新疆开都河流域水环境特征研究

2021-11-24吾甫尔托乎提巴雅尔图张建平胡洋邵克强高光汤祥明

环境工程技术学报 2021年6期

吾甫尔·托乎提，赛·巴雅尔图，张建平，胡洋，邵克强，高光，汤祥明*

1.新疆巴音郭楞蒙古自治州生态环境局2.湖泊与环境国家重点实验室，中国科学院南京地理与湖泊研究所

水是生命的源泉，是动植物赖以生存的基础。干旱地区淡水资源的多少及水质的好坏对区域社会经济的可持续发展尤为重要。我国干旱区集中分布在蒙新高原[1]，其面积达2.5×106km2，占国土面积的26%。河流与湖泊是干旱区水分循环不可缺失的组成部分，并对干旱区的生态与环境变化有着重大影响。我国干旱区的湖泊主要分布在新疆境内，其中博斯腾湖(简称博湖)是新疆最大的湖泊，它不仅为巴音郭楞蒙古自治州工农业发展提供了宝贵的淡水资源，而且对下游塔里木河流域生态环境保护与可持续发展具有重要意义[2]。

博湖曾是我国内陆地区最大的淡水湖，建国初期水体矿化度(TDS)约0.4 g/L。自20世纪60年代以来，大规模农业开发活动、气候环境的变迁以及水资源的过度开发利用等，导致博湖生态环境急剧恶化，尤其是湖水TDS升高，严重影响了流域生态系统的稳定性和生态服务功能[3]。20世纪70年代末期，博湖平均TDS已超过1.6 g/L，博湖从淡水湖演变为微咸水湖。自20世纪80年代末期以来，新疆地区暖湿化趋势明显[4]。关于博湖流域水资源利用[5]、土地利用变化[6]及其生态服务价值[7],博湖水位与面积[8]、水质[9]、水盐平衡及其生态输水对塔里木河下游生态环境的影响[10]等方面的研究已有大量报道，然而，目前仍缺乏从全流域尺度对博湖及其主要入湖河流水环境的综合研究。笔者通过对2014—2015年博湖及其主要入湖河流——开都河支流及干流水环境的综合调查，分析流域主要水质参数的月度变化特征，比较河湖主要理化参数的差异，阐明博湖主要水质参数的空间分异规律，并探讨造成水环境时空差异的主要原因，以期为流域水环境长期变化趋势研究提供基础数据，为新时期流域生态环境问题诊断及治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

开都河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，北倚天山山脉，南临塔里木盆地，地势西北高、东南低。地貌分区属于天山大区，包括天山山地、尤勒都斯盆地和焉耆盆地3个小区。该区长320 km，平均宽137 km，面积为4.39×104km2，包括和静、和硕、焉耆、博湖4个县[11]。开都河流域地理位置及主要河流与湖泊见图1。

图1 开都河流域位置及采样点分布Fig.1 Location of River Kaidu Catchment and the sampling sites in research area

大小尤勒都斯盆地在开都河上游，海拔为 2 400～2 700 m，年降水量约250～500 mm。盆地周边山麓海拔为 4 800 m以上，分布有冰川(面积474 km2)，夏季冰川融水通过多条支流补给开都河(图1)。多年平均冰川融水量约5.14×108m3，占年出山径流的15.2%[4]。盆地内部发育了大面积的草墩沼泽，水草丰茂，是良好的牧场，盆地中的沼泽地是我国著名的巴音布鲁克天鹅保护区。

焉耆盆地是位于中天山的博尔托乌拉山与南天山的库鲁克塔格之间的中生代断陷盆地，介于85°50′E～88°00′E和42°23′N～40°40′N之间[12]，年降水量仅60～70 mm。焉耆盆地是一个半封闭的山间盆地，东西长近160 km，南北最大宽度约60～90 km，面积约5.52 ×104km2。盆地地形北高南低，地势由西北向东南倾斜，地面高程为 1 031～1 200 m，最低处为博湖。博湖作为焉耆盆地地表水与地下水的承泄区，主要由开都河、黄水沟、清水河等10余条小河汇集流入[13]。发源于中天山的开都河全长约560 km，多年平均径流量约35.6×108m3(1955—2019年)，占博湖流域总径流量的85%以上，是唯一能常年补给博湖的河流。博湖可分为大湖区和小湖区2个部分。1983年前，博湖大湖区出流为自然出流，经小湖区至达吾提闸入孔雀河。1983年以后人为隔断了湖水与孔雀河之间的天然水路，出湖水量完全由扬水泵站调控。博湖东西长约55 km，南北平均宽度约20 km，平均水深为7.38 m，最大水深为16 m[3]。在水位高程为 1 047 m时，湖面面积约 1 064 km2。博湖西南角小湖区总面积约300 km2，是个芦苇密布的湿地，其中有十几个小湖，湖泊面积约60 km2。

1.2 采样点布设与样品采集

在开都河支流共设置了15个采样点(海拔为 2 400～2 950 m)，在开都河及黄水沟干流设置了12个采样点(海拔为 1 110～2 490 m)，在博湖设置了17个采样点(海拔约 1 045 m，图1)。因11月—次年5月开都河上游尤勒都斯盆地基本上被冰雪覆盖，故分别于2014年6—10月中下旬及2015年6—9月上旬，用采水器采集开都河流域内各采样点表层水样5 L，置于预先洗净的塑料桶中，进行营养盐浓度分析。由于9—10月部分支流断流，最终采集的支流、干流和湖泊水样样品分别为129、108和153份。

1.3 检测分析

采样点水体的pH、水温、浊度和TDS用多参数水质测定仪(YSI 6600V2)现场测量。高锰酸盐指数(CODMn)以及总氮(total nitrogen, TN)、总磷(total phosphorus, TP)和叶绿素a(chlorophyll a, Chla)浓度的分析按照《水和废水监测分析方法》[14]进行。水质评价参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》。

用WPS Office 2019软件对数据进行初步整理，再用R 3.6.3软件平台的ggplot包、ggstatsplot包及tidyverse包等，对不同类型样品的水质参数进行差异显著性分析和作图。显著性检验采用非参数Kruskal-Wallis秩和检验，多重检验中的P采用Holm-Bonferroni校正[15]。水质参数的Spearman相关性检验使用performance analytics包进行分析和作图。利用ArcMap 10.5的反距离权重法，进行博湖主要水质参数空间分布特征的插值分析作图。

2 结果与讨论

2.1 开都河流域主要水质参数的月度变化特征

开都河流域不同水体理化参数月度变化趋势如图2所示。由图2可知，支流、干流和博湖水体pH绝大多数在8.0以上，为偏碱性水体，月度变化没有明显规律。水温在夏季(7—8月)达到最高值，2014年7月支流和干流水温偏低的原因是采样期间上游巴音布鲁克遭遇了降温和降水天气过程。6—8月支流和干流水体的浊度及其变化范围均明显高于其他月份，主要原因是6—8月为巴音布鲁克雨季，降水及冰川融水的增加，以及由于过度放牧导致的草场退化[16-17]，使部分支流周边的土壤侵蚀增加，水体浊度最高可达560 NTU。支流和干流水体的矿化度月度变化不大，基本上在0.3 g/L以下，但博湖各月矿化度的均值都大于1 g/L，达到微咸水标准。由于博湖部分采样点位于开都河入湖河口处，受开都河入湖淡水水量的影响较大，2014年7月及2015年6月博湖矿化度的变化范围明显高于其他月份，可能与这2次采样时上游降水导致开都河入湖淡水水量增加，距离河口近的采样点矿化度被稀释有关。

图2 开都河流域不同水体理化参数月度变化趋势Fig.2 Monthly trend of physicochemical parameters in different water bodies in River Kaidu Catchment

开都河流域支流、干流和博湖水体TN浓度各月份波动不大，但2014年支流和干流TN浓度明显低于2015年，而2014年博湖TN浓度却明显高于2015年。其原因可能与这2个年份的降水量有关。巴音布鲁克气象站资料表明，2015年开都河上游降水量为303 mm，明显高于2014年的229 mm[18]。降水量增加可导致巴音布鲁克草原更多的氮素随雨水流入开都河支流，并汇入干流，但由于开都河TN浓度低于博湖，加之稀释作用，博湖TN浓度从2014年的0.93 mg/L降至2015年的0.82 mg/L。CODMn也有类似的规律。支流和干流TP浓度的高值一般出现在7—8月，且变化幅度明显高于博湖。Chla浓度的月度变化规律不明显，支流和干流一般在5.0 μg/L以下，博湖Chla浓度的高值出现在2015年7月，均值达到11.0 μg/L。

2.2 开都河流域不同水体理化参数总体差异

比较开都河流域支流、干流和博湖所有月份水体理化参数的总体差异，结果如图3所示。由图3可知，博湖pH均值为8.68，显著高于干流(8.44)和支流(8.31)。由于博湖位于开都河流域最低处，其海拔比上流支流低 1 355～1 905 m，而干流采样点大多位于上游(海拔在2 000 m以上)，因此博湖采样时平均水温为21.9 ℃，显著高于干流(12.9 ℃)和支流(9.5 ℃)。

图3 开都河流域不同水体理化参数总体差异比较Fig.3 Comparisons of physicochemical parameters in different water bodies in River Kaidu Catchment

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中含有的泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物都可以使水质变得浑浊而呈现一定浊度。浊度是反映水质的1项重要表观指标，仪器显示的浊度是散射浊度。博湖水体的浊度较低，均值只有1.8 NTU，显著低于支流(51.6 NTU)和干流(38.7 NTU)。开都河支流和干流水体流速较大，水体中泥沙含量较高，导致浊度较大。而开都河流入大湖区前经博湖县的宝浪苏木分水闸拦截后泥沙含量有所下降，流入博湖后在河口区快速沉降，因此博湖除河口区外，大部分地区水体浊度低，透明度的均值可达2 m左右[8]。

矿化度又称为溶解性总固体浓度，用来衡量水中所有离子的总含量。博湖平均矿化度为1.62 g/L，是开都河支流和干流的7倍左右。由于博湖位于焉耆盆地的最低处，且自1983年以来就没有自然出流，仅靠位于博湖西南角的扬水站泵水出湖，且每年出湖水量仅10×108m3左右，只有博湖容积的14%。因此，在焉耆盆地近50年来农田面积持续增长的背景下，高盐农田排放污水持续输入[19]，导致博湖水体矿化度由20世纪60年代的0.4 g/L增长了3倍多，博湖也由我国最大的内陆淡水湖演化为微咸水湖[20]。

博湖水体TN浓度和CODMn显著高于开都河支流及干流水体(图3)。监测结果表明，博湖TN浓度的均值为0.88 mg/L，约为干流和支流的1.5～2.0倍。CODMn用于反映水中受还原性物质污染的程度。监测结果表明，博湖CODMn的均值为5.34 mg/L，为GB 3838—2002 Ⅱ类～Ⅲ类水质，而其上游支流和干流CODMn的均值均小于3 mg/L，为GB 3838—2002的Ⅰ类～Ⅱ类水质，表明上游支流和干流水体中还原性物质的污染程度较低。博湖TP浓度均值为0.07 mg/L，为GB 3838—2002的Ⅲ类～Ⅳ类水质，显著低于干流(0.11 mg/L)，但与支流(0.08 mg/L)差异不显著。博湖Chla浓度均值为5.34 μg/L，远低于富营养化湖泊太湖年均值(20～50 μg/L)[21]。

开都河流域理化参数的相关性分析结果见图4。由图4可知，Chla浓度与水温、TN浓度及CODMn呈显著正相关，反映了藻类生长与温度及营养盐的关系。虽然Chla与TDS也呈显著正相关，但没有充分证据说明二者之间的因果关系，更合理的解释可能是开都河流域上下游水温与营养盐浓度和TDS的变化趋势相似导致的结果。此外，没有发现TN和TP有显著的相关性，这可能是由于相对于博湖，支流与干流TN浓度较低而TP浓度较高的这种不同空间分布特征造成的(图3)。博湖水体较低的TP浓度(0.07 mg/L)接近于限制藻类生长TP浓度阈值(0.05 mg/L)[22]，再加上较低的年均水温，可能是导致其Chla浓度远低于长江中下游富营养化湖泊的主要原因。

注： *表示P<0.05(双侧)；** 表示P<0.01(双侧)；*** 表示P<0.001(双侧)。图4 开都河流域水体理化参数的相关矩阵Fig.4 Correlation matrix among the physicochemical parameters in River Kaidu Catchment

2.3 博湖主要水质参数空间分布特征

利用博湖不同区域采样点各水质系数在所有采样时间的均值，进行了博湖主要水质参数空间分布的插值分析，结果见图5。从图5可以看出，博湖TDS与TN、TP浓度及CODMn的高值均出现在西北角的黄水沟水域以及西部芦苇湿地附近的水域。开都河入湖河口水域TDS与TP浓度及CODMn明显低于其他水域。博湖TDS的空间分布格局与文献报道[20]一致。

图5 博湖主要水质参数空间分布Fig.5 Special distribution of the main water quality parameters in Lake Bosten

农业面源污染是博湖的主要污染源[23-24]。20世纪50年代以来，焉耆盆地进行了大规模的水土开发，农田灌溉面积由1958年的3.24万hm2增至2002年的9.99万hm2[25]，2019年农作物播种面积已达12.84万hm2。随着流域耕地面积的持续增长，农田开垦及农业生产过程中产生的大量高盐污水及氮、磷污染物通过博湖西北部的33条农业排渠流入博湖大小湖区。据统计，农业面源污染产生的入湖TN、TP和COD的总量可分别达到5.86万、1.55万和10.6万t/a，农业排渠入湖盐量占入湖总盐量的48%[26]。因此，合理控制耕地面积及农业面源污染物的排放，以及对博湖西北角黄水沟至西部湿地农业排渠污水进行治理，对改善博湖水质具有重要意义。