2015—2022年乌梁素海水质状况及富营养化程度分析
2023-10-17李凤云曹冬梅夏春雨史世斌
李凤云，曹冬梅，夏春雨，史世斌
(1.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010052；2. 内蒙古师范大学，呼和浩特 010022)
随着“西部大开发”战略的实施，内蒙古的发展日新月异，城镇化、工业化和农业现代化不断推进，生活污水、工业废水以及农业废水排入河流最后汇进湖泊。社会经济发展迅速、人口增长速度加快以及对于水资源的不合理利用导致各类问题不断凸显。例如蒙新高原湖区湖泊存在面积萎缩、湖泊盐化矿化、水质恶化以及湖泊内植物群落结构改变的问题[1]。乌梁素海是黄河改道形成的河迹湖，作为内蒙古西部最大的淡水湖泊，对当地以及周边经济、人口发展和生态平衡起到重要作用；作为地球同一纬度最大的自然湿地，维系着生物多样性平衡；同时也是黄河流域最大的湖泊湿地，承担着黄河水量调节、水质净化、防凌防汛等重要功能[2]。乌梁素海作为河套排灌系统承接水体与排水的唯一通道[3]，大量外源氮磷输入乌梁素海，加速了湖泊由贫营养湖向富营养湖进化的过程。湖泊富营养化不仅危害水体生态环境，同时导致该水体经济效益下滑。学者已经研究关于乌梁素海水质变化以及2015年之前的富营养化程度[4-5]，2019年5月乌梁素海流域生态治理修复工程开工，通过对2015—2022年间乌梁素海水质状况及富营养化程度进行分析，直观了解生态修复工程实施前后的水体情况，为生态工程验收提供更加丰富的基础性数据支撑。
1 研究区概况
乌梁素海(N40°47′～41°03′，E108°43′～108°57′)位于巴彦淖尔市乌拉特前旗东北8.5 km处，属温带大陆性干旱气候，夏季炎热少雨，冬季寒冷干燥。湖区水位为1 018.79 m，面积为293.0 km2，平均水深为1.12 m，蓄水量为3.28亿m3。平均降水量为224.2 mm，6—8月约占年降水量的66%，最大年降水量为354.3 mm(1958年)，最小年降水量为145.0 mm(1957年)。蒸发量为1 234 mm。年均风速为3.5 m/s，年内大于8级大风日数10.3 d，最多达17 d，多发生在4、5月。湖面在10月末至11月初开始结冰，次年3月末至4月初解冰[6]。
2 数据与研究方法
2.1 数据来源
依照中国水体环境及河湖生态系统调查准则，以乌梁素海污染源分布特征、水质特点以及水体动力为依据，于2015—2022年的每年1月和4—11月进行定量采样，共设置12个采样点，使用GPS对采样点进行定位(见图1)。
图1 乌梁素海2015—2022年采样点布置示意
水样的采集与保存参考《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91—2002)，溶解氧(DO)使用法国PONSEL多参数水质分析仪现场检测，同时采用塞氏盘监测透明度(SD)。取部分水样加硫酸酸化，采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法(HJ636—2012)测定总氮(TN)；用过硫酸钾进行消解——钼酸铵分光度法(GB11893—1989)测定总磷(TP)，过滤掉水样中颗粒物，利用相同的检测步骤测定水样中溶解性总磷；另一部分水样中加入碳酸镁悬浊液后，采用丙酮萃取分光光度计法(HJ897—2017)测定叶绿素a(chla)；采用重铬酸盐法(HJ828—2017)测定化学需氧量(COD)；参考纳氏试剂分光光度法(HJ535—2009)测定水样中的氨氮(NH3-N)溶解性总磷，参考气相分子吸收光谱法(HJ/T198─2005)测定硝酸盐氮(NO3-N)，参考气相分子吸收光谱法(HJ/T197─2005)测定亚硝酸盐氮。
2.2 富营养化评价模型
采用综合营养状态指数法对乌梁素海水体进行富营养化状态评价，可用式(1)表示：
(1)
式中：
TLI(∑)——综合营养状态指数；
Wj——为第j种水质参数权重；
m——为参加评价的参数个数；
TLI(j)——为第j种水质参数营养状态指数。
该方法以chla作为基准参数，再通过归一化公式计算得出其他水质参数权重，用计算式(2)表示：
(2)
式中：
rij——为第j种参数与基准参数chla的相关系数；
m——为评价参数的个数。
中国湖泊chla与其他水质参数之间rij及rij2见表1所示。
表1 中国湖泊部分参数与chla的相关关系rij及rij2值
各水质参数营养状态指数计算式：
①TLI(chla)=10(2.5+1.086lnchla)
②TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)
③TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)
④TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)
⑤TLI(COD)=10(0.109+2.661lnCOD)
以上公式中chla单位为mg/m3，SD单位为m，其余指标单位为mg/L。为利用以上数据对湖泊富营养化状态进行评价，采用0～100的连续数字对湖泊营养状态进行分级，TLI(∑)<30为贫营养；30≤TLI(∑)≤50为中营养；TLI(∑)>50为富营养；50
2.3 数据分析与处理
所有数据采用Excel 2020进行汇总，SPSS 22进行统计分析，ArcGIS 10.8绘制采样地图、Origin64 Bit 2018绘图分析软件进行数据处理。
3 结果与分析
3.1 水质指标年际变化
磷是生命体进行生命活动必不可缺的元素，同时也是限制因子，水体中磷浓度决定了水体富营养化程度[8]。乌梁素海总磷浓度在0.029～0.213 mg/L范围内波动，多年平均浓度为0.085 mg/L，浓度最高值出现在2017年，浓度最低值出现在2021年。溶解性总磷占总磷比例50%，大致保持与总磷相同的变化趋势，2015—2017年总磷浓度先下降后上升，2017—2021年浓度持续下降(见图2)。
图2 2015—2022年磷含量变化示意
总氮(TN)是导致水体富营养化另一因素，氨氮(NH3-N)、硝酸盐氮(NO2-N)、亚硝酸盐氮(NO3-N)简称“三氮”是衡量水体毒理性以及富营养化的重要指标，氨氮经过硝化过程转变为亚硝酸盐，氮进一步变为硝酸盐氮，而硝酸盐氮通过反硝化作用转变为氮气释放离开水体[9]。乌梁素海总氮含量整体呈现波动下降趋势；总氮浓度在0.595～2.968 mg/L之间浮动，多年平均为1.689 mg/L，浓度最高出现在2015年，最低在2021年。2015年、2018—2020年硝酸盐氮含量高于氨氮，水中溶解氧含量高，水体处于氧化状态，硝化作用较强；2016年、2017年和2022年水体中氨氮浓度高于硝酸盐氮，硝化作用较弱。硝态氮含量高低反映出水体中硝化作用的强弱，水体中溶解氧含量高低同时也会影响到硝化与反硝化作用[10](见图3)。
图3 2015—2022年含氮化合物变化示意
溶解氧(DO)是指溶解在水中的氧分子，是维持生物生长以及生态平衡的关键因素，同时也是衡量水体受污染程度的指标之一[11]。其浓度变化同时受制于水—气交换和水体循环等物理过程以及生物呼吸作用、植物光合作用和有机物氧化等生物地球过程[12]。2015—2022年乌梁素海水体中溶解氧呈现波动上升趋势，波动范围在5.580～9.706 mg/L之间，多年平均值为7.022 mg/L，浓度最大值出现在2021年，最小值出现在2018年。2015—2017年浓度为逐年上升趋势，2017—2022年浓度逐年波动变化(见图4)。
图4 2015—2022年溶解氧含量变化示意
化学需氧量(COD)是用化学的方法测定水体中需要被氧化的还原性物质的量，反映水体中有机物污染情况，COD值越大说明水体受污染越严重。乌梁素海水体中化学需氧量分析见图5，浓度波动范围在30.203～110.798 mg/L之间，多年平均为57.156 mg/L，浓度呈现先升高后降低再升高的趋势，浓度最大值出现在2016年，最小值出现在2022年。
图5 2015—2022年化学需氧量变化示意
叶绿素a(chla)可以反映水体中浮游植物生物量，一般用于水体富营养化评价。浮游植物能直观反映出水体富营养化情况，2015—2022年乌梁素海叶绿素a含量整体在下降且维持在10 mg/m3浓度附近，说明近8 a浮游植物量有所减少。2015年含量远超过其他7 a，该年浮游植物生物量显著升高(见图6)。
3.2 富营养化状态评价
通过综合营养状态指数法对2015—2022年间chla、TN、TP、SD、COD 5类水质指标进行计算，结果表明，乌梁素海水体富营养化状态有明显变化，经历3种不同的状态，从最开始的重度到中度，最后好转为轻度。从TLI数值来看，2017—2021年TLI数值减小趋势明显，说明乌梁素海水体整体状态在不断好转，2017年水体富营养化程度最为严重，2021年富营养化程度最轻(见表2)。
表2 2015—2022年TLI变化
3.3 水质变化分析
根据2015—2022乌梁素海水质指标年际变化以及富营养化状态评价结果可知，乌梁素海5类水质指标均存在不同程度的波动，其中chla在2015年与其他年份出现显著性差异，在2016—2022年内波动范围小；TLI呈现波动变化再下降的趋势，2015年和2017年分别达到70.442和71.008，2021年降至最低为51.291。结合乌梁素海实际情况分析，影响乌梁素海水质以及富营养化状态变化的因素主要体现以下几个方面。
1)外源输入
除正常的大气补水之外，乌梁素海作为河套灌区内最大的湖泊湿地，同时也是河套灌区农田灌溉退水唯一的排水通道，承受了河套灌区90%以上的排水。河套灌区作为我国重要的商品粮基地，农民为追求粮食高产不科学地利用化肥，使得灌溉退水中营养盐含量增加，并且各级排水沟拦截修复能力不足，因此，乌梁素海受农业面源污染较为严重[13]。河套灌区农业退水主要是向乌梁素海输入氮、磷等营养元素，各排水渠承载周边人类社会生活产生的各类污染物质并输送进入乌梁素海。
2)内源释放
水体中的营养盐通过各种物理、化学和生物作用逐渐沉降至湖泊底质表层。如乌梁素海芦苇区占总湖面积约1/2，芦苇等水生植物腐烂沉积在底泥中，在适宜的气候条件、物理化学迁移作用以及生化作用下，沉积在底泥表面以及植物中的氮磷元素重新释放进入水体，使得水中营养盐浓度增加，浮游植物由于限制因子磷含量的增加会加快生长速度，从而使水体中叶绿素a含量增加。
3)气象因素
雨水充沛的季节会使湖泊内污染物浓度得到稀释；风力强劲时，上下层水体交换频率增强，污染物浓度发生变化；光照充足时沉水植物光合作用增强产生大量氧气，随着溶解氧含量的增多，水体的氧化环境会抑制磷的释放；水体温度的升高会促进底泥中氮磷的释放[14]。
4)生态治理修复工程
通过采取沙漠治理、林草修复、矿山地质、堤路修筑、农田面源和城镇点源污染防治等多项措施，对乌梁素海统筹实施山水林田湖草沙综合治理，乌梁素海生态环境不断改善，水质也由劣Ⅴ类提高到整体Ⅳ类，水体由轻度富营养状态改善为中营养状态，生物多样性持续恢复，真正实现了人与自然和谐共生。
4 结语
1)从时间角度分析表明，乌梁素海各类水质指标出表现出不同特征。2017和2022年总磷总氮浓度相较于前一年有所上升，其余年份相比较于前一年均有所下降，总磷在2017年浓度达到最大值；化学需氧量浓度在较大范围内波动，2015年、2018—2021年浓度处于低水平，其余年份浓度达到较高水平；溶解氧含量2018年最低；叶绿素a浓度除2015年处于较高水平外，其余年份维持在10mg/m3左右。
2)应用综合营养状态指数(TLI)方法分析表明：2017年TLI数值达到最大，富营养化程度最高。TLI数值从整体上呈现下降趋势，2017—2021年TLI数值由71.008下降到51.291，乌梁素海水体在2015—2022年间经历重度、中度和轻度3种富营养化状态，富营养化情况得到显著改善，水体质量向好趋势明显。
3)从影响乌梁素海水质以及富营养化状态变化的因素分析表明：乌梁素海受农业面源污染较为严重；水体中沉积在底泥表面以及植物中的氮磷元素重新释放进入水体，使得水中营养盐浓度增加；气象因素的变化使得湖泊内污染物浓度发生变化；生态治理修复工程的实施，乌梁素海生态环境不断改善，实现了人与自然和谐共生。
