東居延海水質(zhì)時(shí)空變異及影響因素研究

高 喆，范正軍，暢祥生，趙 沛，董國(guó)濤

（黑河水資源與生態(tài)保護(hù)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(diǎn)，其水質(zhì)是綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)和影響因素［1］。東居延海的存在對(duì)額濟(jì)納旗生態(tài)環(huán)境具有重大意義，其水質(zhì)受諸多因素影響，如地貌、氣候、植被和人類活動(dòng)等［2-3］，地表水環(huán)境因子在時(shí)空分布上存在較大差異性［4-5］。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法有很多，常用的主要有單因子評(píng)價(jià)法［6］、主成分分析法［7］、灰色關(guān)聯(lián)法［8］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［9］、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法［10-11］等。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)黑河水質(zhì)進(jìn)行過(guò)研究，鮑廣強(qiáng)等［12］采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)黑河流域富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明東居延海處于重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，總氮指數(shù)很高；楊永宇等［13］采用灰色關(guān)聯(lián)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)黑河流域的水質(zhì)狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，認(rèn)為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更符合黑河實(shí)際；伍冠星［5］研究認(rèn)為東居延海水質(zhì)較差的原因是其地處河流末端，污染物富集，自我修復(fù)能力差。目前對(duì)于東居延海水質(zhì)時(shí)空分布狀況的研究較少，筆者對(duì)其時(shí)空分布進(jìn)行評(píng)價(jià)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(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟(jì)納旗，地理坐標(biāo)為北緯 42°10′—42°20′、 東經(jīng) 101°12′—101°19′［14］，是中國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河黑河的尾閭湖泊。額濟(jì)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(qiáng)烈，多年平均氣溫為9.1℃，多年平均降水量?jī)H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(yù)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著黑河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，沿河地區(qū)工農(nóng)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(wèn)題出現(xiàn)，東居延海在1992年徹底干涸，成為我國(guó)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(jìn)一步惡化，國(guó)家于2000年緊急啟動(dòng)了黑河干流水量跨省（區(qū)）調(diào)度，于2002年7月將黑河水調(diào)入干涸10 a之久的東居延海。

1.2 水樣采集和測(cè)定

沿東居延海東西方向和南北方向共設(shè)10個(gè)取樣點(diǎn)，于2012—2017年不定期采集水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析pH值、電導(dǎo)率（EC）、溶解氧（DO）、化學(xué)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(jià)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(dǎo)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(xué)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(lái)表征地表水—地下水交換強(qiáng)度；總磷、砷、汞在自然界含量較少，工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)自然水體中磷、砷、汞一般來(lái)源于農(nóng)藥、化肥等，因此通常用于表征農(nóng)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(píng)價(jià)畜牧業(yè)對(duì)水體水質(zhì)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(shí)用來(lái)表征居民生活對(duì)水質(zhì)的影響程度。

水樣采集運(yùn)送嚴(yán)格執(zhí)行《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL 219—2013），分析方法及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析方法及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

1.3 水質(zhì)空間分布數(shù)據(jù)與方法

為了對(duì)比研究東居延海歷史與現(xiàn)狀水質(zhì)空間分布差異，參考劉亞傳［18］1985年的研究結(jié)果，與2016年實(shí)際監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。湖泊水體分布范圍通過(guò)Landsat TM遙感影像解譯獲得，1985年水質(zhì)空間分布由遙感影像與文獻(xiàn)資料中的水質(zhì)分布圖通過(guò)地理信息校準(zhǔn)耦合，2016年水質(zhì)分布圖直接通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)空間插值獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 東居延海水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

東居延海湖水主要由黑河干流匯入補(bǔ)給，黑河水水質(zhì)主要受地下水、生活用水以及農(nóng)牧用水影響。黑河水匯入東居延海后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，水質(zhì)發(fā)生了演變。本文選取主要的水質(zhì)影響因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。pH值和電導(dǎo)率與重金屬、礦物鹽類、化學(xué)需氧量相關(guān)性較好，說(shuō)明東居延海酸堿度和礦化度主要受無(wú)機(jī)鹽類重金屬影響。水體中無(wú)機(jī)物在主要化學(xué)反應(yīng)下發(fā)生遷移，因此化學(xué)需氧量與總磷、砷、汞、鉻之間的相關(guān)性較強(qiáng)；相應(yīng)地，水體中無(wú)機(jī)物經(jīng)過(guò)生化反應(yīng)發(fā)生降解，因此生化需氧量與糞大腸桿菌、氨氮含量相關(guān)性較強(qiáng)。總磷、砷、汞、鉻之間具有較好的相關(guān)關(guān)系，正相關(guān)說(shuō)明它們可能具有相同的來(lái)源，負(fù)相關(guān)說(shuō)明物質(zhì)之間可能進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)。總體而言，水體pH值和電導(dǎo)率與其他水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng)，可以用來(lái)表征總體水質(zhì)情況；無(wú)機(jī)物離子和化學(xué)需氧量可以代表無(wú)機(jī)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(jī)物水平；而氟化物受其他因素影響較小，可以用來(lái)表征地下水對(duì)湖水水質(zhì)的影響。

2.2 東居延海水質(zhì)隨時(shí)間的變化

東居延海水體的化學(xué)特性表現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)間變異性（見圖1），其中：pH值變幅為8.7～9.9，呈弱堿性；電導(dǎo)率相對(duì)較高，其年際變化趨勢(shì)與pH值較為相似，均在2013年達(dá)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(shì)；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(dá)到最高，之后呈降低趨勢(shì)，在2017年達(dá)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(zhuǎn)化富集等遷移過(guò)程，因此有必要分析重金屬離子在居延海水體中隨時(shí)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(dá)到最低，均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。

表2 東居延海水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

圖1 東居延海水質(zhì)的年際變化

2.3 東居延海水質(zhì)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(diào)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?yún)^(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(lái)水的影響，而是呈由湖心到湖岸增大的趨勢(shì)，說(shuō)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(zhì)聚集明顯，而湖心區(qū)水體較深，礦物質(zhì)更容易被稀釋，并且受河道輸水?dāng)_動(dòng)較小，水體狀態(tài)較為穩(wěn)定。2016年?yáng)|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(yuǎn)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?yún)^(qū)為內(nèi)弧的遞增帶狀，說(shuō)明黑河生態(tài)調(diào)水明顯降低了東居延海河水匯入?yún)^(qū)的礦化度，但是對(duì)湖尾影響較小。據(jù)此可以得出，黑河調(diào)水改變了尾閭湖東居延海過(guò)去以蒸發(fā)為主的礦化度分布狀態(tài)，目前基本呈現(xiàn)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(jù)劉亞傳對(duì)于居延海的演變研究［18］，東居延海原為淡水湖，20世紀(jì)60年代初至70年代末，湖區(qū)礦化度呈逐漸升高趨勢(shì)，1979年入湖口礦化度為9.0 g/L，1982年湖水實(shí)測(cè)礦化度有所下降，1985年實(shí)測(cè)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(xué)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(zhǎng)，鹽結(jié)殼很薄，可見東居延海歷史上一直具有河道湖的性質(zhì)。

圖2 東居延海礦化度分布

3 討 論

3.1 黑河來(lái)水水量對(duì)東居延海水質(zhì)的影響

近些年來(lái)，黑河調(diào)水進(jìn)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(zhǎng)。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(shí)間的變化

通過(guò)上述分析可以看出，黑河來(lái)水對(duì)東居延海水質(zhì)的影響表現(xiàn)在兩方面：一方面，黑河來(lái)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(zhì)分布，通過(guò)對(duì)1985年和2016年?yáng)|居延海水質(zhì)分布對(duì)比（見圖2），入湖口、湖岸水質(zhì)分布形態(tài)的差異直接導(dǎo)致整體水質(zhì)分布的差異，主要表現(xiàn)為對(duì)離子的稀釋作用；另一方面，黑河來(lái)水量大小直接影響水體更新速率和黑河來(lái)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(duì)2012—2017年入湖水量和湖水指標(biāo)濃度相關(guān)性分析表明，水量與不同離子濃度之間呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)關(guān)系，但是對(duì)比相關(guān)系數(shù)（見表3）可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)相關(guān)系數(shù)普遍較大，相關(guān)關(guān)系明顯，而正相關(guān)系數(shù)較小。其中：pH值和電導(dǎo)率主要受整體離子濃度和礦化度降低的影響，與來(lái)水量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；氟化物、總磷、汞、糞大腸桿菌等受來(lái)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(zhì)指標(biāo)隨來(lái)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(lái)水水質(zhì)輸入的影響，因此需要對(duì)黑河來(lái)水水質(zhì)進(jìn)一步分析。

3.2 黑河來(lái)水水質(zhì)對(duì)東居延海水質(zhì)的影響

正義峽斷面為黑河干流河道中下游的分界點(diǎn)，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(wú)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(zhì)基本反映匯入東居延海的水質(zhì)情況。正義峽斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4，可知：黑河來(lái)水呈弱堿性，且電導(dǎo)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(shuō)明東居延海水體中有機(jī)物含量相對(duì)較高；黑河來(lái)水中氟化物在2015年達(dá)到最高，其變化趨勢(shì)與東居延海的基本一致；總磷、汞的年際變化趨勢(shì)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(lái)水的控制，原因是黑河中游大面積的農(nóng)作區(qū)在灌溉過(guò)程中將土壤中的磷淋濾進(jìn)入河網(wǎng)系統(tǒng)，再通過(guò)黑河輸水進(jìn)入東居延海；鉻含量高于東居延海的，說(shuō)明鉻在湖水中可能轉(zhuǎn)化為其他化合物；糞大腸桿菌、氨氮等變化趨勢(shì)與東居延海的一致，說(shuō)明東居延海水體中糞大腸桿菌、氨氮等含量受黑河來(lái)水水質(zhì)影響較大。

表3 東居延海黑河來(lái)水量與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

圖4 黑河正義峽斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）2012—2017年?yáng)|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(dòng)。分析發(fā)現(xiàn)，湖水中離子濃度主要受上游補(bǔ)給水量的影響，當(dāng)補(bǔ)給水源中離子濃度低于湖水的時(shí)，補(bǔ)給水量越大，對(duì)湖水的稀釋作用就越強(qiáng)；當(dāng)補(bǔ)給水源中離子濃度高于湖水的時(shí)，湖水離子濃度隨補(bǔ)給水量的增大而增大。

（2）通過(guò)對(duì)比分析1985年與2016年?yáng)|居延海礦化度分布發(fā)現(xiàn)，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(zhì)。

整體來(lái)看，東居延海受生態(tài)輸水影響，水質(zhì)明顯改善。但是東居延海水體缺乏動(dòng)力循環(huán)和更替，為了更好地恢復(fù)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(qiáng)東居延海湖水的水動(dòng)力和循環(huán)能力，進(jìn)一步改善東居延海水質(zhì)。