2015—2022年烏梁素海水質(zhì)狀況及富營(yíng)養(yǎng)化程度分析

李鳳云，曹冬梅，夏春雨，史世斌

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010052；2. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)，呼和浩特 010022)

隨著“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，內(nèi)蒙古的發(fā)展日新月異，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不斷推進(jìn)，生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)廢水排入河流最后匯進(jìn)湖泊。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口增長(zhǎng)速度加快以及對(duì)于水資源的不合理利用導(dǎo)致各類問(wèn)題不斷凸顯。例如蒙新高原湖區(qū)湖泊存在面積萎縮、湖泊鹽化礦化、水質(zhì)惡化以及湖泊內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)改變的問(wèn)題[1]。烏梁素海是黃河改道形成的河跡湖，作為內(nèi)蒙古西部最大的淡水湖泊，對(duì)當(dāng)?shù)匾约爸苓吔?jīng)濟(jì)、人口發(fā)展和生態(tài)平衡起到重要作用；作為地球同一緯度最大的自然濕地，維系著生物多樣性平衡；同時(shí)也是黃河流域最大的湖泊濕地，承擔(dān)著黃河水量調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化、防凌防汛等重要功能[2]。烏梁素海作為河套排灌系統(tǒng)承接水體與排水的唯一通道[3]，大量外源氮磷輸入烏梁素海，加速了湖泊由貧營(yíng)養(yǎng)湖向富營(yíng)養(yǎng)湖進(jìn)化的過(guò)程。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化不僅危害水體生態(tài)環(huán)境，同時(shí)導(dǎo)致該水體經(jīng)濟(jì)效益下滑。學(xué)者已經(jīng)研究關(guān)于烏梁素海水質(zhì)變化以及2015年之前的富營(yíng)養(yǎng)化程度[4-5]，2019年5月烏梁素海流域生態(tài)治理修復(fù)工程開(kāi)工，通過(guò)對(duì)2015—2022年間烏梁素海水質(zhì)狀況及富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行分析，直觀了解生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施前后的水體情況，為生態(tài)工程驗(yàn)收提供更加豐富的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海(N40°47′～41°03′，E108°43′～108°57′)位于巴彥淖爾市烏拉特前旗東北8.5 km處，屬溫帶大陸性干旱氣候，夏季炎熱少雨，冬季寒冷干燥。湖區(qū)水位為1 018.79 m，面積為293.0 km2，平均水深為1.12 m，蓄水量為3.28億m3。平均降水量為224.2 mm，6—8月約占年降水量的66%，最大年降水量為354.3 mm(1958年)，最小年降水量為145.0 mm(1957年)。蒸發(fā)量為1 234 mm。年均風(fēng)速為3.5 m/s，年內(nèi)大于8級(jí)大風(fēng)日數(shù)10.3 d，最多達(dá)17 d，多發(fā)生在4、5月。湖面在10月末至11月初開(kāi)始結(jié)冰，次年3月末至4月初解冰[6]。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

依照中國(guó)水體環(huán)境及河湖生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查準(zhǔn)則，以烏梁素海污染源分布特征、水質(zhì)特點(diǎn)以及水體動(dòng)力為依據(jù)，于2015—2022年的每年1月和4—11月進(jìn)行定量采樣，共設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)，使用GPS對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行定位(見(jiàn)圖1)。

圖1 烏梁素海2015—2022年采樣點(diǎn)布置示意

水樣的采集與保存參考《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91—2002)，溶解氧(DO)使用法國(guó)PONSEL多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)采用塞氏盤(pán)監(jiān)測(cè)透明度(SD)。取部分水樣加硫酸酸化，采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法(HJ636—2012)測(cè)定總氮(TN)；用過(guò)硫酸鉀進(jìn)行消解——鉬酸銨分光度法(GB11893—1989)測(cè)定總磷(TP)，過(guò)濾掉水樣中顆粒物，利用相同的檢測(cè)步驟測(cè)定水樣中溶解性總磷；另一部分水樣中加入碳酸鎂懸濁液后，采用丙酮萃取分光光度計(jì)法(HJ897—2017)測(cè)定葉綠素a(chla)；采用重鉻酸鹽法(HJ828—2017)測(cè)定化學(xué)需氧量(COD)；參考納氏試劑分光光度法(HJ535—2009)測(cè)定水樣中的氨氮(NH3-N)溶解性總磷，參考?xì)庀喾肿游展庾V法(HJ/T198─2005)測(cè)定硝酸鹽氮(NO3-N)，參考?xì)庀喾肿游展庾V法(HJ/T197─2005)測(cè)定亞硝酸鹽氮。

2.2 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型

采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)烏梁素海水體進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)，可用式(1)表示：

(1)

式中：

TLI(∑)——綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

Wj——為第j種水質(zhì)參數(shù)權(quán)重；

m——為參加評(píng)價(jià)的參數(shù)個(gè)數(shù)；

TLI(j)——為第j種水質(zhì)參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

該方法以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，再通過(guò)歸一化公式計(jì)算得出其他水質(zhì)參數(shù)權(quán)重，用計(jì)算式(2)表示：

(2)

式中：

rij——為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；

m——為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

中國(guó)湖泊chla與其他水質(zhì)參數(shù)之間rij及rij2見(jiàn)表1所示。

表1 中國(guó)湖泊部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系rij及rij2值

各水質(zhì)參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算式：

①TLI(chla)=10(2.5+1.086lnchla)

②TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

③TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

④TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

⑤TLI(COD)=10(0.109+2.661lnCOD)

以上公式中chla單位為mg/m3，SD單位為m，其余指標(biāo)單位為mg/L。為利用以上數(shù)據(jù)對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用0～100的連續(xù)數(shù)字對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，TLI(∑)<30為貧營(yíng)養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50為中營(yíng)養(yǎng)；TLI(∑)>50為富營(yíng)養(yǎng)；5070為重度富營(yíng)養(yǎng)化。當(dāng)水體處在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，TLI(∑)數(shù)值越高代表湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度越高[7]。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2020進(jìn)行匯總，SPSS 22進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，ArcGIS 10.8繪制采樣地圖、Origin64 Bit 2018繪圖分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)指標(biāo)年際變化

磷是生命體進(jìn)行生命活動(dòng)必不可缺的元素，同時(shí)也是限制因子，水體中磷濃度決定了水體富營(yíng)養(yǎng)化程度[8]。烏梁素海總磷濃度在0.029～0.213 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，多年平均濃度為0.085 mg/L，濃度最高值出現(xiàn)在2017年，濃度最低值出現(xiàn)在2021年。溶解性總磷占總磷比例50%，大致保持與總磷相同的變化趨勢(shì)，2015—2017年總磷濃度先下降后上升，2017—2021年濃度持續(xù)下降(見(jiàn)圖2)。

圖2 2015—2022年磷含量變化示意

總氮(TN)是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化另一因素，氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO2-N)、亞硝酸鹽氮(NO3-N)簡(jiǎn)稱“三氮”是衡量水體毒理性以及富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)，氨氮經(jīng)過(guò)硝化過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，氮進(jìn)一步變?yōu)橄跛猁}氮，而硝酸鹽氮通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)忉尫烹x開(kāi)水體[9]。烏梁素海總氮含量整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)；總氮濃度在0.595～2.968 mg/L之間浮動(dòng)，多年平均為1.689 mg/L，濃度最高出現(xiàn)在2015年，最低在2021年。2015年、2018—2020年硝酸鹽氮含量高于氨氮，水中溶解氧含量高，水體處于氧化狀態(tài)，硝化作用較強(qiáng)；2016年、2017年和2022年水體中氨氮濃度高于硝酸鹽氮，硝化作用較弱。硝態(tài)氮含量高低反映出水體中硝化作用的強(qiáng)弱，水體中溶解氧含量高低同時(shí)也會(huì)影響到硝化與反硝化作用[10](見(jiàn)圖3)。

圖3 2015—2022年含氮化合物變化示意

溶解氧(DO)是指溶解在水中的氧分子，是維持生物生長(zhǎng)以及生態(tài)平衡的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是衡量水體受污染程度的指標(biāo)之一[11]。其濃度變化同時(shí)受制于水—?dú)饨粨Q和水體循環(huán)等物理過(guò)程以及生物呼吸作用、植物光合作用和有機(jī)物氧化等生物地球過(guò)程[12]。2015—2022年烏梁素海水體中溶解氧呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在5.580～9.706 mg/L之間，多年平均值為7.022 mg/L，濃度最大值出現(xiàn)在2021年，最小值出現(xiàn)在2018年。2015—2017年濃度為逐年上升趨勢(shì)，2017—2022年濃度逐年波動(dòng)變化(見(jiàn)圖4)。

圖4 2015—2022年溶解氧含量變化示意

化學(xué)需氧量(COD)是用化學(xué)的方法測(cè)定水體中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量，反映水體中有機(jī)物污染情況，COD值越大說(shuō)明水體受污染越嚴(yán)重。烏梁素海水體中化學(xué)需氧量分析見(jiàn)圖5，濃度波動(dòng)范圍在30.203～110.798 mg/L之間，多年平均為57.156 mg/L，濃度呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢(shì)，濃度最大值出現(xiàn)在2016年，最小值出現(xiàn)在2022年。

圖5 2015—2022年化學(xué)需氧量變化示意

葉綠素a(chla)可以反映水體中浮游植物生物量，一般用于水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。浮游植物能直觀反映出水體富營(yíng)養(yǎng)化情況，2015—2022年烏梁素海葉綠素a含量整體在下降且維持在10 mg/m3濃度附近，說(shuō)明近8 a浮游植物量有所減少。2015年含量遠(yuǎn)超過(guò)其他7 a，該年浮游植物生物量顯著升高(見(jiàn)圖6)。

3.2 富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)

通過(guò)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)2015—2022年間chla、TN、TP、SD、COD 5類水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，烏梁素海水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)有明顯變化，經(jīng)歷3種不同的狀態(tài)，從最開(kāi)始的重度到中度，最后好轉(zhuǎn)為輕度。從TLI數(shù)值來(lái)看，2017—2021年TLI數(shù)值減小趨勢(shì)明顯，說(shuō)明烏梁素海水體整體狀態(tài)在不斷好轉(zhuǎn)，2017年水體富營(yíng)養(yǎng)化程度最為嚴(yán)重，2021年富營(yíng)養(yǎng)化程度最輕(見(jiàn)表2)。

表2 2015—2022年TLI變化

3.3 水質(zhì)變化分析

根據(jù)2015—2022烏梁素海水質(zhì)指標(biāo)年際變化以及富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，烏梁素海5類水質(zhì)指標(biāo)均存在不同程度的波動(dòng)，其中chla在2015年與其他年份出現(xiàn)顯著性差異，在2016—2022年內(nèi)波動(dòng)范圍小；TLI呈現(xiàn)波動(dòng)變化再下降的趨勢(shì)，2015年和2017年分別達(dá)到70.442和71.008，2021年降至最低為51.291。結(jié)合烏梁素海實(shí)際情況分析，影響烏梁素海水質(zhì)以及富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)變化的因素主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面。

1)外源輸入

除正常的大氣補(bǔ)水之外，烏梁素海作為河套灌區(qū)內(nèi)最大的湖泊濕地，同時(shí)也是河套灌區(qū)農(nóng)田灌溉退水唯一的排水通道，承受了河套灌區(qū)90%以上的排水。河套灌區(qū)作為我國(guó)重要的商品糧基地，農(nóng)民為追求糧食高產(chǎn)不科學(xué)地利用化肥，使得灌溉退水中營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加，并且各級(jí)排水溝攔截修復(fù)能力不足，因此，烏梁素海受農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴(yán)重[13]。河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)退水主要是向?yàn)趿核睾］斎氲⒘椎葼I(yíng)養(yǎng)元素，各排水渠承載周邊人類社會(huì)生活產(chǎn)生的各類污染物質(zhì)并輸送進(jìn)入烏梁素海。

2)內(nèi)源釋放

水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)各種物理、化學(xué)和生物作用逐漸沉降至湖泊底質(zhì)表層。如烏梁素海蘆葦區(qū)占總湖面積約1/2，蘆葦?shù)人参锔癄€沉積在底泥中，在適宜的氣候條件、物理化學(xué)遷移作用以及生化作用下，沉積在底泥表面以及植物中的氮磷元素重新釋放進(jìn)入水體，使得水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加，浮游植物由于限制因子磷含量的增加會(huì)加快生長(zhǎng)速度，從而使水體中葉綠素a含量增加。

3)氣象因素

雨水充沛的季節(jié)會(huì)使湖泊內(nèi)污染物濃度得到稀釋；風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)，上下層水體交換頻率增強(qiáng)，污染物濃度發(fā)生變化；光照充足時(shí)沉水植物光合作用增強(qiáng)產(chǎn)生大量氧氣，隨著溶解氧含量的增多，水體的氧化環(huán)境會(huì)抑制磷的釋放；水體溫度的升高會(huì)促進(jìn)底泥中氮磷的釋放[14]。

4)生態(tài)治理修復(fù)工程

通過(guò)采取沙漠治理、林草修復(fù)、礦山地質(zhì)、堤路修筑、農(nóng)田面源和城鎮(zhèn)點(diǎn)源污染防治等多項(xiàng)措施，對(duì)烏梁素海統(tǒng)籌實(shí)施山水林田湖草沙綜合治理，烏梁素海生態(tài)環(huán)境不斷改善，水質(zhì)也由劣Ⅴ類提高到整體Ⅳ類，水體由輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)改善為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，生物多樣性持續(xù)恢復(fù)，真正實(shí)現(xiàn)了人與自然和諧共生。

4 結(jié)語(yǔ)

1)從時(shí)間角度分析表明，烏梁素海各類水質(zhì)指標(biāo)出表現(xiàn)出不同特征。2017和2022年總磷總氮濃度相較于前一年有所上升，其余年份相比較于前一年均有所下降，總磷在2017年濃度達(dá)到最大值；化學(xué)需氧量濃度在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，2015年、2018—2021年濃度處于低水平，其余年份濃度達(dá)到較高水平；溶解氧含量2018年最低；葉綠素a濃度除2015年處于較高水平外，其余年份維持在10mg/m3左右。

2)應(yīng)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)方法分析表明：2017年TLI數(shù)值達(dá)到最大，富營(yíng)養(yǎng)化程度最高。TLI數(shù)值從整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2017—2021年TLI數(shù)值由71.008下降到51.291，烏梁素海水體在2015—2022年間經(jīng)歷重度、中度和輕度3種富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，富營(yíng)養(yǎng)化情況得到顯著改善，水體質(zhì)量向好趨勢(shì)明顯。

3)從影響烏梁素海水質(zhì)以及富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)變化的因素分析表明：烏梁素海受農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴(yán)重；水體中沉積在底泥表面以及植物中的氮磷元素重新釋放進(jìn)入水體，使得水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加；氣象因素的變化使得湖泊內(nèi)污染物濃度發(fā)生變化；生態(tài)治理修復(fù)工程的實(shí)施，烏梁素海生態(tài)環(huán)境不斷改善，實(shí)現(xiàn)了人與自然和諧共生。