2015—2019洱海COD變化特征及影響因素研究

奚滿松 沙鳳兮 劉艷萍 李煒 徐倩

摘 要：通過開展洱海及主要入湖河流溝渠水質(zhì)監(jiān)測(cè)并應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、Morlet小波等方法分析洱海湖區(qū)COD變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，洱海湖區(qū)的COD歷史趨勢(shì)具有較為明顯的年際和年內(nèi)變化特征，洱海湖區(qū)的COD在近年來由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?shì)，突變發(fā)生在2017—2018年。在此期間入湖COD負(fù)荷、氣象條件均未發(fā)生突變，洱海湖區(qū)COD與入湖COD負(fù)荷相關(guān)性逐漸降低，與葉綠素和浮游植物相關(guān)性升高，反映出洱海COD趨于受內(nèi)源影響。

關(guān)鍵詞：化學(xué)需氧量；變化特征；突變檢測(cè)；葉綠素a；洱海

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2024）01-000-07

0 引言

湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)一直是全球最為突出的水環(huán)境問題之一[1]。伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化高速發(fā)展，水環(huán)境污染及其造成的危害日益威脅著國(guó)民的身體健康和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2-4]。洱海是云貴高原湖區(qū)內(nèi)處于“富營(yíng)養(yǎng)化初期”階段的典型湖泊，作為全國(guó)城市近郊保護(hù)最好的湖泊之一[5-6]，

1996—2016年湖區(qū)水質(zhì)出現(xiàn)惡化趨勢(shì)，藻華時(shí)有發(fā)生[7-8]。多年來，隨著大理州全面統(tǒng)籌推進(jìn)對(duì)洱海“四治一網(wǎng)”“六大工程”“七大行動(dòng)”和“八大攻堅(jiān)戰(zhàn)”等一系列保護(hù)治理，洱海水質(zhì)改善取得階段性成效，外源污染負(fù)荷得到明顯削減，長(zhǎng)期影響洱海水質(zhì)類別的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)得到相對(duì)控制，有效遏制了洱海富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì)，洱海水質(zhì)下滑趨勢(shì)得到了初步控制。洱海的總磷和總氮雖得到相對(duì)控制，但以COD和高錳酸鹽指數(shù)為代表的有機(jī)污染物濃度，全湖均值在I、II類和III類水質(zhì)分界線上下徘徊，成為影響洱海水質(zhì)的主要因素。目前，開展洱海富營(yíng)養(yǎng)化研究主要針對(duì)氮磷指標(biāo)，王永美、管玉瑩、趙海超

等[9-15]僅對(duì)洱海化學(xué)需氧量CDOM吸收光譜特征變化趨勢(shì)開展簡(jiǎn)單的分析，有機(jī)污染物的相關(guān)研究甚少。因此，本研究結(jié)合洱海湖區(qū)水體加密監(jiān)測(cè)和入湖河流污染負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)洱海湖區(qū)COD、入湖河流COD、湖區(qū)藻源性進(jìn)行了分析和研究，并初步判斷了洱海湖區(qū)COD的來源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洱海是云南省第二大高原湖泊，屬瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶。洱海流域面積2565 km2，湖面高程1966 m時(shí)庫(kù)容為29.59億m3，湖面面積252 km2，湖岸線全長(zhǎng)129 km，洱海南北長(zhǎng)42 km，東西寬3～9 km，最大水深21.3 m，平均水深10.8 m[16]。洱海屬瀾滄江-湄公河水系，徑流區(qū)有大小河流、溝渠117條，主要入湖河流有27條，出湖口有2個(gè)（西洱河、引洱入賓工程）。

1.2 材料與方法

1.2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

洱海湖區(qū)共設(shè)置19個(gè)采樣點(diǎn)，將湖面劃分為19個(gè)片區(qū)，分別對(duì)表層水體（距水面0.5 m）與底層水體（距水底0.5 m）采樣。洱海主要入湖河流、溝渠共設(shè)置61個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)主要布設(shè)在27條主要入湖河流和20條重要溝渠入湖口以及重點(diǎn)河流上游區(qū)域。采樣點(diǎn)位置見圖1。

1.2.2 主要數(shù)據(jù)來源及測(cè)定方法

本研究中洱海湖區(qū)COD變化趨勢(shì)的時(shí)間為2004—2020年，總氮、總磷和葉綠素a采用數(shù)據(jù)的時(shí)間均為2015年1月—2019年12月。入湖河流主要水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢(shì)（總氮、總磷和COD采用數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度均為2015年1月—2019年12月），洱海湖區(qū)19個(gè)采樣點(diǎn)、入湖河流及重要溝渠61個(gè)斷面水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源于上海交通大學(xué)云南（大理）研究院，采樣具體點(diǎn)位見表1、表2。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定5項(xiàng)指標(biāo)：總氮、總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a。日照時(shí)長(zhǎng)、降雨量和溫度采用數(shù)據(jù)的時(shí)間均為2015年1月—2019年12月，數(shù)據(jù)來源于大理白族自治州人民政府官方網(wǎng)站大理白族自治州2015—2019年度氣候公報(bào)。

1.2.3 主要研究方法

本研究中應(yīng)用SPSS、Mann-Kendall、Morlet小波、Origin對(duì)洱海流域近年來測(cè)定的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，通過對(duì)2015—2019年的洱海水質(zhì)指標(biāo)、入湖河流水質(zhì)、氣候因素和洱海湖區(qū)的相關(guān)性分析為COD的變化趨勢(shì)做出解釋。對(duì)于部分缺失數(shù)據(jù)使用相鄰值的中位數(shù)代替，缺失數(shù)據(jù)較多月份暫不做處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 洱海湖區(qū)COD歷史變化趨勢(shì)

本研究分析了2004年1月—2020年8月洱海湖區(qū)的COD值變化趨勢(shì)（見圖2），洱海湖區(qū)的COD歷史趨勢(shì)具有較為明顯的年際和年內(nèi)變化特征。從年際變化來看，2004—2012年COD年均值波動(dòng)幅度較大，其間COD最大值出現(xiàn)在2006年4月，達(dá)到26.46 mg/L，最低值出現(xiàn)在2006年9月，為7.18 mg/L。2013—2016年COD值為稍低水平，平均值為13.64 mg/L；2016年后，COD值明顯高于2013—2016年水平；2018—2019年的COD平均值為15.63 mg/L。從年內(nèi)變化來看，洱海湖區(qū)COD峰值多出現(xiàn)在7、8、9月，谷值在12、1、2、3、4月均有出現(xiàn)過。

2.2 洱海湖區(qū)COD突變檢測(cè)

利用Mann-Kendall法分析2011—2019年洱海湖區(qū)年平均COD值序列的變化趨勢(shì)（見圖3）。在2011—2018年內(nèi)UF值始終＜0，2011—2015年的洱海湖區(qū)年平均COD值下降較為平緩，而2015—2016年內(nèi)的UF值超過0.05臨界線（u0.05=-1.96），降低趨勢(shì)達(dá)到0.05的顯著性水平，表明洱海湖區(qū)年平均COD值在這一時(shí)期的下降趨勢(shì)是十分明顯的。2018年后，UF值開始＞0，洱海湖區(qū)年平均COD值呈現(xiàn)出一種上升趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，2017—2018年為年平均COD值的上升突變點(diǎn)。

2.3 洱海湖區(qū)COD序列周期提取

采用Morlet小波對(duì)2004—2019年洱海湖區(qū)月平均COD值獲得小波系數(shù)圖譜（見圖4）。以12—24個(gè)月的時(shí)間跨度（時(shí)間尺度）為周期，發(fā)生明顯的高低循環(huán)變化，呈現(xiàn)振蕩之處可以分辨出奇異點(diǎn)，在時(shí)間尺度為5左右的2006年內(nèi)出現(xiàn)了最大值，這表明2006年前后洱海湖區(qū)月平均COD值發(fā)生了最強(qiáng)的振動(dòng)。2004—2011年的洱海湖區(qū)月平均COD值振蕩幅度較大，與2015—2019年的變化結(jié)構(gòu)相比，其變化更加劇烈，但2015—2019年的振蕩頻率（時(shí)間尺度）更大。

2.4 洱海湖區(qū)COD主成分分析

2.4.1 洱海湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)主成分和入湖河流水質(zhì)分析

通過Origin對(duì)2015年、2016年、2018年、2019年洱海湖區(qū)COD與湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)主成分和入湖河流水質(zhì)指標(biāo)分析（見圖5和圖6），洱海湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)主成分主成分PC1的貢獻(xiàn)率分別為53.1%、52.9%、63.5%、62.2%，PC2貢獻(xiàn)率分別32.5%、25.9%、19.6%、14.8%，總貢獻(xiàn)率分別為85.6%、78.8%、83.1%、77%。入湖河流水質(zhì)主成分PC1的貢獻(xiàn)率分別為55.1%、56.9%、56.6%、59.9%，PC2貢獻(xiàn)率分別19.9%、20.1%、31.3%、31.3%，總貢獻(xiàn)率分別為75%、56.6%、87.9%、91.2%。結(jié)果顯示，2018年和2019年洱海湖區(qū)COD與總磷、總氮、總?cè)芙庥袡C(jī)氮和氨氮有強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，與葉綠素a、浮游植物和正磷酸鹽則有較為強(qiáng)烈正相關(guān)關(guān)系，與溶解氧存在一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。洱海湖區(qū)COD與入湖河流可溶性磷、總磷的正相關(guān)關(guān)系較為強(qiáng)烈，氨氮也在一定程度上有正向促進(jìn)作用，但不如磷元素的強(qiáng)烈。

2.4.2 洱海湖區(qū)COD與洱海流域自然因素主成分分析

通過Origin對(duì)2015年、2016年、2018年、2019年的洱海湖區(qū)COD與自然因素相關(guān)指標(biāo)（降雨量、溫度和日照時(shí)長(zhǎng)）進(jìn)行主成分分析（見圖7），主成分PC1的貢獻(xiàn)率分別為49.8%、78.8%、83.3%、85.2%，PC2貢獻(xiàn)率分別30.7%、13.6%、13.4%、9.2%，總貢獻(xiàn)率分別為80.5%、92.4%、96.7%、94.4%。結(jié)果顯示，洱海湖區(qū)的COD與溫度、降雨量有一定的正相關(guān)關(guān)系，與日照時(shí)長(zhǎng)則有較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.5 洱海湖區(qū)、入湖河流及自然因素對(duì)COD的影響關(guān)系探究

根據(jù)圖8示結(jié)果分析，入湖洱海湖區(qū)及入湖河流COD值都存在明顯的季節(jié)性變化，與自然因素（降雨、日照、溫度）和人類活動(dòng)、植物在不同季節(jié)的生長(zhǎng)繁殖有關(guān)，入湖河流COD峰值多出現(xiàn)在3—6月，洱海湖區(qū)的COD峰值多出現(xiàn)在7—9月。2019年47個(gè)入湖河流/溝渠斷面COD入湖負(fù)荷共計(jì)達(dá)到4477 t，2020年COD入湖負(fù)荷增加了31.6%。然而洱海湖區(qū)COD均值從2019年的15.9 mg/L降至2020年的15.4 mg/L。

2.6 洱海藻類變化趨勢(shì)

通過SPSS對(duì)洱海湖區(qū)2018—2019年的藻類個(gè)數(shù)進(jìn)行時(shí)間序列圖的繪制（見圖5、圖6），結(jié)果顯示：在7—9月是2018年藻類個(gè)數(shù)和葉綠素a較高的一段時(shí)期，藻類細(xì)胞數(shù)和葉綠素a的峰值分別為3268.4萬個(gè)/L和0.02 mg/L，谷值在12月出現(xiàn)；2019年藻類個(gè)數(shù)的峰值在8月出現(xiàn)，為3141.3萬個(gè)/L，谷值在12月出現(xiàn)，為884.6萬個(gè)/L，葉綠素a的峰值出現(xiàn)在6月，為0.019 mg/L，谷值出現(xiàn)在12月，為0.009 mg/L，高于2018年的谷值。整體而言，2018—2019年的藻類個(gè)數(shù)基本在平均值上下波動(dòng)，2019年的藻類個(gè)數(shù)和葉綠素a有小幅度上升，這與藻類個(gè)數(shù)這一時(shí)期的變動(dòng)狀態(tài)一致。

3 討論

（1）氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是指示水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的良好指標(biāo)，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的升高會(huì)促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，從而影響水體中的 COD 水平。氮磷元素對(duì)于洱海湖區(qū)COD的正向影響易于理解，其氮磷元素提供了水體當(dāng)中浮游植物的營(yíng)養(yǎng)，總磷升高促進(jìn)了藻類增殖，并進(jìn)而釋放出內(nèi)源性的有機(jī)質(zhì)，這與浮游植物和葉綠素a對(duì)于洱海湖區(qū)COD的正相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)一致。

（2）2015年、2016年、2018年和2019年入湖COD負(fù)荷、氣象條件均未發(fā)生突變，但洱海湖區(qū)COD受降雨量和溫度的正向促進(jìn)作用，而跟日照時(shí)長(zhǎng)表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。降雨量的正向影響可能與降雨量帶來的大量有機(jī)質(zhì)外源輸入有關(guān)，溫度的正向影響則可能是伴隨著微生物、浮游植物等的旺盛生長(zhǎng)，湖體中有機(jī)質(zhì)組分增加。日照時(shí)長(zhǎng)較高的時(shí)間段多在冬春季節(jié)，這可能暗示日照時(shí)長(zhǎng)并不是引起洱海湖區(qū)COD變化的原因，而只是剛好在這一時(shí)間段日照時(shí)長(zhǎng)和COD有相反的特征，因?yàn)槎杭竟?jié)的浮游植物、微生物等生長(zhǎng)繁殖緩慢，且這一時(shí)段溫度較低，從而引起洱海湖區(qū)COD也較低。

4 結(jié)論

近年來洱海湖區(qū)和入湖河流的COD值都存在明顯的季節(jié)性變化，具有季節(jié)性、滯后性、異勢(shì)性三個(gè)特征。入湖河流COD峰值多出現(xiàn)在3—6月，洱海湖區(qū)的COD峰值多出現(xiàn)在7—9月，年季間沒有明顯的升高和下降趨勢(shì)。2017年之后洱海湖區(qū)的COD值有明顯的升高趨勢(shì)，突變發(fā)生在2017—2018年，在此期間入湖COD負(fù)荷、氣象條件均未發(fā)生突變。2018年之后，洱海湖區(qū)COD與入湖COD負(fù)荷相關(guān)性降低，與葉綠素和浮游植物相關(guān)性升高，湖區(qū)的COD由原本的多種因素共同作用，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿~綠素a的主導(dǎo)作用，洱海湖區(qū)近年來COD的升高與浮游植物的生長(zhǎng)關(guān)系緊密，反映出洱海COD趨于受內(nèi)源影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] Schindler DW.The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes[J].Proceedings of the Royal Society B：Biological Sciences， 2012（279）：4322-4333.