達里諾爾湖水質污染物空間分布特征及來源解析*

王 璐 趙 茜 王 曉 陳 焰 馬淑芹 薛 婕 孫 偉 夏 瑞#

(1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；3.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

湖泊作為重要的水源載體，在維持區(qū)域生態(tài)平衡和水分循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，具有巨大的經(jīng)濟價值[1]。近年來，在氣候變暖和人類活動雙重作用下，湖泊水量銳減、水質污染和富營養(yǎng)化等問題日益嚴重，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康造成了嚴重威脅，進而對經(jīng)濟社會發(fā)展呈現(xiàn)出負效應[2]。國內外許多學者對湖泊水質污染狀況進行了諸多研究。李娜等[3]研究表明，全國五大湖區(qū)22個典型湖泊中，50%以上的湖泊處于不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)。秦伯強[4]研究發(fā)現(xiàn)，全國五大湖泊中的太湖、巢湖均已出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，部分湖區(qū)頻發(fā)藍藻水華。另外，洞庭湖[5-6]、滇池[7-8]的水質也不容樂觀，水質不斷惡化。王思夢等[9]發(fā)現(xiàn)，青菱湖TP和TN嚴重超標。TP和TN能為藻類提供必要的營養(yǎng)物質，大量的營養(yǎng)鹽促使藻類激增，增加藻華發(fā)生的頻率和強度，導致生態(tài)系統(tǒng)退化[10]。

達里諾爾湖是內蒙古第二大湖，是當?shù)刂匾臐O業(yè)生產(chǎn)基地，還是許多珍稀鳥類的棲息地。然而，隨著人為干擾的加劇，達里諾爾湖目前面臨諸多問題，如水環(huán)境污染嚴重[11]、濕地退化現(xiàn)象嚴重[12]、水體面積呈現(xiàn)逐年萎縮[13]。近年來關于達里諾爾湖水化學成分、水生物的研究較多，但對達里諾爾湖湖區(qū)污染來源的研究鮮有報道。本研究基于野外監(jiān)測與室內分析，研究達里諾爾湖水質現(xiàn)狀、污染物空間分布，分析其可能來源，以期為管理部門提供可實施的管控措施及建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

達里諾爾湖(中心坐標43°16′37″N、116°37′36″E)位于內蒙古赤峰市克什克騰旗西部，處于東亞夏季風邊緣地帶，降水量少，寒暑氣候變化劇烈，降雨多集中在夏季，氣溫也在7月達到最高，為36～43 ℃。達里諾爾湖面積約238 km2，水深由東南向西北逐漸降低，最大水深13.0 m，平均水深6.7 m。達里諾爾湖位置關鍵，是自然保護區(qū)的核心，也是內蒙古重要的水源地。文獻調研發(fā)現(xiàn)，該流域秋季污染較嚴重[14]。受赤峰市生態(tài)環(huán)境局委托，本研究團隊按照《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 91—2002)中的湖泊水庫采樣點布設原則，于2018年9月在達里諾爾湖設置17個采樣點進行野外調查，每個采樣點采3個平行樣品。采樣點布設見圖1。

圖1 達里諾爾湖區(qū)采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites at Dalinuoer Lake

1.2 水體理化指標的測定

選取達里諾爾湖7個具有代表性的水質指標(DO、COD、氨氮、TN、TP、總溶解性磷(DTP)、溶解性有機碳(DOC))進行監(jiān)測。其中，DO利用多參數(shù)水質監(jiān)測分析儀(Horiba)于現(xiàn)場測定；COD、氨氮、TN、TP、DTP和DOC通過采集3個500 mL平行水樣，低溫避光保存運送至實驗室，48 h內參照文獻[15]進行測定。

1.3 分析方法

采用克里金插值法對達里諾爾湖的水質污染現(xiàn)狀進行分析。為識別該流域關鍵影響因子，對水質指標進行主成分分析(PCA)。將篩選出的主要環(huán)境變量進行聚類分析(CA)，判別其污染來源。進行CA前，對主要環(huán)境變量進行歸一化。為分析主要環(huán)境變量的時空分布差異性，對CA分組結果進行K-W非參數(shù)檢驗。

2 結果與討論

2.1 水質污染現(xiàn)狀

在《內蒙古自治區(qū)水功能區(qū)劃》(內政字〔2010〕246號)中，達里諾爾湖目標水質為Ⅲ類水體。但根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)，達里諾爾湖位于達里諾爾國家級自然保護區(qū)內，因此按達里諾爾湖為Ⅰ類水體進行水質評價。

湖區(qū)DO為7.70～10.76 mg/L，平均值為9.83 mg/L；COD為31.95～282.36 mg/L，平均值為134.79 mg/L；氨氮為3.00～5.18 mg/L，平均值為3.67 mg/L；TN為3.45～5.94 mg/L，平均值為3.99 mg/L；TP為0.40～0.65 mg/L，平均值為0.54 mg/L；DTP為0.43～0.62 mg/L，平均值為0.51 mg/L；DOC為87.74～97.97 mg/L，平均值為93.27 mg/L。本次17個采樣點除DO外，其他均超過Ⅰ類水質標準，其中COD、氨氮、TN、TP分別超過Ⅰ類水質標準的7.99、23.47、38.90、53.00倍。各采樣點均為GB 3838—2002中劣Ⅴ類水質，COD、氨氮、TN、TP超標率為100%。

由此可見，達里諾爾湖營養(yǎng)鹽污染現(xiàn)象較嚴重。而湖區(qū)周圍無明顯工業(yè)企業(yè)污染源[16]，因此湖區(qū)內營養(yǎng)鹽及有機物主要由地表徑流而來。另外，達里諾爾湖氣候干旱，且屬于封閉性湖泊，湖水年蒸發(fā)量超過補給量，水位持續(xù)下降，湖水不斷濃縮[17]，這也可能是導致湖泊中TN、TP不斷增加、水質變差的原因。

2.2 關鍵影響要素識別

利用SPSS 22對達里諾爾湖2018年9月的17個采樣點7個水質指標進行PCA，在進行分析前，先對數(shù)據(jù)進行KMO檢驗與Bartlett球形檢驗，經(jīng)過檢驗得出的Bartlett球形檢驗的p為0.005、KMO值為0.615，因此可進行PCA。7個水質指標提取值均大于0.6，且TN、氨氮、COD的提取值接近0.9，說明本研究中提取的公共因子能較好代表原始數(shù)據(jù)的主要信息。

PCA共篩選出3個主成分，TP、DOC和DTP與第1主成分(PC1)呈顯著正響應，因子載荷量分別為0.832、0.754和0.694；TN和氨氮與第2主成分(PC2)呈顯著正響應，因子載荷量分別為0.949和0.921；DO與第3主成分(PC3)呈顯著負響應，COD與PC3呈顯著正響應，因子載荷量分別為-0.675和0.905(見表1)。PC1的解釋率為39.342%，PC2的解釋率為22.878%，累計解釋率為62.220%(>50%)。用Origin 9.1將第1軸得分(F1)分別與TP、DOC、DTP進行線性擬合，第2軸得分(F2)分別與TN、氨氮進行擬合，分析主成分與原始數(shù)據(jù)之間的相關性，置信區(qū)間取95%，結果見圖2。R2均大于0.4，p小于0.001，表明具有顯著差異，與F1、F2呈顯著響應的TP、DOC、DTP、TN和氨氮可較好反映達里諾爾湖的水質污染狀況。由此可見，水質污染的主要驅動因子為氨氮、TN、TP、DTP、DOC，營養(yǎng)鹽是達里諾爾湖流域主要的污染指標(累計解釋率為62.220%)，這與前人研究一致。

表1 主成分載荷矩陣和系數(shù)矩陣

2.3 關鍵影響要素的空間分布特征

根據(jù)圖3，基于采樣點污染狀況的相似性，將達里諾爾湖17個采樣點分為3組：(1)組1(D1、D14)分布在達里諾爾湖的北岸和西岸；(2)組2(D9、D11、D12、D16)分布在達里諾爾湖南岸；(3)組3(D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D10、D13、D15、D17)集中在達里諾爾湖的北岸及湖中心。

由圖4可見：DOC、TP的空間分布較相似，水質自西部至東部逐漸變好；DTP、氨氮、TN的空間分布較相似，在西北部出現(xiàn)個別高值點，總體看來水質依然由西部至東部逐漸變好；湖中心污染物濃度總體低于湖岸邊。

達里諾爾湖營養(yǎng)鹽濃度具有顯著的空間差異性。由表2可見：組1的氨氮和TN較高，分別為(4.93±0.26)、(5.22±0.72) mg/L；組2的TP、DTP和DOC較高，分別為(0.60±0.02)、(0.58±0.02)、(96.26±0.90) mg/L；組3的氨氮、TN和TP最低，分別為(3.48±0.08)、(3.81±0.08)、(0.52±0.02) mg/L。由此可見，達里諾爾湖的氮污染主要集中于西岸，磷污染主要分布在西南岸，湖中心區(qū)域氮、磷污染狀況較輕。

表2 主要環(huán)境要素空間差異性1)

2.4 主要污染物來源分析

通過現(xiàn)場調研，達里諾爾湖有4條入湖支流，分別為貢格爾河、亮子河、沙里河和耗來河。其中，貢格爾河入河口位于湖區(qū)東北部，水質較好，其入河水量占4條河流總補給量的75%[18]，這可能是導致湖區(qū)東北側水質好于南側的原因。

湖區(qū)南側氮磷濃度較高，這可能有以下原因：(1)入湖支流。湖區(qū)東南側有亮子河及耗來河2條入湖支流，入湖支流的匯入會導致湖區(qū)污染物增加。(2)鳥類糞便。南岸為鳥類的棲息地，鳥類糞便會直接或間接流入湖體。(3)人類活動。南岸近些年已被開發(fā)成旅游區(qū)，9月為旅游旺季，人流量的增加也會導致污染物增多，且湖區(qū)東南岸臨近達里諾爾湖周圍最大的居民生活區(qū)(達日罕烏拉蘇木)，生活源會導致氮磷排放量的增加。南岸為沙地，污染物容易隨地表水流入湖區(qū)，這可能是湖區(qū)南側水質較差的原因。

因此，加強達里諾爾湖周圍的生態(tài)治理，恢復植被及濕地，合理控制達里諾爾湖的經(jīng)營與開發(fā)，在居民生活區(qū)配備管網(wǎng)及污水處理設施，減少人類活動對湖區(qū)的影響，是保護達里諾爾湖水環(huán)境、促進達里諾爾國家級自然保護區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。

3 結 論

(1) 根據(jù)水質評價結果，達里諾爾湖水質較差，17個采樣點均為GB 3838—2002中劣Ⅴ類水質，COD、氨氮、TN、TP超標率為100%，且分別超過Ⅰ類水質標準的7.99、23.47、38.90、53.00倍。

(2) 根據(jù)PCA結果，水質污染的主要驅動因子為氨氮、TN、TP、DTP、DOC，營養(yǎng)鹽是達里諾爾湖流域主要的污染指標(累計解釋率為62.220%)。

(3) 根據(jù)空間插值結果，達里諾爾湖水質由西部至東部逐漸變好，湖中心污染物濃度總體低于湖岸邊，氮污染主要集中于西岸，磷污染主要分布在西南岸，湖中心區(qū)域氮、磷污染狀況較輕。