東居延海水質時空變異及影響因素研究

高 喆，范正軍，暢祥生，趙 沛，董國濤

（黑河水資源與生態(tài)保護研究中心，甘肅蘭州730030）

東居延海作為黑河下游綠洲生態(tài)系統(tǒng)重要的支撐點，其水質是綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標和影響因素［1］。東居延海的存在對額濟納旗生態(tài)環(huán)境具有重大意義，其水質受諸多因素影響，如地貌、氣候、植被和人類活動等［2-3］，地表水環(huán)境因子在時空分布上存在較大差異性［4-5］。目前，國內外關于水環(huán)境質量評價的方法有很多，常用的主要有單因子評價法［6］、主成分分析法［7］、灰色關聯法［8］、神經網絡法［9］、綜合水質標識指數法［10-11］等。國內很多學者對黑河水質進行過研究，鮑廣強等［12］采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法和BP神經網絡對黑河流域富營養(yǎng)化進行了綜合評價，結果表明東居延海處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，總氮指數很高；楊永宇等［13］采用灰色關聯法和BP神經網絡法對黑河流域的水質狀況進行了綜合評價，認為BP神經網絡法的評價結果更符合黑河實際；伍冠星［5］研究認為東居延海水質較差的原因是其地處河流末端，污染物富集，自我修復能力差。目前對于東居延海水質時空分布狀況的研究較少，筆者對其時空分布進行評價分析，以期為東居延海水生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東居延海位于內蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟納旗，地理坐標為北緯 42°10′—42°20′、 東經 101°12′—101°19′［14］，是中國西北地區(qū)第二大內陸河黑河的尾閭湖泊。額濟納旗屬于大陸性干旱氣候區(qū)［15］，光熱充足，降水稀少，蒸發(fā)強烈，多年平均氣溫為9.1℃，多年平均降水量僅為34.5 mm［16］，多年平均水面蒸發(fā)量為1 444 mm［17］。歷史上東居延海是一片水草豐美的戈壁綠洲，素有“大漠明珠”的美譽，自20世紀50年代以來，隨著黑河流域經濟社會的快速發(fā)展，沿河地區(qū)工農業(yè)用水激增，下游入湖水量銳減甚至斷流，湖泊不斷萎縮，樹木凋亡、草地退化、綠洲面積減小等生態(tài)環(huán)境問題出現，東居延海在1992年徹底干涸，成為我國西北地區(qū)主要的沙塵暴起源地之一。為遏制黑河下游生態(tài)環(huán)境進一步惡化，國家于2000年緊急啟動了黑河干流水量跨?。▍^(qū)）調度，于2002年7月將黑河水調入干涸10 a之久的東居延海。

1.2 水樣采集和測定

沿東居延海東西方向和南北方向共設10個取樣點，于2012—2017年不定期采集水樣，帶回實驗室分析pH值、電導率（EC）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量 （BOD5）、總磷（TP）、氟化物（F-）、砷（As）、汞（Hg）以及六價鉻（Cr6+）等重金屬離子，此外還分析了糞大腸菌群（Fc）、氨氮（）等污染物。其中：pH值表征水體酸堿度，電導率則主要受水體中鹽分含量影響；水體自凈需要大量氧，因此自凈能力一般用溶解氧表示，而生物和化學降解能力分別用BOD5、COD指示；地下水受礦物淋濾影響含氟量較地表水高，因此水體中氟化物含量用來表征地表水—地下水交換強度；總磷、砷、汞在自然界含量較少，工業(yè)欠發(fā)達地區(qū)自然水體中磷、砷、汞一般來源于農藥、化肥等，因此通常用于表征農業(yè)污染；鉻在畜牧業(yè)集中區(qū)的廢水排放中較為常見，而糞大腸桿菌、氨氮受畜牧養(yǎng)殖影響較大，因此其含量用于評價畜牧業(yè)對水體水質的影響；此外，氨氮、糞大腸桿菌、磷、砷等在生活廢水排放中含量較高，因此同時用來表征居民生活對水質的影響程度。

水樣采集運送嚴格執(zhí)行《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL 219—2013），分析方法及執(zhí)行標準見表1。

表1 監(jiān)測指標分析方法及執(zhí)行標準

1.3 水質空間分布數據與方法

為了對比研究東居延海歷史與現狀水質空間分布差異，參考劉亞傳［18］1985年的研究結果，與2016年實際監(jiān)測的水質數據進行對比分析。湖泊水體分布范圍通過Landsat TM遙感影像解譯獲得，1985年水質空間分布由遙感影像與文獻資料中的水質分布圖通過地理信息校準耦合，2016年水質分布圖直接通過監(jiān)測點觀測數據空間插值獲得。

2 結果與分析

2.1 東居延海水質指標相關性分析

東居延海湖水主要由黑河干流匯入補給，黑河水水質主要受地下水、生活用水以及農牧用水影響。黑河水匯入東居延海后經過長時間的物理、化學、生物反應，水質發(fā)生了演變。本文選取主要的水質影響因子作為評價指標，對各項指標進行相關性分析，結果見表2。pH值和電導率與重金屬、礦物鹽類、化學需氧量相關性較好，說明東居延海酸堿度和礦化度主要受無機鹽類重金屬影響。水體中無機物在主要化學反應下發(fā)生遷移，因此化學需氧量與總磷、砷、汞、鉻之間的相關性較強；相應地，水體中無機物經過生化反應發(fā)生降解，因此生化需氧量與糞大腸桿菌、氨氮含量相關性較強。總磷、砷、汞、鉻之間具有較好的相關關系，正相關說明它們可能具有相同的來源，負相關說明物質之間可能進行了化學反應?？傮w而言，水體pH值和電導率與其他水質指標相關性較強，可以用來表征總體水質情況；無機物離子和化學需氧量可以代表無機物水平；糞大腸桿菌、氨氮和BOD5可以代表水體生物和其他有機物水平；而氟化物受其他因素影響較小，可以用來表征地下水對湖水水質的影響。

2.2 東居延海水質隨時間的變化

東居延海水體的化學特性表現出較強的時間變異性（見圖1），其中：pH值變幅為8.7～9.9，呈弱堿性；電導率相對較高，其年際變化趨勢與pH值較為相似，均在2013年達到最大（11.58 mS/cm）；溶解氧量含量在4.5～7.5 mg/L之間；BOD5、COD總體上呈上升趨勢；氟化物在2015年的含量最高（635 μg/L）；總磷、汞的含量均在2013年達到最高，之后呈降低趨勢，在2017年達到最低；鉻等金屬離子具有顯著的生物毒性，由于其在水體中很難被微生物降解，只能發(fā)生各種形態(tài)相互轉化富集等遷移過程，因此有必要分析重金屬離子在居延海水體中隨時間的分布情況，鉻的含量在2013年最低（3 μg/L）；糞大腸桿菌與氨氮含量分別在2015年和2016年達到最低，均呈現出先升高后降低的趨勢。

表2 東居延海水質指標相關系數

圖1 東居延海水質的年際變化

2.3 東居延海水質在空間上的變化

從東居延海礦化度分布圖（見圖2）可以看出，黑河調水后東居延海湖水礦化度整體明顯降低。1985年湖區(qū)礦化度整體高于8 g/L，湖面約一半區(qū)域接近10 g/L，由于輸入水量較小，水體更新度較低，礦化度并沒有受到入湖口來水的影響，而是呈由湖心到湖岸增大的趨勢，說明在此期間東居延海礦化度主要受蒸發(fā)控制，湖岸區(qū)域水淺，礦物質聚集明顯，而湖心區(qū)水體較深，礦物質更容易被稀釋，并且受河道輸水擾動較小，水體狀態(tài)較為穩(wěn)定。2016年東居延海湖區(qū)大部分礦化度小于8 g/L，尤其是入湖口礦化度僅為5.45 g/L，遠低于1985年的10.50 g/L，但湖尾區(qū)域礦化度變化不大。湖區(qū)礦化度從入湖口到湖尾逐漸升高，礦化度分布從1985年以湖心為圓心的環(huán)狀變?yōu)橐院拥绤R入區(qū)為內弧的遞增帶狀，說明黑河生態(tài)調水明顯降低了東居延海河水匯入區(qū)的礦化度，但是對湖尾影響較小。據此可以得出，黑河調水改變了尾閭湖東居延海過去以蒸發(fā)為主的礦化度分布狀態(tài)，目前基本呈現入湖口低礦化度、中間區(qū)域礦化度逐漸升高、湖尾高礦化度的分布狀態(tài)。

根據劉亞傳對于居延海的演變研究［18］，東居延海原為淡水湖，20世紀60年代初至70年代末，湖區(qū)礦化度呈逐漸升高趨勢，1979年入湖口礦化度為9.0 g/L，1982年湖水實測礦化度有所下降，1985年實測值又有上升，1986年春礦化度升至34.5 g/L。從60年代初至1986年，東居延海湖水鹽化速度很快，從淡水、輕度鹽水、中度鹽水到鹽水；水化學類型由重碳酸鹽硫酸鹽型、硫酸鹽重碳酸鹽型到硫酸鹽氯化物型。但直到干涸，并未演變成氯化物型，鹽類沉積歷史不長，鹽結殼很薄，可見東居延海歷史上一直具有河道湖的性質。

圖2 東居延海礦化度分布

3 討 論

3.1 黑河來水水量對東居延海水質的影響

近些年來，黑河調水進入東居延海的水量逐漸增加，2002—2017年入湖水量以0.018 2億m3/a的速率增長。受輸入水量影響，東居延海的湖體水量不斷增加，湖面面積也在逐年增大，從2002年的23.8 km2增大到2017年的42.9 km2（見圖3）。

圖3 東居延海入湖水量與最大湖面面積隨時間的變化

通過上述分析可以看出，黑河來水對東居延海水質的影響表現在兩方面：一方面，黑河來水決定東居延海水量和水面面積，而不斷增大的水量及面積則直接影響湖水水質分布，通過對1985年和2016年東居延海水質分布對比（見圖2），入湖口、湖岸水質分布形態(tài)的差異直接導致整體水質分布的差異，主要表現為對離子的稀釋作用；另一方面，黑河來水量大小直接影響水體更新速率和黑河來水離子匯入量，在蒸發(fā)作用下，匯入的離子在湖中不斷累積，造成湖水離子濃度增大。對2012—2017年入湖水量和湖水指標濃度相關性分析表明，水量與不同離子濃度之間呈現不同程度的相關關系，但是對比相關系數（見表3）可以發(fā)現，負相關系數普遍較大，相關關系明顯，而正相關系數較小。其中：pH值和電導率主要受整體離子濃度和礦化度降低的影響，與來水量呈明顯的負相關關系；氟化物、總磷、汞、糞大腸桿菌等受來水量增大引起的稀釋作用影響明顯，離子濃度降低；其余水質指標隨來水量增大而增大，一方面可能是在湖中逐漸富集，另一方面受來水水質輸入的影響，因此需要對黑河來水水質進一步分析。

3.2 黑河來水水質對東居延海水質的影響

正義峽斷面為黑河干流河道中下游的分界點，距離尾閭湖泊東居延海約411 km。自正義峽斷面至居延海區(qū)間無支流匯入、流出，居民區(qū)、灌區(qū)及畜牧區(qū)稀少，因此正義峽河水水質基本反映匯入東居延海的水質情況。正義峽斷面水質監(jiān)測結果見圖4，可知：黑河來水呈弱堿性，且電導率較大；溶解氧與BOD5含量總體上與東居延海的接近，而COD含量明顯低于東居延海的，說明東居延海水體中有機物含量相對較高；黑河來水中氟化物在2015年達到最高，其變化趨勢與東居延海的基本一致；總磷、汞的年際變化趨勢與東居延海的較為類似，表明東居延海的總磷、汞的含量受黑河來水的控制，原因是黑河中游大面積的農作區(qū)在灌溉過程中將土壤中的磷淋濾進入河網系統(tǒng)，再通過黑河輸水進入東居延海；鉻含量高于東居延海的，說明鉻在湖水中可能轉化為其他化合物；糞大腸桿菌、氨氮等變化趨勢與東居延海的一致，說明東居延海水體中糞大腸桿菌、氨氮等含量受黑河來水水質影響較大。

表3 東居延海黑河來水量與水質指標相關系數

圖4 黑河正義峽斷面水質監(jiān)測結果

4 結 論

（1）2012—2017年東居延海湖體中不同類型離子濃度變化各異，其中：溶解氧、COD、BOD5、糞大腸桿菌和氨氮等離子濃度升高，總磷和汞濃度逐漸降低，其他離子濃度則上下波動。分析發(fā)現，湖水中離子濃度主要受上游補給水量的影響，當補給水源中離子濃度低于湖水的時，補給水量越大，對湖水的稀釋作用就越強；當補給水源中離子濃度高于湖水的時，湖水離子濃度隨補給水量的增大而增大。

（2）通過對比分析1985年與2016年東居延海礦化度分布發(fā)現，湖區(qū)礦化度從入湖口到湖尾逐漸增大，整體礦化度明顯低于1985年的，表明生態(tài)輸水明顯改善了東居延海的水質。

整體來看，東居延海受生態(tài)輸水影響，水質明顯改善。但是東居延海水體缺乏動力循環(huán)和更替，為了更好地恢復水體生態(tài)功能，建議在保證持續(xù)輸水的情況下，采取一定的工程等措施，增強東居延海湖水的水動力和循環(huán)能力，進一步改善東居延海水質。