基于长时间序列乌梁素海水环境变化趋势及生态补水等关键驱动因子分析(2011-2020年)*

刘莹慧,卢俊平,2**,赵胜男,2,史小红,2,孙 标,2,张晓晶,2,石震宇,米家辉

(1:内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特 010018)(2:内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室,呼和浩特 010018)

水体富营养化是水体污染中最普遍的现象,也是国内外水环境污染治理面临的难题[1]。湖泊富营养化会影响水体水质,造成水体透明度降低以及鱼类的大量死亡,破坏水体生态平衡,给生态环境、人类健康造成极大的负面影响[2]。据2020年对我国110个重点湖(库)调查发现,处于中营养状态的占比为61.8%,轻度富营养状态占比为23.6%,只有极少数(9.1%)处于贫营养状态[3]。这些湖泊目前仍旧面临着水质日益恶化、富营养化现象日益严重和生物多样性减少等不可忽视的生态环境问题。

近年来,国内外学者对水体富营养化的研究主要集中在原因解析[4-5]、机理剖析[6]、营养盐限制性因子分析[7]、造成的影响及治理方法[8-10]、构建营养浓度和湖泊初级生产力模型等方面[11]。对水体富营养化驱动因子的解析主要基于氮、磷营养盐[12-13]、理化因子[14]、气象要素[15-16]等影响因素,忽略了生态补水对湖泊水体富营养化的影响。生态补水可以增加水体的流动性,提升湖泊的水质,改善水生态环境[17]。南四湖应急生态补水有效缓解了南四湖地表水资源紧缺的危机,保证了维持生态环境的最低限制用水[18];“引江济太”工程缓解了太湖富营养化问题[19];田纳西河流域管理局(TVA)在其管理的20个水库通过提高水库下泄水量改善下游水域生态环境,提高下游河道最小流量和水流的溶解氧浓度[20-21];伊学农等[22]使用Mike21构建水力模型探究补水措施对高原湖泊富营养化程度降低的效用。已有研究表明,补水措施可改善局部的富营养化水平,减小局部地区发生水华的概率。但目前有关寒旱区生态补水下水体富营养化变化的研究明显缺乏,同时过往对寒旱区乌梁素海湖泊富营养的分析研究局限于某一年或某一时段的短期数据,并不能真正揭示水体富营养化程度年际间及空间范围大小的变化趋势,影响因素的分析仅考虑TN、TP这些可能的限制性营养盐因子,对生态补水量及其他水环境(CODMn、pH、SD)因子的研究较少。尤其是在综合营养状态指数评价基础上,对生态补水下乌梁素海富营养化研究尚未见相关报道。

乌梁素海是黄河上游最大的滨水湖泊,已成为中国北方重要的生态屏障和鸟类栖息地。过去,由于大量未经处理的城镇工业、生活废水,农田退水排入乌梁素海,加之生态环境补水量严重不足,使得乌梁素海生态环境遭到破坏、水质问题日渐突出,严重影响到区域居民的日常生活[23]。本研究基于2011-2020年对乌梁素海水质的长期跟踪监测数据,对湖区水体水质及富营养化程度开展分析评价,结合综合营养指数法和ArcGIS克里金插值法,探讨生态补水下乌梁素海水体富营养时空变化特征,并就水环境因子对乌梁素海水体富营养化的影响展开深入研究,以期为乌梁素海水质进一步的改善提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗,是黄河改道形成的河迹湖,它不仅是我国十大淡水湖之一,也是地球同纬度最大的湿地,是全球荒漠半荒漠地区极为少见的大型草原湖泊,对维系世界性生态平衡、保护物种的多样性起着举足轻重的作用。2020年湖泊面积341 km2,南北长35～40 km,东西宽5～10 km,最大水深约4 m,大片水域水深在0.5～1.5 m之间。年均降水量约为200 mm,潜在蒸发量为2300 mm。由于地处我国西北干旱半干旱地区的过渡地带,芦苇蒸腾和湖水蒸发损失了大量水分,导致水资源承载力和环境承载力严重超载。农业实践、工业生产和生活污水排放到乌梁素海的各种污染物影响了水生环境,导致生态系统功能退化,并加剧了水体富营养化[24]。近年来乌梁素海水面逐年减少,湖面萎缩,加之河套灌区的非点源污染,乌梁素海水体富营养化程度仍然值得重点关注。

1.2 研究方法

1.2.1 综合营养状态指数法 本研究采用综合营养状态指数法[25]对乌梁素海水体进行富营养状态评价,该方法是中国环境监测总站进行水体富营养化评价采用的方法,评价指标为:总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl.a)、透明度(SD)以及高锰酸盐指数(CODMn)5个参数[26],其计算公式为:

(1)

式中,TLI(Σ)为综合营养状态指数;Wj为第j种水质参数权重;TLI(j)为第j种水质参数营养状态指数;m为参与评价的参数个数。

各水质参数营养状态指数计算公式为:

TLI(Chl.a)=10(2.5+1.086 ln Chl.a)

(2)

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

(3)

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

(4)

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

(5)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66 ln CODMn)

(6)

式中,Chl.a单位为mg/m3;SD单位为m;TP、TN单位为mg/L。

根据金相灿1990年对中国26个主要湖泊 Chl.a与其它评价指标相关关系的研究,得到各指标权重值[27],参数权重归一化计算公式为:

(7)

式中,rij为第j种参数与Chl.a的相关关系,m代表参评参数个数。湖泊营养状态分级:TLI(Σ)>70,重度富营养;60

1.2.2 PCA排序法 PCA分析方法是研究多个变量间相关性的一种统计方法,是原来变量通过线性组合出新变量来表示影响事物的主要方面。本研究中,主成分1和主成分2之和代表2个主成分对总体的解释率,箭头长度表示各类环境因子对水体富营养化的贡献度,方向代表各类环境因子与富营养化的相关性。

1.3 样品采集与监测

2011-2020年期间对乌梁素海21个水质监测点进行多年逐月连续采样监测(监测点见图1),并取月均监测值代表年湖泊水质状况,对水质进行显著性检验之后,采用综合营养指数法评定和分析湖泊水体营养状态演变过程。TN、TP、氨氮及Chl.a浓度分别采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法、钼锑抗分光光度法、纳氏试剂光度法及丙酮萃取分光光度计法测定;CODMn采用高锰酸盐指数法测定。SD采用塞氏盘法测定[29]。所有样品分析均做3次平行,试验结果均以3次样品分析的平均值表示(3次分析结果的误差<5%),应用Microsoft Excel 2019、Origin 2022、ArcGIS 10.8等软件进行数据整理、统计分析和制图。

图1 研究区采样点设置Fig.1 Setting of sampling points in study area

2 结果与分析

2.1 丰、平枯水期乌梁素海水质年际变化特征分析

2011-2020年乌梁素海湖区各水质指标呈现向好趋势变化(图2)。CODMn变化范围为20.30～68.50 mg/L,均值为40.33 mg/L。CODMn由2011年的56.30 mg/L下降到2020年的22.00 mg/L,水体CODMn下降了60%以上,降幅显著。不同蓄水期水体中CODMn年均值在2012年,达到峰值,是地表Ⅳ类水标准值的2.28倍,2019年降至最低,低于地表Ⅳ类水标准值32.33%,整体呈现为丰水期>平水期>枯水期的趋势,均符合地表V类水标准。

TN是衡量水体富营养化的重要指标之一[30]。2011-2020年乌梁素海水体TN浓度变化范围为1.48～3.84 mg/L,均值为2.19 mg/L。其中,TN浓度年均值在2011-2013年间大幅度降低,与2013年相比,2011年降低了61.46%,在2013-2016年间又缓慢上升,接近地表Ⅳ类水标准值,整体表现为平水期>枯水期>丰水期。TN浓度由2011年的劣Ⅴ类值,提升到2020年接近Ⅳ类水标准值,转好趋势明显。

2011-2020年间乌梁素海水体NH3-N浓度变化范围为0.22～1.36 mg/L,均值为0.44 mg/L,低于地表Ⅳ类水标准的限值。NH3-N平均浓度由2011年的1.36 mg/L下降到2020年的0.30 mg/L,已达到地表Ⅳ类水标准。从NH3-N浓度变化趋势图分析可见,2011-2013年间水体NH3-N浓度年均值降低了83.09%,之后趋于稳定,到2020年浓度低于Ⅳ类水标准值80%,整体呈现为枯水期>平水期>丰水期。

TP是影响水体富营养化的另一个重要指标,同时也是导致乌梁素海水体富营养化污染的限制性因子[24]。2011-2020年间,乌梁素海TP浓度变化范围为0.03～0.24 mg/L,水体TP浓度年均值呈下降趋势,总磷年均值下降了87.5%,平均值为0.102 mg/L,符合地表Ⅳ类水标准。整体表现为平水期>丰水期>枯水期。

2.2 乌梁素海水体富营养化年际时空变化特征

为深入研究2011-2020年乌梁素海水体富营养化程度的年际变化特征。通过计算2011-2020年乌梁素海21个监测点的综合营养状态指数,按照湖泊水体富营养化等级,在ArcGIS软件中使用克里金插值法绘制湖泊水体综合营养状态指数等级空间范围分布图(图3)。

图3 2011-2020年乌梁素海综合营养状态指数年际时空分布特征Fig.3 Interannual spatial and temporal distribution characteristics of comprehensive nutrition status index in Lake Wuliangsuhai from 2011 to 2020

2011-2020年乌梁素海水体富营养化状态等级空间分布表现为湖区北部高于南部,综合营养状态指数值较高的地方主要集中在北部入湖口附近。以湖泊综合营养状态指数分级标准对2011-2020年水体富营养化空间分布进行分级,统计各分级的面积。由图3可见,在研究期内湖泊水体无处于贫营养的年份,综合营养状态指数值为30～50(中营养)的湖区占比面积较大,2016年水质达到中营养状态的湖区面积占湖泊总面积的95.02%。综合营养状态指数值为50～60(轻度富营养)的湖区面积占比在2011-2020年呈波动状态,其中2015年面积占比最大,达98.65%。综合营养状态指数值达到60～70(中度富营养)的湖区水质仅在2011年和2012年出现,面积占比分别为21.49%、43.78%。综合营养状态指数值大于70(重度富营养)的湖区水质仅在2012年出现,且面积占比为0.09%。从湖泊富营养化分级面积来看,湖泊水质基本处于轻度和中度富营养状态,湖区北部高于南部,湖泊水质富营养化程度在2011-2015年时段出现了短暂的加重趋势,在2016-2020年期间又逐渐好转。2016-2017年,在大力实施湖泊治理后水体营养状态相较于2011-2015年趋于稳定,2020年综合营养状态指数值在30～50(中营养)的湖区面积占比为44.87%,是2011年的1.88倍;轻度富营养化面积占比是中营养的1.2倍,且2020年湖区无中度富营养水体。由此可见,经过2011-2020年的点面源污染治理与生态补水的调控,湖泊水体富营养化程度明显减弱,轻度富营养化和中营养化湖区面积增加,水体富营养化程度明显降低。综合而言,2011-2020年间湖区水体富营养程度经历了由轻度富营养-中营养-轻度富营养-中营养的变化过程,在空间上由北向南逐渐减轻,综合营养状态指数值在60～70(中度富营养)的湖区面积占比由21.49%逐渐减少为0,综合营养状态指数值在30～50(中营养)的湖区面积占比由23.84%增加到44.87%。

2.3 影响乌梁素海水环境质量的关键性因子解析

对2011-2020年间乌梁素海的主成分进行排序统计分析(图4),前2个轴的累计方差解释信息达到60%以上,表明能较好地代表原指标。

图4 2011-2020年乌梁素海水环境影响因子PCA排序Fig.4 PCA ordination of water environmental impact factors in Lake Wuliangsuhai from 2011 to 2020

通过对各环境影响因子进行主成分分析,发现主成分1(PC1)中的pH、SD、Chl.a、水温理化因子具有较大因子负荷,反映了乌梁素海藻类、悬浮物等状况与物理环境条件关系较为密切,其中pH、Chl.a、水温与PC1呈正相关,SD与PC1呈负相关;主成分2(PC2)中的TN、TP、CODMn和DO具有较大因子负荷,反映了乌梁素海水体中的有机物、氮、磷营养盐浓度以及基本物理环境(光、热环境)条件,其中TN、TP、CODMn与PC2呈正相关,DO与PC2呈负相关(图4a)。

对2011-2020年乌梁素海21个监测点各水环境指标进行主成分分析表明,CODMn、电导率、TP、Chl.a在PC1中具有较大因子负荷,表明乌梁素海的有机物、磷素污染及水体营养状况。其中TP、Chl.a与PC1呈负相关。PC2中的TN、SD、水温具有较大因子负荷,反映了乌梁素海氮素污染和物理环境状况,TN和水温与PC2呈正相关,SD与PC2呈负相关(图4b)。J11号监测点在主成分1和2上具有最高得分,表明该监测点各方面水质参数均受到严重污染,这与用综合营养指数法计算得出乌梁素海南部入湖口水体富营养化最严重的研究结论相印证。

3 讨论

乌梁素海流域内地质地貌条件、水文气候特征和人类活动变化的复杂性和多样性,加之本世纪初工业化进程加剧等综合因素,导致乌梁素海水体富营养化问题严重。国内很多学者讨论了结冰、环境因子、人类活动和营养盐对乌梁素海水体富营养化程度的影响[31-33],却忽略了生态补水对乌梁素海水体富营养化变化的影响,而诸多文献报告表明生态补水对湖泊水体水质的改善具有一定的影响[34-36]。本文进一步补充研究生态补水下湖泊水体富营养化的变化特征,并对影响乌梁素海水环境质量的关键性驱动因子进行深入探究分析。

乌梁素海地处干旱、半干旱地区,具有常年夏季蒸发强烈的典型气候、气象特征。降水稀少而蒸发强烈,直接导致湖泊面积减少、污染物浓缩和盐化,水环境恶化。丰水期水体中TN和NH3-N浓度显著低于枯水期,说明湖体水质的优劣很大程度上取决于补水量的大小。湖水中TP浓度丰水期高于枯水期可能是由于湖泊承纳河套灌区的农田退水中携带有大量磷营养盐,使得总磷浓度升高;水体中CODMn丰水期高于枯水期,原因可能是:(1)由于受水道清淤和疏浚工程的影响,导致水中泥沙增多,泥沙中含有还原性物质如氯离子,在测量CODMn时,水样中氯离子易被氧化剂氧化,增加氧化剂的消耗量,导致化学需氧量CODMn明显增大[37]。(2)乌梁素海生态补水主要通过主排干系统退水和引黄补水,由于主排干系统退水中CODMn大于水体中污染物浓度,灌区退水直接排入使得湖区CODMn浓度增大。自2005年起对乌梁素海实施生态补水工程,但由于各种条件限制,生态补水量并不明显。2012年以后,生态补水进程开始加速,2016年生态补水量达2.5×108m3,2018年增加到了5.94×108m3,2019年新增到6.15×108m3,生态补水量得到大幅增加[24],这与乌梁素海水质状况变化的时间相一致。乌梁素海在2013-2019年累计生态补水水量为46.85×108m3,其中2014年补水水量是2013年的1.3倍,2014-2017年生态补水量小幅度下降,2017年之后又大幅度增加,至2019年生态补水量提升至2013年的1.5倍,乌梁素海生态补水整体呈稳定的上升趋势,基本稳定在6.60亿～9.50亿m3之间。乌梁素海水体富营养化程度在时间上呈现出波动向好的趋势发展,且与生态补水量的增加趋势相似;在空间上由北向南逐渐减弱,与之前学者的研究结论基本一致[38]。湖区北部水体中总氮、总磷、叶绿素a浓度分别为南部的1.40、1.47和1.57倍[25],这主要归因于乌梁素海外源污染负荷主要由北部入湖河流输入。水流自北向南流动过程中,在悬浮有机质的沉降、水体自净作用及芦苇水草的吸附净化作用下,沿水流方向污染物浓度呈现由北向南逐渐降低。叶绿素a通常表征浮游植物的生物量,浮游植物的生长会显著降低水体透明度,降低水体溶解氧,促使水生植物逐渐被浮游植物取代,导致水体富营养化加剧[39]。叶绿素a与氮磷呈现一定空间相关性,这是由于藻类可以通过吸收同化氮磷等营养盐后而快速生长[40-41]。2013年乌梁素海水体富营养化程度较2011、2012年有所下降,这与自2012年开始乌梁素海生态补水量大幅增加关系密切。

湖泊水体富营养化程度的主要限制因子为氮、磷等营养盐及有机物浓度,但同时也受水体理化特征、无机物特征和湖泊环境及水动力特征影响,水体的富营养化程度既决定水体水质指标的变化情况,同时也受水环境因子的影响[42-43]。乌梁素海承纳河套灌区的农田退水中携带大量磷、氨氮及硝酸盐氮等营养物质,使得乌梁素海TN和TP具有较大因子负荷,是影响乌梁素海水环境质量的关键性因子[44];pH值作为反映湖泊水质特征的重要指标,也是影响乌梁素海水环境质量的关键性因子,其在一定程度上影响着水体中有机物的氧化分解过程、水生植物的光合作用过程及水生植物群落的多样性。2018年乌梁素海水体pH值的实际监测变化范围为7.5～8.9,湖泊水体在碱性环境下有利于具有悬浮机制性藻类的生长与繁殖,引起水体内悬浮物数量的增加,对湖泊水环境产生负面影响而引起湖泊水质恶化[45-46]。夏季乌梁素海中的水草、水生生物及芦苇生长茂盛且高强度的日照使得湖泊水量大面积蒸发导致湖泊水体的污染物浓缩,浓度升高,较高的叶绿素a浓度使湖泊呈现富营养化[32];而冬季的结冰过程中会产生排氮效应,使得位于冰-水界面的氮向水体深处扩散,使得湖泊整体富营养化程度上升[47],且湖面覆盖的冰层不仅阻碍了大气复氧,而且抑制了水体流动与交换,进一步加剧了冰下水体水环境的恶化程度。生态补水对湖泊水环境质量具有一定的影响作用,生态补水作用使水体流速由0.0005 m/s提升至0.005 m/s,有效改善了乌梁素海湖区部分区域水动力及水循环条件,促进湖体内水质的物理、生物、化学净化作用,提升湖体的自净能力,能有效改善湖泊污染状态,湖体水质的优劣在很大程度上取决于补水量的大小[48];另一方面,入湖水量增加,使得湖区水位上升,水面积扩大,水质得到一定改善,使乌梁素海以受纳农田灌溉退水为主转变为以受纳农田灌溉退水和黄河生态补水双重补水,实现补给水量稳定,水质明显好转的目标。此外,研究过程中将乌梁素海水体综合营养状态指数值、总氮、总磷、CODMn浓度与补水量进行线性拟合(图5),结果发现湖泊水体综合营养状态指数、总氮、总磷浓度值与补水量呈负相关,即随生态补水量的增大,综合营养状态指数与各项水质指标均呈减小的趋势。水深是湖泊补水量变化的直观表现,湖泊水深的变化过程,会产生一定的流速梯度,引起湖内水体的扰动,对水体内氮、磷营养盐的浓度、悬浮物浓度产生重要影响[49]。生态补水量增加直接影响入湖径流的补给量,入湖水量随之增加,新增加水量对水体中污染物浓度既起到物理稀释、水力扩散、营养物传输、生物净化等作用,同时又使原有湖泊水体置换排出,最终形成“黄河引水-黄河故道输水—乌梁素海净化—流回黄河”的良性水循环系统,降低了水体中污染物浓度,可以有效改善水体水质状况[17]。

图5 生态补水量与湖体水质指标及综合营养状态指数线性关系Fig.5 The linear relationship between ecological water replenishment and water quality index and comprehensive nutritional status index of the lake

4 结论

1)受夏季蒸发浓缩强烈、季节性农田退水变化大及生态补水工程施工干扰等多重因素的影响及季节性封冻影响,2011-2020年乌梁素海水体TN、TP、CODMn、NH3-N各项水质指标浓度值在丰平枯水期呈现出不同的变化特征。TN浓度值表现为平水期>枯水期>丰水期,TP浓度值表现为平水期>丰水期>枯水期,CODMn浓度值表现为丰水期>平水期>枯水期,NH3-N浓度值表现为枯水期>平水期>丰水期。

2)加大生态补水下,乌梁素海水体富营养化程度明显减弱,轻度富营养和中营养湖区面积增加,水体富营养化程度明显降低。2011-2020年间,水体富营养化程度随年际变化呈现出由轻度富营养-中营养-轻度富营养-中营养的转变过程,在空间上湖泊富营养化程度由湖泊北部农田退水补给区向南部流出区逐渐减轻,综合营养状态指数在60～70(中度富营养)的湖区面积占比由21.49%逐渐减少到0,综合营养指数在30～50(中营养)的湖区面积占比由23.84%增加到44.87%。

3)乌梁素海生态补水量与水体富营养化程度的年际变化特征密切相关。生态补水量与TN、TP、CODMn浓度和综合营养状态指数呈负相关,是湖泊水环境发生变化的一项关键性驱动因子。通过相关性分析图及结合黄河补水量和湖区富营养化变化特征,研究得出生态补水量维持在5.94亿～9.50亿m3之间,乌梁素海水体富营养化程度可得到显著减轻,绝大部分水域可维持在轻度水体富营养化水平且逐年改善。