2014—2019年烏魯木齊河上游水體COD動態(tài)變化特征

呂湘芳 冷冰冰 劉燚 蔣煥

摘 要：烏魯木齊河是我國西北干旱區(qū)典型內流河，也是烏魯木齊市的重要水源地。為了解烏魯木齊河上游水體化學需氧量（COD）在不同時間尺度的變化特征，在上游上、中、下段3個水質監(jiān)測斷面（躍進橋、英雄橋、青年渠）開展連續(xù)6年（2014—2019年）長期監(jiān)測，每月測定1次水體COD。結果表明：各年份之間及各監(jiān)測斷面之間的COD均具有明顯的月變化特征（2.0～13.0mg/L），但變化趨勢各不相同;上游上段躍進橋COD（5.4mg/L）顯著低于中段英雄橋（7.04mg/L）和下段青年渠（7.03mg/L）;隨時間（年）延長，各斷面及其平均COD值呈顯著下降趨勢。總體而言，烏魯木齊河上游水體COD低于《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）一類標準限值（≤15mg/L），且呈逐年向好趨勢。

關鍵詞：烏魯木齊河;化學需氧量;年際動態(tài);月變化;水污染

中圖分類號 X832文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）19-0129-04

Dynamic Variation Characteristic of COD in the Upper-reaches of Urumqi River from 2014 to 2019

LV Xiangfang et al.

（Urumqi Environmental Monitoring Center Station，Urumqi 830099，China）

Abstract：The Urumqi River is a typical inland river in arid area of Northwest China，and its also an important water source of Urumqi city.In order to understand the variation characteristics of chemical oxygen demand（COD）in the upper reaches of Urumqi River at different time scales，a long-term monitoring was carried out for six years（2014—2019）at three hydrological monitoring stations（i.e.，Yuejinqiao，Yingxiongqiao，and Qingnianqu，respectively）of upper，middle，and lower sections，and the COD in water body was measured once a month.The results showed that the CODs showed obvious monthly variation characteristics（between 2.0～13.0mg/L）in different years and different monitoring stations，but the change trends were different to each other.The COD（5.4mg/L）in Yuejinqiao in the upper section of upper-reaches of Urumqi River was significantly lower than that of Yingxiongqiao（7.04mg/L）and Qingnianqu（7.03mg/L）in the middle and lower sections.With the extension of time（year），the COD value in each of the three stations and their average value both showed a significant decreasing trend.In general，the COD in water body in the upper reaches of Urumqi River is lower than the national limit standard（≤15mg/L），and it is getting better year by year.

Key words：Urumqi River;COD;Inter-annual dynamic;Monthly change;Water pollution

烏魯木齊河（Urumqi River）位于新疆天山北坡中段、準噶爾盆地南緣，發(fā)源于天山烏魯木齊河源1號冰川，自南向北橫穿烏魯木齊市、五家渠市，最后流入古爾班通古特沙漠南緣的東道海子，全長214km，流域總面積約5000km2[1]。烏魯木齊河是一條冰雪融水、降雨及地下水混合補給的河流，多年平均徑流量為2.44×108m3，年最大徑流量可達3.44×108m3[2]。烏魯木齊河沿途建有烏拉泊、紅雁池、八一、猛進等多座水庫，是烏魯木齊市居民生產生活及工農業(yè)生產的主要水源地之一[3]。

烏魯木齊河通常分為上游、中游和下游3部分，其中市區(qū)南郊烏拉泊水庫西南青年渠以上的河段稱為上游（又稱大西溝，長約29km），它是保障烏魯木齊市飲用水安全的最關鍵區(qū)段[1]。隨著烏魯木齊城市化進程加快及工農業(yè)生產發(fā)展，自然和人類對水資源需求的矛盾日益擴大，水環(huán)境污染已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4]。在水資源不變的條件下，提高水資源利用效率、控制并有效降低水環(huán)境污染已刻不容緩，而對天然河流尤其是河源區(qū)域水體質量的長期有效監(jiān)測則是實現這一要務的重要前提。

化學需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）是水質檢測GB3838—2002國家標準的重要指標[5]，它是指以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質的量，具體指水體中尤其是受污染水體中能被強氧化劑氧化的物質（各種有機物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，但以有機物為主）的氧當量[6]。因此，COD被視為衡量水中有機物質含量多少及水體受污染嚴重程度的重要指標，其值越大表明水體受有機物污染越嚴重，反之則受污染較輕[7]。研究表明，COD是烏魯木齊河主要污染源之一[8]，但COD在長時間梯度上如何變化（月變化和年際變化）尚不清楚。為了解烏魯木齊河上游水體COD的時間動態(tài)特征，本研究對3個水質監(jiān)測斷面開展了連續(xù)6年（2014—2019年）的長期監(jiān)測，分析探討水體COD在月份、年份及不同斷面之間的變異性和差異性，試圖找出一定的變化規(guī)律，以揭示烏魯木齊河上游水質特點及其時間變異格局，并為干旱區(qū)內流河水安全保障及河源水質變化預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 水樣采集與指標測定 以烏魯木齊河上游青年渠（上游下段）、英雄橋（上游中段）和躍進橋（上游上段）3個水質監(jiān)測斷面為調查取樣點，每月上旬開展水體取樣工作。用500mL玻璃瓶采集水體樣品，取樣點距離河岸1m，取樣深度原則上距水面和河底均不小于0.3m，水位較低時則在中間水層取樣，樣品重復3個。樣品帶回烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測中心站實驗室，置于4℃冰箱內冷藏，2d內完成分析測定。

采用國標（GB11914—1989）中的重鉻酸鹽法（CODCr）測定水體COD含量[5]?；驹頌椋涸趶娝嵝匀芤褐袦蚀_加入過量的重鉻酸鉀標準溶液，加熱回流，將水樣中還原性物質氧化，過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用硫酸亞鐵銨標準溶液回滴，根據所消耗的重鉻酸鉀標準溶液量計算水樣COD。

CODCr（mg/L）=（V1–V2）×C×8000/V0[5]

式中：C為硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度（mol/L）;V1為滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液用量（mL）;V2為滴定水樣時硫酸亞鐵銨標準溶液用量（mL）;V0為水樣體積（mL）;8000為1/2氧（O）摩爾質量（g/mol）以mg/L為單位的換算值（GB11914—1989）。

1.2 數據統(tǒng)計分析 對3個監(jiān)測斷面各年份、各月份水體COD進行初步統(tǒng)計分析，分別統(tǒng)計比較不同年份烏魯木齊河上游水體COD的月變化及不同監(jiān)測斷面水體COD的月變化，繪制變化曲線，計算變異系數（CV<25%為弱變異，25%

2 結果與分析

2.1 不同年份水體COD的月變化特征 由圖1可知，2014—2019年烏魯木齊河上游各年份COD的月平均值范圍分別為5.0～13.0（2014年）、6.0～13.0（2015年）、5.0～12.0（2016年）、4.0～9.67（2017年）、3.33～11.0（2018年）和2.0～6.0mg/L（2019年）。各年份COD均具有明顯的月變化特征，但變化趨勢各不相同;COD逐年變異系數（CV）分別為31.7%、24.6%、36.8%、24.4%、43.3%和38.9%。由此可見，除2015年和2017年COD月均值的CV在25%以下外（屬于弱變異），其余4年均屬于中等變異?？傮w而言，烏魯木齊河上游水體COD均低于國家I類水質標準限值（≤15mg/L），表明烏魯木齊河上游水源地水質優(yōu)良。

2.2 不同監(jiān)測斷面水體COD的月變化特征 將每個監(jiān)測斷面每個月份6年的COD值進行平均化后（見圖2），得到青年渠COD月平均值在4.8～9.8mg/L，其中最大值在1月，最小值在6月和7月，總體上呈“下降—升高—再下降”的趨勢;英雄橋COD月平均值在4.0～9.5mg/L，其中4月最大，12月和3月最小，總體呈“下降—躍升—下降—緩升—再下降”的變化趨勢;躍進橋COD月平均值在3.25～7.0mg/L，最大值在1月，最小值在11月，中間經歷了“降低—緩升—再降低”的過程。由此可見，3個監(jiān)測斷面COD月變化趨勢各不相同，但均屬于較弱變異（CV分別為21.9%、21.6%和23.1%）。

2.3 水體COD在不同年份和監(jiān)測斷面間的差異性 不同年份間COD的方差分析表明（見圖3），青年渠各年平均COD在4.11～9.91mg/L，以2015年最高，2019年最低，總體呈逐年降低趨勢;英雄橋前5年COD無顯著差異（7.00～9.75mg/L），但顯著高于2019年的3.88mg/L，6年總體也呈下降趨勢;躍進橋2016—2019年COD無顯著差異（4.58～5.88mg/L），但2019年COD值最低。

對各年份3個監(jiān)測斷面水體COD進行對比分析（圖4），發(fā)現僅2017年水體COD在3個斷面間差異顯著，表現為上游上段躍進橋顯著低于中段英雄橋，其他年份各斷面差異不顯著。將每個監(jiān)測斷面6年各月COD數據整合后進行方差分析，結果如圖5所示。由圖5可見，烏魯木齊河上游下段的青年渠和中段的英雄橋COD平均值分別為7.03mg/L和7.04mg/L，顯著高于上游上段的躍進橋（5.40mg/L），高出比例達30%。說明隨著河水逐漸往下游流動，其水體COD呈顯著增加趨勢。盡管如此，青年渠和英雄橋COD平均值均在《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）一類標準限值（≤15mg/L）50%以下，水質優(yōu)良。

將同一年份3個監(jiān)測斷面各月COD數據合并后進行方差分析（圖5A），結果顯示，2015年烏魯木齊河COD總體最高（達到9.85mg/L），而2019年總體最低（3.92mg/L），其他4年之間差異不顯著（6.46～7.65mg/L）。線性擬合表明（圖5B），隨時間（年）延長，烏魯木齊河上游水體COD值呈顯著下降趨勢（y=?0.8363x+9.9076，R2=0.6639，P<0.05），表明水體有機污染物在原本較少的基礎上又顯著減少，說明烏魯木齊河上游水質逐漸提升。

3 結論與討論

烏魯木齊河是我國西北地區(qū)典型的降水、冰川和地下水綜合補給的內陸河。作為烏魯木齊市的母親河，烏魯木齊河承載了流域內的自然環(huán)境和人類社會的耗水量，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1，4]。因此，如何保障烏魯木齊河的水資源安全尤其是上游的水質安全，是保障和發(fā)展民生、促進經濟社會和自然環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要任務。

河流水質通常具有明顯的時間變化，包括月變化、季節(jié)變化和年際變化。例如，對上海市6條中小河流水體污染物連續(xù)12個月監(jiān)測表明，各指數均存在明顯的月變化，但變化趨勢各不相同，其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數總體呈逐月增加趨勢[7]。對烏魯木齊河英雄橋水文站1958—2005年48年徑流量的年內和年際變化規(guī)律特征的分析發(fā)現[9]，烏魯木齊河徑流量年內分配不均勻，呈顯著的季節(jié)變化，而徑流量的年際變化不明顯，不存在突變特征，但存在較明顯的周期特征（顯著周期為16年、6年和3年）[10]。同樣，本研究發(fā)現，2014—2019年烏魯木齊河上游各年內水體COD月變化明顯，但各年之間的趨勢均不相同，猜測可能與上述周期性變化相似，即本研究中的6年可能就處在一個變化周期內，因此年份間的變化特征需要更長時間的監(jiān)測數據加以分析驗證。

通過對烏魯木齊河2001—2010年水質監(jiān)測數據分析表明，與“十五”相比，“十一五”期間烏魯木齊河水質明顯改善，綜合污染指數進一步下降，躍進橋斷面水質類別由Ⅱ類水質變?yōu)棰耦?，英雄橋斷面水質類別由Ⅲ類水質變?yōu)棰蝾怺11]。而本研究發(fā)現，以COD反映的烏魯木齊河水質以上游上段為最好，上游中段和下段水體COD稍有增加，但仍低于I類水COD限制閾值（≤15mg/L）的50%[5]。隨著時間延長，至2019年烏魯木齊河上游水體COD逐漸降低，表明水質得到進一步提升，這與近年來開展的生態(tài)工程建設有密切關聯。如游牧民搬遷工程、定居工程，使得山區(qū)放牧強度和人類活動大大減少，極大緩解了水土流失壓力，減少了水土和牲畜糞便對水源造成的污染[1]。此外，生態(tài)工程的實施也使得森林和草地的生態(tài)系統(tǒng)功能得到一定程度提升，增加了河源區(qū)水源涵養(yǎng)和凈化能力，提升了水源地水質。

金兵[8]對烏魯木齊河上、中、下游水質進行綜合研究表明，上游與下游斷面的河水均達到有關標準，河流綜合污染指數、有機類污染指數、營養(yǎng)鹽類污染指數隨河流向下流動而逐漸增加，COD等有機類污染物成為主要污染源。該結果與本研究中從上游上段躍進橋至中段和下段英雄橋及青年渠COD顯著增加的結論一致。分析表明，上游工業(yè)活動、生活污水排放、水土流失等是造成河道污染的主要原因[12，13]。此外，水質的好壞及其月變化與河流年徑流量也有一定關聯。相關性分析和灰色關聯度分析表明，烏魯木齊河年徑流量變化主要受降水的影響[2]。烏魯木齊河上游出山口徑流量的年際變化相對穩(wěn)定，但年內分配極不平衡，其中夏季徑流量最大，其他各月徑流量占全年不到40%[14]。本研究中夏季5—8月COD總體上較低，這可能與夏季徑流量大引起的污染物稀釋效應有關。

與20世紀初的10年相比[11]，本研究中烏魯木齊河上游躍進橋和英雄橋已然成為Ⅰ類水體（基于COD），且COD值逐年下降、水質逐年提升。這表明現有水源地保護與水污染治理政策對烏魯木齊河的保護與治理卓有成效，但這個趨好現象并不代表水質不會出現反彈。研究表明，近10年來烏魯木齊河上游氣候趨于暖濕，可能會逐漸增大徑流量，但長期會使河源冰川逐漸消退[15]。長此以往，烏魯木齊河水資源承載力、水循環(huán)過程都將發(fā)生變化，山洪、泥石流及反彈的過度放牧等均可能會顯著影響水體質量并導致水污染等問題發(fā)生[4]。因此，在監(jiān)測河流水體污染物指標的同時，流域氣象環(huán)境、人類活動等因素也應同時監(jiān)測記錄，以更加明確地揭示河流水體COD等水體質量指標與地表徑流、氣候環(huán)境等因子之間的關系，為指導烏魯木齊河水環(huán)境科學監(jiān)測、預報及水資源可持續(xù)利用提供科學依據。

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