洱海水质演变特征及主要影响因子分析

马 巍，苏建广，杨 洋，蒋汝成，吴金海

（1.中国水利水电科学研究院 水生态环境所，北京 100038；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021）

1 研究背景

洱海是大理的母亲湖，优美的自然环境和水源条件不仅为大理白族人民的世代繁衍生息提供了安全保障，并孕育了优秀的白族文化，留下了“大理古城”历史文化遗迹和“云南印象”现代文化名片，已成为国内外游客的打卡地。伴随着近30年来旅游业和湖区经济的快速发展，流域水土资源的不合理开发、洱海水生态系统逐步退化、湖泊水体富营养化进程加快、洱海水质不断下降等问题日益突出。国内外许多学者针对洱海水质、水体富营养化演替及水生态系统退化等方面都进行了大量的研究［1-5］，但在新时代治水新思路指引下，按照习总书记提出的十六字治水思路“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”，洱海保护治理“七大行动”、“八大攻坚战”等措施在快速有序推进和落实，近几年洱海水质也出现了一些积极和可喜的变化。洱海作为受人类活动严重干扰的大型湖泊，影响因素众多，水质演变过程十分复杂，因此，本文结合近3年来洱海保护治理措施下的水质监测数据及其环境背景条件，分析洱海水质变化过程，识别影响洱海水环境演变的主要环境因素及其环境敏感程度，提出推进洱海水质持续性改善的对策措施，以期为洱海流域水环境综合治理和湖泊水生态保护提供科学的技术支持。

2 研究区概况

洱海地处云南省大理白族自治州中心地带，隶属澜沧江流域一级支流黑惠江的支流，是云南省的第二大高原淡水湖泊，是大理市和周边乡村居民的生产生活用水供给源地，属国家重点保护的水域之一。洱海形似耳状，略呈狭长形，南北长42.5 km，东西宽5.9 km，湖岸线长128 km，呈北北西一南南东向展布（见图1）。洱海最高水位1966.00 m，对应蓄水湖容29.59亿m3，法定最低运行水位1964.30 m，对应湖容25.34亿m3［6］。洱海最大湖泊水面积252 km2，最大水深21.3 m，平均水深10.6 m，流域面积2565 km2。

洱海流域属亚热带高原季风气候区，多年平均气温15.1℃，年均降水量1060 mm，湖面年均蒸发量1208 mm。洱海水量补给主要为大气降水和入湖径流，环湖周边主要入湖河流有29条（流域水系见图1），其中北部为洱源和邓川盆地，主要入湖河流有弥苴河、永安江、罗时江，入湖水量约占全湖比重为54.0%；西部为藏滇褶皱系，点苍山屏列于洱海西岸，主要入湖河流有苍山十八溪及棕树河，入湖水量约占27.2%；东部有凤尾箐、玉龙河、南村河、下和箐，入湖水量约占0.2%；南部入湖河流有波罗江、白塔河2条，入湖水量约占3.8%。湖周主要入湖沟渠有125条，大多分布在洱海西部苍山区域，入湖水量约占14.8%。洱海有2个出口，分别是位于南部的西洱河及东南角的引洱入宾隧洞，其中西洱河多年平均出湖水量6.97亿m3，引洱入宾隧洞自1994年建成以来多年平均引水量0.71亿m3。

图1 洱海流域水系图

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源 水质数据主要来自大理白族自治州环境监测站、大理市环境监测站龙龛、塔村、小关邑、湖心3、桃源5站2008—2019年逐月水质监测资料和2018年洱海主要入湖河流逐月水质监测资料，水质指标主要包括化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、透明度和叶绿素等。水量数据主要来自于大理白族自治州水文水资源局编制《洱海水资源监测评价年报》，逐日降雨、蒸发资料及风场资料主要来自于国家气象局网站下载的大理州国控站数据。

3.2 研究方法

3.2.1 水质指标评价法 在水环境质量评价中采用单因子评价，即取某一评价因子的多次监测平均值，与该因子的标准值相比较，当有一项指标超过其水质保护目标功能的标准值时，就表示该水体已经不能完全满足该功能的要求。

3.2.2 综合营养状态指数法 在洱海湖泊富营养化评价中，根据沈晓飞等［7］对《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395-2007）中推荐的营养状态指数法和《地表水环境质量评价办法（试行）》（环办［2011］22号）中推荐采用综合营养状态指数法（TLI（∑））对比分析，结果表明，洱海水体富营养化评价宜采用综合营养状态指数法，其分级评价标准应符合表1中的规定。

表1 湖泊（水库）营养状态评价标准

综合营养状态指数计算公式为：

式中：TLI(Σ )为综合营养状态指数；TLI（j）为第j种营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

3.2.3 径流还原水量平衡法 根据洱海大关邑水位站的实测水位观测资料、西洱河天生桥水文站和“引洱入宾”隧洞出湖流量资料、大理气象站蒸发观测资料，再结合洱海流域内的工农业用水资料等，按径流还原水量平衡公式（式（2））还原得到洱海1960—2018年的天然和实际入湖径流系列。流域内人类活动影响下各入湖河流和沟渠实际入湖水量按供-用-耗-排水量平衡公式（式（3））计算，洱海水量平衡按湖泊水量平衡公式（式（4））计算。

径流还原水量平衡计算公式为：

式中：W天然为月入湖径流及湖面产水总和；W出湖为月出湖总水量；ΔV为湖内月蓄水变量（ΔV=V月末-V月初）；W蒸发为流域水面月蒸发损失量；W农灌为流域月农业灌溉耗水量；W工业为流域月工业净耗水量；W生活为流域月生活净耗水量；W引水为外流域月引水量；W湿地为流域湿地月净耗水量。

实际入湖水量计算公式为：

式中：W入湖为各入湖河流和沟渠月实际入湖水量；W天然为各入湖河流和沟渠月天然径流量；W供水为生产生活月供水量；W蒸发为入湖河流单元内蓄水工程水面月蒸发损失量；W湿地为入湖河流单元内湿地月消耗水量；W外排雨水为环湖截污工程月外排雨污水量；ΔV为入湖河流单元内蓄水工程月蓄水变量；W回归为生产生活用水月回归水量。

洱海湖体水量平衡计算公式：

式中：ΔV为洱海月蓄水变量；W湖面降雨为洱海252 km2湖面月降雨水量；W湖面蒸发为洱海湖面月蒸发水量；W农提为沿湖提水灌溉月供水量；W生活工业提为沿湖工业生活月供水量；W引洱入宾为引洱入宾月引水量；W西洱河出流为西洱河节制闸月出湖量。

4 洱海水质年内变化特点及年际演变特征

4.1 洱海水质年内变化特点 根据湖区各站点的逐月水质监测数据，2018年（平水年型）洱海湖区各主要水质指标（COD、CODMn、TP、TN）年均浓度分别为16.10 mg/L、3.75 mg/L、0.028 mg/L、0.62 mg/L，分属Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅲ类，洱海整体水质类别为Ⅲ类。根据2018年洱海各指标年内变化过程（见图（2）），COD、CODMn、TP 3指标在1—5月、11月、12月均满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的湖泊Ⅱ类水质标准，年内水质超标月份均集中在雨季（6—10月），主要受雨季降雨径流携带大量面源负荷、农田退水沟渠滞留的污染物随初期雨水集中入湖和湖滨带水生植物腐解过程中大量营养物质被释放向水体［8］等综合影响所致。

4.2 洱海水质年际变化特征 2019年洱海湖区整体水质类别为Ⅲ类，水质类别控制指标为COD和TN，NH3-N、CODMn、TP及一些重金属指标均满足湖泊Ⅱ类水质标准。从近12年洱海水质变化过程（见图3）来看，除NH3-N、透明度2项指标外，2019年洱海的TP、TN、COD指标浓度均较2008年有不同程度的升高，污染物浓度增幅分别为27.43%、62.80%、6.73%；从年际变化过程来看，TP、TN、COD 3指标均呈现波动式变化特点，其中COD指标在2010年达到极大值（17.5 mg/L），随后在2010—2015年期间呈逐年降低过程，2015年达到极小值（13.3 mg/L），随后于2018年又出现极大值点（16.1 mg/L）；TP指标在2016年出现极大值（0.029 mg/L），2016年之前洱海TP指标浓度总体呈现逐年升高过程，自2017后洱海TP指标浓度呈现快速下降的变化特点；TN指标浓度在2019年达到极大值（0.63 mg/L），2009—2014年期间呈逐年降低过程，2014—2019年又出现逐年升高的变化特点。

洱海湖区各指标水质浓度变化过程呈现不同的变化特点，这不仅与洱海流域快速发展的湖区经济、旅游业、高原农业种植等产污环节关系密切，而且受环湖截污、农业面源污染治理、入湖污染物末端拦截及近期实施“抢救式”洱海保护治理举措等影响，同时与流域水雨情条件、水污染治理措施、湖滨带水生植物演替及其是否被及时收割等关系密切。

4.3 洱海水体富营养化演变过程 2010—2019年期间洱海综合营养状态指数（TLI）为38.8～43.1，均为中营养水平。从近年来洱海的TLI年际变化过程来看（见图4），自2014年起洱海的TLI呈逐年升高变化过程，其中2014—2017年期间水体富营养化升高趋势较为明显（TLI年均增加1.1），2017—2019年期间洱海TLI升高的态势明显趋缓（TLI年均增加0.3），说明自2016年起开启的“抢救式”保护洱海模式对减缓洱海水体富营养化的演变进程、保护洱海水质是有效的，同时在水体富营养化各评价指标（CODMn、TP、TN、透明度和叶绿素a）中，叶绿素a是影响和控制洱海水体富营养状态的决定性因素，并与TLI的年际变化特征基本一致（见图4），因此利用水生植物治理富营养化水体的机理机制［9］来抑制藻类的生长与繁殖是近期尽快遏制洱海富营养化水平逐步升高的重要举措。

图4 近年来洱海湖区富营养演变变化过程

5 洱海水质演变的主要影响因素分析

综合2018年洱海水质年内变化特点、2008—2019年洱海水质年际变化过程及水体富营养演变趋势，驱动洱海水质演变的主要影响因素主要包括流域水文情势、面源负荷输入、水资源条件约束、水生植被演替与水生植物收割管理等几个方面。

5.1 流域水文情势是影响洱海水质年际波动变化的关键因子 洱海流域干湿季节分明，旱季（12月至次年5月）降雨量仅约占全年10%，约90%的入湖径流都集中在6—11月，因此受雨情条件影响和控制的入湖径流是洱海水质年际变化的关键环境因子。根据水文还原分析和水量平衡计算，洱海1960—2018年多年平均天然径流量为11.7亿m3，扣除流域内生产生活消耗及环湖截污工程外排水量2.47亿m3，多年平均入湖水量6.88亿m3，考虑湖面降雨后洱海多年平均入湖水量9.23亿m3（年际变化过程见图5），扣除湖面蒸发损失（多年平均3.13亿m3）后洱海多年平均净水资源量仅为6.10亿m3。

图5 洱海1960—2018年陆地径流及湖面降雨水量过程

从2008—2018年期间洱海流域入湖径流与湖区整体水质演变过程分析（以COD和TN为例，见图6），如2008年为特丰水年（P=8%），2009、2010年为平水年，入湖水量较多，故2009—2010年期间洱海全湖的TN、COD浓度近年来最高；2011—2015年为连续枯水年，入湖水量较正常年份减少40%以上，降雨径流携带的污染物大幅度减少，洱海的COD、TN浓度也呈逐年降低过程；2016—2018年流域来水属正常年份，入湖水量较2011—2015年显著增加导致洱海入湖污染物量明显增多，故洱海湖区的COD、TN浓度亦呈逐年升高态势，因此，流域水情条件影响下的入湖径流是近年来洱海水质年际变化的关键驱动因子。

图6 2008—2018年洱海水质（COD、TN）与入湖水量年际变化过程关系

5.2 农田面源负荷随降雨径流入湖是洱海整体水质超标的关键制约因素 从洱海水质年内变化过程来看（见图2），洱海湖区氮磷及有机污染物来源以生活点源和面源为主，主要通过河流和农灌排水沟渠在雨季（6—10月）集中入湖。如2018年洱海全年入湖的COD、TP、TN负荷量分别为10 919吨、131吨、1541吨（其年内分布见图7），其中雨季负荷约占79.0%～84.8%，非雨季节仅占15.2%～21.0%，农田面源负荷随降雨径流入湖是近年来洱海湖区水质6—10月严重超标和年内整体不达标的关键环境因素。因此，针对点源实施环湖截污和尾水外排，针对农业农村面源调整农业种植结构以减少化肥施用及水土流失中的肥效损失，针对农村分散式点源建设栅格化粪池、生态塘库系统以净化水质并回灌于农田，并在农业耕作区与湖滨带衔接区建设生态调蓄带，以拦截调蓄带汇流区的初期雨污水并回用于农田灌溉。这些水污染防治措施对控制点源入湖、减少农田面源产生及氮磷流失、减少高浓度初期雨污水入湖均具有十分重要的作用，并将在洱海水质演变过程中逐步显现出来。

图2 2018年洱海湖区整体水质年内变化过程

图7 2018年洱海入湖污染负荷年内分布过程

5.3 流域水资源量不足是制约洱海水质持续性改善的重要因素 根据2018年洱海湖区17个常规水质监测站点逐月水质监测资料和洱海大关邑水位站逐日水位监测数据，统计得到湖区整体水质（以COD、TP为代表）与洱海月均水位值间的相关关系（见图8）。2018年洱海水位及湖区COD、TP浓度的最高值均出现在9月，湖区水位自10月份开始下降，到5月份达到最低值，相应的湖区水质浓度也呈逐月降低过程；同时随着雨季来临，降雨径流携带大量的农田面源负荷及旱季沟渠积存的点源负荷入湖，6月份洱海水质快速升高，7—9月湖区水质维持在较高的浓度水平。由此说明：洱海水位变化与湖泊水质具有明显的关联性，在当前流域水资源条件日益短缺的情势下，拦蓄含有大量面源污染负荷的雨季来水只能维持湖泊水量的基本平衡，无法利用洱海4.25亿m3的调蓄库容来发挥其“蓄清排浑”功效，是影响当前洱海水质年内大幅波动变化和雨季水质严重超标的重要因素。当有外流域来水改善本区水资源条件下，减少汛（前）期初期雨污水和农田面源负荷的拦蓄量，将流域内6—7月份水质较差的来水尽可能多地排出，拦蓄汛后期相对清洁的来水，并由外流域补水适当补充本区水资源量不足的问题，从而达到逐步改善雨季及汛后期的洱海水质状况，有利于促进洱海水质的持续性改善。

图8 2018年洱海水质与湖区水位变化响应关系图

5.4 水生植物演替对抑制洱海水体富营养化演变并促进洱海水生态系统良性循环具有重要意义浅水湖泊水生植物的整个生命周期（生长、衰亡、演替）都参与了湖泊生态系统生物地球化学循环［10］，在水生态系统牧食食物链中扮演着生产者角色，同时衰亡后为碎屑食物链提供有机质［11］，而且水生植物在生长过程中可以通过吸收、过滤、截留等作用，降低环境中的有机物、无机物含量，减轻水体营养盐负荷［12］，因此水生植物在维持洱海水生态系统平衡、抑制洱海水体富营养化演变并促进洱海水生态系统良性循环发挥着重要作用。

湖泊底部良好的光照是沉水植物赖以生长的基本前提，并直接影响沉水植物在湖泊中的最大分布水深［13-14］。自1980年代末起日益频繁的人类活动加快了洱海水体富营养化演替进程，水体透明度下降对沉水植物造成了严重的弱光胁迫［15］，沉水植被分布面积亦由1980 s的40%下降至2016年的10%，沉水植物分布水深下限也由1980 s的9～10 m退化到6 m以内。综合其成因，洱海水体富营养化和高水位运行（特别是春季高水位）是驱动沉水植被演替的主要因子［4］。因此，现阶段应在大幅度削减陆域点源、面源入湖污染负荷的基础上，结合水资源条件汛前期尽可能多地将水质相对较差的入湖水排出湖外、汛后期拦蓄相对清洁的入湖水并发挥洱海“蓄清排浑”功效的水质改善需求，优化洱海水位调控，在洱海水温大于15℃后沉水植物开始复苏生长的4—6月低水位（1964.30～1964.60 m）运行，7—8月份水体相对较为浑浊、水体透明度明显下降时段维持适当低水位（1964.60～1964.80 m）运行有利于湖滨带浅水区（3～6 m）沉水植物生长，并为浅水区沉水植被向适度深水区（6～10 m）延展创造条件。通过2017—2018年4—7月适度的低水位调度实践（水位变幅1964.26～1964.79 m）并结合适当的人工修复措施（栽种本地种水草），洱海水生植被恢复性增长十分显著，2018年分布面积达33.4 km2，占比为13.36%。

5.5 水生植被的收割管理是持续推进洱海雨季水质改善的重要影响因素 尽管水生植物在生长过程中可以通过吸收、过滤、截留、富集等作用降低水体中的营养盐负荷，但在富营养化湖泊中，过量繁殖的水生植物在冬天死亡到第二年回春时，如果未及时收割，死亡的水生植物腐烂分解释放的各种营养盐物质会加剧水体富营养化程度。一般而言，植物腐解过程中大部分营养物质被释放向水体，剩余部分随植物残体沉向水底，形成内源污染［16］，因此，洱海湖滨带水生植被自然修复后的收割管理十分重要，如近几年洱海年内水质在5—6月期间会出现显著的跳跃式升高，很大可能与过量繁殖的水生植物在冬天死亡后未及时收割关系密切。

以2018年为例，洱海湖区COD、TP 2指标的整体水质浓度分别由5月2日的14.13 mg/L、0.020 mg/L升高到6月4日的18.30 mg/L、0.033 mg/L，浓度增幅分别达29.5%、68.7%，对应该期间洱海的平均水位及其蓄水量为1964.61 m、26.11亿m3，洱海中COD、TP负荷增量分别达10887.9 t、33.9 t。经水量平衡和洱海水环境数学模型［17］估算，该期间经陆域和湖面降雨降尘入湖的COD、TP负荷分别约为624.30 t、8.64 t，仅分别约占该期间COD、TP负荷增量的5.73%、25.49%，其余增量均来自于湖体内。由此可见引起2018年5—6月期间洱海湖区水质整体显著跳跃式升高的主要因素很可能是水生植物冬季死亡后随着气温升高植物腐解后短期内大量释放、湖泊沉积内源释放和初期雨污水伴随着农田面源入湖的综合作用结果。

6 结论

（1）通过水质监测数据分析，近年来洱海整体水质类别为Ⅱ～Ⅲ类，属中营养水平，年内水质具有旱季较好、雨季超标相对较重的变化特点，年际间波动变化特征明显，且洱海综合营养状态指数呈逐年升高变化过程，主控因素为叶绿素为指示性指标的浮游植物生物量。

（2）基于洱海水质演变过程及其影响因素的驱动机制分析，农业面源是影响洱海整体水质达标并导致雨季水质严重超标的关键环境因子，而降雨径流是洱海流域面源污染物入湖的主要驱动力和载体，入湖径流量及其年内变化过程是影响洱海水质年际趋势性变化的关键驱动因子，水资源短缺形势下初期雨污水全部被拦蓄在湖体内的水位调度方式不利于洱海水质的持续性改善及水生植被和湖泊水生态系统的自然恢复，多年生水生植被在冬季死亡后未能及时收割可能对春夏之交洱海水质跳跃式变化产生较大影响。

（3）经计算分析，在外流域补水改善流域水资源条件的情况下，遵循“源头治理-过程阻断-末端拦截-水体水生态修复”的全过程治理思路［18］，强化农田面源综合治理与末端拦截和湖滨带水生植被的科学收割管理，通过西洱河出湖流量调节以实现洱海年内4—7月低水位（1964.30～1964.60 m）调度运行可充分发挥洱海“蓄清排浑”功效、加快沉水植被的自然修复并促进洱海水质的可持续性改善。