2015—2019洱海COD变化特征及影响因素研究

奚满松 沙凤兮 刘艳萍 李炜 徐倩

摘 要：通过开展洱海及主要入湖河流沟渠水质监测并应用Mann-Kendall趋势检验法、Morlet小波等方法分析洱海湖区COD变化特征。结果发现，洱海湖区的COD历史趋势具有较为明显的年际和年内变化特征，洱海湖区的COD在近年来由下降趋势转变为上升趋势，突变发生在2017—2018年。在此期间入湖COD负荷、气象条件均未发生突变，洱海湖区COD与入湖COD负荷相关性逐渐降低，与叶绿素和浮游植物相关性升高，反映出洱海COD趋于受内源影响。

关键词：化学需氧量；变化特征；突变检测；叶绿素a；洱海

中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）01-000-07

0 引言

湖泊的富营养化趋势一直是全球最为突出的水环境问题之一[1]。伴随着我国城镇化和工业化高速发展，水环境污染及其造成的危害日益威胁着国民的身体健康和社会的可持续发展[2-4]。洱海是云贵高原湖区内处于“富营养化初期”阶段的典型湖泊，作为全国城市近郊保护最好的湖泊之一[5-6]，

1996—2016年湖区水质出现恶化趋势，藻华时有发生[7-8]。多年来，随着大理州全面统筹推进对洱海“四治一网”“六大工程”“七大行动”和“八大攻坚战”等一系列保护治理，洱海水质改善取得阶段性成效，外源污染负荷得到明显削减，长期影响洱海水质类别的氮、磷营养盐指标得到相对控制，有效遏制了洱海富营养化发展趋势，洱海水质下滑趋势得到了初步控制。洱海的总磷和总氮虽得到相对控制，但以COD和高锰酸盐指数为代表的有机污染物浓度，全湖均值在I、II类和III类水质分界线上下徘徊，成为影响洱海水质的主要因素。目前，开展洱海富营养化研究主要针对氮磷指标，王永美、管玉莹、赵海超

等[9-15]仅对洱海化学需氧量CDOM吸收光谱特征变化趋势开展简单的分析，有机污染物的相关研究甚少。因此，本研究结合洱海湖区水体加密监测和入湖河流污染负荷监测数据，对洱海湖区COD、入湖河流COD、湖区藻源性进行了分析和研究，并初步判断了洱海湖区COD的来源。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

洱海是云南省第二大高原湖泊，属澜沧江、金沙江和元江三大水系分水岭地带。洱海流域面积2565 km2，湖面高程1966 m时库容为29.59亿m3，湖面面积252 km2，湖岸线全长129 km，洱海南北长42 km，东西宽3～9 km，最大水深21.3 m，平均水深10.8 m[16]。洱海属澜沧江-湄公河水系，径流区有大小河流、沟渠117条，主要入湖河流有27条，出湖口有2个（西洱河、引洱入宾工程）。

1.2 材料与方法

1.2.1 采样点布设

洱海湖区共设置19个采样点，将湖面划分为19个片区，分别对表层水体（距水面0.5 m）与底层水体（距水底0.5 m）采样。洱海主要入湖河流、沟渠共设置61个采样点，采样点主要布设在27条主要入湖河流和20条重要沟渠入湖口以及重点河流上游区域。采样点位置见图1。

1.2.2 主要数据来源及测定方法

本研究中洱海湖区COD变化趋势的时间为2004—2020年，总氮、总磷和叶绿素a采用数据的时间均为2015年1月—2019年12月。入湖河流主要水质指标变化趋势（总氮、总磷和COD采用数据的时间尺度均为2015年1月—2019年12月），洱海湖区19个采样点、入湖河流及重要沟渠61个断面水质指标数据数据来源于上海交通大学云南（大理）研究院，采样具体点位见表1、表2。实验室测定5项指标：总氮、总磷、化学需氧量、高锰酸盐指数、叶绿素a。日照时长、降雨量和温度采用数据的时间均为2015年1月—2019年12月，数据来源于大理白族自治州人民政府官方网站大理白族自治州2015—2019年度气候公报。

1.2.3 主要研究方法

本研究中应用SPSS、Mann-Kendall、Morlet小波、Origin对洱海流域近年来测定的相关指标进行分析，通过对2015—2019年的洱海水质指标、入湖河流水质、气候因素和洱海湖区的相关性分析为COD的变化趋势做出解释。对于部分缺失数据使用相邻值的中位数代替，缺失数据较多月份暂不做处理。

2 结果与分析

2.1 洱海湖区COD历史变化趋势

本研究分析了2004年1月—2020年8月洱海湖区的COD值变化趋势（见图2），洱海湖区的COD历史趋势具有较为明显的年际和年内变化特征。从年際变化来看，2004—2012年COD年均值波动幅度较大，其间COD最大值出现在2006年4月，达到26.46 mg/L，最低值出现在2006年9月，为7.18 mg/L。2013—2016年COD值为稍低水平，平均值为13.64 mg/L；2016年后，COD值明显高于2013—2016年水平；2018—2019年的COD平均值为15.63 mg/L。从年内变化来看，洱海湖区COD峰值多出现在7、8、9月，谷值在12、1、2、3、4月均有出现过。

2.2 洱海湖区COD突变检测

利用Mann-Kendall法分析2011—2019年洱海湖区年平均COD值序列的变化趋势（见图3）。在2011—2018年内UF值始终＜0，2011—2015年的洱海湖区年平均COD值下降较为平缓，而2015—2016年内的UF值超过0.05临界线（u0.05=-1.96），降低趋势达到0.05的显著性水平，表明洱海湖区年平均COD值在这一时期的下降趋势是十分明显的。2018年后，UF值开始＞0，洱海湖区年平均COD值呈现出一种上升趋势。根据UF和UB曲线交点的位置，2017—2018年为年平均COD值的上升突变点。

2.3 洱海湖区COD序列周期提取

采用Morlet小波对2004—2019年洱海湖区月平均COD值获得小波系数图谱（见图4）。以12—24个月的时间跨度（时间尺度）为周期，发生明显的高低循环变化，呈现振荡之处可以分辨出奇异点，在时间尺度为5左右的2006年内出现了最大值，这表明2006年前后洱海湖区月平均COD值发生了最强的振动。2004—2011年的洱海湖区月平均COD值振荡幅度较大，与2015—2019年的变化结构相比，其变化更加剧烈，但2015—2019年的振荡频率（时间尺度）更大。

2.4 洱海湖区COD主成分分析

2.4.1 洱海湖区水质指标主成分和入湖河流水质分析

通过Origin对2015年、2016年、2018年、2019年洱海湖区COD与湖区水质指标主成分和入湖河流水質指标分析（见图5和图6），洱海湖区水质指标主成分主成分PC1的贡献率分别为53.1%、52.9%、63.5%、62.2%，PC2贡献率分别32.5%、25.9%、19.6%、14.8%，总贡献率分别为85.6%、78.8%、83.1%、77%。入湖河流水质主成分PC1的贡献率分别为55.1%、56.9%、56.6%、59.9%，PC2贡献率分别19.9%、20.1%、31.3%、31.3%，总贡献率分别为75%、56.6%、87.9%、91.2%。结果显示，2018年和2019年洱海湖区COD与总磷、总氮、总溶解有机氮和氨氮有强烈的正相关关系，与叶绿素a、浮游植物和正磷酸盐则有较为强烈正相关关系，与溶解氧存在一定程度的负相关关系。洱海湖区COD与入湖河流可溶性磷、总磷的正相关关系较为强烈，氨氮也在一定程度上有正向促进作用，但不如磷元素的强烈。

2.4.2 洱海湖区COD与洱海流域自然因素主成分分析

通过Origin对2015年、2016年、2018年、2019年的洱海湖区COD与自然因素相关指标（降雨量、温度和日照时长）进行主成分分析（见图7），主成分PC1的贡献率分别为49.8%、78.8%、83.3%、85.2%，PC2贡献率分别30.7%、13.6%、13.4%、9.2%，总贡献率分别为80.5%、92.4%、96.7%、94.4%。结果显示，洱海湖区的COD与温度、降雨量有一定的正相关关系，与日照时长则有较为明显的负相关关系。

2.5 洱海湖区、入湖河流及自然因素对COD的影响关系探究

根据图8示结果分析，入湖洱海湖区及入湖河流COD值都存在明显的季节性变化，与自然因素（降雨、日照、温度）和人类活动、植物在不同季节的生长繁殖有关，入湖河流COD峰值多出现在3—6月，洱海湖区的COD峰值多出现在7—9月。2019年47个入湖河流/沟渠断面COD入湖负荷共计达到4477 t，2020年COD入湖负荷增加了31.6%。然而洱海湖区COD均值从2019年的15.9 mg/L降至2020年的15.4 mg/L。

2.6 洱海藻类变化趋势

通过SPSS对洱海湖区2018—2019年的藻类个数进行时间序列图的绘制（见图5、图6），结果显示：在7—9月是2018年藻类个数和叶绿素a较高的一段时期，藻类细胞数和叶绿素a的峰值分别为3268.4万个/L和0.02 mg/L，谷值在12月出现；2019年藻类个数的峰值在8月出现，为3141.3万个/L，谷值在12月出现，为884.6万个/L，叶绿素a的峰值出现在6月，为0.019 mg/L，谷值出现在12月，为0.009 mg/L，高于2018年的谷值。整体而言，2018—2019年的藻类个数基本在平均值上下波动，2019年的藻类个数和叶绿素a有小幅度上升，这与藻类个数这一时期的变动状态一致。

3 讨论

（1）氮磷营养盐是指示水体营养状态的良好指标，氮磷营养盐的升高会促进浮游植物的生长，从而影响水体中的 COD 水平。氮磷元素对于洱海湖区COD的正向影响易于理解，其氮磷元素提供了水体当中浮游植物的营养，总磷升高促进了藻类增殖，并进而释放出内源性的有机质，这与浮游植物和叶绿素a对于洱海湖区COD的正相关关系表现一致。

（2）2015年、2016年、2018年和2019年入湖COD负荷、气象条件均未发生突变，但洱海湖区COD受降雨量和温度的正向促进作用，而跟日照时长表现出负相关关系。降雨量的正向影响可能与降雨量带来的大量有机质外源输入有关，温度的正向影响则可能是伴随着微生物、浮游植物等的旺盛生长，湖体中有机质组分增加。日照时长较高的时间段多在冬春季节，这可能暗示日照时长并不是引起洱海湖区COD变化的原因，而只是刚好在这一时间段日照时长和COD有相反的特征，因为冬春季节的浮游植物、微生物等生长繁殖缓慢，且这一时段温度较低，从而引起洱海湖区COD也较低。

4 结论

近年来洱海湖区和入湖河流的COD值都存在明显的季节性变化，具有季节性、滞后性、异势性三个特征。入湖河流COD峰值多出现在3—6月，洱海湖区的COD峰值多出现在7—9月，年季间没有明显的升高和下降趋势。2017年之后洱海湖区的COD值有明显的升高趋势，突变发生在2017—2018年，在此期间入湖COD负荷、气象条件均未发生突变。2018年之后，洱海湖区COD与入湖COD负荷相关性降低，与叶绿素和浮游植物相关性升高，湖区的COD由原本的多种因素共同作用，逐渐转变为叶绿素a的主导作用，洱海湖区近年来COD的升高与浮游植物的生长关系紧密，反映出洱海COD趋于受内源影响。

参考文献：

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