，平均寬137 km，面積為4.39×104km2，包括和靜、和碩、焉耆、博湖4個縣[11]。開都河流域地理位置及主要河流與湖泊見圖1。

圖1 開都河流域位置及采樣點分布Fig.1 Location of River Kaidu Catchment and the sampling sites in research area

大小尤勒都斯盆地在開都河上游，海拔為 2 400～2 700 m，年降水量約250～500 mm。盆地周邊山麓海拔為 4 800 m以上，分布有冰川(面積474 km2)，夏季冰川融水通過多條支流補給開都河(圖1)。多年平均冰川融水量約5.14×108m3，占年出山徑流的15.2%[4]。盆地內(nèi)部發(fā)育了大面積的草墩沼澤，水草豐茂，是良好的牧場，盆地中的沼澤地是我國著名的巴音布魯克天鵝保護區(qū)。

焉耆盆地是位于中天山的博爾托烏拉山與南天山的庫魯克塔格之間的中生代斷陷盆地，介于85°50′E～88°00′E和42°23′N～40°40′N之間[12]，年降水量僅60～70 mm。焉耆盆地是一個半封閉的山間盆地，東西長近160 km，南北最大寬度約60～90 km，面積約5.52 ×104km2。盆地地形北高南低，地勢由西北向東南傾斜，地面高程為 1 031～1 200 m，最低處為博湖。博湖作為焉耆盆地地表水與地下水的承泄區(qū)，主要由開都河、黃水溝、清水河等10余條小河匯集流入[13]。發(fā)源于中天山的開都河全長約560 km，多年平均徑流量約35.6×108m3(1955—2019年)，占博湖流域總徑流量的85%以上，是唯一能常年補給博湖的河流。博湖可分為大湖區(qū)和小湖區(qū)2個部分。1983年前，博湖大湖區(qū)出流為自然出流，經(jīng)小湖區(qū)至達吾提閘入孔雀河。1983年以后人為隔斷了湖水與孔雀河之間的天然水路，出湖水量完全由揚水泵站調(diào)控。博湖東西長約55 km，南北平均寬度約20 km，平均水深為7.38 m，最大水深為16 m[3]。在水位高程為 1 047 m時，湖面面積約 1 064 km2。博湖西南角小湖區(qū)總面積約300 km2，是個蘆葦密布的濕地，其中有十幾個小湖，湖泊面積約60 km2。

1.2 采樣點布設(shè)與樣品采集

在開都河支流共設(shè)置了15個采樣點(海拔為 2 400～2 950 m)，在開都河及黃水溝干流設(shè)置了12個采樣點(海拔為 1 110～2 490 m)，在博湖設(shè)置了17個采樣點(海拔約 1 045 m，圖1)。因11月—次年5月開都河上游尤勒都斯盆地基本上被冰雪覆蓋，故分別于2014年6—10月中下旬及2015年6—9月上旬，用采水器采集開都河流域內(nèi)各采樣點表層水樣5 L，置于預先洗凈的塑料桶中，進行營養(yǎng)鹽濃度分析。由于9—10月部分支流斷流，最終采集的支流、干流和湖泊水樣樣品分別為129、108和153份。

1.3 檢測分析

采樣點水體的pH、水溫、濁度和TDS用多參數(shù)水質(zhì)測定儀(YSI 6600V2)現(xiàn)場測量。高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及總氮(total nitrogen, TN)、總磷(total phosphorus, TP)和葉綠素a(chlorophyll a, Chla)濃度的分析按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]進行。水質(zhì)評價參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》。

用WPS Office 2019軟件對數(shù)據(jù)進行初步整理，再用R 3.6.3軟件平臺的ggplot包、ggstatsplot包及tidyverse包等，對不同類型樣品的水質(zhì)參數(shù)進行差異顯著性分析和作圖。顯著性檢驗采用非參數(shù)Kruskal-Wallis秩和檢驗，多重檢驗中的P采用Holm-Bonferroni校正[15]。水質(zhì)參數(shù)的Spearman相關(guān)性檢驗使用performance analytics包進行分析和作圖。利用ArcMap 10.5的反距離權(quán)重法，進行博湖主要水質(zhì)參數(shù)空間分布特征的插值分析作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 開都河流域主要水質(zhì)參數(shù)的月度變化特征

開都河流域不同水體理化參數(shù)月度變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，支流、干流和博湖水體pH絕大多數(shù)在8.0以上，為偏堿性水體，月度變化沒有明顯規(guī)律。水溫在夏季(7—8月)達到最高值，2014年7月支流和干流水溫偏低的原因是采樣期間上游巴音布魯克遭遇了降溫和降水天氣過程。6—8月支流和干流水體的濁度及其變化范圍均明顯高于其他月份，主要原因是6—8月為巴音布魯克雨季，降水及冰川融水的增加，以及由于過度放牧導致的草場退化[16-17]，使部分支流周邊的土壤侵蝕增加，水體濁度最高可達560 NTU。支流和干流水體的礦化度月度變化不大，基本上在0.3 g/L以下，但博湖各月礦化度的均值都大于1 g/L，達到微咸水標準。由于博湖部分采樣點位于開都河入湖河口處，受開都河入湖淡水水量的影響較大，2014年7月及2015年6月博湖礦化度的變化范圍明顯高于其他月份，可能與這2次采樣時上游降水導致開都河入湖淡水水量增加，距離河口近的采樣點礦化度被稀釋有關(guān)。

圖2 開都河流域不同水體理化參數(shù)月度變化趨勢Fig.2 Monthly trend of physicochemical parameters in different water bodies in River Kaidu Catchment

開都河流域支流、干流和博湖水體TN濃度各月份波動不大，但2014年支流和干流TN濃度明顯低于2015年，而2014年博湖TN濃度卻明顯高于2015年。其原因可能與這2個年份的降水量有關(guān)。巴音布魯克氣象站資料表明，2015年開都河上游降水量為303 mm，明顯高于2014年的229 mm[18]。降水量增加可導致巴音布魯克草原更多的氮素隨雨水流入開都河支流，并匯入干流，但由于開都河TN濃度低于博湖，加之稀釋作用，博湖TN濃度從2014年的0.93 mg/L降至2015年的0.82 mg/L。CODMn也有類似的規(guī)律。支流和干流TP濃度的高值一般出現(xiàn)在7—8月，且變化幅度明顯高于博湖。Chla濃度的月度變化規(guī)律不明顯，支流和干流一般在5.0 μg/L以下，博湖Chla濃度的高值出現(xiàn)在2015年7月，均值達到11.0 μg/L。

2.2 開都河流域不同水體理化參數(shù)總體差異

比較開都河流域支流、干流和博湖所有月份水體理化參數(shù)的總體差異，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，博湖pH均值為8.68，顯著高于干流(8.44)和支流(8.31)。由于博湖位于開都河流域最低處，其海拔比上流支流低 1 355～1 905 m，而干流采樣點大多位于上游(海拔在2 000 m以上)，因此博湖采樣時平均水溫為21.9 ℃，顯著高于干流(12.9 ℃)和支流(9.5 ℃)。

圖3 開都河流域不同水體理化參數(shù)總體差異比較Fig.3 Comparisons of physicochemical parameters in different water bodies in River Kaidu Catchment

濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水中含有的泥土、粉砂、微細有機物、無機物、浮游生物等懸浮物和膠體物都可以使水質(zhì)變得渾濁而呈現(xiàn)一定濁度。濁度是反映水質(zhì)的1項重要表觀指標，儀器顯示的濁度是散射濁度。博湖水體的濁度較低，均值只有1.8 NTU，顯著低于支流(51.6 NTU)和干流(38.7 NTU)。開都河支流和干流水體流速較大，水體中泥沙含量較高，導致濁度較大。而開都河流入大湖區(qū)前經(jīng)博湖縣的寶浪蘇木分水閘攔截后泥沙含量有所下降，流入博湖后在河口區(qū)快速沉降，因此博湖除河口區(qū)外，大部分地區(qū)水體濁度低，透明度的均值可達2 m左右[8]。

礦化度又稱為溶解性總固體濃度，用來衡量水中所有離子的總含量。博湖平均礦化度為1.62 g/L，是開都河支流和干流的7倍左右。由于博湖位于焉耆盆地的最低處，且自1983年以來就沒有自然出流，僅靠位于博湖西南角的揚水站泵水出湖，且每年出湖水量僅10×108m3左右，只有博湖容積的14%。因此，在焉耆盆地近50年來農(nóng)田面積持續(xù)增長的背景下，高鹽農(nóng)田排放污水持續(xù)輸入[19]，導致博湖水體礦化度由20世紀60年代的0.4 g/L增長了3倍多，博湖也由我國最大的內(nèi)陸淡水湖演化為微咸水湖[20]。

博湖水體TN濃度和CODMn顯著高于開都河支流及干流水體(圖3)。監(jiān)測結(jié)果表明，博湖TN濃度的均值為0.88 mg/L，約為干流和支流的1.5～2.0倍。CODMn用于反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度。監(jiān)測結(jié)果表明，博湖CODMn的均值為5.34 mg/L，為GB 3838—2002 Ⅱ類～Ⅲ類水質(zhì)，而其上游支流和干流CODMn的均值均小于3 mg/L，為GB 3838—2002的Ⅰ類～Ⅱ類水質(zhì)，表明上游支流和干流水體中還原性物質(zhì)的污染程度較低。博湖TP濃度均值為0.07 mg/L，為GB 3838—2002的Ⅲ類～Ⅳ類水質(zhì)，顯著低于干流(0.11 mg/L)，但與支流(0.08 mg/L)差異不顯著。博湖Chla濃度均值為5.34 μg/L，遠低于富營養(yǎng)化湖泊太湖年均值(20～50 μg/L)[21]。

開都河流域理化參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果見圖4。由圖4可知，Chla濃度與水溫、TN濃度及CODMn呈顯著正相關(guān)，反映了藻類生長與溫度及營養(yǎng)鹽的關(guān)系。雖然Chla與TDS也呈顯著正相關(guān)，但沒有充分證據(jù)說明二者之間的因果關(guān)系，更合理的解釋可能是開都河流域上下游水溫與營養(yǎng)鹽濃度和TDS的變化趨勢相似導致的結(jié)果。此外，沒有發(fā)現(xiàn)TN和TP有顯著的相關(guān)性，這可能是由于相對于博湖，支流與干流TN濃度較低而TP濃度較高的這種不同空間分布特征造成的(圖3)。博湖水體較低的TP濃度(0.07 mg/L)接近于限制藻類生長TP濃度閾值(0.05 mg/L)[22]，再加上較低的年均水溫，可能是導致其Chla濃度遠低于長江中下游富營養(yǎng)化湖泊的主要原因。

注： *表示P<0.05(雙側(cè))；** 表示P<0.01(雙側(cè))；*** 表示P<0.001(雙側(cè))。圖4 開都河流域水體理化參數(shù)的相關(guān)矩陣Fig.4 Correlation matrix among the physicochemical parameters in River Kaidu Catchment

2.3 博湖主要水質(zhì)參數(shù)空間分布特征

利用博湖不同區(qū)域采樣點各水質(zhì)系數(shù)在所有采樣時間的均值，進行了博湖主要水質(zhì)參數(shù)空間分布的插值分析，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，博湖TDS與TN、TP濃度及CODMn的高值均出現(xiàn)在西北角的黃水溝水域以及西部蘆葦濕地附近的水域。開都河入湖河口水域TDS與TP濃度及CODMn明顯低于其他水域。博湖TDS的空間分布格局與文獻報道[20]一致。

圖5 博湖主要水質(zhì)參數(shù)空間分布Fig.5 Special distribution of the main water quality parameters in Lake Bosten

農(nóng)業(yè)面源污染是博湖的主要污染源[23-24]。20世紀50年代以來，焉耆盆地進行了大規(guī)模的水土開發(fā)，農(nóng)田灌溉面積由1958年的3.24萬hm2增至2002年的9.99萬hm2[25]，2019年農(nóng)作物播種面積已達12.84萬hm2。隨著流域耕地面積的持續(xù)增長，農(nóng)田開墾及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量高鹽污水及氮、磷污染物通過博湖西北部的33條農(nóng)業(yè)排渠流入博湖大小湖區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的入湖TN、TP和COD的總量可分別達到5.86萬、1.55萬和10.6萬t/a，農(nóng)業(yè)排渠入湖鹽量占入湖總鹽量的48%[26]。因此，合理控制耕地面積及農(nóng)業(yè)面源污染物的排放，以及對博湖西北角黃水溝至西部濕地農(nóng)業(yè)排渠污水進行治理，對改善博湖水質(zhì)具有重要意義。

3 結(jié)論

(1) 開都河流域支流、干流和博湖水體主要水環(huán)境參數(shù)差異顯著。支流和干流pH、水溫、TDS、CODMn及TN、Chla濃度均顯著低于下游的博湖，但濁度顯著高于博湖，尤其是在6—8月的雨季。開都河干流水體TP濃度顯著高于支流及博湖。

(2) 開都河支流和干流TN濃度與CODMn為GB 3838—2002中Ⅰ類～Ⅱ類，而博湖為類Ⅱ～Ⅲ類。博湖TDS均值為1.62 mg/L，水體呈微咸水狀態(tài)。

(3) 博湖TDS、TP濃度和CODMn空間分布特征較為一致，表現(xiàn)為西北部>東南部>西南部；TN濃度呈現(xiàn)由西北黃水溝水域及西南河口區(qū)向湖心及東部逐步降低的趨勢。這種鹽分及營養(yǎng)鹽的空間分布特征與流域內(nèi)頻繁的農(nóng)業(yè)活動及開都河的輸入密切相關(guān)。