達(dá)里諾爾湖水質(zhì)污染物空間分布特征及來源解析*

王 璐 趙 茜 王 曉 陳 焰 馬淑芹 薛 婕 孫 偉 夏 瑞#

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；3.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

湖泊作為重要的水源載體，在維持區(qū)域生態(tài)平衡和水分循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值[1]。近年來，在氣候變暖和人類活動雙重作用下，湖泊水量銳減、水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化等問題日益嚴(yán)重，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康造成了嚴(yán)重威脅，進(jìn)而對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展呈現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)[2]。國內(nèi)外許多學(xué)者對湖泊水質(zhì)污染狀況進(jìn)行了諸多研究。李娜等[3]研究表明，全國五大湖區(qū)22個典型湖泊中，50%以上的湖泊處于不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)。秦伯強(qiáng)[4]研究發(fā)現(xiàn)，全國五大湖泊中的太湖、巢湖均已出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，部分湖區(qū)頻發(fā)藍(lán)藻水華。另外，洞庭湖[5-6]、滇池[7-8]的水質(zhì)也不容樂觀，水質(zhì)不斷惡化。王思夢等[9]發(fā)現(xiàn)，青菱湖TP和TN嚴(yán)重超標(biāo)。TP和TN能為藻類提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)，大量的營養(yǎng)鹽促使藻類激增，增加藻華發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化[10]。

達(dá)里諾爾湖是內(nèi)蒙古第二大湖，是當(dāng)?shù)刂匾臐O業(yè)生產(chǎn)基地，還是許多珍稀鳥類的棲息地。然而，隨著人為干擾的加劇，達(dá)里諾爾湖目前面臨諸多問題，如水環(huán)境污染嚴(yán)重[11]、濕地退化現(xiàn)象嚴(yán)重[12]、水體面積呈現(xiàn)逐年萎縮[13]。近年來關(guān)于達(dá)里諾爾湖水化學(xué)成分、水生物的研究較多，但對達(dá)里諾爾湖湖區(qū)污染來源的研究鮮有報道。本研究基于野外監(jiān)測與室內(nèi)分析，研究達(dá)里諾爾湖水質(zhì)現(xiàn)狀、污染物空間分布，分析其可能來源，以期為管理部門提供可實施的管控措施及建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

達(dá)里諾爾湖(中心坐標(biāo)43°16′37″N、116°37′36″E)位于內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗西部，處于東亞夏季風(fēng)邊緣地帶，降水量少，寒暑氣候變化劇烈，降雨多集中在夏季，氣溫也在7月達(dá)到最高，為36～43 ℃。達(dá)里諾爾湖面積約238 km2，水深由東南向西北逐漸降低，最大水深13.0 m，平均水深6.7 m。達(dá)里諾爾湖位置關(guān)鍵，是自然保護(hù)區(qū)的核心，也是內(nèi)蒙古重要的水源地。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該流域秋季污染較嚴(yán)重[14]。受赤峰市生態(tài)環(huán)境局委托，本研究團(tuán)隊按照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)中的湖泊水庫采樣點布設(shè)原則，于2018年9月在達(dá)里諾爾湖設(shè)置17個采樣點進(jìn)行野外調(diào)查，每個采樣點采3個平行樣品。采樣點布設(shè)見圖1。

圖1 達(dá)里諾爾湖區(qū)采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites at Dalinuoer Lake

1.2 水體理化指標(biāo)的測定

選取達(dá)里諾爾湖7個具有代表性的水質(zhì)指標(biāo)(DO、COD、氨氮、TN、TP、總?cè)芙庑粤?DTP)、溶解性有機(jī)碳(DOC))進(jìn)行監(jiān)測。其中，DO利用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測分析儀(Horiba)于現(xiàn)場測定；COD、氨氮、TN、TP、DTP和DOC通過采集3個500 mL平行水樣，低溫避光保存運送至實驗室，48 h內(nèi)參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行測定。

1.3 分析方法

采用克里金插值法對達(dá)里諾爾湖的水質(zhì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行分析。為識別該流域關(guān)鍵影響因子，對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(PCA)。將篩選出的主要環(huán)境變量進(jìn)行聚類分析(CA)，判別其污染來源。進(jìn)行CA前，對主要環(huán)境變量進(jìn)行歸一化。為分析主要環(huán)境變量的時空分布差異性，對CA分組結(jié)果進(jìn)行K-W非參數(shù)檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)污染現(xiàn)狀

在《內(nèi)蒙古自治區(qū)水功能區(qū)劃》(內(nèi)政字〔2010〕246號)中，達(dá)里諾爾湖目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類水體。但根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，達(dá)里諾爾湖位于達(dá)里諾爾國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，因此按達(dá)里諾爾湖為Ⅰ類水體進(jìn)行水質(zhì)評價。

湖區(qū)DO為7.70～10.76 mg/L，平均值為9.83 mg/L；COD為31.95～282.36 mg/L，平均值為134.79 mg/L；氨氮為3.00～5.18 mg/L，平均值為3.67 mg/L；TN為3.45～5.94 mg/L，平均值為3.99 mg/L；TP為0.40～0.65 mg/L，平均值為0.54 mg/L；DTP為0.43～0.62 mg/L，平均值為0.51 mg/L；DOC為87.74～97.97 mg/L，平均值為93.27 mg/L。本次17個采樣點除DO外，其他均超過Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中COD、氨氮、TN、TP分別超過Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的7.99、23.47、38.90、53.00倍。各采樣點均為GB 3838—2002中劣Ⅴ類水質(zhì)，COD、氨氮、TN、TP超標(biāo)率為100%。

由此可見，達(dá)里諾爾湖營養(yǎng)鹽污染現(xiàn)象較嚴(yán)重。而湖區(qū)周圍無明顯工業(yè)企業(yè)污染源[16]，因此湖區(qū)內(nèi)營養(yǎng)鹽及有機(jī)物主要由地表徑流而來。另外，達(dá)里諾爾湖氣候干旱，且屬于封閉性湖泊，湖水年蒸發(fā)量超過補(bǔ)給量，水位持續(xù)下降，湖水不斷濃縮[17]，這也可能是導(dǎo)致湖泊中TN、TP不斷增加、水質(zhì)變差的原因。

2.2 關(guān)鍵影響要素識別

利用SPSS 22對達(dá)里諾爾湖2018年9月的17個采樣點7個水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行PCA，在進(jìn)行分析前，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗與Bartlett球形檢驗，經(jīng)過檢驗得出的Bartlett球形檢驗的p為0.005、KMO值為0.615，因此可進(jìn)行PCA。7個水質(zhì)指標(biāo)提取值均大于0.6，且TN、氨氮、COD的提取值接近0.9，說明本研究中提取的公共因子能較好代表原始數(shù)據(jù)的主要信息。

PCA共篩選出3個主成分，TP、DOC和DTP與第1主成分(PC1)呈顯著正響應(yīng)，因子載荷量分別為0.832、0.754和0.694；TN和氨氮與第2主成分(PC2)呈顯著正響應(yīng)，因子載荷量分別為0.949和0.921；DO與第3主成分(PC3)呈顯著負(fù)響應(yīng)，COD與PC3呈顯著正響應(yīng)，因子載荷量分別為-0.675和0.905(見表1)。PC1的解釋率為39.342%，PC2的解釋率為22.878%，累計解釋率為62.220%(>50%)。用Origin 9.1將第1軸得分(F1)分別與TP、DOC、DTP進(jìn)行線性擬合，第2軸得分(F2)分別與TN、氨氮進(jìn)行擬合，分析主成分與原始數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，置信區(qū)間取95%，結(jié)果見圖2。R2均大于0.4，p小于0.001，表明具有顯著差異，與F1、F2呈顯著響應(yīng)的TP、DOC、DTP、TN和氨氮可較好反映達(dá)里諾爾湖的水質(zhì)污染狀況。由此可見，水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子為氨氮、TN、TP、DTP、DOC，營養(yǎng)鹽是達(dá)里諾爾湖流域主要的污染指標(biāo)(累計解釋率為62.220%)，這與前人研究一致。

表1 主成分載荷矩陣和系數(shù)矩陣

2.3 關(guān)鍵影響要素的空間分布特征

根據(jù)圖3，基于采樣點污染狀況的相似性，將達(dá)里諾爾湖17個采樣點分為3組：(1)組1(D1、D14)分布在達(dá)里諾爾湖的北岸和西岸；(2)組2(D9、D11、D12、D16)分布在達(dá)里諾爾湖南岸；(3)組3(D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D10、D13、D15、D17)集中在達(dá)里諾爾湖的北岸及湖中心。

由圖4可見：DOC、TP的空間分布較相似，水質(zhì)自西部至東部逐漸變好；DTP、氨氮、TN的空間分布較相似，在西北部出現(xiàn)個別高值點，總體看來水質(zhì)依然由西部至東部逐漸變好；湖中心污染物濃度總體低于湖岸邊。

達(dá)里諾爾湖營養(yǎng)鹽濃度具有顯著的空間差異性。由表2可見：組1的氨氮和TN較高，分別為(4.93±0.26)、(5.22±0.72) mg/L；組2的TP、DTP和DOC較高，分別為(0.60±0.02)、(0.58±0.02)、(96.26±0.90) mg/L；組3的氨氮、TN和TP最低，分別為(3.48±0.08)、(3.81±0.08)、(0.52±0.02) mg/L。由此可見，達(dá)里諾爾湖的氮污染主要集中于西岸，磷污染主要分布在西南岸，湖中心區(qū)域氮、磷污染狀況較輕。

表2 主要環(huán)境要素空間差異性1)

2.4 主要污染物來源分析

通過現(xiàn)場調(diào)研，達(dá)里諾爾湖有4條入湖支流，分別為貢格爾河、亮子河、沙里河和耗來河。其中，貢格爾河入河口位于湖區(qū)東北部，水質(zhì)較好，其入河水量占4條河流總補(bǔ)給量的75%[18]，這可能是導(dǎo)致湖區(qū)東北側(cè)水質(zhì)好于南側(cè)的原因。

湖區(qū)南側(cè)氮磷濃度較高，這可能有以下原因：(1)入湖支流。湖區(qū)東南側(cè)有亮子河及耗來河2條入湖支流，入湖支流的匯入會導(dǎo)致湖區(qū)污染物增加。(2)鳥類糞便。南岸為鳥類的棲息地，鳥類糞便會直接或間接流入湖體。(3)人類活動。南岸近些年已被開發(fā)成旅游區(qū)，9月為旅游旺季，人流量的增加也會導(dǎo)致污染物增多，且湖區(qū)東南岸臨近達(dá)里諾爾湖周圍最大的居民生活區(qū)(達(dá)日罕烏拉蘇木)，生活源會導(dǎo)致氮磷排放量的增加。南岸為沙地，污染物容易隨地表水流入湖區(qū)，這可能是湖區(qū)南側(cè)水質(zhì)較差的原因。

因此，加強(qiáng)達(dá)里諾爾湖周圍的生態(tài)治理，恢復(fù)植被及濕地，合理控制達(dá)里諾爾湖的經(jīng)營與開發(fā)，在居民生活區(qū)配備管網(wǎng)及污水處理設(shè)施，減少人類活動對湖區(qū)的影響，是保護(hù)達(dá)里諾爾湖水環(huán)境、促進(jìn)達(dá)里諾爾國家級自然保護(hù)區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)水質(zhì)評價結(jié)果，達(dá)里諾爾湖水質(zhì)較差，17個采樣點均為GB 3838—2002中劣Ⅴ類水質(zhì)，COD、氨氮、TN、TP超標(biāo)率為100%，且分別超過Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的7.99、23.47、38.90、53.00倍。

(2) 根據(jù)PCA結(jié)果，水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子為氨氮、TN、TP、DTP、DOC，營養(yǎng)鹽是達(dá)里諾爾湖流域主要的污染指標(biāo)(累計解釋率為62.220%)。

(3) 根據(jù)空間插值結(jié)果，達(dá)里諾爾湖水質(zhì)由西部至東部逐漸變好，湖中心污染物濃度總體低于湖岸邊，氮污染主要集中于西岸，磷污染主要分布在西南岸，湖中心區(qū)域氮、磷污染狀況較輕。