呂湘芳 冷冰冰 劉燚 蔣煥

摘 要：烏魯木齊河是我國(guó)西北干旱區(qū)典型內(nèi)流河，也是烏魯木齊市的重要水源地。為了解烏魯木齊河上游水體化學(xué)需氧量（COD）在不同時(shí)間尺度的變化特征，在上游上、中、下段3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面（躍進(jìn)橋、英雄橋、青年渠）開展連續(xù)6年（2014—2019年）長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，每月測(cè)定1次水體COD。結(jié)果表明：各年份之間及各監(jiān)測(cè)斷面之間的COD均具有明顯的月變化特征（2.0～13.0mg/L），但變化趨勢(shì)各不相同;上游上段躍進(jìn)橋COD（5.4mg/L）顯著低于中段英雄橋（7.04mg/L）和下段青年渠（7.03mg/L）;隨時(shí)間（年）延長(zhǎng)，各斷面及其平均COD值呈顯著下降趨勢(shì)。總體而言，烏魯木齊河上游水體COD低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）一類標(biāo)準(zhǔn)限值（≤15mg/L），且呈逐年向好趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：烏魯木齊河;化學(xué)需氧量;年際動(dòng)態(tài);月變化;水污染

中圖分類號(hào) X832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）19-0129-04

Dynamic Variation Characteristic of COD in the Upper-reaches of Urumqi River from 2014 to 2019

LV Xiangfang et al.

（Urumqi Environmental Monitoring Center Station，Urumqi 830099，China）

Abstract：The Urumqi River is a typical inland river in arid area of Northwest China，and its also an important water source of Urumqi city.In order to understand the variation characteristics of chemical oxygen demand（COD）in the upper reaches of Urumqi River at different time scales，a long-term monitoring was carried out for six years（2014—2019）at three hydrological monitoring stations（i.e.，Yuejinqiao，Yingxiongqiao，and Qingnianqu，respectively）of upper，middle，and lower sections，and the COD in water body was measured once a month.The results showed that the CODs showed obvious monthly variation characteristics（between 2.0～13.0mg/L）in different years and different monitoring stations，but the change trends were different to each other.The COD（5.4mg/L）in Yuejinqiao in the upper section of upper-reaches of Urumqi River was significantly lower than that of Yingxiongqiao（7.04mg/L）and Qingnianqu（7.03mg/L）in the middle and lower sections.With the extension of time（year），the COD value in each of the three stations and their average value both showed a significant decreasing trend.In general，the COD in water body in the upper reaches of Urumqi River is lower than the national limit standard（≤15mg/L），and it is getting better year by year.

Key words：Urumqi River;COD;Inter-annual dynamic;Monthly change;Water pollution

烏魯木齊河（Urumqi River）位于新疆天山北坡中段、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，發(fā)源于天山烏魯木齊河源1號(hào)冰川，自南向北橫穿烏魯木齊市、五家渠市，最后流入古爾班通古特沙漠南緣的東道海子，全長(zhǎng)214km，流域總面積約5000km2[1]。烏魯木齊河是一條冰雪融水、降雨及地下水混合補(bǔ)給的河流，多年平均徑流量為2.44×108m3，年最大徑流量可達(dá)3.44×108m3[2]。烏魯木齊河沿途建有烏拉泊、紅雁池、八一、猛進(jìn)等多座水庫(kù)，是烏魯木齊市居民生產(chǎn)生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源地之一[3]。

烏魯木齊河通常分為上游、中游和下游3部分，其中市區(qū)南郊烏拉泊水庫(kù)西南青年渠以上的河段稱為上游（又稱大西溝，長(zhǎng)約29km），它是保障烏魯木齊市飲用水安全的最關(guān)鍵區(qū)段[1]。隨著烏魯木齊城市化進(jìn)程加快及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，自然和人類對(duì)水資源需求的矛盾日益擴(kuò)大，水環(huán)境污染已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4]。在水資源不變的條件下，提高水資源利用效率、控制并有效降低水環(huán)境污染已刻不容緩，而對(duì)天然河流尤其是河源區(qū)域水體質(zhì)量的長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)則是實(shí)現(xiàn)這一要?jiǎng)?wù)的重要前提。

化學(xué)需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）是水質(zhì)檢測(cè)GB3838—2002國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)[5]，它是指以化學(xué)方法測(cè)量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量，具體指水體中尤其是受污染水體中能被強(qiáng)氧化劑氧化的物質(zhì)（各種有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，但以有機(jī)物為主）的氧當(dāng)量[6]。因此，COD被視為衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少及水體受污染嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)，其值越大表明水體受有機(jī)物污染越嚴(yán)重，反之則受污染較輕[7]。研究表明，COD是烏魯木齊河主要污染源之一[8]，但COD在長(zhǎng)時(shí)間梯度上如何變化（月變化和年際變化）尚不清楚。為了解烏魯木齊河上游水體COD的時(shí)間動(dòng)態(tài)特征，本研究對(duì)3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面開展了連續(xù)6年（2014—2019年）的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析探討水體COD在月份、年份及不同斷面之間的變異性和差異性，試圖找出一定的變化規(guī)律，以揭示烏魯木齊河上游水質(zhì)特點(diǎn)及其時(shí)間變異格局，并為干旱區(qū)內(nèi)流河水安全保障及河源水質(zhì)變化預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水樣采集與指標(biāo)測(cè)定 以烏魯木齊河上游青年渠（上游下段）、英雄橋（上游中段）和躍進(jìn)橋（上游上段）3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面為調(diào)查取樣點(diǎn)，每月上旬開展水體取樣工作。用500mL玻璃瓶采集水體樣品，取樣點(diǎn)距離河岸1m，取樣深度原則上距水面和河底均不小于0.3m，水位較低時(shí)則在中間水層取樣，樣品重復(fù)3個(gè)。樣品帶回烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站實(shí)驗(yàn)室，置于4℃冰箱內(nèi)冷藏，2d內(nèi)完成分析測(cè)定。

采用國(guó)標(biāo)（GB11914—1989）中的重鉻酸鹽法（CODCr）測(cè)定水體COD含量[5]。基本原理為：在強(qiáng)酸性溶液中準(zhǔn)確加入過量的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，加熱回流，將水樣中還原性物質(zhì)氧化，過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴，根據(jù)所消耗的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液量計(jì)算水樣COD。

CODCr（mg/L）=（V1–V2）×C×8000/V0[5]

式中：C為硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/L）;V1為滴定空白時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液用量（mL）;V2為滴定水樣時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液用量（mL）;V0為水樣體積（mL）;8000為1/2氧（O）摩爾質(zhì)量（g/mol）以mg/L為單位的換算值（GB11914—1989）。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各年份、各月份水體COD進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析，分別統(tǒng)計(jì)比較不同年份烏魯木齊河上游水體COD的月變化及不同監(jiān)測(cè)斷面水體COD的月變化，繪制變化曲線，計(jì)算變異系數(shù)（CV<25%為弱變異，25%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份水體COD的月變化特征 由圖1可知，2014—2019年烏魯木齊河上游各年份COD的月平均值范圍分別為5.0～13.0（2014年）、6.0～13.0（2015年）、5.0～12.0（2016年）、4.0～9.67（2017年）、3.33～11.0（2018年）和2.0～6.0mg/L（2019年）。各年份COD均具有明顯的月變化特征，但變化趨勢(shì)各不相同;COD逐年變異系數(shù)（CV）分別為31.7%、24.6%、36.8%、24.4%、43.3%和38.9%。由此可見，除2015年和2017年COD月均值的CV在25%以下外（屬于弱變異），其余4年均屬于中等變異。總體而言，烏魯木齊河上游水體COD均低于國(guó)家I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（≤15mg/L），表明烏魯木齊河上游水源地水質(zhì)優(yōu)良。

2.2 不同監(jiān)測(cè)斷面水體COD的月變化特征 將每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面每個(gè)月份6年的COD值進(jìn)行平均化后（見圖2），得到青年渠COD月平均值在4.8～9.8mg/L，其中最大值在1月，最小值在6月和7月，總體上呈“下降—升高—再下降”的趨勢(shì);英雄橋COD月平均值在4.0～9.5mg/L，其中4月最大，12月和3月最小，總體呈“下降—躍升—下降—緩升—再下降”的變化趨勢(shì);躍進(jìn)橋COD月平均值在3.25～7.0mg/L，最大值在1月，最小值在11月，中間經(jīng)歷了“降低—緩升—再降低”的過程。由此可見，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面COD月變化趨勢(shì)各不相同，但均屬于較弱變異（CV分別為21.9%、21.6%和23.1%）。

2.3 水體COD在不同年份和監(jiān)測(cè)斷面間的差異性 不同年份間COD的方差分析表明（見圖3），青年渠各年平均COD在4.11～9.91mg/L，以2015年最高，2019年最低，總體呈逐年降低趨勢(shì);英雄橋前5年COD無顯著差異（7.00～9.75mg/L），但顯著高于2019年的3.88mg/L，6年總體也呈下降趨勢(shì);躍進(jìn)橋2016—2019年COD無顯著差異（4.58～5.88mg/L），但2019年COD值最低。

對(duì)各年份3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水體COD進(jìn)行對(duì)比分析（圖4），發(fā)現(xiàn)僅2017年水體COD在3個(gè)斷面間差異顯著，表現(xiàn)為上游上段躍進(jìn)橋顯著低于中段英雄橋，其他年份各斷面差異不顯著。將每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面6年各月COD數(shù)據(jù)整合后進(jìn)行方差分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，烏魯木齊河上游下段的青年渠和中段的英雄橋COD平均值分別為7.03mg/L和7.04mg/L，顯著高于上游上段的躍進(jìn)橋（5.40mg/L），高出比例達(dá)30%。說明隨著河水逐漸往下游流動(dòng)，其水體COD呈顯著增加趨勢(shì)。盡管如此，青年渠和英雄橋COD平均值均在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）一類標(biāo)準(zhǔn)限值（≤15mg/L）50%以下，水質(zhì)優(yōu)良。

將同一年份3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各月COD數(shù)據(jù)合并后進(jìn)行方差分析（圖5A），結(jié)果顯示，2015年烏魯木齊河COD總體最高（達(dá)到9.85mg/L），而2019年總體最低（3.92mg/L），其他4年之間差異不顯著（6.46～7.65mg/L）。線性擬合表明（圖5B），隨時(shí)間（年）延長(zhǎng)，烏魯木齊河上游水體COD值呈顯著下降趨勢(shì)（y=?0.8363x+9.9076，R2=0.6639，P<0.05），表明水體有機(jī)污染物在原本較少的基礎(chǔ)上又顯著減少，說明烏魯木齊河上游水質(zhì)逐漸提升。

3 結(jié)論與討論

烏魯木齊河是我國(guó)西北地區(qū)典型的降水、冰川和地下水綜合補(bǔ)給的內(nèi)陸河。作為烏魯木齊市的母親河，烏魯木齊河承載了流域內(nèi)的自然環(huán)境和人類社會(huì)的耗水量，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1，4]。因此，如何保障烏魯木齊河的水資源安全尤其是上游的水質(zhì)安全，是保障和發(fā)展民生、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和自然環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。

河流水質(zhì)通常具有明顯的時(shí)間變化，包括月變化、季節(jié)變化和年際變化。例如，對(duì)上海市6條中小河流水體污染物連續(xù)12個(gè)月監(jiān)測(cè)表明，各指數(shù)均存在明顯的月變化，但變化趨勢(shì)各不相同，其綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)總體呈逐月增加趨勢(shì)[7]。對(duì)烏魯木齊河英雄橋水文站1958—2005年48年徑流量的年內(nèi)和年際變化規(guī)律特征的分析發(fā)現(xiàn)[9]，烏魯木齊河徑流量年內(nèi)分配不均勻，呈顯著的季節(jié)變化，而徑流量的年際變化不明顯，不存在突變特征，但存在較明顯的周期特征（顯著周期為16年、6年和3年）[10]。同樣，本研究發(fā)現(xiàn)，2014—2019年烏魯木齊河上游各年內(nèi)水體COD月變化明顯，但各年之間的趨勢(shì)均不相同，猜測(cè)可能與上述周期性變化相似，即本研究中的6年可能就處在一個(gè)變化周期內(nèi)，因此年份間的變化特征需要更長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以分析驗(yàn)證。

通過對(duì)烏魯木齊河2001—2010年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，與“十五”相比，“十一五”期間烏魯木齊河水質(zhì)明顯改善，綜合污染指數(shù)進(jìn)一步下降，躍進(jìn)橋斷面水質(zhì)類別由Ⅱ類水質(zhì)變?yōu)棰耦?，英雄橋斷面水質(zhì)類別由Ⅲ類水質(zhì)變?yōu)棰蝾怺11]。而本研究發(fā)現(xiàn)，以COD反映的烏魯木齊河水質(zhì)以上游上段為最好，上游中段和下段水體COD稍有增加，但仍低于I類水COD限制閾值（≤15mg/L）的50%[5]。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，至2019年烏魯木齊河上游水體COD逐漸降低，表明水質(zhì)得到進(jìn)一步提升，這與近年來開展的生態(tài)工程建設(shè)有密切關(guān)聯(lián)。如游牧民搬遷工程、定居工程，使得山區(qū)放牧強(qiáng)度和人類活動(dòng)大大減少，極大緩解了水土流失壓力，減少了水土和牲畜糞便對(duì)水源造成的污染[1]。此外，生態(tài)工程的實(shí)施也使得森林和草地的生態(tài)系統(tǒng)功能得到一定程度提升，增加了河源區(qū)水源涵養(yǎng)和凈化能力，提升了水源地水質(zhì)。

金兵[8]對(duì)烏魯木齊河上、中、下游水質(zhì)進(jìn)行綜合研究表明，上游與下游斷面的河水均達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，河流綜合污染指數(shù)、有機(jī)類污染指數(shù)、營(yíng)養(yǎng)鹽類污染指數(shù)隨河流向下流動(dòng)而逐漸增加，COD等有機(jī)類污染物成為主要污染源。該結(jié)果與本研究中從上游上段躍進(jìn)橋至中段和下段英雄橋及青年渠COD顯著增加的結(jié)論一致。分析表明，上游工業(yè)活動(dòng)、生活污水排放、水土流失等是造成河道污染的主要原因[12，13]。此外，水質(zhì)的好壞及其月變化與河流年徑流量也有一定關(guān)聯(lián)。相關(guān)性分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析表明，烏魯木齊河年徑流量變化主要受降水的影響[2]。烏魯木齊河上游出山口徑流量的年際變化相對(duì)穩(wěn)定，但年內(nèi)分配極不平衡，其中夏季徑流量最大，其他各月徑流量占全年不到40%[14]。本研究中夏季5—8月COD總體上較低，這可能與夏季徑流量大引起的污染物稀釋效應(yīng)有關(guān)。

與20世紀(jì)初的10年相比[11]，本研究中烏魯木齊河上游躍進(jìn)橋和英雄橋已然成為Ⅰ類水體（基于COD），且COD值逐年下降、水質(zhì)逐年提升。這表明現(xiàn)有水源地保護(hù)與水污染治理政策對(duì)烏魯木齊河的保護(hù)與治理卓有成效，但這個(gè)趨好現(xiàn)象并不代表水質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)反彈。研究表明，近10年來烏魯木齊河上游氣候趨于暖濕，可能會(huì)逐漸增大徑流量，但長(zhǎng)期會(huì)使河源冰川逐漸消退[15]。長(zhǎng)此以往，烏魯木齊河水資源承載力、水循環(huán)過程都將發(fā)生變化，山洪、泥石流及反彈的過度放牧等均可能會(huì)顯著影響水體質(zhì)量并導(dǎo)致水污染等問題發(fā)生[4]。因此，在監(jiān)測(cè)河流水體污染物指標(biāo)的同時(shí)，流域氣象環(huán)境、人類活動(dòng)等因素也應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，以更加明確地揭示河流水體COD等水體質(zhì)量指標(biāo)與地表徑流、氣候環(huán)境等因子之間的關(guān)系，為指導(dǎo)烏魯木齊河水環(huán)境科學(xué)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李曼，郭俊莉，劉煥才.烏魯木齊河流域中下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，35（3）：48-54.

[2]穆艾塔爾·賽地，熱孜燕，阿不都·沙拉木.1957—2009年烏魯木齊河徑流與氣候變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系[J].水土保持研究，2015，22（5）：289-293.

[3]王甜，蔡林鋼，牛建功，等.烏魯木齊河地表水化學(xué)組成及時(shí)空分布特征[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2017，31（3）：102-109.

[4]劉燕，劉友存，焦克勤，等.1990年以來天山烏魯木齊河上游水資源研究進(jìn)展[J].冰川凍土，2019，41（4）：958-967.

[5]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[6]畢惠珍.水質(zhì)化學(xué)需氧量（COD）的快速測(cè)定方法[J].環(huán)?？萍迹?012，18（1）：31-33.

[7]馬明海，黃民生，胡偉，等.上海市6條中小河道水質(zhì)月動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及解析[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，2015（2）：30-39.

[8]金兵.烏魯木齊河水質(zhì)特征分析[J].地下水，2017，39（2）：63-64.

[9]徐福剛.烏魯木齊河流域出山徑流量長(zhǎng)期變化特征與周期分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，15（24）：110-112.

[10]劉友存，劉志方，郝永紅，等.基于交叉小波的天山烏魯木齊河出山徑流多尺度特征研究[J].冰川凍土，2013，35（6）：1564-1572.

[11]王靈，鄭江，楊永紅，等.烏魯木齊河水環(huán)境質(zhì)量及變化趨勢(shì)分析[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，26（3）：145-148，192.

[12]崔曉雨.主成分分析法在烏魯木齊河水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水資源開發(fā)與管理，2017（10）：25-27.

[13]丁玲，王國(guó)朝，張晨.烏魯木齊河水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2010，24（4）：226-230，244.

[14]麥麥提敏·庫(kù)德熱提，阿不都·沙拉木，熱紫艷.近50年烏魯木齊河上游出山口徑流變化特征及原因分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，21（4）：49-53.

[15]祖拜代·木依布拉，師慶東，普拉提·莫合塔爾，等.基于SWAT模型的烏魯木齊河上游土地利用和氣候變化對(duì)徑流的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38（14）：5149-5157. （責(zé)編：徐世紅）