耿 桐

(赤峰市水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

水環(huán)境是人類生存中的重要環(huán)境組成部分，水環(huán)境的狀態(tài)直接決定生物的健康狀態(tài)[1-2]。隨著工業(yè)化發(fā)展，各個(gè)地區(qū)的水環(huán)境污染加劇，出現(xiàn)了嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題，因此，急需研究水環(huán)境的時(shí)空分布特征，判斷當(dāng)?shù)厮h(huán)境的污染狀態(tài)，為后續(xù)的水環(huán)境生態(tài)維護(hù)提供基礎(chǔ)[3]。水環(huán)境監(jiān)測(cè)是判斷地區(qū)水環(huán)境狀態(tài)的重要方法，可以將地區(qū)水環(huán)境作為研究對(duì)象，使用各種類型的分析方法進(jìn)行全面分析，進(jìn)一步得出水環(huán)境的變化狀態(tài)，因此水環(huán)境監(jiān)測(cè)是水環(huán)境治理的基礎(chǔ)[4-5]。

在水環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要根據(jù)研究地區(qū)的狀態(tài)，布設(shè)恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)，增加監(jiān)測(cè)效果，保證監(jiān)測(cè)的有效性[6-7]。因此在進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)前，需要制定水環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，首先需要收集監(jiān)測(cè)區(qū)域的材料，進(jìn)行資料準(zhǔn)備，其次確定水環(huán)境監(jiān)測(cè)要點(diǎn)，劃分監(jiān)測(cè)具體范圍。布設(shè)合理的水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使其能準(zhǔn)確采集水環(huán)境的時(shí)空分布特征，最后保存監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的水環(huán)境樣本，并對(duì)其進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步得到當(dāng)?shù)厮h(huán)境信息，完成水環(huán)境時(shí)空分布特征的分析[8-9]。因此本文研究了內(nèi)蒙古地區(qū)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)空分布特征，為后續(xù)的水環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選取內(nèi)蒙古地區(qū)X湖泊進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)空分布特征分析，該湖泊是一種集蓄水、保水等功能為一身的多功能湖泊，隨著近幾年的環(huán)境污染，該地區(qū)的水質(zhì)逐漸下降，嚴(yán)重限制了湖泊的使用功能。該湖泊的流域面積廣闊，可達(dá)5.41萬(wàn)km2，全長(zhǎng)超過(guò)1400 km，該湖泊主要屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候，年均氣溫約為6.54 ℃，年均降水較少，冬季持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，最高降雨量為15 mm，湖泊周邊暴露基性巖。

2 研究方法

根據(jù)上述研究地區(qū)的概況，可以制定相應(yīng)的研究方案，即首先使用網(wǎng)格交點(diǎn)法布設(shè)了水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其次使用影響系數(shù)法提出樣本中的特異質(zhì)，最后使用函數(shù)擬合法分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水環(huán)境時(shí)空分布特征。根據(jù)上述的研究方案，可以進(jìn)行空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取，受內(nèi)蒙古水環(huán)境限制，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置過(guò)程中出現(xiàn)了空間異常參數(shù)，可以使用kriging進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步布設(shè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)從湖泊沿岸采集，根據(jù)湖泊的占地面積設(shè)計(jì)了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

由表1可知，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)指標(biāo)普遍偏高，可以結(jié)合2018—2019年該湖泊的評(píng)價(jià)指數(shù)，設(shè)計(jì)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)優(yōu)化計(jì)算見(jiàn)式(1)。

I=X1X2X3

(1)

式中：X1為水質(zhì)種類；X2為監(jiān)測(cè)限值變化；X3為水質(zhì)類別比值。使用該公式可以有效地進(jìn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)劃分，此時(shí)優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

根據(jù)表2的水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，可以進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，首先排除監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的異常數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行KS檢驗(yàn)，判斷此時(shí)的漸進(jìn)概率，使用Mann-Whitney U處理相關(guān)參數(shù)，接下來(lái)進(jìn)行水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)，使用公式(2)計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)TLI如下。

(2)

式中：Wj為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)權(quán)重；TLIj為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。此時(shí)可以計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，已知，水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)<30證明此時(shí)處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)在30～50證明此時(shí)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)在50～60證明此時(shí)處于重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)如表3所示。

表3 水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)

由表3可知，研究區(qū)域的水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)普遍在30～50之間，證明研究地區(qū)大多處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且研究地區(qū)的初始水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)普遍低于轉(zhuǎn)化水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，結(jié)合Chla關(guān)系需求可以設(shè)置實(shí)際空間分布參數(shù)，分別為0.7153、0.7566、0.7365、0.7156、0.7019、0.7745、0.7134、0.7023，參數(shù)設(shè)計(jì)完畢后，即可進(jìn)行后續(xù)的時(shí)空分布特征分析。

3 結(jié)果與分析

首先分析內(nèi)蒙古X湖泊的總氮、磷時(shí)空分布特征，結(jié)合上述的水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，可以繪制時(shí)空分布變化走勢(shì)圖，如圖1所示。

圖1 時(shí)空分布變化走勢(shì)圖

由圖1可知，研究區(qū)域的氮磷時(shí)空分布走勢(shì)相似，空間變化也相似，其中總氮的分布參數(shù)為1.412、1.433、1.455、1.438、1.424、1.452、1.447、1.403，總磷的分布參數(shù)為1.365、1.334、1.328、1.349、1.352、1.386、1.365、1.367，兩者的分布參數(shù)相差較小，且兩者均由北向南變化，在水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)較高的5、6、7、8監(jiān)測(cè)點(diǎn)氮磷的分布含量也較高，容易出現(xiàn)氮磷富集現(xiàn)象，記錄2019年5月—2020年各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氮、磷分布值，分別為1.15 mg/L、1.36 mg/L、1.38 mg/L、1.10 mg/L、3.97 mg/L、1.32 mg/L、0.99 mg/L、1.24 mg/L、1.20 mg/L、0.98 mg/L、1.22 mg/L、1.28 mg/L和0.95 mg/L、0.99 mg/L、0.91 mg/L、0.63 mg/L、2.94 mg/L、1.13 mg/L、1.15 mg/L、1.24 mg/L、1.36 mg/L、1.39 mg/L、0.95 mg/L、1.03 mg/L。由此可知，氮磷的含量呈波動(dòng)線性變化，且研究的氮濃度和磷濃度都已經(jīng)遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值，隨著季節(jié)變化，水體的驅(qū)動(dòng)力也在逐漸發(fā)生變化，氮磷釋放速度也在不斷轉(zhuǎn)變。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)可以分析氮磷的質(zhì)量濃度變化，結(jié)合氮磷平均數(shù)值進(jìn)一步分析氮磷的時(shí)空分布特征，水生植物的生長(zhǎng)期往往會(huì)降低其對(duì)氮磷的吸收總量，因此水體中的氮磷量在五月份較高，除此之外，溫度的回升也增加了水體交換頻率，增加了水體的氮磷釋放總量，從而進(jìn)一步增加了水體中的氮磷含量。7月屬于水體植物的生殖期，因此植物對(duì)氮磷的需求量增大，因此會(huì)導(dǎo)致氮磷濃度下降，但平均濃度仍然超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002的要求，這也證明植物對(duì)氮磷污染物的吸收有限，進(jìn)入冬季冰凍期，湖水的補(bǔ)給量下降，導(dǎo)致總氮濃度明顯增加，因此水體的動(dòng)力條件變化對(duì)氮磷濃度有直接影響。

分析X湖泊葉綠素水環(huán)境變化特征，由于葉綠素與藻類的光合作用相關(guān)，而水體中的藻類含量變化趨勢(shì)不明顯，因此葉綠素季節(jié)性空間分布作用也不太明顯，分析該地區(qū)2019年5月至2020年各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的葉綠素平均濃度為53.41 mg/m3、66.38 mg/m3、37.58 mg/m3、65.41 mg/m3、53.46 mg/m3、55.14 mg/m3、60.23 mg/m3、63.41 mg/m3、66.54 mg/m3、51.32 mg/m3、55.49 mg/m3、60.23 mg/m3，由此可知，葉綠素含量與實(shí)際氮磷鹽有一定的分布關(guān)系，但與季節(jié)無(wú)明顯關(guān)系，水生植物增多，葉綠素質(zhì)量濃度就會(huì)增加，反之葉綠素的質(zhì)量濃度會(huì)降低。

分析X湖泊化學(xué)需氧量時(shí)空分布特征，化學(xué)需氧量(COD)與實(shí)際有機(jī)物氧化轉(zhuǎn)換效率有重要聯(lián)系，因此采集2019年5月至2020年各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的COD平均含量，如表4所示。

由表4可知，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的COD平均含量逐漸增加，這與內(nèi)蒙古X湖泊的分布特點(diǎn)相關(guān)，X湖泊由南向北植被密度依次增加，隨著季節(jié)變暖，水生植物的光合作用逐漸加強(qiáng)，因此也加強(qiáng)了水體中的溶解氧(COD)濃度，隨著溶解氧濃度的提高，水中的還原物質(zhì)降低，COD無(wú)法參與正常的光合作用，會(huì)由現(xiàn)有的高含量逐漸轉(zhuǎn)化為低含量。水生植物的生長(zhǎng)高峰季光合作用會(huì)逐漸減弱，氧含量逐漸下降，隨著污染物的排放量增加，COD的含量也會(huì)進(jìn)一步增加，因此研究地區(qū)的COD濃度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)COD標(biāo)準(zhǔn)濃度要求。

表4 COD平均含量 mg·L-1

接下來(lái)分析X湖泊電導(dǎo)率的時(shí)空分布特征，電導(dǎo)率的大小主要由水中離子的含量決定，除此之外，還與水體中的離子類型密切相關(guān)，因此可以根據(jù)研究地區(qū)水體的礦化狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究區(qū)域的電導(dǎo)率數(shù)值，采集2019年5月至2020年各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電導(dǎo)率平均數(shù)值：3.94 ms/cm、3.92 ms/cm、3.95 ms/cm、4.10 ms/cm、4.13 ms/cm、3.84 ms/cm、4.01 ms/cm、3.95 ms/cm、4.12 ms/cm、4.10 ms/cm、3.95 ms/cm、3.97 ms/cm，與研究地區(qū)的礦化度呈正向擬合，且電導(dǎo)率在5月、11月具有時(shí)空分布特征，由研究地南部向研究地北部逐漸增加，湖口位置是電導(dǎo)率最高區(qū)域，受湖泊蒸發(fā)作用影響，會(huì)導(dǎo)致湖口鹽分富集，從而出現(xiàn)蒸發(fā)損失，提高水體中的鹽分濃度，增加電導(dǎo)率。冬季受水體結(jié)冰影響，降低了水體的流動(dòng)速度，增加了水體的排放壓力，因此進(jìn)一步導(dǎo)致湖泊中的含鹽量增加，出現(xiàn)鹽化污染效應(yīng)。

根據(jù)上述研究的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步得出水環(huán)境的時(shí)空分布特征，依據(jù)水環(huán)境的時(shí)空分布特征可以及時(shí)對(duì)研究區(qū)域的湖泊進(jìn)行污染降解處理，及時(shí)修復(fù)湖泊中的污染部分，為水體環(huán)境保護(hù)提供一定的時(shí)空分布信息。

4 結(jié) 論

內(nèi)蒙古地區(qū)水環(huán)境中的氮磷分布因素、葉綠素含量因素、化學(xué)需氧量因素、電導(dǎo)率因素與水環(huán)境時(shí)空分布規(guī)律息息相關(guān)，呈線性分布，除此之外，內(nèi)蒙古地區(qū)水環(huán)境中的影響因素會(huì)受到季節(jié)影響出現(xiàn)時(shí)空分布變化，也進(jìn)一步證明當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境具有明顯的時(shí)空分布特征。研究?jī)?nèi)蒙古地區(qū)的水環(huán)境時(shí)空分布特征可以進(jìn)一步確定當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境狀態(tài)，判斷是否存在水環(huán)境污染，對(duì)后續(xù)的生態(tài)維護(hù)及環(huán)境保護(hù)有重要意義，可以作為后續(xù)水環(huán)境分析保護(hù)的參考。