麗江拉市海湖庫水環(huán)境質量變化趨勢分析及預測

木曉麗

摘 要：為研究麗江拉市海近年水質變化情況，對拉市海2018—2021年營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)和內梅羅污染指數(shù)進行Spearman相關分析，對監(jiān)測項目變化趨勢、單因子污染指數(shù)和主成分進行分析，對出現(xiàn)過超標情況的pH值變化原因進行分析，應用時間序列預測傳統(tǒng)模型預測了2022年拉市海水質，為生態(tài)環(huán)境部門保護拉市海提供了思路和方法。研究結果顯示：拉市海內梅羅污染指數(shù)顯著升高，營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)變化趨勢不顯著，整體水質變差；監(jiān)測項目結果無顯著變化，有7個監(jiān)測項目單因子污染指數(shù)超過0.5，其中pH值最高，主成分分析結果表明目前影響拉市海水環(huán)境質量的主要項目涉及到拉市海中的耗氧物質、溶解氧濃度、酸堿性和氮磷循環(huán)；pH值隨月份規(guī)律變化，預測2022年pH值在8月和9月可能出現(xiàn)超標情況，2022年年均值能達到Ⅲ類標準。

關鍵詞： 水質；pH值；趨勢分析；時間序列；拉市海

中圖分類號：X824文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2023）01-0-05

0 引言

拉市海位于麗江市中心城區(qū)西面約10 km處，拉市海為壩中洼地，湖底高程2437 m，平均深度2m，為典型的高原湖泊濕地。拉市海屬金沙江水系，流域水系發(fā)育，主要入湖河流有清水河、南沙河和美泉河，呈向心狀由四周匯入拉市海，但多為季節(jié)性河流。2020年到拉市海越冬的候鳥達200多個種類12.2萬多只，是國際重要濕地、野生動物科普教育基地、遷徙候鳥的棲息地。拉市海的保護工作對麗江生物多樣性保護有著重要的意義。

1 拉市海水質監(jiān)測情況

拉市海水質監(jiān)測工作于2011年開始，但監(jiān)測點位設于湖東岸的拉市海引水渠，不足以代表全湖水質，自2018年5月拉市海湖心列為省控監(jiān)測點位后，每月開展監(jiān)測工作，監(jiān)測項目為《GB 3838-2002地表水環(huán)境質量標準》表1中所有項目和電導率、葉綠素a、透明度，共27個項目。2021年起每季度第一月開展27個項目監(jiān)測，其余月份開展水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a和透明度11個項目監(jiān)測。本文對2018年5月—2021年12月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其中濁度為新增監(jiān)測項目未進行統(tǒng)計分析。

2 拉市海水質變化情況

2. 1 拉市海水質總體變化情況

分析拉市海2018—2021年水體總體變化情況選擇了營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)和內梅羅污染指數(shù)兩個綜合指數(shù)。營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)由透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷和葉綠素a共5個項目綜合計算所得，內梅羅污染指數(shù)由《GB 3838-2002地表水環(huán)境質量標準》表1除水溫外23個項目進行綜合計算所得[1-2]，拉市海功能類別為地表水Ⅲ類。

對2018—2021年年度營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)和內梅羅污染指數(shù)隨年度變化趨勢進行Spearman相關分析，相關性分析結果詳見表1，內梅羅污染指數(shù)隨年份變化趨勢如圖1所示。內梅羅污染指數(shù)均＜0.8，說明水質較好，2018—2020年變化較緩，2021年明顯升高，說明水質變差，隨年度相關性分析呈顯著正相關，說明內梅羅污染指數(shù)顯著升高，水質變差。營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)呈上升趨勢，但其變化趨勢不顯著。整體而言，拉市海水質有變差的趨勢。

2. 2 拉市海重要監(jiān)測項目變化情況

2. 2. 1 各監(jiān)測項目變化趨勢

為研究各監(jiān)測項目2018—2020年變化趨勢，應用Spearman相關分析方法對所有27個監(jiān)測項目進行分析，發(fā)現(xiàn)27個監(jiān)測項目變化趨勢都不顯著。

2. 2. 2 單因子污染指數(shù)變化情況

對《GB 3838-2002地表水環(huán)境質量標準》表1除水溫外23個項目單因子污染指數(shù)進行計算分析[3]，其中pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、五日生化需氧量、總磷和總氮7個監(jiān)測項目單因子污染指數(shù)出現(xiàn)超過0.5的情況。2018—2021年單因子污染指數(shù)變化情況見圖2，發(fā)現(xiàn)pH值的單因子污染指數(shù)持續(xù)保持最高。

2. 2. 3 主成分分析結果

利用spss軟件對7個監(jiān)測項目進行主成分分析，輸出結果如表2和表3所示。拉市海水質主成分有2組，其積累貢獻率達93.946%，滿足因子選取原則（>85%），說明2個主成分可以很好地反映拉市海水質情況。第一主成分的貢獻率是55.517%，與其相關聯(lián)項目主要是高錳酸鹽指數(shù)、pH值、溶解氧、五日生化需氧量和化學需氧量，代表了拉市海水環(huán)境耗氧物質、氧氣含量和酸堿環(huán)境；第二主成分的貢獻率是38.430%，與其相關聯(lián)項目主要是總磷和總氮，代表了拉市海的氮磷循環(huán)。表明目前影響拉市海水環(huán)境質量的主要項目涉及到拉市海中的耗氧物質、溶解氧濃度、酸堿性和氮磷循環(huán)。

pH值是拉市海到目前為止出現(xiàn)過多次超標的監(jiān)測項目，根據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)pH值的單因子污染指數(shù)持續(xù)保持最高，同時是第一主成分的重要關聯(lián)項目，說明pH值對于拉市海而言是一個重要的監(jiān)測項目。

2. 3 拉市海pH值變化情況

2. 3. 1 拉市海pH值逐月變化情況

pH值逐月變化趨勢如圖3所示，發(fā)現(xiàn)pH值在2018年7月、8月和9月，2021年7月和8月共出現(xiàn)了5次超標情況。根據(jù)各年度變化情況，pH值隨月份的變化規(guī)律基本相似，1—6月基本保持穩(wěn)定，7—9月出現(xiàn)上升情況，到10月下降后又保持穩(wěn)定，總體而言pH值在夏季會有上升情況。

2. 3. 2 拉市海pH值與其他監(jiān)測項目的相關分析

將拉市海pH值逐月監(jiān)測結果與重點監(jiān)測項目其余9項進行Spearman相關分析，高原地區(qū)水體溶解氧濃度受到氣象和水文條件影響，故增加溶解氧飽和率繼續(xù)相關分析[4-5]。發(fā)現(xiàn)水溫、電導率、溶解氧飽和率、葉綠素a和總氮5個監(jiān)測項目與pH值變化呈顯著相關，相關分析結果如表4所示，其中電導率為負相關，其余4個監(jiān)測項目為正相關，同時發(fā)現(xiàn)葉綠素a與總磷相關系數(shù)為0.329，顯著正相關。

水溫、電導率、溶解氧飽和率、葉綠素a、總氮和總磷逐月變化趨勢見圖4。發(fā)現(xiàn)水溫、電導率、溶解氧飽和率、葉綠素a和總氮也出現(xiàn)了隨月份規(guī)律變化的情況，各年度相同月份存在一定重合情況。在2021年發(fā)生pH值超標月份為7月和8月，而在6月葉綠素a為0.018 mg/L，是歷史最高值。

2. 4 拉市海pH值變化原因分析

查閱研究水質pH值變化的相關文獻，發(fā)現(xiàn)影響水質pH值的原因主要是水生生物，特別是夏季藻類大量繁殖后，光合作用過程中消耗各類營養(yǎng)物質和無機物，產生氧氣和OH-，導致水質的溶解氧和pH值升高[6-12]。根據(jù)分析結果，拉市海pH值和相關監(jiān)測項目變化與文獻分析結果相符，拉市海pH值變化可能的機理圖如圖5所示。

3 拉市海水質預測分析

根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，拉市海pH值的變化與季節(jié)有關系，與其顯著相關的指標也隨季節(jié)發(fā)生規(guī)律變化，故對pH值和相關的水溫、電導率、溶解氧飽和率、葉綠素a、總氮和總磷6個項目進行預測分析。預測方法為spss軟件時間序列預測中傳統(tǒng)模型，利用專家建模器，以2018—2020年逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)建模，預測模型統(tǒng)計如表5所示，平穩(wěn)R方均＞0.5，模型擬合度可接受。預測2022年全年結果，并以2022年已完成監(jiān)測的1月數(shù)據(jù)對模擬數(shù)據(jù)進行驗證。2022年1月6個監(jiān)測項目實際監(jiān)測結果均在置信區(qū)間范圍內，預測模型基本可信。

預測結果表明pH值在8月和9月可能出現(xiàn)超標情況，其余預測項目各月能達到地表水Ⅲ類水質要求。預測項目2022年年均值能達到Ⅲ類標準。

4 結論及拉市海保護對策措施建議

4. 1 結論

整體而言，拉市海水質有變差的趨勢。影響拉市海水環(huán)境質量的主要項目涉及到拉市海中的耗氧物質、溶解氧濃度、酸堿性和氮磷循環(huán)。pH值是拉市海到目前為止出現(xiàn)過多次超標的監(jiān)測項目，根據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)pH值的單因子污染指數(shù)持續(xù)保持最高，同時是第一主成分的重要關聯(lián)項目，說明pH值對于拉市海而言是一個重要的監(jiān)測項目。影響拉市海pH值變化的主要因子是水溫、藻類和氮磷。根據(jù)預測結果表明pH值在8月和9月可能出現(xiàn)超標情況，其余預測項目各月能達到地表水Ⅲ類水質要求。預測項目2022年年均值能達到Ⅲ類標準。

4. 2 拉市海保護對策措施建議

加強拉市海水生生物研究調查，開展藻類、不同形態(tài)氮化合物、不同形態(tài)磷化合物和無機離子等項目監(jiān)測，結合調查結果進一步開展水質pH值在夏季升高的機理分析。同時調查候鳥越冬對水環(huán)境質量影響。

對拉市海流域氮循環(huán)和磷循環(huán)開展研究分析，明確拉市海總磷和總氮來源，采取有效措施切斷人類活動產生的氮、磷進入拉市海水體。開展農業(yè)面源污染調查，一是目前種植的耕地退水對拉市海影響，二是開展過去用于農業(yè)種植的周期性淹沒區(qū)土壤調查[13]；開展生活污水環(huán)湖截污建設工程效益分析，并對未覆蓋污水管網區(qū)域開展調查分析，若氮、磷循環(huán)表明氮、磷來源為湖底沉積物等，就需要開展進一步研究[14-15]。

目前拉市海保護已得到各個部門的重視，也采取了工程措施，取得了一定成效，但是鄉(xiāng)村生態(tài)觀光旅游產業(yè)仍是拉市海流域的發(fā)展重點，因此要探索出保護和發(fā)展協(xié)同共進的新思路。

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