草海流域水质时空分布特征及污染评价

(1.贵州大学 林学院，贵阳 550001；2.贵州科学院，贵阳 550009)

1 研究背景

草海是贵州境内最大的淡水天然湖泊，在当地的自然和社会环境中有着举足轻重的地位。草海自然保护区由湿地、农田和森林3个生态系统以及村镇聚落环境组成，独特的气候资源配之以高原湖泊风光使其被视为生态、民俗旅游的理想境地，也被誉为“世界十大最佳观鸟区之一”。但随着人类活动的增加，草海的污染日益严重，草海自然保护区96 km2范围内居住着约3万人口，而人均耕地不足667 m2，有些村寨人均耕地甚至不足334 m2。多年的监测数据显示草海水质富营养化程度严重，并有日益增加的趋势；水下部分的芦苇和水草每年腐败沉落后，在湖底形成强烈的生物淤积，造成湖水二次污染，并且湖底每年都在抬高，沼泽化趋势明显[1-2]。在此情况下，改善草海水环境状况刻不容缓，草海水质污染控制也是一项非常艰巨的任务。

掌握水质污染物的时空分布特征，是制定有效的污染控制方案的前提基础。在草海流域中，已经进行了一些有关污染物的时空变化特征的研究。例如，周晨等[3]运用水质综合评价和GIS空间分析方法，研究草海湿地水环境质量时空变化。相对而言，在我国其他流域，进行这些类似的水质时空分布特征研究较多。其中包括了对云南[4-7]、青藏高原[8]、湖南[9]、山西[10]、山东[11]、河南[12]等地的研究。例如：朱琳等[4]对2013—2015年武水河流域7个监测断面的11个水质指标数据进行分析，揭示武水河水质时空分布差异性；程学宁等[5]对闽江19个监测断面8项水质指标进行时空聚类，分析了时空背景下的闽江水质变化特征；等等。即便如此，还是不能够准确确定流域内水质的时空分布特性，这是因为流域内水质时空分布的影响因素很多且很复杂。因此，本文监测枯水期和丰水期草海高原湿地不同空间下水质污染情况，探究草海水质污染的差异，对流域水质时空变化特征进行了分析，旨在为草海流域水污染治理提供参考，具有现实意义和理论意义。

2 研究区域概况

草海国家级自然保护区位于贵州省西部威宁彝族回族苗族自治县县城西南侧，地理位置介于104°10′16″E—104°20′40″E，26°47′32″N—26°52′52″N，是一个完整的、典型的喀斯特高原湿地生态系统，是贵州省境内最大的天然岩溶堰塞淡水湖泊。保护区面积96 km2，其中水域面积枯水期19.8 km2、丰水期26.0 km2。原湖面面积45 km2，平均水深仅2 m，最深处5.13 m，蓄水量达1.4亿m3。由于历史原因，草海湖水面积已大大缩小，现在大约仅有25 km2，蓄水量也大大减少。

草海属长江水系，是金沙江支流横江洛泽河的上源湖泊，其水源补给主要靠大气降水，其次为地下水。汇入草海的河流大多为发源于泉水的短小河溪，主要有东山河、北门河、卯家海子河、白马河和大中河等。这些小溪的流量随降水的季节变化而变化。夏秋季节流量大，冬春季节流量减小，有的甚至断流。由于草海湖区岩石的隔水作用，地下水埋藏较浅，一般在5 m以内，出露的泉点较多，畜牧场、下坝、白马塘、大水井、谢家冲等泉水均成为注入草海的重要源泉。

3 材料与方法

3.1 采样布点原则

为充分考虑草海流域周边主要污染来源及人为干扰对草海水质的影响，针对各空间断面的污染状况布点，结合实际情况对草海流域丰水期和枯水期进行布点采样，其中由草海码头进入草海湖面的航道内有3个采样点，采样点分布见图1。

图1 草海采样点分布示意图Fig.1 Distribution of sampling sites in Caohai Lake

3.2 样品的采集与制备

分别于2014年8月(丰水期)和2015年3月(枯水期)对不同空间草海水样进行采集。在采集水样前，先用准备采集的水样清洗采样瓶几次，等待水位稳定时再进行采样，尽量减轻对水体的扰动，但不能混入水里的杂质，尽量选择在水流平缓或者静止的水域采取表层水。采样后盖紧取样瓶，然后在取样瓶上贴上标签，装入准备好的箱子带回实验室于4 ℃保存。为保证各指标监测结果的准确性，水样采集回来后尽量在48 h内测定。

3.3 测定指标

主要水质测试指标包括：溶解氧(DO)、化学需氧量(CDOCr)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)及生化需氧量(BOD)。各指标的测定方法依照国家标准测定方法[13]。

表1 评价指标的质量浓度等级标准Table 1 Grading standard of mass concentration of pollution factors

表2 草海丰水期不同空间下水质指标质量浓度检测结果Table 2 Detected mass concentration of water quality indicators at different locations of Caohai Lake in wet season

3.4 评价方法

本文采用单因子评价法，其基本原理是以目标水体的最差单项指标作为该水体水质类别的判断依据。指标污染指数计算值为某种污染物的实测浓度与该污染物的评价标准值的比值，即Pi=Ci/C0。其中：Pi为单因子指数；Ci为第i类水质污染物指标的实测浓度；C0为第i类水质污染物指标的评价标准。当Pi≤1时，表示水体未受到污染；当Pi>1时，表示水体受到污染，具体数值直接反映污染物超标程度[14]。单项指标评价以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)为评价标准，各评价指标的质量浓度等级标准如表1所示。

4 结果与分析

4.1 草海流域水质特征

4.1.1 草海丰水期的水质特征

从表2可以看出，在草海丰水期，各水质指标含量变化差异较大。从各指标含量均值的断面空间来看，除了CODMn的最高含量出现在湖中心、TN的最高含量出现在湖中心往阳关山方向以外，其余的水质指标(包括DO、 CODCr、NH3-N、TP、BOD)最高含量均出现在码头往湖中心的方向。总体来看，湖中心区域的水质指标含量均比其他方位的含量少。而码头处和出水口方向的水质指标含量相差不大，湖中心分别往东山和阳关山的含量也近似相同。

DO的标准差总体上较小，说明了在各个断面空间下DO浓度变化不是很大，变化幅度也较小，CODMn、 CODCr、BOD也表现出与DO相同的规律，而NH3-N、TN、TP的标准差相较而言较大，侧面说明最大值与最小值间相差较大，变化范围也较大。

4.1.2 草海枯水期的水质特征

从表3可知，在草海枯水期，各水质指标含量变化差异较大。从各指标含量均值的断面空间来看，除了DO的最高含量出现在出水口处以外，其余的水质指标(包括CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP、BOD)最高含量均出现在码头往湖中心方向。除了CODCr的标准差相较而言较大以外，其余的水质指标标准差都很小，说明CODCr浓度变化范围较大，变化幅度也较大。

表3 草海枯水期不同空间下水质指标质量浓度检测结果Table 3 Detected mass concentration of water quality indicators at different locations of Caohai Lake in dry season

表4 草海丰水期单因子污染指数法评价结果
Table 4 Evaluation result of water quality of Caohai Lake in wet season by single factor index method

空间DOCODMnBODCODCrNH3-NTNTPPi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别水质类别1水质类别2码头往湖中心方向1.25Ⅰ4.58Ⅳ1.28Ⅲ2.16Ⅴ2.55Ⅱ2.85Ⅲ12.70ⅣⅤⅣ湖中心区域1.18Ⅰ4.77Ⅳ1.11Ⅲ1.30Ⅲ1.55Ⅱ3.09Ⅲ8.30ⅢⅣⅢ湖中心往东山方向1.19Ⅰ4.09Ⅳ1.00Ⅲ1.74Ⅳ1.39Ⅱ2.84Ⅲ7.52ⅢⅣⅢ湖中心往阳关山方向1.19Ⅰ3.91Ⅳ1.08Ⅲ1.39Ⅳ1.66Ⅱ4.29Ⅲ7.27ⅢⅣⅢ出水口1.24Ⅰ4.08Ⅳ1.11Ⅲ2.03Ⅴ0.97Ⅱ1.21Ⅱ5.89ⅢⅤⅢ

4.2 草海流域水质污染评价

4.2.1 草海丰水期水质污染评价

通过单因子评价可知，如表4中的水质类别1所示，草海丰水期符合或优于Ⅳ类水体的断面空间有3个，除了码头往湖中心方向处和出水口处的水质类别为Ⅴ类以外，其他的断面空间均为Ⅳ类水体。水质类别总体上在Ⅳ—Ⅴ类之间。CODMn和TP的单因子指数较大，说明这2个指标对草海丰水期水质产生的影响较大。

在草海丰水期，基本上所有的断面空间水质类别均劣于Ⅲ类水体标准，其中超标指标主要为CODMn和CODCr。为了更好地分析评价草海断面空间水质，现将超标的指标CODMn和CODCr去除后，再单独分析CODMn和CODCr，去除这2个超标指标后各断面空间水质类别如表4中水质类别2所示。去除这2个超标指标后，草海丰水期符合或优于Ⅲ类水体的断面空间有4个，除了码头往湖中心方向处的水质类别为Ⅳ类以外，其他的各断面空间均为Ⅲ类水体。

4.2.2 草海枯水期水质污染评价

如表5中的水质类别1所示，草海枯水期符合或优于Ⅳ类水体的断面空间有4个，除了出水口处的水质类别为Ⅴ类以外，其他的断面空间均为Ⅳ类水体。总体而言，水质类别在Ⅳ—Ⅴ类之间。CODMn和TP的单因子指数较大，说明这2个指标对草海枯水期水质产生的影响较大。

在草海枯水期，断面空间的水质类别和丰水期间相似。其中超标指标也主要为CODMn和CODCr，去除这2个超标指标后，草海枯水期所有断面空间水质均符合Ⅲ类水体标准(如表5中的水质类别2)。

4.3 草海流域水质污染来源

经调查，目前草海水体的主要污染物来源是草海周边农田化肥、周边村落畜禽养殖所产生的粪尿和居民的生活污水。而不同的污染源在不同空间上的污染方式及污染强度不一样。在码头往湖中心的方向，主要污染来源为周边农田化肥。参考威宁县统计局统计数据可知，草海周边村寨2009年农用化肥施用量为2 879 t，其中氮肥998 t、磷肥1 668 t、复合肥199 t。在降雨和灌溉的条件下，部分化肥以可溶形式淋失到土壤下层，给浅层地下水造成污染。施入农田的化肥没有被农作物吸收的部分会随着地表径流、通过地下淋溶等方式流失入水体，流失的N和P等营养物质过剩，则会使河、湖等出现富营养化，严重时可导致大量的藻类特别是有毒藻类的疯长，使水质恶化。

表5 草海枯水期单因子污染指数法评价结果

Table 5 Evaluation result of water quality of Caohai Lake in dry season by single factor index method

空间DOCODMnBODCODCrNH3-NTNTPPi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别Pi水质类别水质类别1水质类别2码头往湖中心方向1.18Ⅰ3.86Ⅳ1.03Ⅲ1.94Ⅳ4.81Ⅲ4.50Ⅲ7.20ⅢⅣⅢ湖中心区域1.15Ⅰ3.30Ⅳ0.96Ⅰ1.84Ⅳ3.53Ⅲ3.39Ⅲ4.90ⅢⅣⅢ湖中心往东山方向1.05Ⅰ3.25Ⅳ0.79Ⅰ1.34Ⅲ1.81Ⅱ2.14Ⅲ5.64ⅢⅣⅢ湖中心往阳关山方向1.12Ⅰ3.06Ⅳ0.82Ⅰ1.55Ⅳ2.68Ⅱ3.17Ⅲ4.95ⅢⅣⅢ出水口1.17Ⅰ3.15Ⅳ0.83Ⅰ2.35Ⅴ2.46Ⅱ2.37Ⅲ4.02ⅡⅤⅢ

而在湖中心区域，周边农田化肥对该区域的污染强度明显小于离码头近的区域。但随着湖中心向东山方向和阳关山方向靠近时，污染强度又会加大。在出水口处污染源的强度最小。草海湿地位于威宁县城南侧，长期以来，威宁县没有污水处理厂，城市生活污水中除了人粪尿能够统一处理外，周边村落畜禽养殖所产生的粪尿和其他污水直接进入草海流域。畜禽粪尿中含有大量的有机物质，草海地区畜禽粪尿的主要处理方式是随意堆放在村落或农田灌溉沟渠旁，最终随着降雨和地表径流而流入草海，引起水体氨氮含量的增加、溶解氧的急剧下降，导致水体恶化发臭，威胁水生生态系统。

4.4 草海流域水质与其他流域水质比较

在我国的其他流域中，不同的流域水质污染表现出不同的特征。比如赤水河上游流域的水质时空分析表明该流域丰水期和枯水期的水质结果差异不明显[15]。而固城湖丰水期和枯水期的水质变化结果却不同：丰水期处于轻度富营养化状态，枯水期处于中营养状态。鄱阳湖的水质也呈现出丰水期水质好于枯水期的规律。也有流域除了TN和TP污染分指数在丰水期最高之外，枯水期综合污染指数最高，表明污染源中面源污染已占相当比例[16-18]。不同的流域在水质污染指标上也不同。比如赤水河上游流域CODCr是该流域水质主要污染物之一。而天目湖沙河水库水质时空分布特征的研究表明了高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)等主要水质因子存在显著的空间分布差异[19]。河北省河流(包括滦河、北三河、永定河子牙河、漳卫南运河、黑龙港运东水系)水质空间变化特征显示该省的主要水质污染指标为高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD)和氨氮(NH3-N)，该省北部地区水质良好，中部和南部地区水质污染严重[20]。在水质类别表现上，流域间的差异性也较大。东江中游水质在Ⅰ—Ⅲ类之间[21]。温瑞塘河水质已经达到了劣Ⅴ类的程度，水体中氮、磷含量严重超标，分别是国家Ⅴ类水标准的3.52倍和1.68倍[22]。

在本研究中，对草海流域水质的时空分析表明丰水期和枯水期的水质不同，总体上枯水期的水质指标均值比丰水期好。这也和上述的流域不一致，这与流域本身的地理位置及当地周围环境有关。从空间断面上来看，草海水质污染的超标指标主要为CODMn和CODCr，水质类别总体上在Ⅲ—Ⅳ类之间。

5 讨 论

水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。在有限的可利用的淡水资源中，全球分配又极度不平衡。同时，经济的高速发展，将使全球本来就缺乏的淡水资源水质的污染更加严重。中国水资源地区分布也很不平衡，长江流域及其以南地区，国土面积仅占全国的36.5%，水资源量却占全国的81%；长江流域以北地区，国土面积占全国的63.5%，水资源量仅占全国的19%。为此，研究流域水质污染特征就显得极其重要。草海流域在丰水期和枯水期2个时段水质污染指标表现不同。对草海流域空间断面的水质类别现状分析发现，Ⅳ类水域治理是该流域的治理重心，此外，应扩大Ⅲ类水域占比，从而达到缩减Ⅴ类水域的目的，也是最终实现成都市河流水质污染控制目标的首要任务。各断面空间的污染程度与主要污染源不同，应实际考虑因段制宜，针对不同的断面空间采取不同的治理措施，使污染治理做到有的放失，最终最大力度实现可持续发展。故此，草海流域应着力Ⅳ类水域治理，扩大Ⅲ类水域占比，从而达到缩减Ⅴ类水域，最终实现成都市河流水质污染控制目标。

草海流域的水质污染与断面空间的关系明显。其中，码头通往湖中心方向的这段水域水质污染较重，这是由于这段水域不仅受人们不合理使用化肥的影响，还常常受撑船、游人等人类活动的影响，搅动底泥使得水体中悬浮物大量增加，造成水体严重污染。其次较为严重的还有出水口处的水域和湖心至阳关山水域，这是由于这2段水域靠近县城，受到县城排放的生活和生产污水的影响较严重，另外水禽养殖区处于该片水域内，投放的饲料除部分被鱼类摄取外，其余部分饲料和鱼类排泄物通过物质循环成为了含氮较多的肥料，加重了水体污染。由于受到周边农田化肥、农药的大量施用和周围村民生活污水随意排入草海的影响，湖周靠近岸边的水体污染较重。其他断面空间(包括湖中心区域、湖中心往东山方向)污染相对较轻，这是由于水深较深，较少受到游人撑船游览等人为活动的影响，水生植物的水质净化能力较强，而且还分布有几条小河溪，外来补给水稀释了水体总的污染浓度，因此水质较其他区域水质要好。因此，草海断面空间上的水体污染主要为人类活动的影响所致。

6 结 论

草海流域水质时空差异较大：在丰水期，DO、CODMn、CODCr、BOD的标准差总体上较小；在枯水期，CODCr的标准差相差较大，其余水质指标的标准差都很小。丰水期DO、CODMn、CODCr、TP较枯水期高，其余污染指标表现为枯水期较好。各断面空间超标污染物主要为CODMn和CODCr，水质类别在Ⅳ—Ⅴ类之间。