博斯騰湖水環(huán)境演變趨勢(shì)分析

冷靜超

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 工程概況

博斯騰湖是我國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖，主要由開都河流域和孔雀河流域組合，總面積7.7×104km2[1]，灌溉著391529hm2農(nóng)田。湖區(qū)分為大湖區(qū)和小湖區(qū)，大湖區(qū)是湖體的主要部分，小湖區(qū)位于大湖區(qū)西南部，為一連串的淺湖泊，是盛產(chǎn)蘆葦?shù)臐竦亍Ｔ谶^去年的幾十年里，博斯騰湖出現(xiàn)了水污染嚴(yán)重、水環(huán)境惡化等問題。為了科學(xué)治理博斯騰湖，保障其水質(zhì)和水環(huán)境，就需對(duì)博斯騰湖水環(huán)境現(xiàn)狀及演變趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2 博斯騰湖水質(zhì)現(xiàn)狀分析

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)、頻次及分析指標(biāo)

2.2 大湖區(qū)水體污染物分布特征

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，博斯騰湖大湖區(qū)整體水質(zhì)為地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。其中氨氮、TN、TP和溶解氧均達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中處14號(hào)點(diǎn)外，其余點(diǎn)位COD均超過20mg/L。按照水質(zhì)功能區(qū)來看，黃水溝區(qū)(7#、8#、9#)、中央?yún)^(qū)(15#)、東部區(qū)(16#、17#)COD含量較高，這可能與入流水質(zhì)，內(nèi)源污染釋放等因素有關(guān)；大湖區(qū)的水質(zhì)礦化度較高，水體有一定的咸化風(fēng)險(xiǎn)，17點(diǎn)平均值約為900mg/L，最高可達(dá)1384mg/L，14號(hào)點(diǎn)礦化度明顯低于湖區(qū)其它點(diǎn)位，只有200mg/L左右。這可能是由于14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)接近于大河口入湖區(qū)和泵站，入流水質(zhì)和水動(dòng)力條件較好。

2.3 小湖區(qū)水體污染物分布特征

2020年博斯騰湖小湖區(qū)水質(zhì)特征與2019年類似，基本為劣Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。博斯騰湖小湖區(qū)內(nèi)水質(zhì)分布并無明顯特征規(guī)律，各采樣點(diǎn)處水質(zhì)在時(shí)間和空間上均差異較大，湖區(qū)整體水質(zhì)較差，為劣Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。其中氨氮為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，COD和TP均超過Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，為劣Ⅴ類水體，TP超標(biāo)明顯，小湖區(qū)水體具有一定的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。這可能是由于小湖區(qū)內(nèi)蘆葦較多，水體流動(dòng)性較差，且小湖區(qū)歷史上接納了大量污水，導(dǎo)致現(xiàn)狀水質(zhì)較差。

2.4 博斯騰湖水體污染物空間分異性特征

博斯騰湖大湖區(qū)、小湖區(qū)水體污染物具有明顯不同的分布特征，統(tǒng)計(jì)2020年兩個(gè)區(qū)域水體的水質(zhì)指標(biāo)(考慮到數(shù)據(jù)統(tǒng)一性，選取COD、氨氮、TP、礦化度作為水體污染物特征指標(biāo))并進(jìn)行比較，可知，博斯騰湖大湖區(qū)和小湖區(qū)水體COD濃度差別不大，但小湖區(qū)水體COD濃度波動(dòng)幅度更大。

博斯騰湖兩個(gè)區(qū)域水體中氨氮分布與COD略有不同，大湖區(qū)水體氨氮濃度最低，濃度范圍為0.09～0.16mg/L，平均值為0.12mg/L，小湖區(qū)水體氨氮濃度范圍為0.14～0.74mg/L，平均值為0.35mg/L，小湖區(qū)水體氨氮濃度波動(dòng)幅度期均值略高于大湖區(qū)。大湖區(qū)水體TP濃度波動(dòng)范圍(0.01～0.02mg/L)和平均值(0.01mg/L)最低，小湖區(qū)水體TP濃度特征(波動(dòng)范圍為0.08～0.51mg/L，平均值0.17mg/L)。大湖區(qū)礦化度波動(dòng)范圍(241～1022mg/L)和小湖區(qū)礦化度波動(dòng)范圍(206～1042mg/L)基本一致，但大湖區(qū)礦化度平均值(889mg/L)高于小湖區(qū)礦化度平均值(556mg/L)。

總體來看，博斯騰湖大湖區(qū)水體略高于小湖區(qū)，但兩個(gè)區(qū)域水體水質(zhì)差別不大。

3 博斯騰湖水環(huán)境演變趨勢(shì)分析

3.1 博斯騰湖水環(huán)境時(shí)間演變趨勢(shì)分析

3.1.1博斯騰湖水質(zhì)變化趨勢(shì)

為分析博斯騰湖在長(zhǎng)期時(shí)間尺度上的水質(zhì)變化情況，收集整理1993—2020年博斯騰湖17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，分析博斯騰湖水質(zhì)27年的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 博斯騰湖水質(zhì)長(zhǎng)期變化過程

從圖1(a)可知，1993—2020年博斯騰湖COD濃度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，1993年開始CODcr濃度逐漸升高，2005年以后COD濃度超過20mg/L(地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn))，到2014年COD濃度達(dá)到最高值，為28.1mg/L，之后濃度逐漸下降，至2020年COD濃度降低至22.4mg/L，但仍超過地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅳ類地表水。

從圖1(b)可知，1993—2020年博斯騰湖NH4+-N濃度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，1993年開始NH4+-N逐漸升高，2007年以后NH4+-N濃度超過0.15mg/L(地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn))，到2014年濃度達(dá)到最高值，為0.29mg/L，之后濃度逐漸降低，至2020年NH4+-N濃度降低至0.11mg/L，符合地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的珩磨輪是由樹脂結(jié)合劑和陶瓷磨料混合燒制而成的，赫美斯公司以PROFINE系列命名這類珩磨輪（圖3）。然而，最新一代的直接傳動(dòng)的珩齒設(shè)備，使得采用陶瓷結(jié)合劑的珩磨輪成為可能。這一工藝，被稱為“強(qiáng)力珩齒”，其使高效率地精密加工硬齒面齒輪成為可能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，赫美斯公司與相關(guān)大學(xué)機(jī)構(gòu)以及機(jī)床設(shè)備制造商共同合作，開發(fā)出了CERFINE系列產(chǎn)品。

從圖1(c)可知，1993年博斯騰湖TP濃度呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，除2006年、2008年和2013年TP濃度略微超過0.05mg/L(地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn))外，其余大部分時(shí)間博斯騰湖TP濃度均低于0.05mg/L，符合地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

從圖1(d)可知，1993—2020年博斯騰湖TN濃度呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，除2000年TN濃度略高于1.0mg/L(地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn))外，其余大部分時(shí)間博斯騰湖TN濃度均低于1.0mg/L，符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

從圖1(e)可知，1993—2020年博斯騰湖礦弧度濃度呈現(xiàn)出降低-升高-降低的波動(dòng)趨勢(shì)，且長(zhǎng)期超過1000mg/L，處于微咸水的狀態(tài)，1993—2003年博斯騰湖礦化度一直下降，過1000mg/L，處于微咸水的狀態(tài)，1993—2003年博斯騰湖礦化度一直緩慢下降，2003年時(shí)礦化度濃度降至1120mg/L，2003—2013年礦化度逐漸升高，2013年時(shí)礦化度濃度濃度升高至1546mg/L，之后博斯騰湖礦化度又逐漸降低，2019年以后礦化度濃度降至1000mg/L以下。

綜上分析，博斯騰湖水質(zhì)在過去27年間變化不明顯，COD濃度長(zhǎng)期超過20mg/L，是博斯騰湖水質(zhì)超過Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)的主要影響因子，其余NH4+-N、TP、TN等指標(biāo)均滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水體礦化度在2017年以前均超過1000mg/L，最近3年才降低至1000mg/L以下，表明水體有一定的咸化風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2近3年水環(huán)境變化趨勢(shì)

COD是制約博斯騰湖水體達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的主要制約指標(biāo)，因此統(tǒng)計(jì)2019—2021年博斯騰湖大湖區(qū)17個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度數(shù)據(jù)分析其變化趨勢(shì)，結(jié)果表明近3年期間湖區(qū)17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度均在10～30mg/L范圍波動(dòng)，2019、2020和2021年COD濃度平均值分別為22.1、20.7、19.6mg/L。這表明雖然博斯騰湖大湖區(qū)水質(zhì)在近三年間因COD濃度超標(biāo)而無法達(dá)到Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，但這一主要污染物在這3年內(nèi)整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明近幾年針對(duì)博斯騰湖水環(huán)境的治理措施初見成數(shù)，呈現(xiàn)向好趨勢(shì)。

3.1.3年內(nèi)水環(huán)境變化特征

分別統(tǒng)計(jì)2019—2021年博斯騰湖大湖區(qū)17個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度在豐水期(6—9月)和平水期(10次年5月)兩個(gè)時(shí)期的變化情況，見表1，以分析博斯騰湖水環(huán)境質(zhì)量在時(shí)間尺度上的變化特征。研究結(jié)果表明，14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度值在監(jiān)測(cè)器內(nèi)全部滿足Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)；3#、16#和17#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度值在監(jiān)測(cè)期內(nèi)均超過地表Ⅲ水標(biāo)準(zhǔn)；其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中1#、2#、3#、11#、12#、13#和15#這7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度在豐水期低于平水期，5#-10#這6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD處COD濃度在豐水期高于平水期。這表明博斯騰湖水環(huán)境質(zhì)量在年內(nèi)不同時(shí)期無明顯差異性。

表1 17個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)單因素方差分析結(jié)果

3.2 博斯騰湖水環(huán)境空間演變趨勢(shì)分析

博斯騰湖水域面積廣闊，為了更準(zhǔn)確的探討博斯騰湖水質(zhì)在空間上的變化特征，對(duì)2020年17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以此代表博斯騰湖水質(zhì)的空間分布特征，并利用單因素方差法[2]，討論了17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水質(zhì)的空間差異性。單因素方差分析的ANOVA結(jié)果見表1。

由表1可知，17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的水質(zhì)指標(biāo)中，COD、TP和礦化度的P值小于0.05[3]，表明這3個(gè)指標(biāo)在17個(gè)點(diǎn)的空間上具有顯著差異，氨氮和TN則未表現(xiàn)出明顯差異性。為了更直觀的辨識(shí)出17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的水質(zhì)差異性，對(duì)各采樣點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行多維標(biāo)度分析(MDS)，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 大湖區(qū)水質(zhì)多維標(biāo)度分析結(jié)果

由圖2可知，利用MDS分析方法可以很明顯的將17個(gè)點(diǎn)位分成3組。第一組包含DI-D3、D5、D7-D8共6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些點(diǎn)基本分布在博斯騰湖南岸和西北角黃水溝區(qū)域，可能與黃水溝的入流及湖區(qū)風(fēng)生環(huán)流產(chǎn)生的水動(dòng)力特征有關(guān)；第二組包含D4、D6、D9-D13、D15-D17共10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這些點(diǎn)位包含了湖區(qū)的大部分區(qū)域，代表了大湖區(qū)的一般性水質(zhì)狀態(tài)；第三組則只包含14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這表明14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水質(zhì)與其他點(diǎn)位具有較大差異，結(jié)合前面分析可知，14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD、TP和礦化度等指標(biāo)明顯低于其他點(diǎn)，這可能是由于14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離寶浪蘇木東支和泵站較近，入流水質(zhì)較好，同時(shí)水動(dòng)力條件也較好的雙重原因?qū)е隆?/p>

博斯騰湖17個(gè)國(guó)控水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度差異巨大，為了分析湖區(qū)水質(zhì)的空間分布特征，將17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和博斯騰湖水功能區(qū)劃結(jié)合起來，統(tǒng)計(jì)5個(gè)水功能區(qū)內(nèi)的水質(zhì)超標(biāo)情況。結(jié)果表明，Ⅰ區(qū)內(nèi)13#和14#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度的超標(biāo)率只有28%，是博斯騰湖5個(gè)水功能區(qū)里COD濃度超標(biāo)率最低的區(qū)域；Ⅴ區(qū)內(nèi)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處COD濃度的超標(biāo)率為92%，是博斯騰湖5個(gè)水功能區(qū)里COD濃度超標(biāo)率最高的區(qū)域；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的COD濃度超標(biāo)率分別為62%、72%和59%。

結(jié)合博斯騰湖出入湖河流和位置可知，Ⅰ區(qū)靠近寶浪蘇木東支入湖口和泵站，水動(dòng)力條件較好，Ⅴ區(qū)位于博斯騰湖最東側(cè)，水動(dòng)力條件最差，因此考慮博斯騰湖水環(huán)境質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的誘因之一是湖泊水動(dòng)力條件較差。

4 結(jié)語

博斯騰湖水環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于博斯騰湖水環(huán)境保護(hù)和水資源利用具有重要影響，為落實(shí)《博斯騰湖三年整治行動(dòng)方案》要求，持續(xù)推進(jìn)博斯騰湖生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)提供技術(shù)支撐，經(jīng)過分析探討，2019—2021年博斯騰湖水體由于COD濃度超標(biāo)而無法達(dá)到地表水Ⅲ表標(biāo)準(zhǔn)，但COD濃度在這3年內(nèi)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，水環(huán)境向好發(fā)展，但仍潛存咸化風(fēng)險(xiǎn)。湖區(qū)COD濃度在年內(nèi)不同時(shí)期無明顯差異，5個(gè)水功能區(qū)中Ⅰ區(qū)水環(huán)境質(zhì)量最好，Ⅴ區(qū)水環(huán)境質(zhì)量最差，表明博斯騰湖水環(huán)境較差主要受其水動(dòng)力條件不足的影響。為類似河湖水環(huán)境變化發(fā)展研究提供了借鑒。