东居延海水质时空变异及影响因素研究

高 喆，范正军，畅祥生，赵 沛，董国涛

（黑河水资源与生态保护研究中心，甘肃兰州730030）

东居延海作为黑河下游绿洲生态系统重要的支撑点，其水质是绿洲生态系统稳定性的重要指标和影响因素［1］。东居延海的存在对额济纳旗生态环境具有重大意义，其水质受诸多因素影响，如地貌、气候、植被和人类活动等［2-3］，地表水环境因子在时空分布上存在较大差异性［4-5］。目前，国内外关于水环境质量评价的方法有很多，常用的主要有单因子评价法［6］、主成分分析法［7］、灰色关联法［8］、神经网络法［9］、综合水质标识指数法［10-11］等。国内很多学者对黑河水质进行过研究，鲍广强等［12］采用综合营养状态指数法和BP神经网络对黑河流域富营养化进行了综合评价，结果表明东居延海处于重度富营养化状态，总氮指数很高；杨永宇等［13］采用灰色关联法和BP神经网络法对黑河流域的水质状况进行了综合评价，认为BP神经网络法的评价结果更符合黑河实际；伍冠星［5］研究认为东居延海水质较差的原因是其地处河流末端，污染物富集，自我修复能力差。目前对于东居延海水质时空分布状况的研究较少，笔者对其时空分布进行评价分析，以期为东居延海水生态环境的优化管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东居延海位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗，地理坐标为北纬 42°10′—42°20′、 东经 101°12′—101°19′［14］，是中国西北地区第二大内陆河黑河的尾闾湖泊。额济纳旗属于大陆性干旱气候区［15］，光热充足，降水稀少，蒸发强烈，多年平均气温为9.1℃，多年平均降水量仅为34.5 mm［16］，多年平均水面蒸发量为1 444 mm［17］。历史上东居延海是一片水草丰美的戈壁绿洲，素有“大漠明珠”的美誉，自20世纪50年代以来，随着黑河流域经济社会的快速发展，沿河地区工农业用水激增，下游入湖水量锐减甚至断流，湖泊不断萎缩，树木凋亡、草地退化、绿洲面积减小等生态环境问题出现，东居延海在1992年彻底干涸，成为我国西北地区主要的沙尘暴起源地之一。为遏制黑河下游生态环境进一步恶化，国家于2000年紧急启动了黑河干流水量跨省（区）调度，于2002年7月将黑河水调入干涸10 a之久的东居延海。

1.2 水样采集和测定

沿东居延海东西方向和南北方向共设10个取样点，于2012—2017年不定期采集水样，带回实验室分析pH值、电导率（EC）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量 （BOD5）、总磷（TP）、氟化物（F-）、砷（As）、汞（Hg）以及六价铬（Cr6+）等重金属离子，此外还分析了粪大肠菌群（Fc）、氨氮（）等污染物。其中：pH值表征水体酸碱度，电导率则主要受水体中盐分含量影响；水体自净需要大量氧，因此自净能力一般用溶解氧表示，而生物和化学降解能力分别用BOD5、COD指示；地下水受矿物淋滤影响含氟量较地表水高，因此水体中氟化物含量用来表征地表水—地下水交换强度；总磷、砷、汞在自然界含量较少，工业欠发达地区自然水体中磷、砷、汞一般来源于农药、化肥等，因此通常用于表征农业污染；铬在畜牧业集中区的废水排放中较为常见，而粪大肠杆菌、氨氮受畜牧养殖影响较大，因此其含量用于评价畜牧业对水体水质的影响；此外，氨氮、粪大肠杆菌、磷、砷等在生活废水排放中含量较高，因此同时用来表征居民生活对水质的影响程度。

水样采集运送严格执行《水环境监测规范》（SL 219—2013），分析方法及执行标准见表1。

表1 监测指标分析方法及执行标准

1.3 水质空间分布数据与方法

为了对比研究东居延海历史与现状水质空间分布差异，参考刘亚传［18］1985年的研究结果，与2016年实际监测的水质数据进行对比分析。湖泊水体分布范围通过Landsat TM遥感影像解译获得，1985年水质空间分布由遥感影像与文献资料中的水质分布图通过地理信息校准耦合，2016年水质分布图直接通过监测点观测数据空间插值获得。

2 结果与分析

2.1 东居延海水质指标相关性分析

东居延海湖水主要由黑河干流汇入补给，黑河水水质主要受地下水、生活用水以及农牧用水影响。黑河水汇入东居延海后经过长时间的物理、化学、生物反应，水质发生了演变。本文选取主要的水质影响因子作为评价指标，对各项指标进行相关性分析，结果见表2。pH值和电导率与重金属、矿物盐类、化学需氧量相关性较好，说明东居延海酸碱度和矿化度主要受无机盐类重金属影响。水体中无机物在主要化学反应下发生迁移，因此化学需氧量与总磷、砷、汞、铬之间的相关性较强；相应地，水体中无机物经过生化反应发生降解，因此生化需氧量与粪大肠杆菌、氨氮含量相关性较强。总磷、砷、汞、铬之间具有较好的相关关系，正相关说明它们可能具有相同的来源，负相关说明物质之间可能进行了化学反应。总体而言，水体pH值和电导率与其他水质指标相关性较强，可以用来表征总体水质情况；无机物离子和化学需氧量可以代表无机物水平；粪大肠杆菌、氨氮和BOD5可以代表水体生物和其他有机物水平；而氟化物受其他因素影响较小，可以用来表征地下水对湖水水质的影响。

2.2 东居延海水质随时间的变化

东居延海水体的化学特性表现出较强的时间变异性（见图1），其中：pH值变幅为8.7～9.9，呈弱碱性；电导率相对较高，其年际变化趋势与pH值较为相似，均在2013年达到最大（11.58 mS/cm）；溶解氧量含量在4.5～7.5 mg/L之间；BOD5、COD总体上呈上升趋势；氟化物在2015年的含量最高（635 μg/L）；总磷、汞的含量均在2013年达到最高，之后呈降低趋势，在2017年达到最低；铬等金属离子具有显著的生物毒性，由于其在水体中很难被微生物降解，只能发生各种形态相互转化富集等迁移过程，因此有必要分析重金属离子在居延海水体中随时间的分布情况，铬的含量在2013年最低（3 μg/L）；粪大肠杆菌与氨氮含量分别在2015年和2016年达到最低，均呈现出先升高后降低的趋势。

表2 东居延海水质指标相关系数

图1 东居延海水质的年际变化

2.3 东居延海水质在空间上的变化

从东居延海矿化度分布图（见图2）可以看出，黑河调水后东居延海湖水矿化度整体明显降低。1985年湖区矿化度整体高于8 g/L，湖面约一半区域接近10 g/L，由于输入水量较小，水体更新度较低，矿化度并没有受到入湖口来水的影响，而是呈由湖心到湖岸增大的趋势，说明在此期间东居延海矿化度主要受蒸发控制，湖岸区域水浅，矿物质聚集明显，而湖心区水体较深，矿物质更容易被稀释，并且受河道输水扰动较小，水体状态较为稳定。2016年东居延海湖区大部分矿化度小于8 g/L，尤其是入湖口矿化度仅为5.45 g/L，远低于1985年的10.50 g/L，但湖尾区域矿化度变化不大。湖区矿化度从入湖口到湖尾逐渐升高，矿化度分布从1985年以湖心为圆心的环状变为以河道汇入区为内弧的递增带状，说明黑河生态调水明显降低了东居延海河水汇入区的矿化度，但是对湖尾影响较小。据此可以得出，黑河调水改变了尾闾湖东居延海过去以蒸发为主的矿化度分布状态，目前基本呈现入湖口低矿化度、中间区域矿化度逐渐升高、湖尾高矿化度的分布状态。

根据刘亚传对于居延海的演变研究［18］，东居延海原为淡水湖，20世纪60年代初至70年代末，湖区矿化度呈逐渐升高趋势，1979年入湖口矿化度为9.0 g/L，1982年湖水实测矿化度有所下降，1985年实测值又有上升，1986年春矿化度升至34.5 g/L。从60年代初至1986年，东居延海湖水盐化速度很快，从淡水、轻度盐水、中度盐水到盐水；水化学类型由重碳酸盐硫酸盐型、硫酸盐重碳酸盐型到硫酸盐氯化物型。但直到干涸，并未演变成氯化物型，盐类沉积历史不长，盐结壳很薄，可见东居延海历史上一直具有河道湖的性质。

图2 东居延海矿化度分布

3 讨 论

3.1 黑河来水水量对东居延海水质的影响

近些年来，黑河调水进入东居延海的水量逐渐增加，2002—2017年入湖水量以0.018 2亿m3/a的速率增长。受输入水量影响，东居延海的湖体水量不断增加，湖面面积也在逐年增大，从2002年的23.8 km2增大到2017年的42.9 km2（见图3）。

图3 东居延海入湖水量与最大湖面面积随时间的变化

通过上述分析可以看出，黑河来水对东居延海水质的影响表现在两方面：一方面，黑河来水决定东居延海水量和水面面积，而不断增大的水量及面积则直接影响湖水水质分布，通过对1985年和2016年东居延海水质分布对比（见图2），入湖口、湖岸水质分布形态的差异直接导致整体水质分布的差异，主要表现为对离子的稀释作用；另一方面，黑河来水量大小直接影响水体更新速率和黑河来水离子汇入量，在蒸发作用下，汇入的离子在湖中不断累积，造成湖水离子浓度增大。对2012—2017年入湖水量和湖水指标浓度相关性分析表明，水量与不同离子浓度之间呈现不同程度的相关关系，但是对比相关系数（见表3）可以发现，负相关系数普遍较大，相关关系明显，而正相关系数较小。其中：pH值和电导率主要受整体离子浓度和矿化度降低的影响，与来水量呈明显的负相关关系；氟化物、总磷、汞、粪大肠杆菌等受来水量增大引起的稀释作用影响明显，离子浓度降低；其余水质指标随来水量增大而增大，一方面可能是在湖中逐渐富集，另一方面受来水水质输入的影响，因此需要对黑河来水水质进一步分析。

3.2 黑河来水水质对东居延海水质的影响

正义峡断面为黑河干流河道中下游的分界点，距离尾闾湖泊东居延海约411 km。自正义峡断面至居延海区间无支流汇入、流出，居民区、灌区及畜牧区稀少，因此正义峡河水水质基本反映汇入东居延海的水质情况。正义峡断面水质监测结果见图4，可知：黑河来水呈弱碱性，且电导率较大；溶解氧与BOD5含量总体上与东居延海的接近，而COD含量明显低于东居延海的，说明东居延海水体中有机物含量相对较高；黑河来水中氟化物在2015年达到最高，其变化趋势与东居延海的基本一致；总磷、汞的年际变化趋势与东居延海的较为类似，表明东居延海的总磷、汞的含量受黑河来水的控制，原因是黑河中游大面积的农作区在灌溉过程中将土壤中的磷淋滤进入河网系统，再通过黑河输水进入东居延海；铬含量高于东居延海的，说明铬在湖水中可能转化为其他化合物；粪大肠杆菌、氨氮等变化趋势与东居延海的一致，说明东居延海水体中粪大肠杆菌、氨氮等含量受黑河来水水质影响较大。

表3 东居延海黑河来水量与水质指标相关系数

图4 黑河正义峡断面水质监测结果

4 结 论

（1）2012—2017年东居延海湖体中不同类型离子浓度变化各异，其中：溶解氧、COD、BOD5、粪大肠杆菌和氨氮等离子浓度升高，总磷和汞浓度逐渐降低，其他离子浓度则上下波动。分析发现，湖水中离子浓度主要受上游补给水量的影响，当补给水源中离子浓度低于湖水的时，补给水量越大，对湖水的稀释作用就越强；当补给水源中离子浓度高于湖水的时，湖水离子浓度随补给水量的增大而增大。

（2）通过对比分析1985年与2016年东居延海矿化度分布发现，湖区矿化度从入湖口到湖尾逐渐增大，整体矿化度明显低于1985年的，表明生态输水明显改善了东居延海的水质。

整体来看，东居延海受生态输水影响，水质明显改善。但是东居延海水体缺乏动力循环和更替，为了更好地恢复水体生态功能，建议在保证持续输水的情况下，采取一定的工程等措施，增强东居延海湖水的水动力和循环能力，进一步改善东居延海水质。