杨文焕， 尹强， 钟清涛， 王志超， 李卫平

(内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010)

乌梁素海位于内蒙古自治区河套灌区的边缘。 该流域是生活污水、农田灌溉排水和工业废水的排放区，也是污染物的储存场所。近年来，位于乌梁素海流域的河套灌区各排干的排水量也发生了显著变化。排干是湖区污染物输入的主要来源，因此，研究乌梁素海入湖排干污染物输入情况及湖区水质变化情况对乌梁素海水环境治理尤为重要[1]。

入湖污染负荷量是单位时间内通过入湖河道某一过水断面的污染物质量。不管是针对内陆水库、湖泊、海湾等水体，还是流域、省市边界等区域，估算河道污染负荷量，都可以为区域污染物总量控制、水环境保护提供技术支撑[2]。已有学者阐明并计算了乌梁素海总氮、总磷等污染物的入湖污染负荷量[3-4]，但缺少乌梁素海入湖污染负荷与湖体水质的相关性分析。本文基于乌梁素海水质的时空特征，从不同的时空尺度探究入湖污染负荷与湖区水质之间的响应关系，并分析污染物进入湖体后影响水质的主要因子，一方面可以检验乌梁素海的污染减排效果，另一方面可以确定影响乌梁素海水质的主要因素，并为改善水环境提供技术和决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌梁素海(40°36′N～41°03′N，108°43′E～108°57′E)位于内蒙古自治区巴彦淖尔市境内，是黄河改道而形成的河迹湖，是全球同纬度最大的湖泊[5]。乌梁素海地处荒漠化半荒漠化地区，流域内气候类型为半干旱季风气候，流域降水量小、蒸发量大，气温和降水量季节性变化特征显著，多年平均降雨量为224 mm，蒸发量为1 502 mm，全年无霜期为152 d，湖水每年11月初结冰，次年3月末4月初冰体消融解冻，冰厚0.3～0.6 m，冰封期约4个月[6-7]。湖体呈南北狭长(南北距离35～40 km)、东西束窄状(东西距离5～10 km)，面积为293 km2，蓄水量为2.5亿～3.0亿m3，水深1.2～3.4 m。

1.2 数据来源

水质监测及分析数据来源于乌梁素海2013—2019年常规水质指标的实测数据。在全湖共布设采样点10个，其中湖区采样点6个，周边排干采样点4个。在湖区设置6个点，分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；周边排干入湖口处设4个采样点，分别为Q1(总排干)、Q2(八排干)、Q3(九排干)、Q4(十排干)，采样点分布如图1所示。现场采集水下0.5～1.0 m深度水样2 000 mL，按照《地表水环境质量标准》[8]的要求，装入取样瓶中带回实验室，用于氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的测定，测定方法见表1。

图1 乌梁素海各监测点分布

表1 主要监测项目的测定方法

1.3 改进的归一化方法

常用的水质指标归一化方法不同程度地放大或缩小了水质指标的类别，特别是在较小的优型指标类别属于《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中规定的劣Ⅴ类水质时，常用的归一化方法将不再适用[9]。为了更好地达到水质监测值和水质分类标准之间的一致性，本文采用改进的归一化法：根据水质评价标准将数值划分为相等的区间(表2)，并使用线性插值计算介于两类标准之间的数值。效益型(越大越好)和成本型(越小越好)的指标归一化计算公式分别见式(1)和式(2)。本节中的归一化方法主要侧重于水质指标监测值的处理，因此，归一化后的数值并不仅限于[0,1]。

表2 水质监测值归一化标准

(1)

(2)

式中：Rij为效益型(越大越好)归一化值；Ri为成本型(越小越好)归一化值；xij为水质指标的原始监测数据；b1j、b2j、b3j、b4j、b5j分别为水质指标的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类相对应的水质标准值。

经过上述归一化后，可以通过效益型归一化值的大小来直观地反映水质状况，数值越大代表水质越好，数值越小代表水质越差。以Y1监测点为例，2013年4月4项指标的监测值和归一化值见表3。由表3可知，各指标水质好坏程度依次为：氨氮(NH3-N)>化学需氧量(COD)>总氮(TN)>总磷(TP)。

表3 Y1监测点2013年4月4项指标的监测值和归一化值

1.4 入湖污染负荷计算方法

入湖河流进行污染负荷计算时，以当月入湖河流巡测断面水量作为月入湖水量；若入湖河流没有逐月水量巡测资料，则选择其与相应巡测段内基点站的年水量分配比重作为权重进行计算。水质资料选取入湖河流相应断面逐月污染因子浓度。各入湖河流历年来监测断面位置略有调整，均采用实测水质资料进行分析，未进行修正(区域或总体入湖污染负荷均以入湖水量为权重对入湖河流污染因子浓度进行空间和时间上的累加，如果该巡测段(站)无入湖水量则其污染负荷量为零)。出入湖水量按照区域划分进行计算与分析，污染负荷量的统计按照乌梁素海排干来划分[10]。

1.5 数据处理方法

水质指标采用Excel 2010软件计算出10个采样点监测数据每年的数学平均值，对多个水质评价指标进行分析，各个指标之间存在一定程度的相关性，每一个指标在某一方面都能反映水质的情况。采用SPSS Statistics 23软件标准化处理入湖污染物负荷和湖区水质数据，并进行相关性分析，图像采用 OriginPro 2017 软件绘制[11]。

2 结果与分析

2.1 乌梁素海污染因子质量浓度分布状况

2.1.1 乌梁素海氨氮(NH3-N)质量浓度分布状况

氨氮(NH3-N)作为水体中的营养素，是水体中的主要耗氧污染物，可导致水体富营养化[12]。乌梁素海氨氮(NH3-N)质量浓度分布状况如图2所示。由图2可知：乌梁素海水体氨氮(NH3-N)质量浓度年均值为0.69 mg/L，2015年氨氮(NH3-N)质量浓度为研究期间最高值，平均质量浓度达到1.17 mg/L；2019年氨氮(NH3-N)质量浓度为研究期间最低值，平均质量浓度为0.09 mg/L。2013—2019年间乌梁素海水体氨氮(NH3-N)质量浓度均值呈明显下降趋势，其中2018—2019年氨氮(NH3-N)质量浓度均值变化最为明显，下降率为77.6%。

图2 乌梁素海氨氮(NH3-N)质量浓度分布状况

2.1.2 乌梁素海总氮(TN)质量浓度分布状况

总氮(TN)是衡量水体富营养化的指标之一。作为河套灌区生活污水的承泄地，乌梁素海每年接纳的大量生活污水是其总氮(TN)的主要来源[13]。2013—2019年，乌梁素海总氮(TN)质量浓度分布状况如图3所示。

图3 乌梁素海总氮(TN)质量浓度分布状况

由图3可知：2013—2019年间，乌梁素海总氮(TN)质量浓度变化范围为0.84～2.78 mg/L，平均值为2.13 mg/L；2014年总氮(TN)质量浓度最高，平均值为2.32 mg/L；2019年总氮(TN)质量浓度最低，平均值为1.20 mg/L；乌梁素海总氮(TN)质量浓度整体呈现下降的趋势。由图3还可以发现：Y1点总氮(TN)质量浓度自2013—2014年下降之后，变化趋于稳定；其余采样点的总氮(TN)质量浓度在2013—2019年有明显波动，其中在2018—2019年间下降较为明显。

2.1.3 乌梁素海总磷(TP)质量浓度分布状况

总磷(TP)是造成水体富营养化的重要指标，同时也是导致水体营养化污染的限制因素[14]。2013—2019年，乌梁素海总磷(TP)质量浓度分布状况如图4所示。由图4可知：2013—2019年，乌梁素海总磷(TP)年均质量浓度为0.14 mg/L；2013年总磷(TP)质量浓度最高，平均质量浓度达到0.19 mg/L；2013—2019年总磷(TP)质量浓度总体呈明显下降趋势，2019年总磷(TP)质量浓度较2013年的下降65.4%；从各监测点看，Y1点总磷(TP)质量浓度年均值最高，Y5点总磷(TP)质量浓度年均值最低。

图4 乌梁素海总磷(TP)质量浓度分布状况

2.1.4 乌梁素海化学需氧量(COD)质量浓度分布状况

化学需氧量(COD)质量浓度常被用来表征地表水所受有机污染的程度。化学需氧量(COD)质量浓度过高，会导致溶解氧(DO) 质量浓度大幅下降，对水生动植物产生不利影响[15]。乌梁素海的化学需氧量(COD)主要来自于工厂废水的排放[16]。2013—2019年，乌梁素海化学需氧量(COD)质量浓度分布状况如图5所示。由图5可知：2013—2019年间，乌梁素海水体化学需氧量(COD)最高质量浓度为31.34 mg/L，化学需氧量(COD)最低质量浓度为22.00 mg/L，平均值为27.02 mg/L，低于地表水环境质量标准中Ⅲ类标准的限值，为Ⅳ类水；由于截污减排的有效实施，乌梁素海化学需氧量(COD)平均质量浓度由2013年的30.92 mg /L下降到2019年的25.50 mg/L，研究期间化学需氧量(COD)质量浓度下降了17.5%；从各监测点看，采样点Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6的化学需氧量(COD)质量浓度起伏较明显，但总体呈下降趋势。

图5 乌梁素海化学需氧量(COD)质量浓度分布状况

2.2 入湖排干水质变化

根据乌梁素海主要入湖排干河口的监测数据可以发现:乌梁素海主要入湖河流(总排干、八排干、九排干、十排干) 的氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)和化学需氧量(COD)浓度均呈现显著的下降趋势，下降幅度均超过30%[17]。总排干作为乌梁素海最大的入湖水量来源，虽然在2016年部分月份出现水质下降情况，但总体上水质下降并不明显，因此总排干对全湖水质变化的影响有限[18]。

2.2.1 入湖排干氨氮(NH3-N)质量浓度分布状况

图6为2013—2019年乌梁素海入湖河流氨氮(NH3-N)质量浓度分布状况。

图6 入湖河流氨氮(NH3-N)质量浓度分布状况势

由图6可知：2013—2019年，乌梁素海4条主要入湖排干的氨氮(NH3-N)质量浓度变化范围为0.10～1.23 mg/L，年均值为0.53 mg/L；除总排干在2016年达到质量浓度峰值外，其余3条排干全年氨氮(NH3-N)质量浓度均低于Ⅲ类标准限值(1.0 mg/L)；总排干的氨氮(NH3-N)质量浓度明显高于其他入湖河流的，其中2015年总排干的氨氮(NH3-N)质量浓度较2013年上升了37.4%，2019年总排干的氨氮(NH3-N)质量浓度较2015年下降了44.6%；八排干2015年氨氮(NH3-N)质量浓度较2013年上升37.5%，2019年氨氮(NH3-N)质量浓度较2015年下降60%；九排干的氨氮(NH3-N)质量浓度下降趋势最为明显，2019年的较2013年的下降77.8%；而十排干的氨氮(NH3-N)质量浓度变化较平稳，但总体呈下降趋势。

2.2.2 入湖排干总氮(TN)质量浓度分布状况

图7为2013—2019年乌梁素海入湖河流总氮(TN)质量浓度分布状况。由图7可知：乌梁素海4条主要入湖排干总氮(TN)质量浓度年度变化范围为1.10～5.65 mg/L，年均值为2.54 mg/L，总体呈逐年下降趋势；4条主要入湖排干2019年总氮(TN)的年均质量浓度较2013年的分别下降了77.9%、60%、43.8%、59.3%；从数据上看，4条主要入湖排干的总氮(TN)质量浓度年度均值均高于Ⅴ类标准限值(2 mg/L)，其中Q1总氮(TN)质量浓度明显高于其余3条排干的，具体表现为总排干(3.57 mg/L)>九排干(2.39 mg/L)>八排干(2.17 mg/L)>十排干(2.04 mg/L)。

图7 入湖河流总氮(TN)质量浓度分布状况

2.2.3 入湖排干总磷(TP)质量浓度分布状况

图8为2013—2019年乌梁素海入湖河流总磷(TP)质量浓度分布状况。由图8可知：乌梁素海4条主要入湖排干的总磷(TP)质量浓度变化范围为0.08～2.67 mg/L，年均值为 0.30 mg/L；其中总排干年均总磷(TP)质量浓度为0.53 mg/L，高于Ⅴ类标准限值(0.2 mg/L)，而其他3条入湖排干的总磷(TP)质量浓度均低于Ⅴ类标准限值(0.2 mg/L)；2013—2019年，总排干的总磷(TP)质量浓度呈明显的下降趋势，2019年较2013年下降了75.9%；八排干的总磷(TP)质量浓度总体呈现下降趋势，2016—2017年有所上升，但上升幅度较小，2019年较2013年下降90%；九排干、十排干的总磷(TP)质量浓度在2013—2019年有所起伏，但总体呈现下降趋势，分别下降66.7%和50%。

图8 入湖河流总磷(TP)质量浓度分布状况

2.2.4 入湖排干化学需氧量(COD)质量浓度分布状况

图9为2013—2019年乌梁素海入湖河流化学需氧量(COD)质量浓度分布状况。由图9可知：乌梁素海4条主要入湖排干的化学需氧量(COD)质量浓度变化范围为16.59～109.00 mg/L，年均值为49.34 mg/L，总体呈下降趋势；不同排干的化学需氧量(COD)质量浓度不同，十排干化学需氧量(COD)的年均质量浓度(96.57 mg/L)最高，其次是九排干(39.53 mg/L)、八排干(31.90 mg/L)和总排干(25.34 mg/L)。

图9 入湖河流化学需氧量(COD)质量浓度分布状况

2.3 乌梁素海入湖污染负荷分析

对2013—2019年主要排干的氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)入湖污染负荷变化情况进行分析，不同指标变化情况各不相同，如图10所示。

图10 乌梁素海入湖污染负荷

由图10可知，乌梁素海水质各项指标入湖污染负荷均呈现出不同程度的下降趋势。根据入湖河道水质和水文巡测流量数据[19]，计算乌梁素海入湖排干的氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)总入湖量，2013—2019年乌梁素海入湖排干的氨氮(NH3-N)总入湖量年均值为0.057万t，总氮(TN)总入湖量年均值为0.26万t，总磷(TP)总入湖量年均值为0.039万t，均呈明显的下降趋势；2013—2019年乌梁素海入湖排干的化学需氧量(COD)总入湖量年均值为2.11万t，在2013—2015年有起伏但总体呈下降趋势[20]。

3 讨论

3.1 入湖污染负荷与湖区水质的时空变化响应关系

乌梁素海湖体氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的质量浓度自2013年以来呈现逐渐降低的变化趋势，年均减少率分别为12.7%、8.9%、10.9%; 氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)入湖污染负荷也呈下降趋势，年均减少率分别为11.5%、10.5%、12.1%。在空间格局上，Y1、Y2采样点所在区域为高值区域，氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的质量浓度年均值分别为0.74、2.22、0.15 mg/L；Y1、Y2采样点所在区域对应排干Q1(总排干)的氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)入湖污染负荷最大，年均值分别为0.053×104、0.23×104、0.035×104t。湖区氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)入湖污染负荷整体均呈下降趋势，空间响应特征基本一致[21]。

乌梁素海湖体化学需氧量(COD)质量浓度自2013年以来整体呈下降趋势，年均下降率为2.5%；COD入湖污染负荷在2013年出现峰值，为1.89×104t，高于其他年份均值的21.8%。在空间格局上，Y6采样点所在区域为高值区，所对应的十排干化学需氧量(COD)入湖污染负荷年均值为0．096×104t，相比其他湖区的高，湖区化学需氧量(COD)质量浓度与入湖化学需氧量(COD)污染负荷的空间格局基本一致[22]。

3.2 入湖污染负荷与湖区水质的相关性分析

采用SPSS Statistics 23软件将排干入湖污染负荷和湖区水质进行标准化处理，并采用 OriginPro 2017软件进行相关性分析，结果如图11所示。

图11 2013—2019年乌梁素海入湖污染负荷与湖区污染因子质量浓度的关系

由图11 可知：在年尺度上，乌梁素海湖区氨氮(NH3-N)质量浓度与氨氮(NH3-N)入湖污染负荷呈极显著正相关(P<0.01)，总氮(TN)质量浓度与总氮(TN)入湖污染负荷呈极显著正相关(P<0.01)，总磷(TP)质量浓度与总磷(TP)入湖污染负荷呈极显著正相关(P<0.01)，化学需氧量(COD)质量浓度与化学需氧量(COD)入湖污染负荷呈显著正相关(P<0.05)。

该结果还表明：排干氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的外源输入为湖体营养盐的主要来源，而且湖区与排干的氨氮(NH3-N)质量浓度的比值为1.3，由此分析，湖区内源污染对湖区氨氮(NH3-N)质量浓度存在一定的影响；排干的总氮(TN)和总磷(TP)质量浓度与湖区的比值分别为2.1和1.7，排干与湖区质量浓度差异较大，因此，削减入湖排干氮磷污染负荷对控制乌梁素海氮磷具有重要意义；另外，排干总磷(TP)质量浓度与湖区总磷(TP)质量浓度比值为1.7，差异较总氮(TN)在排干、湖泊的比值小，可能影响湖区总磷(TP)质量浓度对排干总磷(TP)输入的响应；总磷(TP)入湖污染负荷与湖区总磷(TP)质量浓度空间格局也基本一致，总磷(TP)入湖污染负荷也需加以控制。化学需氧量(COD)可以有效地反映水体有机污染的程度。化学需氧量(COD)入湖污染负荷与湖体化学需氧量(COD)质量浓度正相关性显著，另外入湖排干化学需氧量(COD)质量浓度与湖区的比值为1.8，入湖排干水质与湖区水质的差异较大。因此，削减入湖排干化学需氧量(COD)质量浓度对控制乌梁素海化学需氧量(COD)具有重要作用。

3.3 乌梁素海生态环境污染治理和防控建议

乌梁素海湖体的污染因子来源包括外源和内源。外源形式较多，其中入湖排干径流输入是外源的最大组成部分；内源主要来源于底泥的释放、死亡的生物体分解[23]。污染因子由外源进入湖泊后，滞留在湖水中[24]。综上所述，提出以下对于乌梁素海生态环境污染治理和防控的建议。

1)持续做好乌梁素海生态修复工作。实施排干入湖污染负荷与内源污染控制，加大湖滨带保护与修复力度，确保湖区水质污染程度减轻，综合营养指数有所降低，水质得到改善[25]。传统观点认为，磷是湖泊水体生产力的主要限制因子，我国自对湖泊实行禁磷政策以来，磷污染程度有所下降，对乌梁素海富营养化进一步恶化起到延缓的作用[26]。但近些年的研究表明，乌梁素海生态环境受到氮、磷的共同限制，夏、秋季以氮限制为主，冬、春季以磷限制为主。从流域输入上可以看出，湖泊水体中夏、秋季内源磷负荷较大，加上氮的反硝化作用，使得水体也受到内源氮负荷影响。因此，氮、磷内外源控制对减轻乌梁素海生态系统的污染具有重要的意义[27-28]。

2)统筹规划乌梁素海源头及排干污染治理工作。结合水质空间分布模式可以看出，总排干和十排干污染相对较重，八排干和九排干污染相对较轻。来自河套灌区的工业污水、农村生活污水和农田退水最终流入总排水渠[29]，然后由总排干将其排入乌梁素海，而总排干的排水总量占乌梁素海入湖水量的70%以上，4条排干历年入湖水量占乌梁素海河流入湖总水量的95%以上，总排干的入湖水量是其余3条入湖河流的数倍甚至更多。因此，总排干污染物负荷量的高低对乌梁素海的水质状况有着重要影响。研究期间，氨氮(NH3-N)、总氮( TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)等水质指标有明显的下降趋势，外源污染的削减是入湖污染物负荷量降低的主要原因[30]。各排干流入乌梁素海的水量是乌梁素海的主要水源之一。自2013年以来，乌梁素海已实施了生态补水项目，由于各种条件限制，生态补水量并不显著。 而降雨量和蒸发量没有明显变化，从水量平衡的角度来看，进入湖泊水量的显著增加可以置换乌梁素海水体的原始水域，新水域所携带的污染负荷要低于原始水域的，使乌梁素海的水质得到改善。因此，补水工程的实施至关重要[31-32]。

3)加强乌梁素海生态环境管理及产业链综合利用。通过生态补水、控源截污、修复治理，维持乌梁素海现状水面，使排干入湖水质达到IV类，乌梁素海向黄河退水达到Ⅲ类水质要求，使得富营养化程度明显降低，沼泽化进程得到遏制，达到抢救的目的。应恢复乌梁素海良性生态系统，充分发挥乌梁素海生态屏障作用，保障退入黄河的水质安全。进一步加强相关项目各类资金的协调使用，加强产业链各环节、各链条的实施主体、利益主体的优化对接，发挥系统整体的长远效益。加大科技投入力度，包括节水灌溉、肥料使用、种养殖产业链延伸等。鼓励科技创新资金及人才的投入，推动产业链经济课题研究和成果运用，优化资源配置，探索防污治污产业链价值开发和综合利用，为乌梁素海生态环境综合治理和区域可持续发展增添不竭动力[33-34]。

4 结论

1)2013—2019年乌梁素海湖区氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)质量浓度呈下降趋势，年均下降率分别为12.7%、8.9%、10.9%和2.5%，乌梁素海截污减排已见成效，湖体氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)响应较好。此外，受水量影响，入湖污染负荷在2013年和2019年分别位于高值和低值。

2)乌梁素海入湖口水质基本稳定，各入湖口主要污染物指标均可达到Ⅴ类标准，水质恶化趋势得到初步控制。乌梁素海排干污染因子的质量浓度为影响乌梁素海水体水质的主控因素，还需加强入湖排干水质浓度的控制。不同排干污染物因子对入湖污染负荷影响的权重由大到小排序依次为总排干、八排干、九排干、十排干，所以对总排干的污染治理是乌梁素海生态环境治理的关键所在。

3)相关性分析结果表明：乌梁素海湖区氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的质量浓度与入湖污染负荷均呈极显著正相关关系;化学需氧量(COD)质量浓度与入湖污染负荷呈显著正相关关系。多元逐步回归结果表明，影响湖区氨氮(TN)、总氮(NH3-N)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)的主要因素为排干入湖污染负荷。因此，还需加强排干入湖污染负荷的控制。