何 瑩，祁云寬

(玉溪市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究所，云南 玉溪 653100)

前 言

星云湖位于滇中，是支撐玉溪市江川區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要自然資源，影響著居民的生產(chǎn)生活。1990年以來，星云湖受農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村居民生活及磷礦開采磷化工企業(yè)生產(chǎn)活動等影響[1]，湖泊水質(zhì)變差、富營養(yǎng)化程度加重[2]，氮、磷及有機污染問題突出，且因流域內(nèi)來水量有限、水資源短缺[3]，湖泊水生態(tài)功能也逐漸減退。近年來，隨著多項湖泊保護治理工作的實施推進(jìn)，星云湖水質(zhì)得到初步改善，但仍存在截污治污體系不完善、生態(tài)水量無法保證、藍(lán)藻水華爆發(fā)等問題[4]，星云湖水質(zhì)穩(wěn)定持續(xù)向好依然面臨較大壓力?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)星云湖對氣候變化響應(yīng)較為敏感[5]，季節(jié)變化影響著湖泊水體的物質(zhì)循環(huán)[6]，季風(fēng)和降雨均可能導(dǎo)致湖泊水質(zhì)的季節(jié)性差異[7]。但目前，關(guān)于星云湖水質(zhì)季節(jié)性波動及影響因素的系統(tǒng)研究較為缺乏。因此，本文根據(jù)星云湖近三年的水環(huán)境資料，結(jié)合地區(qū)季節(jié)氣候特點，系統(tǒng)分析星云湖旱雨季水質(zhì)變化特征及影響因子，并提出相應(yīng)對策建議。

1 研究背景與方法

1.1 研究區(qū)域介紹

星云湖為高原斷層陷落淺水湖泊，位于云南省玉溪市江川區(qū)境內(nèi)，屬珠江流域南盤江水系(圖1)，具有工農(nóng)業(yè)用水、調(diào)蓄、防洪、旅游等功能[8]。湖體南北長 9.09km；平均寬3.80km、東西最大寬4.73km、最窄2.30km；平均水深6.01m、最大水深10.81m。根據(jù)2019年修訂的《云南省星云湖保護條例》[9]，星云湖最高運行水位為 1723.35m(1985國家高程基準(zhǔn))，最低運行水位為1721.65m。當(dāng)湖面達(dá)1723.35m高程時，湖面面積34.33km2，蓄水量為2.0981億m3，湖岸線長38.80km。歷年湖泊最高水位1723.11m，最低為1720.56m，最大變幅為2.55m，年內(nèi)水位變化0.73～1.68m[10]。

星云湖所處地區(qū)屬典型的亞熱帶半濕潤高原季風(fēng)氣候，多年平均氣溫約為15.9℃；平均降雨量863.1 mm，年降雨量496.8～1220.6 mm，雨季主要集中于5～10月[11]。湖水補給主要靠地表徑流和湖面降水，徑流區(qū)枯水期降水量占全年降水量的16%左右，汛期占84%左右[10]。

圖1 星云湖位置及流域水系和監(jiān)測點示意圖Fig.1 Diagram of location，drainage system and monitoring points of Xingyun Lake

1.2 研究分析方法

本文分析采用星云湖2019～2021年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，引用數(shù)據(jù)來源于云南省生態(tài)環(huán)境廳駐玉溪市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，監(jiān)測點位分別為湖心、螺螄鋪、李家灣，評價標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，各項水質(zhì)指標(biāo)均采用全湖算術(shù)平均值；降雨數(shù)據(jù)來源于玉溪市年鑒。

結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鳎?～10月劃分為雨季，1～4月、11～12月為旱季，各項水質(zhì)指標(biāo)旱、雨季濃度采用對應(yīng)月份的平均值。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算評價參照《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》(總站生字[2001]090號)；水質(zhì)綜合污染指數(shù)選取六項指標(biāo)濃度計算：高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮。相關(guān)性分析采用IBM SPSS Statistics軟件的Spearman模型進(jìn)行計算。

水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算公式：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCOD)

式中，TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為j參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為j參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；各指標(biāo)以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，rij為j參數(shù)與Chl-a的相關(guān)系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)；TLI(Chl-a)、TLI(TP)、TLI(TN)、TLI(SD)、TLI(COD)分別為葉綠素a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Chl-a的單位為mg/m3，SD單位為m，其余指標(biāo)單位均為mg/L。營養(yǎng)狀態(tài)分級：TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)，30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)，TLI(∑)>50為富營養(yǎng)，5070為重富營養(yǎng)。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計算公式：

式中，P為水質(zhì)綜合污染指數(shù)；pi為i污染物的污染指數(shù)；n為污染物的種類(本文中n為6)；Ci為i污染物實測濃度平均值；Si為i污染物評價標(biāo)準(zhǔn)值(本文中以水功能Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計算)。

2 星云湖水體水質(zhì)變化情況

2.1 星云湖年度水質(zhì)變化

星云湖2019年水質(zhì)綜合類別為劣Ⅴ類，重度污染，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為66.3；2020年水質(zhì)綜合類別為Ⅴ類，中度污染，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為65.0；2021年水質(zhì)綜合類別為Ⅴ類，中度污染，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為62.9。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐年遞減，星云湖總體水質(zhì)逐年好轉(zhuǎn)。

2.2 主要水質(zhì)變化趨勢分析

2019～2021年，星云湖綜合水質(zhì)類別在Ⅴ類和劣Ⅴ類波動(圖2)。其中，2019年2月綜合水質(zhì)類別為Ⅴ類，其余月均為劣Ⅴ類；2020年星云湖1～4月、11～12月水質(zhì)均為Ⅴ類，5～10月均為劣Ⅴ類；2021年全年各月星云湖均保持Ⅴ類水質(zhì)。2019～2020年星云湖Ⅴ類水質(zhì)均出現(xiàn)在旱季，劣Ⅴ類水質(zhì)出現(xiàn)在雨季，旱雨季水質(zhì)差異明顯。

圖2 2019～2021年星云湖綜合水質(zhì)類別變化趨勢Fig.2 Variation trend of comprehensive water quality in Xingyun Lake from 2019 to 2021

2.2.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

2019～2021年星云湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)各月值范圍在58.7～73.7之間(圖3)，最高值出現(xiàn)在2019年8月(雨季)，最低值出現(xiàn)在2020年3月(旱季)。

從各年內(nèi)來看，2019年星云湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高值73.7出現(xiàn)于8月(雨季)，最低值61.1出現(xiàn)于1月(旱季)；2020年，最高值69.2出現(xiàn)于10月(雨季)，最低值58.7出現(xiàn)于3月(旱季)；2021年，最高值67.0出現(xiàn)在9月(雨季)，最低值59.6出現(xiàn)于12月(旱季)。

圖3 星云湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐月變化趨勢Fig.3 Monthly variation trend of comprehensive nutrient status index in Xingyun Lake

從旱雨季來看，2019～2021年星云湖雨季綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均值均大于旱季。其中，2019年星云湖雨季綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)比旱季高出7.8個百分點，2020年雨季比旱季高出8.3個百分點，2021年雨季比旱季高出6.2個百分點。

2.2.3 綜合污染指數(shù)

星云湖綜合污染指數(shù)在2019～2021年期間呈逐年下降的趨勢(圖4)，各年內(nèi)數(shù)值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。三年中，星云湖綜合污染指數(shù)范圍在1.01-2.84范圍內(nèi)波動，其中2019年8月的值最高(雨季)，2020年3月最低(旱季)。

黑龍江石油油品樹立“向市場要份額，向競爭要銷量、要效益”的理念，主動競爭市場攻堅；非油品樹立“非油主營”理念，做實門店和“店外店”銷售，探索非油營銷新業(yè)態(tài)，持續(xù)向現(xiàn)代化綜合服務(wù)商轉(zhuǎn)型。

從各年內(nèi)來看，2019年星云湖綜合污染指數(shù)最高值2.84出現(xiàn)在8月(雨季)，最低值1.44出現(xiàn)在2月(旱季)；2020年，最高值1.81出現(xiàn)在6月(雨季)，最低值1.01出現(xiàn)在3月(旱季)；2021年，最高值1.49出現(xiàn)在9月(雨季)，最低值1.11出現(xiàn)在3月(旱季)。

以旱雨季對比來看，2019～2021年星云湖雨季綜合污染指數(shù)平均值均大于旱季。2019年星云湖雨季綜合污染指數(shù)比旱季高54.3%，2020年雨季比旱季高34.6%，2021年雨季比旱季高20.0%。雖然星云湖綜合污染指數(shù)旱雨季的差距在逐年縮減，但旱雨季的水質(zhì)污染差別仍為明顯。

綜上，星云湖雨季水質(zhì)普遍劣于旱季，各年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和綜合污染指數(shù)的最高值均出現(xiàn)在雨季，最低值均出現(xiàn)在旱季，且各年平均值均表現(xiàn)為雨季大于旱季，且差異明顯(圖5)。

圖4 星云湖綜合污染指數(shù)逐月變化趨勢Fig.4 Monthly variation trend of the comprehensive pollution index of Xingyun Lake

圖5 星云湖旱雨季平均綜合營養(yǎng)指數(shù)、綜合污染指數(shù)對比Fig.5 Comparison of average comprehensive nutrient index and comprehensive pollution index in Xingyun Lake during dry and rainy season

3 分析討論

星云湖旱雨季污染差異，其原因主要包括入湖河流污染負(fù)荷[10]、湖泊水位[12]、水溫季節(jié)性變化[13]及底泥內(nèi)源釋放[14]等多方面。

3.1 主要入湖河流污染

主要入湖河流既是保證湖泊水位的重要補給，也是攜帶污染入湖的最大隱患，尤其在雨季，雨水沖刷會大大增加入湖污染[11]。

從星云湖所在地區(qū)(江川區(qū))2019～2021年降雨量來看(圖6-圖7)，每年自4月起，降雨大幅度增加，10月后降雨減少，全年最大降雨量集中于6～8月。區(qū)域內(nèi)各年雨季降雨量約為旱季降雨量的3～4倍，2019年、2021年雨季降雨量均為旱季的3.61倍，2020年雨季降雨量為旱季的3.93倍。

從8條主要入湖河流來看(圖8～圖10)，2019年有6條入湖河流雨季綜合污染指數(shù)高于旱季，占比達(dá)75%，分別大龍?zhí)逗?、大莊河、螺螄鋪河、學(xué)河、漁村河及周德營河；2020年有5條入湖河流雨季綜合污染指數(shù)高于旱季，占比為62.5%，分別為大龍?zhí)逗印|西大河、學(xué)河、漁村河及周德營河；2021年除周德營河無水無監(jiān)測數(shù)據(jù)外，有6條入湖河流雨季綜合污染指數(shù)高于旱季，占比為75%，分別為大街河、大龍?zhí)逗?、大莊河、螺螄鋪河、學(xué)河及漁村河。每年均有一半以上的主要入湖河流雨季污染大于旱季，與星云湖綜合污染指數(shù)旱雨季差異表現(xiàn)一致。

結(jié)合降雨和河流污染分析，星云湖流域雨季降雨強度大、且降雨時間較為集中，增加了雨水沖擊污染入湖的風(fēng)險。當(dāng)雨季來臨，強降雨使得地表徑流增大，陸面污染沖刷入河，入湖河流污染加重，河水?dāng)y帶污染入湖，直接影響著湖體水質(zhì)。

圖6 2019～2021年星云湖所在地區(qū)降雨情況Fig.6 Rainfall in the area of Xingyun Lake from 2019 to 2021

圖7 星云湖旱雨季平均降雨量對比Fig.7 Comparison of mean rainfall during dry and rainy seasons in Xingyun Lake

圖8 2019年主要入湖河流旱雨季綜合污染指數(shù)對比Fig.8 Comparison of comprehensive pollution index of major rivers during dry and rainy seasons in 2019

圖9 2020年主要入湖河流旱雨季綜合污染指數(shù)對比Fig.9 Comparison of comprehensive pollution index of main rivers during dry and rainy seasons in 2020

圖10 2021年主要入湖河流旱雨季綜合污染指數(shù)對比Fig.10 Comparison of comprehensive pollution index of major rivers during dry and rainy seasons in 2021

3.2 湖體水位水溫季節(jié)性變化

水位和水溫是湖泊重要水文特征，水位和水溫的波動變化影響著湖泊水生態(tài)功能和水化學(xué)過程，進(jìn)而對水質(zhì)產(chǎn)生影響[14]，故結(jié)合星云湖水位、水溫變化，分析二者對湖泊水質(zhì)的影響。

從水位來看(圖11)，2019～2021年星云湖全湖年均水位逐年上升，其中2019年各月總體水位較低，全年平均水為1722.67m；2021年平均水位最高，為1723.10m。2019～2021年自3月起水位呈下降趨勢，分別于雨季6月、7月達(dá)到最低水位，旱季1月、10月、12月達(dá)到最高水位。水位變化的主要影響因素包括入湖流量、蒸發(fā)量及降雨量[15]，當(dāng)湖泊水體蒸發(fā)量大于降雨和徑流的補給時，可能出現(xiàn)即使降水量增加、湖泊水位也下降的現(xiàn)象。

圖11 2019～2021年星云湖水位各月變化情況Fig.11 Monthly variation of water level in Xingyun Lake from 2019 to 2021

從水溫來看(圖12)，2019～2021年星云湖全湖平均水溫逐年下降，其中2019年總體平均水溫較高，全年平均水溫為19.98℃；2021年平均水溫最低，為19.31℃。自每年2月、3月起，星云湖水溫隨著氣溫的升高而上升，雨季7月、8月水溫最高，旱季1月、2月水溫最低。

為深入了解星云湖水位、水溫變化與湖泊水質(zhì)的相關(guān)性及相關(guān)程度，我們做了相關(guān)性分析(如下表所示)。分析發(fā)現(xiàn)，2019年湖體水位和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，這與前人[16]研究結(jié)果一致；2019～2021年湖體水溫與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合污染指數(shù)均為顯著正相關(guān)，與相關(guān)研究[17]結(jié)果一致。但水位變化的影響僅體現(xiàn)在污染較嚴(yán)重的2019年。這是由于近年來星云湖水位恢復(fù)，持續(xù)保持高水位運行，水體自凈能力增強，促進(jìn)水質(zhì)進(jìn)一步改善。2015年后流域降水形勢的好轉(zhuǎn)，星云湖水位逐漸恢復(fù)正常水位，在2020年8月之后到2021年，星云湖平均水位保持在較高水位運行，年均值高于往年汛限，相應(yīng)湖容水量增多，湖體自凈能力增強。因此，高水位時，星云湖水質(zhì)指數(shù)與水位的相關(guān)性并不顯著。2019～2021年水溫均和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及綜合污染指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，可見旱雨季水溫變化對水質(zhì)影響較大。流域內(nèi)雨季正處夏季，夏季溫度升高可能從內(nèi)源釋放、藻華等多方面加快污染物的遷移轉(zhuǎn)化，具體在3.3中進(jìn)行討論。

圖12 2019～2021年星云湖水溫各月變化情況Fig.12 Monthly variation of water temperature in Xingyun Lake from 2019 to 2021

表 2019～2021年星云湖湖體水位、水溫與主要污染指標(biāo)相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計Tab. Statistics of correlation coefficients between lake water level，water temperature and main pollution indicators in Xingyun Lake from 2019 to 2021

3.3 其他可能因素

湖體水質(zhì)季節(jié)性變化還可能受到內(nèi)源釋放污染[18]、藻華[19]及水動力擾動[20]等方面影響。

星云湖為淺水湖泊，內(nèi)源釋放也是不可忽視的污染來源?；诘萚21]對同樣淺水湖泊的杭州西湖中底泥釋放強度研究發(fā)現(xiàn)，高溫期內(nèi)源釋磷強度的增大是導(dǎo)致湖泊總磷升高的主要原因。星云湖流域內(nèi)雨季正處于夏季，溫度升高會增加水中有機質(zhì)的分解，加強浮游植物殘體和其他固體物質(zhì)在深層的氧化礦化，耗氧增多，沉積物中磷釋放的風(fēng)險增加[18，22]，從而加重湖泊水質(zhì)污染。

由于星云湖是藻型湖泊，季節(jié)變化、溫度上升為藻類提供了適宜的生長環(huán)境。水溫是藻類光合作用的重要條件，影響著藻細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)速率、合成代謝、呼吸強度等生理及繁殖過程，從而影響著藻類生長及生物量累計[19]。雨季強降雨的發(fā)生可能導(dǎo)致藻類群落多樣性和豐富度上升[23]。當(dāng)藍(lán)藻水華暴發(fā)，會致使水體理化特性發(fā)生改變，藻類在水體中光合作用增強，不斷消耗水體中碳酸根和碳酸氫根，促使水體pH值升高，加快沉積物中蓄積的磷活化析出；同時，藻類的大量積聚壞死會釋放氨氮、磷、化學(xué)需氧量等營養(yǎng)物，進(jìn)一步加劇水體富營養(yǎng)化。

此外，雨季降雨和風(fēng)力造成的水動力擾動也是造成湖泊水質(zhì)波動的重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，強風(fēng)對淺水型湖泊影響較大，強風(fēng)可能引起磷的爆發(fā)釋放在太湖地區(qū)頻繁發(fā)生[20]。風(fēng)波擾動驅(qū)動的動態(tài)釋放可能是磷內(nèi)部釋放的主要方式[24]，當(dāng)?shù)乇盹L(fēng)速過大時，強風(fēng)可能導(dǎo)致水體總磷濃度是平時的兩倍[25]，湖泊底泥上翻出現(xiàn)密集懸浮現(xiàn)象，且固體懸浮物的大小隨風(fēng)速的增大而增大，湖泊水體的透明度無法保證。

湖泊水質(zhì)季節(jié)性變化是多因素共同作用的結(jié)果。但由于目前星云湖水質(zhì)與內(nèi)源釋放、藻華及水動力擾動的相關(guān)研究缺乏，對星云湖水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)無法量化，需在今后開展專項課題研究。

4 結(jié)論及建議

近年來，湖泊水生態(tài)保護治理力度加大，星云湖水質(zhì)逐漸向好，但旱雨季水質(zhì)差異明顯。

(1)星云湖雨季水質(zhì)普遍要劣于旱季水質(zhì)，劣Ⅴ類水質(zhì)大多出現(xiàn)在雨季；星云湖全湖雨季綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和污染指數(shù)均大于旱季，且各年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和污染指數(shù)的最高值均出現(xiàn)在雨季，最低值均出現(xiàn)在旱季。

(2)雨季流域內(nèi)降雨量大幅度增加，降雨時間較為集中，強降雨使地表徑流增大，陸面污染沖刷入河，50%及以上的主要入湖河流雨季綜合污染指數(shù)高于旱季，河水補給湖泊或泄洪會攜帶污染入湖，直接影響著星云湖湖體水質(zhì)。

(3)星云湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和綜合污染指數(shù)與湖泊水溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，2019年星云湖的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)還與湖泊水位呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。雨季水溫的上升對水質(zhì)影響較大。

因此，為了星云湖水質(zhì)的不斷提升和維系，針對以上結(jié)論提出幾點建議：

(1)加強源頭治污，堅決防止星云湖水質(zhì)變差返劣。針對區(qū)域降雨特點，突出工作重點，制定可行方案，切實做好調(diào)蓄帶、入湖河流和湖外農(nóng)業(yè)循環(huán)用水工程的有效管理，杜絕污水入湖。

(2)優(yōu)化水資源配置，持續(xù)提高清水入湖量，保證生態(tài)流量補給。雨季是全年中生態(tài)流量補給的關(guān)鍵季節(jié)，需開源節(jié)流并重，既要阻斷污染也要保障補給水量。在雨季來臨前，及時對河道進(jìn)行排污清淤，提高水系連通性。提高農(nóng)業(yè)灌溉水的利用效率，減少農(nóng)業(yè)活動對流域內(nèi)生態(tài)流量的影響。同時定期開展水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)工作。水位保證和生態(tài)穩(wěn)定，協(xié)同提高湖泊自凈能力。

(3)開展針對內(nèi)源釋放、水動力擾動、藻華控制等相關(guān)基礎(chǔ)性研究，為精準(zhǔn)治湖提供更科學(xué)的依據(jù)和支撐。研究多因子對湖泊水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)率，因地制宜地出臺相應(yīng)措施，控制藻華爆發(fā)，減輕底泥釋放，預(yù)防水動力擾動影響，以全面提高湖體水質(zhì)。