星云湖水质季节性变化及成因分析

何 莹，祁云宽

(玉溪市生态环境科学研究所，云南 玉溪 653100)

前 言

星云湖位于滇中，是支撑玉溪市江川区经济发展的重要自然资源，影响着居民的生产生活。1990年以来，星云湖受农业面源、畜禽养殖、农村居民生活及磷矿开采磷化工企业生产活动等影响[1]，湖泊水质变差、富营养化程度加重[2]，氮、磷及有机污染问题突出，且因流域内来水量有限、水资源短缺[3]，湖泊水生态功能也逐渐减退。近年来，随着多项湖泊保护治理工作的实施推进，星云湖水质得到初步改善，但仍存在截污治污体系不完善、生态水量无法保证、蓝藻水华爆发等问题[4]，星云湖水质稳定持续向好依然面临较大压力。现有研究发现星云湖对气候变化响应较为敏感[5]，季节变化影响着湖泊水体的物质循环[6]，季风和降雨均可能导致湖泊水质的季节性差异[7]。但目前，关于星云湖水质季节性波动及影响因素的系统研究较为缺乏。因此，本文根据星云湖近三年的水环境资料，结合地区季节气候特点，系统分析星云湖旱雨季水质变化特征及影响因子，并提出相应对策建议。

1 研究背景与方法

1.1 研究区域介绍

星云湖为高原断层陷落浅水湖泊，位于云南省玉溪市江川区境内，属珠江流域南盘江水系(图1)，具有工农业用水、调蓄、防洪、旅游等功能[8]。湖体南北长 9.09km；平均宽3.80km、东西最大宽4.73km、最窄2.30km；平均水深6.01m、最大水深10.81m。根据2019年修订的《云南省星云湖保护条例》[9]，星云湖最高运行水位为 1723.35m(1985国家高程基准)，最低运行水位为1721.65m。当湖面达1723.35m高程时，湖面面积34.33km2，蓄水量为2.0981亿m3，湖岸线长38.80km。历年湖泊最高水位1723.11m，最低为1720.56m，最大变幅为2.55m，年内水位变化0.73～1.68m[10]。

星云湖所处地区属典型的亚热带半湿润高原季风气候，多年平均气温约为15.9℃；平均降雨量863.1 mm，年降雨量496.8～1220.6 mm，雨季主要集中于5～10月[11]。湖水补给主要靠地表径流和湖面降水，径流区枯水期降水量占全年降水量的16%左右，汛期占84%左右[10]。

图1 星云湖位置及流域水系和监测点示意图Fig.1 Diagram of location，drainage system and monitoring points of Xingyun Lake

1.2 研究分析方法

本文分析采用星云湖2019～2021年的水质数据，引用数据来源于云南省生态环境厅驻玉溪市生态环境监测站，监测点位分别为湖心、螺蛳铺、李家湾，评价标准执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，各项水质指标均采用全湖算术平均值；降雨数据来源于玉溪市年鉴。

结合当地气候特征，全年5～10月划分为雨季，1～4月、11～12月为旱季，各项水质指标旱、雨季浓度采用对应月份的平均值。综合营养状态指数的计算评价参照《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》(总站生字[2001]090号)；水质综合污染指数选取六项指标浓度计算：高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮。相关性分析采用IBM SPSS Statistics软件的Spearman模型进行计算。

水质综合营养状态指数的计算公式：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCOD)

式中，TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为j参数的营养状态指数相关权重；TLI(j)为j参数的营养状态指数；各指标以Chl-a作为基准参数，rij为j参数与Chl-a的相关系数；m为评价参数的个数；TLI(Chl-a)、TLI(TP)、TLI(TN)、TLI(SD)、TLI(COD)分别为叶绿素a、总磷、总氮、透明度和高锰酸盐指数的营养状态指数；Chl-a的单位为mg/m3，SD单位为m，其余指标单位均为mg/L。营养状态分级：TLI(∑)<30为贫营养，30≤TLI(∑)≤50为中营养，TLI(∑)>50为富营养，5070为重富营养。

水质综合污染指数的计算公式：

式中，P为水质综合污染指数；pi为i污染物的污染指数；n为污染物的种类(本文中n为6)；Ci为i污染物实测浓度平均值；Si为i污染物评价标准值(本文中以水功能Ⅲ类标准值进行计算)。

2 星云湖水体水质变化情况

2.1 星云湖年度水质变化

星云湖2019年水质综合类别为劣Ⅴ类，重度污染，综合营养状态指数为66.3；2020年水质综合类别为Ⅴ类，中度污染，综合营养状态指数为65.0；2021年水质综合类别为Ⅴ类，中度污染，综合营养状态指数为62.9。综合营养状态指数逐年递减，星云湖总体水质逐年好转。

2.2 主要水质变化趋势分析

2019～2021年，星云湖综合水质类别在Ⅴ类和劣Ⅴ类波动(图2)。其中，2019年2月综合水质类别为Ⅴ类，其余月均为劣Ⅴ类；2020年星云湖1～4月、11～12月水质均为Ⅴ类，5～10月均为劣Ⅴ类；2021年全年各月星云湖均保持Ⅴ类水质。2019～2020年星云湖Ⅴ类水质均出现在旱季，劣Ⅴ类水质出现在雨季，旱雨季水质差异明显。

图2 2019～2021年星云湖综合水质类别变化趋势Fig.2 Variation trend of comprehensive water quality in Xingyun Lake from 2019 to 2021

2.2.2 综合营养状态指数

2019～2021年星云湖综合营养状态指数各月值范围在58.7～73.7之间(图3)，最高值出现在2019年8月(雨季)，最低值出现在2020年3月(旱季)。

从各年内来看，2019年星云湖综合营养状态指数最高值73.7出现于8月(雨季)，最低值61.1出现于1月(旱季)；2020年，最高值69.2出现于10月(雨季)，最低值58.7出现于3月(旱季)；2021年，最高值67.0出现在9月(雨季)，最低值59.6出现于12月(旱季)。

图3 星云湖综合营养状态指数逐月变化趋势Fig.3 Monthly variation trend of comprehensive nutrient status index in Xingyun Lake

从旱雨季来看，2019～2021年星云湖雨季综合营养状态指数平均值均大于旱季。其中，2019年星云湖雨季综合营养状态指数比旱季高出7.8个百分点，2020年雨季比旱季高出8.3个百分点，2021年雨季比旱季高出6.2个百分点。

2.2.3 综合污染指数

星云湖综合污染指数在2019～2021年期间呈逐年下降的趋势(图4)，各年内数值均呈现先上升后下降的趋势。三年中，星云湖综合污染指数范围在1.01-2.84范围内波动，其中2019年8月的值最高(雨季)，2020年3月最低(旱季)。

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从各年内来看，2019年星云湖综合污染指数最高值2.84出现在8月(雨季)，最低值1.44出现在2月(旱季)；2020年，最高值1.81出现在6月(雨季)，最低值1.01出现在3月(旱季)；2021年，最高值1.49出现在9月(雨季)，最低值1.11出现在3月(旱季)。

以旱雨季对比来看，2019～2021年星云湖雨季综合污染指数平均值均大于旱季。2019年星云湖雨季综合污染指数比旱季高54.3%，2020年雨季比旱季高34.6%，2021年雨季比旱季高20.0%。虽然星云湖综合污染指数旱雨季的差距在逐年缩减，但旱雨季的水质污染差别仍为明显。

综上，星云湖雨季水质普遍劣于旱季，各年综合营养状态指数和综合污染指数的最高值均出现在雨季，最低值均出现在旱季，且各年平均值均表现为雨季大于旱季，且差异明显(图5)。

图4 星云湖综合污染指数逐月变化趋势Fig.4 Monthly variation trend of the comprehensive pollution index of Xingyun Lake

图5 星云湖旱雨季平均综合营养指数、综合污染指数对比Fig.5 Comparison of average comprehensive nutrient index and comprehensive pollution index in Xingyun Lake during dry and rainy season

3 分析讨论

星云湖旱雨季污染差异，其原因主要包括入湖河流污染负荷[10]、湖泊水位[12]、水温季节性变化[13]及底泥内源释放[14]等多方面。

3.1 主要入湖河流污染

主要入湖河流既是保证湖泊水位的重要补给，也是携带污染入湖的最大隐患，尤其在雨季，雨水冲刷会大大增加入湖污染[11]。

从星云湖所在地区(江川区)2019～2021年降雨量来看(图6-图7)，每年自4月起，降雨大幅度增加，10月后降雨减少，全年最大降雨量集中于6～8月。区域内各年雨季降雨量约为旱季降雨量的3～4倍，2019年、2021年雨季降雨量均为旱季的3.61倍，2020年雨季降雨量为旱季的3.93倍。

从8条主要入湖河流来看(图8～图10)，2019年有6条入湖河流雨季综合污染指数高于旱季，占比达75%，分别大龙潭河、大庄河、螺蛳铺河、学河、渔村河及周德营河；2020年有5条入湖河流雨季综合污染指数高于旱季，占比为62.5%，分别为大龙潭河、东西大河、学河、渔村河及周德营河；2021年除周德营河无水无监测数据外，有6条入湖河流雨季综合污染指数高于旱季，占比为75%，分别为大街河、大龙潭河、大庄河、螺蛳铺河、学河及渔村河。每年均有一半以上的主要入湖河流雨季污染大于旱季，与星云湖综合污染指数旱雨季差异表现一致。

结合降雨和河流污染分析，星云湖流域雨季降雨强度大、且降雨时间较为集中，增加了雨水冲击污染入湖的风险。当雨季来临，强降雨使得地表径流增大，陆面污染冲刷入河，入湖河流污染加重，河水携带污染入湖，直接影响着湖体水质。

图6 2019～2021年星云湖所在地区降雨情况Fig.6 Rainfall in the area of Xingyun Lake from 2019 to 2021

图7 星云湖旱雨季平均降雨量对比Fig.7 Comparison of mean rainfall during dry and rainy seasons in Xingyun Lake

图8 2019年主要入湖河流旱雨季综合污染指数对比Fig.8 Comparison of comprehensive pollution index of major rivers during dry and rainy seasons in 2019

图9 2020年主要入湖河流旱雨季综合污染指数对比Fig.9 Comparison of comprehensive pollution index of main rivers during dry and rainy seasons in 2020

图10 2021年主要入湖河流旱雨季综合污染指数对比Fig.10 Comparison of comprehensive pollution index of major rivers during dry and rainy seasons in 2021

3.2 湖体水位水温季节性变化

水位和水温是湖泊重要水文特征，水位和水温的波动变化影响着湖泊水生态功能和水化学过程，进而对水质产生影响[14]，故结合星云湖水位、水温变化，分析二者对湖泊水质的影响。

从水位来看(图11)，2019～2021年星云湖全湖年均水位逐年上升，其中2019年各月总体水位较低，全年平均水为1722.67m；2021年平均水位最高，为1723.10m。2019～2021年自3月起水位呈下降趋势，分别于雨季6月、7月达到最低水位，旱季1月、10月、12月达到最高水位。水位变化的主要影响因素包括入湖流量、蒸发量及降雨量[15]，当湖泊水体蒸发量大于降雨和径流的补给时，可能出现即使降水量增加、湖泊水位也下降的现象。

图11 2019～2021年星云湖水位各月变化情况Fig.11 Monthly variation of water level in Xingyun Lake from 2019 to 2021

从水温来看(图12)，2019～2021年星云湖全湖平均水温逐年下降，其中2019年总体平均水温较高，全年平均水温为19.98℃；2021年平均水温最低，为19.31℃。自每年2月、3月起，星云湖水温随着气温的升高而上升，雨季7月、8月水温最高，旱季1月、2月水温最低。

为深入了解星云湖水位、水温变化与湖泊水质的相关性及相关程度，我们做了相关性分析(如下表所示)。分析发现，2019年湖体水位和综合营养状态指数显著负相关，这与前人[16]研究结果一致；2019～2021年湖体水温与综合营养状态指数、综合污染指数均为显著正相关，与相关研究[17]结果一致。但水位变化的影响仅体现在污染较严重的2019年。这是由于近年来星云湖水位恢复，持续保持高水位运行，水体自净能力增强，促进水质进一步改善。2015年后流域降水形势的好转，星云湖水位逐渐恢复正常水位，在2020年8月之后到2021年，星云湖平均水位保持在较高水位运行，年均值高于往年汛限，相应湖容水量增多，湖体自净能力增强。因此，高水位时，星云湖水质指数与水位的相关性并不显著。2019～2021年水温均和综合营养状态指数及综合污染指数呈显著正相关关系，可见旱雨季水温变化对水质影响较大。流域内雨季正处夏季，夏季温度升高可能从内源释放、藻华等多方面加快污染物的迁移转化，具体在3.3中进行讨论。

图12 2019～2021年星云湖水温各月变化情况Fig.12 Monthly variation of water temperature in Xingyun Lake from 2019 to 2021

表 2019～2021年星云湖湖体水位、水温与主要污染指标相关系数统计Tab. Statistics of correlation coefficients between lake water level，water temperature and main pollution indicators in Xingyun Lake from 2019 to 2021

3.3 其他可能因素

湖体水质季节性变化还可能受到内源释放污染[18]、藻华[19]及水动力扰动[20]等方面影响。

星云湖为浅水湖泊，内源释放也是不可忽视的污染来源。滑磊等[21]对同样浅水湖泊的杭州西湖中底泥释放强度研究发现，高温期内源释磷强度的增大是导致湖泊总磷升高的主要原因。星云湖流域内雨季正处于夏季，温度升高会增加水中有机质的分解，加强浮游植物残体和其他固体物质在深层的氧化矿化，耗氧增多，沉积物中磷释放的风险增加[18，22]，从而加重湖泊水质污染。

由于星云湖是藻型湖泊，季节变化、温度上升为藻类提供了适宜的生长环境。水温是藻类光合作用的重要条件，影响着藻细胞内的酶反应速率、合成代谢、呼吸强度等生理及繁殖过程，从而影响着藻类生长及生物量累计[19]。雨季强降雨的发生可能导致藻类群落多样性和丰富度上升[23]。当蓝藻水华暴发，会致使水体理化特性发生改变，藻类在水体中光合作用增强，不断消耗水体中碳酸根和碳酸氢根，促使水体pH值升高，加快沉积物中蓄积的磷活化析出；同时，藻类的大量积聚坏死会释放氨氮、磷、化学需氧量等营养物，进一步加剧水体富营养化。

此外，雨季降雨和风力造成的水动力扰动也是造成湖泊水质波动的重要因素。有研究发现，强风对浅水型湖泊影响较大，强风可能引起磷的爆发释放在太湖地区频繁发生[20]。风波扰动驱动的动态释放可能是磷内部释放的主要方式[24]，当地表风速过大时，强风可能导致水体总磷浓度是平时的两倍[25]，湖泊底泥上翻出现密集悬浮现象，且固体悬浮物的大小随风速的增大而增大，湖泊水体的透明度无法保证。

湖泊水质季节性变化是多因素共同作用的结果。但由于目前星云湖水质与内源释放、藻华及水动力扰动的相关研究缺乏，对星云湖水质污染的贡献无法量化，需在今后开展专项课题研究。

4 结论及建议

近年来，湖泊水生态保护治理力度加大，星云湖水质逐渐向好，但旱雨季水质差异明显。

(1)星云湖雨季水质普遍要劣于旱季水质，劣Ⅴ类水质大多出现在雨季；星云湖全湖雨季综合营养状态指数和污染指数均大于旱季，且各年综合营养状态指数和污染指数的最高值均出现在雨季，最低值均出现在旱季。

(2)雨季流域内降雨量大幅度增加，降雨时间较为集中，强降雨使地表径流增大，陆面污染冲刷入河，50%及以上的主要入湖河流雨季综合污染指数高于旱季，河水补给湖泊或泄洪会携带污染入湖，直接影响着星云湖湖体水质。

(3)星云湖综合营养状态指数和综合污染指数与湖泊水温呈显著正相关关系，2019年星云湖的综合营养状态指数还与湖泊水位呈显著负相关关系。雨季水温的上升对水质影响较大。

因此，为了星云湖水质的不断提升和维系，针对以上结论提出几点建议：

(1)加强源头治污，坚决防止星云湖水质变差返劣。针对区域降雨特点，突出工作重点，制定可行方案，切实做好调蓄带、入湖河流和湖外农业循环用水工程的有效管理，杜绝污水入湖。

(2)优化水资源配置，持续提高清水入湖量，保证生态流量补给。雨季是全年中生态流量补给的关键季节，需开源节流并重，既要阻断污染也要保障补给水量。在雨季来临前，及时对河道进行排污清淤，提高水系连通性。提高农业灌溉水的利用效率，减少农业活动对流域内生态流量的影响。同时定期开展水生态系统恢复工作。水位保证和生态稳定，协同提高湖泊自净能力。

(3)开展针对内源释放、水动力扰动、藻华控制等相关基础性研究，为精准治湖提供更科学的依据和支撑。研究多因子对湖泊水质污染的贡献率，因地制宜地出台相应措施，控制藻华爆发，减轻底泥释放，预防水动力扰动影响，以全面提高湖体水质。