敦煌西湖濕地水質(zhì)評價分析

袁海峰 何虎林肖云飛 陳文業(yè)談嫣蓉 吳 婷陳 旭王斌杰朱 麗邴丹琿劉鴻源

(1 甘肅敦煌西湖國家級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心，甘肅 敦煌 736200；2 甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020；3 甘肅林研科技工程公司，甘肅 蘭州 730020；4 甘肅敦煌西湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 敦煌 736200)

關(guān)鍵字 敦煌西湖；地表水；有機(jī)污染綜合評價；綜合污染指數(shù)法

水質(zhì)評價是水環(huán)境保護(hù)管理的重要依據(jù)，濕地生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)評價是衡量濕地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的重要指標(biāo)(孫清展等, 2013)。國內(nèi)外學(xué)者對濱海、濕地、湖泊和河流等水體水質(zhì)進(jìn)行了大量研究(甘華陽等, 2012; 姜劉志等, 2012; 韓曦等,2012)。有效的水質(zhì)評價方法受兩方面因素的影響，一是測試數(shù)據(jù)的正確性，二是評價方法的科學(xué)性(于淑玲等, 2013)?，F(xiàn)國內(nèi)外常用的水質(zhì)評價法主要包括單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、模糊評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等。

敦煌西湖濕地是荒漠戈壁重要的濕地保護(hù)區(qū)，水資源極為寶貴，制約著該區(qū)域植被覆蓋，關(guān)系著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活，也關(guān)系到敦煌市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。本文通過有機(jī)污染評價法與綜合污染指數(shù)法對敦煌西湖區(qū)域內(nèi)主要地表水水質(zhì)進(jìn)行評價，為區(qū)域內(nèi)濕地資源合理利用保護(hù)提供了重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

敦煌西湖國家級自然保護(hù)區(qū)位于甘肅河西走廊最西端，在甘肅、青海、新疆三省交界處，西接庫姆塔格沙漠和羅布泊，南鄰阿克塞哈薩克族自治縣，北連新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，東離敦煌市區(qū)120 km(圖1)。地勢南高北低、平均海拔為1 138 m。保護(hù)區(qū)總面積為66.00 萬hm2，地貌特征主要為沙漠、戈壁、濕地草叢等，其中濕地面積為9.69萬hm2，占總面積的14.7%。屬溫帶大陸性極干旱荒漠氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季酷暑，氣候干燥，降水量少，晝夜溫差較大，日照時間長(袁海峰等, 2020)。敦煌西湖自然保護(hù)區(qū)附近的主要河流有疏勒河和黨河，沼澤是匯集黨河溢出的水和多處泉水而成，玉門關(guān)沼澤、后坑子沼澤位于疏勒河故道，由于地勢低，地下水位高，地下水溢出而成。馬迷兔、灣腰墩等沼澤為季節(jié)性沼澤，春季凍土融化，地下水上升成沼澤。

2 研究方法

2.1 水樣的采集

水樣采集時間為2021 年3 月底，采集了研究區(qū)主要水域的水樣(圖1)，在水體靜止時采集水樣，每個水域采集3 次，現(xiàn)場測定水溫、pH 值，后將水樣倒入干凈的棕色玻璃瓶中，加入固定試劑防止樣品在運(yùn)輸過程的發(fā)生反應(yīng)，將樣品裝入移動低溫保溫箱儲存，并在1 d 內(nèi)運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

圖1 研究區(qū)濕地資源分布圖Fig.1 Distribution of wetland resources in the study area

2.2 水樣測試指標(biāo)和方法

采集的水樣分別測定其pH 值、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)、溶解氧(DO)(表1)。

表1 水質(zhì)測定方法Table 1 Water quality determination method

2.3 研究方法

2.3.1 有機(jī)污染綜合評價法 有機(jī)污染綜合評價法是以評價有機(jī)污染為主的一種常見的水質(zhì)評價方法(毛興華, 2006)。有機(jī)污染綜合評價方法在實(shí)際水質(zhì)評價過程指標(biāo)的選擇要視情況而定，可以根據(jù)被測地區(qū)的地質(zhì)情況、水流情況以及相關(guān)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)判斷當(dāng)?shù)氐乃w質(zhì)量。本文根據(jù)水樣DO、NH3-N、COD、BOD54 項(xiàng)指標(biāo)來判斷水質(zhì)。計(jì)算公式如下 ：

式中：BODi是水體五日生化需氧量的實(shí)測數(shù)據(jù)；CODi是水體化學(xué)需氧量的實(shí)測數(shù)據(jù)；NH3-N 是氨氮實(shí)測數(shù)據(jù)；DOi是溶解氧的實(shí)測數(shù)據(jù)。

A值越大表明水體有機(jī)污染越嚴(yán)重，A值越小水體有機(jī)污染越輕。一般BOD5、COD、NH3-N 越小，DO值越大，A值越小，水質(zhì)越好(馬虹等, 2002)。本次評價采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，取BOD0值 為3 mg/L、COD0值 為15 mg/L、DO0值 為6 mg/L、NH3-N0值為0.5 mg/L。

2.3.2 綜合污染指數(shù)法 綜合污染指數(shù)評價法是對各單因子指數(shù)加入等權(quán)重的水質(zhì)評價方法(畢業(yè)亮等, 2021)。其公式為：

式中：PT表示綜合污染指數(shù)， 表示各指標(biāo)因子污染指數(shù)。PT≤0.5，清潔；0.5 ＜PT≤1.0，較清潔；1.0 ＜PT≤1.5，稍有污染；1.5 ＜PT≤2.0，中度污染；PT＞2.0，重污染。

各指標(biāo)因子污染指數(shù)Pij的計(jì)算公式分非溶解氧指標(biāo)、溶解氧指標(biāo)、pH 值3 種計(jì)算方式(楊旭等, 2014)。

(1)非溶解氧污染指標(biāo)的公式為：

式中：Pij表示第i 個采樣點(diǎn)的第j 項(xiàng)指標(biāo)因子的污染指數(shù)；Cij為第i 采樣點(diǎn)第j 項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測濃度；Sij為第i 采樣點(diǎn)第j 項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度。

(2)溶解氧的單項(xiàng)污染指數(shù)公式為：

式中 ：Pij(DO)為溶解氧的單因子污染指數(shù)；CDO為溶解氧的實(shí)測濃度；CfDO為飽和溶解氧的濃度 ；S0DO為與水質(zhì)污染指標(biāo)對應(yīng)的溶解氧濃度標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)pH 值的單因子指數(shù)評價法的公式為：

式中：Pij(PH)表示 pH 值 的污染指數(shù)；pHij表示pH 值的實(shí)測值；pHsd表示評價中pH 值的標(biāo)準(zhǔn)下限值；pHsu表示評價中pH 值的標(biāo)準(zhǔn)上限值。當(dāng)Pij＞1 時，該項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，水體污染；當(dāng)Pij≤1 時，該項(xiàng)指標(biāo)未超標(biāo)，水體未污染(LU et al, 2019)。

3 結(jié)果與分析

3.1 各指標(biāo)評價分析

3.1.1 pH 值 pH 值是反映水質(zhì)酸堿程度的重要指標(biāo)，水體pH 值的變化會影響水質(zhì)其他指標(biāo)的變化。pH 值一般范圍在6.5 ～9.5，當(dāng)pH 值過低時，會有腐蝕性，當(dāng)pH 值過高的時候，水體會有溶解鹽析出。敦煌西湖地表水水質(zhì)pH 值整體大于8.0，呈現(xiàn)弱堿性和堿性，采樣點(diǎn)中后坑水樣的pH 值最小為8.05，天橋墩水質(zhì)pH 值最大為9.29，水樣呈現(xiàn)堿性，鹽池、鹽池灣的水質(zhì)pH值都大于8.5，沒有滿足世界飲水標(biāo)準(zhǔn)(世界飲水pH 值范圍為7.0 ～8.5之間)(表2)。

3.1.2 NH3-N NH3-N 是水體中的營養(yǎng)素，以銨鹽的形式存在于水體之中。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析，西湖地表水中NH3-N 含量都較低，大多數(shù)水體NH3-N 含量低于0.025 mg/L，采集的水樣中只有3 個水樣NH3-N 含量大于0.025 mg/L，分別為鹽池、大馬迷兔、小馬迷兔，但NH3-N 含量還是相對較小(表2)。

表2 敦煌西湖水質(zhì)各指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)Table 2 Measured data of water quality indexes of Dunhuang West Lake

3.1.3 CODMnCODMn是反映水體中有機(jī)和無機(jī)可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo)，反應(yīng)在同一條件下，氧化水樣中有機(jī)物與無機(jī)還原性物質(zhì)所用高錳酸鉀量進(jìn)而反應(yīng)需氧量。根據(jù)《水質(zhì) CODMn的測定(GB 11892-89)》適用于飲用水、水源水和地面水的測定，CODMn測定范圍為0.5 ～4.5 mg/L。西湖水質(zhì)的CODMn較高，其中鹽池、土豁落、小馬迷兔、鹽池灣的CODMn更高，分別為30.6、14.2、29.22 、13.8 mg/L，說明該水體受有機(jī)質(zhì)污染(表2)。

3.1.4 TP TP 是1 L 水中含磷物質(zhì)的量，是水樣將有磷物質(zhì)變?yōu)檎姿猁}的結(jié)果。采集的水樣中大多數(shù)水樣TP 含量都小于最小測試值，土豁落水樣的TP 含量最大，為0.15 mg/L(表2)。

3.1.5 TN 水體TN 含量是衡量水質(zhì)的一個重要指標(biāo)。其指標(biāo)主要評價水體污染和自凈情況，水體中氮磷超標(biāo)，大量微生物繁衍，水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化。全氮包括NO3-、NO2-和NH4+等無機(jī)氮和蛋白質(zhì)、氨基酸和有機(jī)胺等有機(jī)氮，以每升水含氮毫克數(shù)計(jì)算。采集的水體中TN 含量中大多數(shù)小于1.0 mg/L，只有灣腰墩、天橋墩、崔木土溝的全氮含量大于1.0 mg/L(表2)。

3.1.6 DO DO 是水質(zhì)自我凈化能力的依據(jù)。水體中DO 被消耗，要恢復(fù)到初始狀態(tài)，所需時間短，說明該水體的自凈能力強(qiáng)，水體污染不嚴(yán)重。敦煌西湖水體中DO 含量均較大，說明水質(zhì)較好，自凈能力較強(qiáng)，其中馬圈灣的DO 最小，為5.9 mg / L(表2)。

3.2 有機(jī)污染綜合評價法分析

根據(jù)水質(zhì)有機(jī)污染綜合評價法(表3、表4)，研究區(qū)內(nèi)南大湖、后坑、疏勒河、灣腰墩、天橋墩、崔木土、艾山湖污染級別為0，水質(zhì)良好；馬圈灣、土豁落、大馬迷兔污染級別為1，水質(zhì)較好；鹽池灣污染級別為2，水質(zhì)評價為一般；鹽池、小馬迷兔污染級別為3，水質(zhì)評價為輕度污染。研究區(qū)水體整體水質(zhì)較好，只有鹽池與小馬迷兔A值稍大，對比測試指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，鹽池與小馬迷兔的NH3-N、COD、BOD5相比其他采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)偏高。

表3 水質(zhì)指數(shù)分級表Table 3 Classification of water quality index

表4 各采樣點(diǎn)的水質(zhì)類別表Table 4 Water quality categories of each sampling point

3.3 綜合污染指數(shù)法分析

敦煌西湖地表水通過水質(zhì)綜合污染指數(shù)分析表明：敦煌西湖整體水質(zhì)較好，僅鹽池、小馬迷兔水質(zhì)稍有污染 ；其他區(qū)域水質(zhì)均較好，南大湖、馬圈灣、后坑、疏勒河、灣腰墩、天橋墩、崔木土溝、艾山湖水質(zhì)清潔 ；土豁落、大馬迷兔、鹽池灣水質(zhì)比較清潔(表5)。

表5 敦煌西湖各采樣點(diǎn)水質(zhì)評價Table 5 Water quality evaluation of each sampling point of Dunhuang West Lake

有機(jī)污染綜合評價法與綜合污染指數(shù)法分析的評價結(jié)果相同，鹽池與小馬迷兔稍有污染，這兩處水域水質(zhì)監(jiān)測中CODMn較大，水質(zhì)較清潔的為土豁落、鹽池灣，該處水質(zhì)CODMn也較大，說明CODMn能很好地反映水體水質(zhì)情況，為后期快速了解水質(zhì)情況提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

水質(zhì)變化由多種因素共同影響，自然環(huán)境、社會環(huán)境的變化都會影響水質(zhì)變化(黎育紅等,2014)。本文通過采集敦煌西湖自然保護(hù)區(qū)主要地表水水樣，測試其主要水質(zhì)指標(biāo)并采用有機(jī)污染評價法和綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價分析。鹽池、土豁落、小馬迷兔、鹽池灣4 處水樣的CODMn和CODcr都相對較高，說明該區(qū)域有機(jī)污染比較嚴(yán)重。有機(jī)污染評價法和綜合污染指數(shù)法結(jié)果顯示，該區(qū)域水域主要表現(xiàn)為水量較小，周圍野生動物活動較多，水體較為渾濁。敦煌西湖自然保護(hù)區(qū)水質(zhì)有機(jī)污染主要為天然有機(jī)質(zhì)污染，主要包括腐殖質(zhì)、微生物分泌物、溶解植物組織、野生動物的廢棄物。敦煌西湖自然保護(hù)區(qū)地表水水質(zhì)整體較好，有機(jī)污染評價法和綜合污染指數(shù)法的評價結(jié)果基本相同，表明研究區(qū)內(nèi)大多水域水質(zhì)較好，鹽池與小馬迷兔水質(zhì)較差，水域稍有污染。兩種方法評價土豁落水域較清潔，有機(jī)污染評價法表明鹽池灣水質(zhì)一般，綜合污染指數(shù)法表明鹽池灣水質(zhì)較清潔。