2015—2019洱海COD變化特征及影響因素研究

奚滿松 沙鳳兮 劉艷萍 李煒 徐倩

摘 要：通過開展洱海及主要入湖河流溝渠水質監(jiān)測并應用Mann-Kendall趨勢檢驗法、Morlet小波等方法分析洱海湖區(qū)COD變化特征。結果發(fā)現，洱海湖區(qū)的COD歷史趨勢具有較為明顯的年際和年內變化特征，洱海湖區(qū)的COD在近年來由下降趨勢轉變?yōu)樯仙厔荩蛔儼l(fā)生在2017—2018年。在此期間入湖COD負荷、氣象條件均未發(fā)生突變，洱海湖區(qū)COD與入湖COD負荷相關性逐漸降低，與葉綠素和浮游植物相關性升高，反映出洱海COD趨于受內源影響。

關鍵詞：化學需氧量；變化特征；突變檢測；葉綠素a；洱海

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）01-000-07

0 引言

湖泊的富營養(yǎng)化趨勢一直是全球最為突出的水環(huán)境問題之一[1]。伴隨著我國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化高速發(fā)展，水環(huán)境污染及其造成的危害日益威脅著國民的身體健康和社會的可持續(xù)發(fā)展[2-4]。洱海是云貴高原湖區(qū)內處于“富營養(yǎng)化初期”階段的典型湖泊，作為全國城市近郊保護最好的湖泊之一[5-6]，

1996—2016年湖區(qū)水質出現惡化趨勢，藻華時有發(fā)生[7-8]。多年來，隨著大理州全面統(tǒng)籌推進對洱?！八闹我痪W”“六大工程”“七大行動”和“八大攻堅戰(zhàn)”等一系列保護治理，洱海水質改善取得階段性成效，外源污染負荷得到明顯削減，長期影響洱海水質類別的氮、磷營養(yǎng)鹽指標得到相對控制，有效遏制了洱海富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢，洱海水質下滑趨勢得到了初步控制。洱海的總磷和總氮雖得到相對控制，但以COD和高錳酸鹽指數為代表的有機污染物濃度，全湖均值在I、II類和III類水質分界線上下徘徊，成為影響洱海水質的主要因素。目前，開展洱海富營養(yǎng)化研究主要針對氮磷指標，王永美、管玉瑩、趙海超

等[9-15]僅對洱?；瘜W需氧量CDOM吸收光譜特征變化趨勢開展簡單的分析，有機污染物的相關研究甚少。因此，本研究結合洱海湖區(qū)水體加密監(jiān)測和入湖河流污染負荷監(jiān)測數據，對洱海湖區(qū)COD、入湖河流COD、湖區(qū)藻源性進行了分析和研究，并初步判斷了洱海湖區(qū)COD的來源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洱海是云南省第二大高原湖泊，屬瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶。洱海流域面積2565 km2，湖面高程1966 m時庫容為29.59億m3，湖面面積252 km2，湖岸線全長129 km，洱海南北長42 km，東西寬3～9 km，最大水深21.3 m，平均水深10.8 m[16]。洱海屬瀾滄江-湄公河水系，徑流區(qū)有大小河流、溝渠117條，主要入湖河流有27條，出湖口有2個（西洱河、引洱入賓工程）。

1.2 材料與方法

1.2.1 采樣點布設

洱海湖區(qū)共設置19個采樣點，將湖面劃分為19個片區(qū)，分別對表層水體（距水面0.5 m）與底層水體（距水底0.5 m）采樣。洱海主要入湖河流、溝渠共設置61個采樣點，采樣點主要布設在27條主要入湖河流和20條重要溝渠入湖口以及重點河流上游區(qū)域。采樣點位置見圖1。

1.2.2 主要數據來源及測定方法

本研究中洱海湖區(qū)COD變化趨勢的時間為2004—2020年，總氮、總磷和葉綠素a采用數據的時間均為2015年1月—2019年12月。入湖河流主要水質指標變化趨勢（總氮、總磷和COD采用數據的時間尺度均為2015年1月—2019年12月），洱海湖區(qū)19個采樣點、入湖河流及重要溝渠61個斷面水質指標數據數據來源于上海交通大學云南（大理）研究院，采樣具體點位見表1、表2。實驗室測定5項指標：總氮、總磷、化學需氧量、高錳酸鹽指數、葉綠素a。日照時長、降雨量和溫度采用數據的時間均為2015年1月—2019年12月，數據來源于大理白族自治州人民政府官方網站大理白族自治州2015—2019年度氣候公報。

1.2.3 主要研究方法

本研究中應用SPSS、Mann-Kendall、Morlet小波、Origin對洱海流域近年來測定的相關指標進行分析，通過對2015—2019年的洱海水質指標、入湖河流水質、氣候因素和洱海湖區(qū)的相關性分析為COD的變化趨勢做出解釋。對于部分缺失數據使用相鄰值的中位數代替，缺失數據較多月份暫不做處理。

2 結果與分析

2.1 洱海湖區(qū)COD歷史變化趨勢

本研究分析了2004年1月—2020年8月洱海湖區(qū)的COD值變化趨勢（見圖2），洱海湖區(qū)的COD歷史趨勢具有較為明顯的年際和年內變化特征。從年際變化來看，2004—2012年COD年均值波動幅度較大，其間COD最大值出現在2006年4月，達到26.46 mg/L，最低值出現在2006年9月，為7.18 mg/L。2013—2016年COD值為稍低水平，平均值為13.64 mg/L；2016年后，COD值明顯高于2013—2016年水平；2018—2019年的COD平均值為15.63 mg/L。從年內變化來看，洱海湖區(qū)COD峰值多出現在7、8、9月，谷值在12、1、2、3、4月均有出現過。

2.2 洱海湖區(qū)COD突變檢測

利用Mann-Kendall法分析2011—2019年洱海湖區(qū)年平均COD值序列的變化趨勢（見圖3）。在2011—2018年內UF值始終＜0，2011—2015年的洱海湖區(qū)年平均COD值下降較為平緩，而2015—2016年內的UF值超過0.05臨界線（u0.05=-1.96），降低趨勢達到0.05的顯著性水平，表明洱海湖區(qū)年平均COD值在這一時期的下降趨勢是十分明顯的。2018年后，UF值開始＞0，洱海湖區(qū)年平均COD值呈現出一種上升趨勢。根據UF和UB曲線交點的位置，2017—2018年為年平均COD值的上升突變點。

2.3 洱海湖區(qū)COD序列周期提取

采用Morlet小波對2004—2019年洱海湖區(qū)月平均COD值獲得小波系數圖譜（見圖4）。以12—24個月的時間跨度（時間尺度）為周期，發(fā)生明顯的高低循環(huán)變化，呈現振蕩之處可以分辨出奇異點，在時間尺度為5左右的2006年內出現了最大值，這表明2006年前后洱海湖區(qū)月平均COD值發(fā)生了最強的振動。2004—2011年的洱海湖區(qū)月平均COD值振蕩幅度較大，與2015—2019年的變化結構相比，其變化更加劇烈，但2015—2019年的振蕩頻率（時間尺度）更大。

2.4 洱海湖區(qū)COD主成分分析

2.4.1 洱海湖區(qū)水質指標主成分和入湖河流水質分析

通過Origin對2015年、2016年、2018年、2019年洱海湖區(qū)COD與湖區(qū)水質指標主成分和入湖河流水質指標分析（見圖5和圖6），洱海湖區(qū)水質指標主成分主成分PC1的貢獻率分別為53.1%、52.9%、63.5%、62.2%，PC2貢獻率分別32.5%、25.9%、19.6%、14.8%，總貢獻率分別為85.6%、78.8%、83.1%、77%。入湖河流水質主成分PC1的貢獻率分別為55.1%、56.9%、56.6%、59.9%，PC2貢獻率分別19.9%、20.1%、31.3%、31.3%，總貢獻率分別為75%、56.6%、87.9%、91.2%。結果顯示，2018年和2019年洱海湖區(qū)COD與總磷、總氮、總溶解有機氮和氨氮有強烈的正相關關系，與葉綠素a、浮游植物和正磷酸鹽則有較為強烈正相關關系，與溶解氧存在一定程度的負相關關系。洱海湖區(qū)COD與入湖河流可溶性磷、總磷的正相關關系較為強烈，氨氮也在一定程度上有正向促進作用，但不如磷元素的強烈。

2.4.2 洱海湖區(qū)COD與洱海流域自然因素主成分分析

通過Origin對2015年、2016年、2018年、2019年的洱海湖區(qū)COD與自然因素相關指標（降雨量、溫度和日照時長）進行主成分分析（見圖7），主成分PC1的貢獻率分別為49.8%、78.8%、83.3%、85.2%，PC2貢獻率分別30.7%、13.6%、13.4%、9.2%，總貢獻率分別為80.5%、92.4%、96.7%、94.4%。結果顯示，洱海湖區(qū)的COD與溫度、降雨量有一定的正相關關系，與日照時長則有較為明顯的負相關關系。

2.5 洱海湖區(qū)、入湖河流及自然因素對COD的影響關系探究

根據圖8示結果分析，入湖洱海湖區(qū)及入湖河流COD值都存在明顯的季節(jié)性變化，與自然因素（降雨、日照、溫度）和人類活動、植物在不同季節(jié)的生長繁殖有關，入湖河流COD峰值多出現在3—6月，洱海湖區(qū)的COD峰值多出現在7—9月。2019年47個入湖河流/溝渠斷面COD入湖負荷共計達到4477 t，2020年COD入湖負荷增加了31.6%。然而洱海湖區(qū)COD均值從2019年的15.9 mg/L降至2020年的15.4 mg/L。

2.6 洱海藻類變化趨勢

通過SPSS對洱海湖區(qū)2018—2019年的藻類個數進行時間序列圖的繪制（見圖5、圖6），結果顯示：在7—9月是2018年藻類個數和葉綠素a較高的一段時期，藻類細胞數和葉綠素a的峰值分別為3268.4萬個/L和0.02 mg/L，谷值在12月出現；2019年藻類個數的峰值在8月出現，為3141.3萬個/L，谷值在12月出現，為884.6萬個/L，葉綠素a的峰值出現在6月，為0.019 mg/L，谷值出現在12月，為0.009 mg/L，高于2018年的谷值。整體而言，2018—2019年的藻類個數基本在平均值上下波動，2019年的藻類個數和葉綠素a有小幅度上升，這與藻類個數這一時期的變動狀態(tài)一致。

3 討論

（1）氮磷營養(yǎng)鹽是指示水體營養(yǎng)狀態(tài)的良好指標，氮磷營養(yǎng)鹽的升高會促進浮游植物的生長，從而影響水體中的 COD 水平。氮磷元素對于洱海湖區(qū)COD的正向影響易于理解，其氮磷元素提供了水體當中浮游植物的營養(yǎng)，總磷升高促進了藻類增殖，并進而釋放出內源性的有機質，這與浮游植物和葉綠素a對于洱海湖區(qū)COD的正相關關系表現一致。

（2）2015年、2016年、2018年和2019年入湖COD負荷、氣象條件均未發(fā)生突變，但洱海湖區(qū)COD受降雨量和溫度的正向促進作用，而跟日照時長表現出負相關關系。降雨量的正向影響可能與降雨量帶來的大量有機質外源輸入有關，溫度的正向影響則可能是伴隨著微生物、浮游植物等的旺盛生長，湖體中有機質組分增加。日照時長較高的時間段多在冬春季節(jié)，這可能暗示日照時長并不是引起洱海湖區(qū)COD變化的原因，而只是剛好在這一時間段日照時長和COD有相反的特征，因為冬春季節(jié)的浮游植物、微生物等生長繁殖緩慢，且這一時段溫度較低，從而引起洱海湖區(qū)COD也較低。

4 結論

近年來洱海湖區(qū)和入湖河流的COD值都存在明顯的季節(jié)性變化，具有季節(jié)性、滯后性、異勢性三個特征。入湖河流COD峰值多出現在3—6月，洱海湖區(qū)的COD峰值多出現在7—9月，年季間沒有明顯的升高和下降趨勢。2017年之后洱海湖區(qū)的COD值有明顯的升高趨勢，突變發(fā)生在2017—2018年，在此期間入湖COD負荷、氣象條件均未發(fā)生突變。2018年之后，洱海湖區(qū)COD與入湖COD負荷相關性降低，與葉綠素和浮游植物相關性升高，湖區(qū)的COD由原本的多種因素共同作用，逐漸轉變?yōu)槿~綠素a的主導作用，洱海湖區(qū)近年來COD的升高與浮游植物的生長關系緊密，反映出洱海COD趨于受內源影響。

參考文獻：

[1] Schindler DW.The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes[J].Proceedings of the Royal Society B：Biological Sciences， 2012（279）：4322-4333.