2015—2019洱海COD變化特征及影響因素研究

奚滿松 沙鳳兮 劉艷萍 李煒 徐倩

摘 要：通過開展洱海及主要入湖河流溝渠水質監測并應用Mann-Kendall趨勢檢驗法、Morlet小波等方法分析洱海湖區COD變化特征。結果發現，洱海湖區的COD歷史趨勢具有較為明顯的年際和年內變化特征，洱海湖區的COD在近年來由下降趨勢轉變為上升趨勢，突變發生在2017—2018年。在此期間入湖COD負荷、氣象條件均未發生突變，洱海湖區COD與入湖COD負荷相關性逐漸降低，與葉綠素和浮游植物相關性升高，反映出洱海COD趨于受內源影響。

關鍵詞：化學需氧量；變化特征；突變檢測；葉綠素a；洱海

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）01-000-07

0 引言

湖泊的富營養化趨勢一直是全球最為突出的水環境問題之一[1]。伴隨著我國城鎮化和工業化高速發展，水環境污染及其造成的危害日益威脅著國民的身體健康和社會的可持續發展[2-4]。洱海是云貴高原湖區內處于“富營養化初期”階段的典型湖泊，作為全國城市近郊保護最好的湖泊之一[5-6]，

1996—2016年湖區水質出現惡化趨勢，藻華時有發生[7-8]。多年來，隨著大理州全面統籌推進對洱?！八闹我痪W”“六大工程”“七大行動”和“八大攻堅戰”等一系列保護治理，洱海水質改善取得階段性成效，外源污染負荷得到明顯削減，長期影響洱海水質類別的氮、磷營養鹽指標得到相對控制，有效遏制了洱海富營養化發展趨勢，洱海水質下滑趨勢得到了初步控制。洱海的總磷和總氮雖得到相對控制，但以COD和高錳酸鹽指數為代表的有機污染物濃度，全湖均值在I、II類和III類水質分界線上下徘徊，成為影響洱海水質的主要因素。目前，開展洱海富營養化研究主要針對氮磷指標，王永美、管玉瑩、趙海超

等[9-15]僅對洱?；瘜W需氧量CDOM吸收光譜特征變化趨勢開展簡單的分析，有機污染物的相關研究甚少。因此，本研究結合洱海湖區水體加密監測和入湖河流污染負荷監測數據，對洱海湖區COD、入湖河流COD、湖區藻源性進行了分析和研究，并初步判斷了洱海湖區COD的來源。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

洱海是云南省第二大高原湖泊，屬瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶。洱海流域面積2565 km2，湖面高程1966 m時庫容為29.59億m3，湖面面積252 km2，湖岸線全長129 km，洱海南北長42 km，東西寬3～9 km，最大水深21.3 m，平均水深10.8 m[16]。洱海屬瀾滄江-湄公河水系，徑流區有大小河流、溝渠117條，主要入湖河流有27條，出湖口有2個（西洱河、引洱入賓工程）。

1.2 材料與方法

1.2.1 采樣點布設

洱海湖區共設置19個采樣點，將湖面劃分為19個片區，分別對表層水體（距水面0.5 m）與底層水體（距水底0.5 m）采樣。洱海主要入湖河流、溝渠共設置61個采樣點，采樣點主要布設在27條主要入湖河流和20條重要溝渠入湖口以及重點河流上游區域。采樣點位置見圖1。

1.2.2 主要數據來源及測定方法

本研究中洱海湖區COD變化趨勢的時間為2004—2020年，總氮、總磷和葉綠素a采用數據的時間均為2015年1月—2019年12月。入湖河流主要水質指標變化趨勢（總氮、總磷和COD采用數據的時間尺度均為2015年1月—2019年12月），洱海湖區19個采樣點、入湖河流及重要溝渠61個斷面水質指標數據數據來源于上海交通大學云南（大理）研究院，采樣具體點位見表1、表2。實驗室測定5項指標：總氮、總磷、化學需氧量、高錳酸鹽指數、葉綠素a。日照時長、降雨量和溫度采用數據的時間均為2015年1月—2019年12月，數據來源于大理白族自治州人民政府官方網站大理白族自治州2015—2019年度氣候公報。

1.2.3 主要研究方法

本研究中應用SPSS、Mann-Kendall、Morlet小波、Origin對洱海流域近年來測定的相關指標進行分析，通過對2015—2019年的洱海水質指標、入湖河流水質、氣候因素和洱海湖區的相關性分析為COD的變化趨勢做出解釋。對于部分缺失數據使用相鄰值的中位數代替，缺失數據較多月份暫不做處理。

2 結果與分析

2.1 洱海湖區COD歷史變化趨勢

本研究分析了2004年1月—2020年8月洱海湖區的COD值變化趨勢（見圖2），洱海湖區的COD歷史趨勢具有較為明顯的年際和年內變化特征。從年際變化來看，2004—2012年COD年均值波動幅度較大，其間COD最大值出現在2006年4月，達到26.46 mg/L，最低值出現在2006年9月，為7.18 mg/L。2013—2016年COD值為稍低水平，平均值為13.64 mg/L；2016年后，COD值明顯高于2013—2016年水平；2018—2019年的COD平均值為15.63 mg/L。從年內變化來看，洱海湖區COD峰值多出現在7、8、9月，谷值在12、1、2、3、4月均有出現過。

2.2 洱海湖區COD突變檢測

利用Mann-Kendall法分析2011—2019年洱海湖區年平均COD值序列的變化趨勢（見圖3）。在2011—2018年內UF值始終＜0，2011—2015年的洱海湖區年平均COD值下降較為平緩，而2015—2016年內的UF值超過0.05臨界線（u0.05=-1.96），降低趨勢達到0.05的顯著性水平，表明洱海湖區年平均COD值在這一時期的下降趨勢是十分明顯的。2018年后，UF值開始＞0，洱海湖區年平均COD值呈現出一種上升趨勢。根據UF和UB曲線交點的位置，2017—2018年為年平均COD值的上升突變點。

2.3 洱海湖區COD序列周期提取

采用Morlet小波對2004—2019年洱海湖區月平均COD值獲得小波系數圖譜（見圖4）。以12—24個月的時間跨度（時間尺度）為周期，發生明顯的高低循環變化，呈現振蕩之處可以分辨出奇異點，在時間尺度為5左右的2006年內出現了最大值，這表明2006年前后洱海湖區月平均COD值發生了最強的振動。2004—2011年的洱海湖區月平均COD值振蕩幅度較大，與2015—2019年的變化結構相比，其變化更加劇烈，但2015—2019年的振蕩頻率（時間尺度）更大。

2.4 洱海湖區COD主成分分析

2.4.1 洱海湖區水質指標主成分和入湖河流水質分析

通過Origin對2015年、2016年、2018年、2019年洱海湖區COD與湖區水質指標主成分和入湖河流水質指標分析（見圖5和圖6），洱海湖區水質指標主成分主成分PC1的貢獻率分別為53.1%、52.9%、63.5%、62.2%，PC2貢獻率分別32.5%、25.9%、19.6%、14.8%，總貢獻率分別為85.6%、78.8%、83.1%、77%。入湖河流水質主成分PC1的貢獻率分別為55.1%、56.9%、56.6%、59.9%，PC2貢獻率分別19.9%、20.1%、31.3%、31.3%，總貢獻率分別為75%、56.6%、87.9%、91.2%。結果顯示，2018年和2019年洱海湖區COD與總磷、總氮、總溶解有機氮和氨氮有強烈的正相關關系，與葉綠素a、浮游植物和正磷酸鹽則有較為強烈正相關關系，與溶解氧存在一定程度的負相關關系。洱海湖區COD與入湖河流可溶性磷、總磷的正相關關系較為強烈，氨氮也在一定程度上有正向促進作用，但不如磷元素的強烈。

2.4.2 洱海湖區COD與洱海流域自然因素主成分分析

通過Origin對2015年、2016年、2018年、2019年的洱海湖區COD與自然因素相關指標（降雨量、溫度和日照時長）進行主成分分析（見圖7），主成分PC1的貢獻率分別為49.8%、78.8%、83.3%、85.2%，PC2貢獻率分別30.7%、13.6%、13.4%、9.2%，總貢獻率分別為80.5%、92.4%、96.7%、94.4%。結果顯示，洱海湖區的COD與溫度、降雨量有一定的正相關關系，與日照時長則有較為明顯的負相關關系。

2.5 洱海湖區、入湖河流及自然因素對COD的影響關系探究

根據圖8示結果分析，入湖洱海湖區及入湖河流COD值都存在明顯的季節性變化，與自然因素（降雨、日照、溫度）和人類活動、植物在不同季節的生長繁殖有關，入湖河流COD峰值多出現在3—6月，洱海湖區的COD峰值多出現在7—9月。2019年47個入湖河流/溝渠斷面COD入湖負荷共計達到4477 t，2020年COD入湖負荷增加了31.6%。然而洱海湖區COD均值從2019年的15.9 mg/L降至2020年的15.4 mg/L。

2.6 洱海藻類變化趨勢

通過SPSS對洱海湖區2018—2019年的藻類個數進行時間序列圖的繪制（見圖5、圖6），結果顯示：在7—9月是2018年藻類個數和葉綠素a較高的一段時期，藻類細胞數和葉綠素a的峰值分別為3268.4萬個/L和0.02 mg/L，谷值在12月出現；2019年藻類個數的峰值在8月出現，為3141.3萬個/L，谷值在12月出現，為884.6萬個/L，葉綠素a的峰值出現在6月，為0.019 mg/L，谷值出現在12月，為0.009 mg/L，高于2018年的谷值。整體而言，2018—2019年的藻類個數基本在平均值上下波動，2019年的藻類個數和葉綠素a有小幅度上升，這與藻類個數這一時期的變動狀態一致。

3 討論

（1）氮磷營養鹽是指示水體營養狀態的良好指標，氮磷營養鹽的升高會促進浮游植物的生長，從而影響水體中的 COD 水平。氮磷元素對于洱海湖區COD的正向影響易于理解，其氮磷元素提供了水體當中浮游植物的營養，總磷升高促進了藻類增殖，并進而釋放出內源性的有機質，這與浮游植物和葉綠素a對于洱海湖區COD的正相關關系表現一致。

（2）2015年、2016年、2018年和2019年入湖COD負荷、氣象條件均未發生突變，但洱海湖區COD受降雨量和溫度的正向促進作用，而跟日照時長表現出負相關關系。降雨量的正向影響可能與降雨量帶來的大量有機質外源輸入有關，溫度的正向影響則可能是伴隨著微生物、浮游植物等的旺盛生長，湖體中有機質組分增加。日照時長較高的時間段多在冬春季節，這可能暗示日照時長并不是引起洱海湖區COD變化的原因，而只是剛好在這一時間段日照時長和COD有相反的特征，因為冬春季節的浮游植物、微生物等生長繁殖緩慢，且這一時段溫度較低，從而引起洱海湖區COD也較低。

4 結論

近年來洱海湖區和入湖河流的COD值都存在明顯的季節性變化，具有季節性、滯后性、異勢性三個特征。入湖河流COD峰值多出現在3—6月，洱海湖區的COD峰值多出現在7—9月，年季間沒有明顯的升高和下降趨勢。2017年之后洱海湖區的COD值有明顯的升高趨勢，突變發生在2017—2018年，在此期間入湖COD負荷、氣象條件均未發生突變。2018年之后，洱海湖區COD與入湖COD負荷相關性降低，與葉綠素和浮游植物相關性升高，湖區的COD由原本的多種因素共同作用，逐漸轉變為葉綠素a的主導作用，洱海湖區近年來COD的升高與浮游植物的生長關系緊密，反映出洱海COD趨于受內源影響。

參考文獻：

[1] Schindler DW.The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes[J].Proceedings of the Royal Society B：Biological Sciences， 2012（279）：4322-4333.