麗江拉市海湖庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)

木曉麗

摘 要：為研究麗江拉市海近年水質(zhì)變化情況，對(duì)拉市海2018—2021年?duì)I養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析，對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化趨勢(shì)、單因子污染指數(shù)和主成分進(jìn)行分析，對(duì)出現(xiàn)過(guò)超標(biāo)情況的pH值變化原因進(jìn)行分析，應(yīng)用時(shí)間序列預(yù)測(cè)傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)了2022年拉市海水質(zhì)，為生態(tài)環(huán)境部門保護(hù)拉市海提供了思路和方法。研究結(jié)果顯示：拉市海內(nèi)梅羅污染指數(shù)顯著升高，營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)變化趨勢(shì)不顯著，整體水質(zhì)變差；監(jiān)測(cè)項(xiàng)目結(jié)果無(wú)顯著變化，有7個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目單因子污染指數(shù)超過(guò)0.5，其中pH值最高，主成分分析結(jié)果表明目前影響拉市海水環(huán)境質(zhì)量的主要項(xiàng)目涉及到拉市海中的耗氧物質(zhì)、溶解氧濃度、酸堿性和氮磷循環(huán)；pH值隨月份規(guī)律變化，預(yù)測(cè)2022年pH值在8月和9月可能出現(xiàn)超標(biāo)情況，2022年年均值能達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞： 水質(zhì)；pH值；趨勢(shì)分析；時(shí)間序列；拉市海

中圖分類號(hào)：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-9655（2023）01-0-05

0 引言

拉市海位于麗江市中心城區(qū)西面約10 km處，拉市海為壩中洼地，湖底高程2437 m，平均深度2m，為典型的高原湖泊濕地。拉市海屬金沙江水系，流域水系發(fā)育，主要入湖河流有清水河、南沙河和美泉河，呈向心狀由四周匯入拉市海，但多為季節(jié)性河流。2020年到拉市海越冬的候鳥(niǎo)達(dá)200多個(gè)種類12.2萬(wàn)多只，是國(guó)際重要濕地、野生動(dòng)物科普教育基地、遷徙候鳥(niǎo)的棲息地。拉市海的保護(hù)工作對(duì)麗江生物多樣性保護(hù)有著重要的意義。

1 拉市海水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況

拉市海水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作于2011年開(kāi)始，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)于湖東岸的拉市海引水渠，不足以代表全湖水質(zhì)，自2018年5月拉市海湖心列為省控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位后，每月開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1中所有項(xiàng)目和電導(dǎo)率、葉綠素a、透明度，共27個(gè)項(xiàng)目。2021年起每季度第一月開(kāi)展27個(gè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，其余月份開(kāi)展水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a和透明度11個(gè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)。本文對(duì)2018年5月—2021年12月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中濁度為新增監(jiān)測(cè)項(xiàng)目未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 拉市海水質(zhì)變化情況

2. 1 拉市海水質(zhì)總體變化情況

分析拉市海2018—2021年水體總體變化情況選擇了營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)兩個(gè)綜合指數(shù)。營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)由透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷和葉綠素a共5個(gè)項(xiàng)目綜合計(jì)算所得，內(nèi)梅羅污染指數(shù)由《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1除水溫外23個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行綜合計(jì)算所得[1-2]，拉市海功能類別為地表水Ⅲ類。

對(duì)2018—2021年年度營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)隨年度變化趨勢(shì)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析，相關(guān)性分析結(jié)果詳見(jiàn)表1，內(nèi)梅羅污染指數(shù)隨年份變化趨勢(shì)如圖1所示。內(nèi)梅羅污染指數(shù)均＜0.8，說(shuō)明水質(zhì)較好，2018—2020年變化較緩，2021年明顯升高，說(shuō)明水質(zhì)變差，隨年度相關(guān)性分析呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明內(nèi)梅羅污染指數(shù)顯著升高，水質(zhì)變差。營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)呈上升趨勢(shì)，但其變化趨勢(shì)不顯著。整體而言，拉市海水質(zhì)有變差的趨勢(shì)。

2. 2 拉市海重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化情況

2. 2. 1 各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化趨勢(shì)

為研究各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目2018—2020年變化趨勢(shì)，應(yīng)用Spearman相關(guān)分析方法對(duì)所有27個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)27個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化趨勢(shì)都不顯著。

2. 2. 2 單因子污染指數(shù)變化情況

對(duì)《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1除水溫外23個(gè)項(xiàng)目單因子污染指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析[3]，其中pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、總磷和總氮7個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目單因子污染指數(shù)出現(xiàn)超過(guò)0.5的情況。2018—2021年單因子污染指數(shù)變化情況見(jiàn)圖2，發(fā)現(xiàn)pH值的單因子污染指數(shù)持續(xù)保持最高。

2. 2. 3 主成分分析結(jié)果

利用spss軟件對(duì)7個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行主成分分析，輸出結(jié)果如表2和表3所示。拉市海水質(zhì)主成分有2組，其積累貢獻(xiàn)率達(dá)93.946%，滿足因子選取原則（>85%），說(shuō)明2個(gè)主成分可以很好地反映拉市海水質(zhì)情況。第一主成分的貢獻(xiàn)率是55.517%，與其相關(guān)聯(lián)項(xiàng)目主要是高錳酸鹽指數(shù)、pH值、溶解氧、五日生化需氧量和化學(xué)需氧量，代表了拉市海水環(huán)境耗氧物質(zhì)、氧氣含量和酸堿環(huán)境；第二主成分的貢獻(xiàn)率是38.430%，與其相關(guān)聯(lián)項(xiàng)目主要是總磷和總氮，代表了拉市海的氮磷循環(huán)。表明目前影響拉市海水環(huán)境質(zhì)量的主要項(xiàng)目涉及到拉市海中的耗氧物質(zhì)、溶解氧濃度、酸堿性和氮磷循環(huán)。

pH值是拉市海到目前為止出現(xiàn)過(guò)多次超標(biāo)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH值的單因子污染指數(shù)持續(xù)保持最高，同時(shí)是第一主成分的重要關(guān)聯(lián)項(xiàng)目，說(shuō)明pH值對(duì)于拉市海而言是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

2. 3 拉市海pH值變化情況

2. 3. 1 拉市海pH值逐月變化情況

pH值逐月變化趨勢(shì)如圖3所示，發(fā)現(xiàn)pH值在2018年7月、8月和9月，2021年7月和8月共出現(xiàn)了5次超標(biāo)情況。根據(jù)各年度變化情況，pH值隨月份的變化規(guī)律基本相似，1—6月基本保持穩(wěn)定，7—9月出現(xiàn)上升情況，到10月下降后又保持穩(wěn)定，總體而言pH值在夏季會(huì)有上升情況。

2. 3. 2 拉市海pH值與其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的相關(guān)分析

將拉市海pH值逐月監(jiān)測(cè)結(jié)果與重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目其余9項(xiàng)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析，高原地區(qū)水體溶解氧濃度受到氣象和水文條件影響，故增加溶解氧飽和率繼續(xù)相關(guān)分析[4-5]。發(fā)現(xiàn)水溫、電導(dǎo)率、溶解氧飽和率、葉綠素a和總氮5個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與pH值變化呈顯著相關(guān)，相關(guān)分析結(jié)果如表4所示，其中電導(dǎo)率為負(fù)相關(guān)，其余4個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為正相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)葉綠素a與總磷相關(guān)系數(shù)為0.329，顯著正相關(guān)。

水溫、電導(dǎo)率、溶解氧飽和率、葉綠素a、總氮和總磷逐月變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。發(fā)現(xiàn)水溫、電導(dǎo)率、溶解氧飽和率、葉綠素a和總氮也出現(xiàn)了隨月份規(guī)律變化的情況，各年度相同月份存在一定重合情況。在2021年發(fā)生pH值超標(biāo)月份為7月和8月，而在6月葉綠素a為0.018 mg/L，是歷史最高值。

2. 4 拉市海pH值變化原因分析

查閱研究水質(zhì)pH值變化的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)影響水質(zhì)pH值的原因主要是水生生物，特別是夏季藻類大量繁殖后，光合作用過(guò)程中消耗各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物，產(chǎn)生氧氣和OH-，導(dǎo)致水質(zhì)的溶解氧和pH值升高[6-12]。根據(jù)分析結(jié)果，拉市海pH值和相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化與文獻(xiàn)分析結(jié)果相符，拉市海pH值變化可能的機(jī)理圖如圖5所示。

3 拉市海水質(zhì)預(yù)測(cè)分析

根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，拉市海pH值的變化與季節(jié)有關(guān)系，與其顯著相關(guān)的指標(biāo)也隨季節(jié)發(fā)生規(guī)律變化，故對(duì)pH值和相關(guān)的水溫、電導(dǎo)率、溶解氧飽和率、葉綠素a、總氮和總磷6個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。預(yù)測(cè)方法為spss軟件時(shí)間序列預(yù)測(cè)中傳統(tǒng)模型，利用專家建模器，以2018—2020年逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)建模，預(yù)測(cè)模型統(tǒng)計(jì)如表5所示，平穩(wěn)R方均＞0.5，模型擬合度可接受。預(yù)測(cè)2022年全年結(jié)果，并以2022年已完成監(jiān)測(cè)的1月數(shù)據(jù)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。2022年1月6個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果均在置信區(qū)間范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)模型基本可信。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明pH值在8月和9月可能出現(xiàn)超標(biāo)情況，其余預(yù)測(cè)項(xiàng)目各月能達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)要求。預(yù)測(cè)項(xiàng)目2022年年均值能達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論及拉市海保護(hù)對(duì)策措施建議

4. 1 結(jié)論

整體而言，拉市海水質(zhì)有變差的趨勢(shì)。影響拉市海水環(huán)境質(zhì)量的主要項(xiàng)目涉及到拉市海中的耗氧物質(zhì)、溶解氧濃度、酸堿性和氮磷循環(huán)。pH值是拉市海到目前為止出現(xiàn)過(guò)多次超標(biāo)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH值的單因子污染指數(shù)持續(xù)保持最高，同時(shí)是第一主成分的重要關(guān)聯(lián)項(xiàng)目，說(shuō)明pH值對(duì)于拉市海而言是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。影響拉市海pH值變化的主要因子是水溫、藻類和氮磷。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果表明pH值在8月和9月可能出現(xiàn)超標(biāo)情況，其余預(yù)測(cè)項(xiàng)目各月能達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)要求。預(yù)測(cè)項(xiàng)目2022年年均值能達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

4. 2 拉市海保護(hù)對(duì)策措施建議

加強(qiáng)拉市海水生生物研究調(diào)查，開(kāi)展藻類、不同形態(tài)氮化合物、不同形態(tài)磷化合物和無(wú)機(jī)離子等項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，結(jié)合調(diào)查結(jié)果進(jìn)一步開(kāi)展水質(zhì)pH值在夏季升高的機(jī)理分析。同時(shí)調(diào)查候鳥(niǎo)越冬對(duì)水環(huán)境質(zhì)量影響。

對(duì)拉市海流域氮循環(huán)和磷循環(huán)開(kāi)展研究分析，明確拉市海總磷和總氮來(lái)源，采取有效措施切斷人類活動(dòng)產(chǎn)生的氮、磷進(jìn)入拉市海水體。開(kāi)展農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查，一是目前種植的耕地退水對(duì)拉市海影響，二是開(kāi)展過(guò)去用于農(nóng)業(yè)種植的周期性淹沒(méi)區(qū)土壤調(diào)查[13]；開(kāi)展生活污水環(huán)湖截污建設(shè)工程效益分析，并對(duì)未覆蓋污水管網(wǎng)區(qū)域開(kāi)展調(diào)查分析，若氮、磷循環(huán)表明氮、磷來(lái)源為湖底沉積物等，就需要開(kāi)展進(jìn)一步研究[14-15]。

目前拉市海保護(hù)已得到各個(gè)部門的重視，也采取了工程措施，取得了一定成效，但是鄉(xiāng)村生態(tài)觀光旅游產(chǎn)業(yè)仍是拉市海流域的發(fā)展重點(diǎn)，因此要探索出保護(hù)和發(fā)展協(xié)同共進(jìn)的新思路。

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