陈晓燕，何秉宇，刘江，茉莉得尔金斯汗，陈磊

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆大学智慧城市与环境建模自治区高校重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；3.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052；4.新疆环境保护科学研究院，新疆乌鲁木齐830011，5.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，新疆乌鲁木齐830011)

水环境质量下降的主要原因之一是有机污染物污染[1]．艾里克湖位于新疆克拉玛依市东北部，对克拉玛依市整体生态环境状况有直接影响，对当地社会经济的可持续发展有一定影响[2]．不同类型的天然水体对污染物自然降解有其特性[3−5]，20世纪80年代至今，虽然许多学者对国内外多条河流的有机污染物降解速率进行了大量研究[6]，但湖泊中污染物降解机理较河流中更为复杂，而针对湖泊污染物的降解仅有零星的研究[7,8]．有关新疆湖泊污染物降解系数的研究未见报道，考虑到新疆地理位置、气候以及水体含盐量高等特点，直接将《国家地表水水环境容量核定》中给定的污染物降解系数应用于新疆湖泊中，其数值模拟结果或许存在一定的误差，从而可能导致水环境容量测算误差．

由于周围融雪水的汇入，融冻期湖泊水量增加迅速，污染物入湖量增大，水温、pH值、溶解氧等因素变化剧烈，导致湖泊污染物降解系数变化较大．本文选取化学需氧量（CODcr）、氨氮、总氮、总磷作为艾里克湖水环境中有机物污染的主要指标[9]．研究有机污染物在融冻期（2月底至4月上旬）的综合降解系数，探究降解系数的时空变化规律及其影响因素．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

艾里克湖（85˚450～85˚520E，45˚510～45˚590N）位于新疆维吾尔自治区克拉玛依市乌尔禾区境内，地处准噶尔盆地西部低山丘陵的东缘，是白杨河的尾闾湖．白杨河每年4-5月有积雪融水形成的洪水涌入艾里克湖，湖面也因此扩大[10]．湖泊长约12.4 km，宽约为3.5 km，面积约52.4 km2[11]．艾里克湖流域是典型的温带干旱区大陆性荒漠气候，降水稀少，冬寒夏暖，气温年较差与日较差大，且春季、秋季多大风，七八级大风年均68天，平均风速达3.5 m/s[12]．

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法及时间

目前有关湖泊降解系数的确定方法主要有现场实际监测法、室内模拟实验法、历史资料类比分析法、实测资料反推法、常规监测资料估算法等[13]．室内模拟实验法估算有机污染物降解系数属于静态实验，在模拟过程中无法体现水文、水力、温度、河道特征、底泥性质、季节变化等诸多综合影响因素[14]．本文根据该湖泊的实际情况，采用现场实际监测法来确定融冻期艾里克湖有机污染物的降解系数．

研究选择艾里克湖融冻期（2月底至4月上旬）的有机污染物降解系数，其中采样时间为2016年2月29日、3月7日、3月14日、3月21日、3月28日、4月4日．

1.2.2 采样位置

根据以往的艾里克湖生态环境保护试点总体实施方案，以及对水质监测采样时的难易程度，最终确定五个具有代表性的采样点（即入湖口SH03-1、湖右岸SH03-2、湖左岸SH03-3、湖心部分SH03-4、湖尾处SH03-5），其中每个采样点重复3次采样，共计15个水质采样点．艾里克湖水质采样位置如图1．

图1 艾里克湖水质采样位置示意图

1.2.3 现场监测

现场采样时，同时开展GPS定位、水温、pH值、溶解氧、流速等基础资料的测量工作．采集水样按《水和废水监测分析方法（第四版）》中的要求保存，带至实验室待测．

1.2.4 降解系数的确定

国内外研究表明，污染物的生物降解原理符合米氏方程，污染物浓度远大于米氏常数时，降解规律符合零级反应，污染物浓度远小于米氏常数时，则符合一级反应[15]．湖泊中污染物浓度一般小于米氏常数，所以其降解系数可用一级反应动力学模型进行计算．依据研究[16,17]，本文对KCOD、K氨氮、K总氮、K总磷的确定，采用一级反应动力学模型进行计算．一级反应动力学模型如下

式中：C为t时刻某污染物的浓度(mg/L)；K为污染物降解系数；t为反应时间(d)．

将式（1）两边同时积分

式中：C0为某污染物的初始浓度(mg/L)．

由（3）得污染物降解系数K值[18]．

2 结果与讨论

2.1 降解系数的时空变化规律

湖泊特性表明其水质存在时空变化规律．本文从时间和空间两个角度研究融冻期艾里克湖水环境中有机污染物的降解系数，探讨其变化规律．

2.1.1 时间变化

融冻期的艾里克湖主要有机污染物KCOD的变化范围为0.000 92 d−1～0.019 70 d−1，K氨氮的变化范围为 0.000 58 d−1～0.037 19 d−1；K总氮变化范围为0.001 84 d−1～0.038 15 d−1；K总磷变化范围为0.000 59 d−1～0.073 85 d−1．

由图2分析得出，KCOD、K氨氮、K总氮融冻初期呈递增趋势，但在3月21日或28日之后呈现下降趋势，造成这种现象的原因可能是该时间段内该地区气温回升过快．并且结合当地自然地理情况，该湖区位于风口，其风力较大，湖水复氧能力较高，由此加快了有机物的降解．然而K总磷随时间的变化规律并不明显．

图2 降解系数随时间的变化

图3 降解系数空间变化

2.1.2 空间变化

按照入湖口、湖右岸、湖左岸、湖心部分、湖尾处对该湖泊进行空间分类，并进行各个采样点降解系数变化的讨论分析，变化规律如图3所示．

（1）KCOD：不同位置的KCOD变化呈现三种形态，即波动型、稳定型、增长型．入湖口为波动型，因入湖口位置水质变化大，致使KCOD波动较大．湖右岸为稳定型，其原因是该位置地处艾里克湖西南，入湖的污染物与原水质混合平缓，并未产生较大波动．湖左岸、湖心部分、湖尾处为增长型，即KCOD呈现有规律的增长，然而3月28日-4月4日KCOD明显下降，说明入湖的污染物水量对该湖KCOD影响较弱，不足以影响总的降解系数．

（2）K氨氮：整体上3月7日-28日五个位置的K氨氮都趋于稳定增长，说明湖水中污染物降解与水温有直接关系，或由于入湖污染物量较少，不足以直接影响到氨氮的降解速率．4月4日五个位置的K氨氮都呈下降趋势，造成这种现象的原因可能是该时间段内汇入的污染物氨氮浓度偏高，对K氨氮的影响较大．湖尾处在21日的K氨氮就呈现下降趋势，根据水力动力学特性分析其位于入湖主流上，受入湖水流影响较大，该位置的降解系数转折点出现较早．

（3）K总氮：入湖口K总氮变化较大，没有稳定的规律，说明一直有污染源的汇入，对K总氮产生影响．3月7日-28日湖右岸、湖左岸、湖心部分、湖尾处符合常规降解趋势，说明入湖水量较少，K总氮呈现有规律的增长，并在21日或28日出现K总氮的最大值．3月28日-4月4日五个位置的K总氮都出现下降趋势，说明入湖的污染物量超过了该湖的水体自净能力．

（4）K总磷：可看出湖心部分的K总磷趋于稳定，入湖口、湖右岸、湖左岸、湖尾处都存在较大的变化，规律不明显，说明一直都有污染物的汇入，入湖流量水质与原水质混合不均匀．

五个监测点的KCOD、K氨氮存在一定规律性变化，可以归纳为波动型、稳定型、增长型；K总氮、K总磷变化规律不明显．说明汇入艾里克湖的外界污染物水质中化学需氧量、氨氮的含量相对稳定；总氮、总磷含量不稳定．

2.1.3 降解系数变化时空分析

利用SPSS软件，以时间、空间为双因子，各个降解系数为因变量，进行双因素方差分析，结果见表1．KCOD两组间的时间变化非常显著（P≤0.01），KCOD两组间的空间变化为不显著（P>0.05）；K氨氮两组间的时间变化差异为非常显著（P≤0.01），K氨氮两组间的空间变化为不显著（P>0.05）；K总氮两组间的时间变化、空间变化差异为非常显著（P≤0.01）；K总磷两组间的时间变化为非常显著（P≤0.01），K总磷两组间的空间变化为不显著（P>0.05）．

表1 降解系数与时空的双因素方差分析

在融冻期内，艾里克湖的KCOD、K氨氮、K总氮、K总磷都会随着时间变化而递增；对于不同空间位置上的KCOD、K氨氮、K总氮、K总磷并未呈现一定的规律性．

2.2 影响降解系数变化的因素

研究表明，水体中污染物质的降解是一个很复杂的过程，受诸多因素的影响，主要包括水中污染物的特性、pH值、污染物初始浓度、水力特性、微生物群落、悬浮固体、温度、溶解氧等几个方面[19]．

利用R语言技术进行降解系数与水温、pH值、溶解氧、流速的相关性分析结果如表2所示．得出KCOD与流速间的差异为非常显著；K氨氮与pH值、流速间的差异为非常显著；K总氮与水温、pH值、流速间的差异为非常显著；然而K总磷分别与这四种因素间的差异为不显著．

表2 降解系数与水温、pH值、溶解氧、流速的相关性

利用R语言技术进行多元线性回归分析如表3所示（其中X1、X2、X3、X4分别为水温、pH值、溶解氧、流速）．由于影响因子作用于湖泊水质，因此在单因子分析的基础上，进行多变量相关分析，寻找影响该湖泊水质降解系数变化的关键因子．

影响因子与KCOD、K氨氮、K总氮的多元线性回归模型都达到显著性水平(P<0.05)，其中KCOD、K氨氮、K总氮受四种因子影响较小(R2<0.5)，K总磷的多元线性回归模型未达到显著性水平(P>0.05)且受四种因子影响较小(R2<0.5)．KCOD、K氨氮、K总氮、K总磷都与水温、溶解氧正相关；KCOD、K总磷与pH值正相关，K氨氮、K总氮与pH值负相关；KCOD、K氨氮、K总氮与流速正相关，K总磷与流速负相关．

图4 Matlab的逐步回归分析图

从多元线性回归分析中已经得出降解系数与各影响因子间的相关关系，但需要进一步确定影响该湖泊水环境中有机污染物降解系数的最主要因子，进而利用Matlab的逐步回归分析如图4所示，最终建立逐步回归模型：YCOD=0.004 271 7+0.011 431 5X4；Y氨氮=0.000 550 999+0.031 574 4X4；Y总氮=0.006 101 53+0.020 721 9X4；总磷的相关分析未建立成方程．综上分析，流速是影响KCOD、K氨氮、K总氮的最主要因子，而K总磷的变化并不符合常规，未找出最主要的因子．

2.2.1 湖泊水温的影响

水温升高可以加速湖泊中有机污染物的分解、氧化反应、微生物的活性，有利于污染物的降解．结果显示：水温对有机污染物的降解系数影响较大，一般来说，北方水体夏季的降解系数要比冬季的降解系数高出1～2倍，这也是有些河流、湖泊枯水期水质恶化的一个重要原因．本文研究时间段为融冻期，水温变化从0∼12◦C递增，每次采样增幅仅有2∼4◦C．通过数据分析，KCOD、K氨氮、K总氮、K总磷都与水温正相关.

2.2.2 湖泊水体中pH值的影响

pH值是水质中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上水质酸碱程度的衡量标准．根据监测数据显示，该时间段内该水体中污染物pH值范围为8.12∼8.23，其变化并不明显．KCOD、K总磷与pH值正相关，K氨氮、K总氮与pH值负相关．

2.2.3 湖泊水体中溶解氧的影响

溶解氧值是研究水自净能力的一个指标．研究时段水体中的溶解氧范围8.01∼9.66 mg/L，进一步分析表明，KCOD、K氨氮、K总氮、K总磷与溶解氧浓度呈现正相关关系．

2.2.4 湖泊水文特征—流速的影响

湖泊水文特征包括流量、流速、湖宽、湖深、底泥等．由于研究的是融冻期的湖泊水质，因而流量、湖宽、湖深、底泥等对该降解系数的影响不大．根据现场监测数据，流速从0.1 m/s逐渐增长至0.8 m/s，并且通过数据分析，KCOD、K氨氮、K总氮与流速正相关，K总磷与流速负相关，降解系数会随着流速的增大而增加．

3 结论

（1）融冻期艾里克湖主要有机污染物降解系数变化较大．KCOD变化范围为0.000 92 d−1～0.019 70 d−1,K氨氮变化范围为0.000 58 d−1～0.037 19 d−1；K总氮变化范围为0.001 84 d−1～0.038 15 d−1；K总磷变化范围为0.00 059 d−1～0.073 85 d−1；

（2）融冻期艾里克湖主要有机污染物降解系数变化呈现两种模式：规律性模式与非规律性模式．KCOD、K氨氮在融冻期表现出较好的规律性；K总氮、K总磷变化规律不明显；

（3）融冻期艾里克湖主要有机污染物降解系数时间变化特征显著，空间变化未呈现较好的规律性；

（4）融冻期艾里克湖主要有机污染物降解系数变化影响因素分析表明：水温、溶解氧是主要影响因子，流速、pH值的影响有正负方向差异之分．

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