袁海峰 何虎林肖云飛 陳文業(yè)談嫣蓉 吳 婷陳 旭王斌杰朱 麗邴丹琿劉鴻源
(1 甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)管護中心,甘肅 敦煌 736200;2 甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730020;3 甘肅林研科技工程公司,甘肅 蘭州 730020;4 甘肅敦煌西湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,甘肅 敦煌 736200)
關(guān)鍵字 敦煌西湖;地表水;有機污染綜合評價;綜合污染指數(shù)法
水質(zhì)評價是水環(huán)境保護管理的重要依據(jù),濕地生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)評價是衡量濕地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的重要指標(biāo)(孫清展等, 2013)。國內(nèi)外學(xué)者對濱海、濕地、湖泊和河流等水體水質(zhì)進行了大量研究(甘華陽等, 2012; 姜劉志等, 2012; 韓曦等,2012)。有效的水質(zhì)評價方法受兩方面因素的影響,一是測試數(shù)據(jù)的正確性,二是評價方法的科學(xué)性(于淑玲等, 2013)。現(xiàn)國內(nèi)外常用的水質(zhì)評價法主要包括單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、模糊評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等。
敦煌西湖濕地是荒漠戈壁重要的濕地保護區(qū),水資源極為寶貴,制約著該區(qū)域植被覆蓋,關(guān)系著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活,也關(guān)系到敦煌市經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。本文通過有機污染評價法與綜合污染指數(shù)法對敦煌西湖區(qū)域內(nèi)主要地表水水質(zhì)進行評價,為區(qū)域內(nèi)濕地資源合理利用保護提供了重要依據(jù)。
敦煌西湖國家級自然保護區(qū)位于甘肅河西走廊最西端,在甘肅、青海、新疆三省交界處,西接庫姆塔格沙漠和羅布泊,南鄰阿克塞哈薩克族自治縣,北連新疆維吾爾自治區(qū)哈密市,東離敦煌市區(qū)120 km(圖1)。地勢南高北低、平均海拔為1 138 m。保護區(qū)總面積為66.00 萬hm2,地貌特征主要為沙漠、戈壁、濕地草叢等,其中濕地面積為9.69萬hm2,占總面積的14.7%。屬溫帶大陸性極干旱荒漠氣候,冬季嚴(yán)寒,夏季酷暑,氣候干燥,降水量少,晝夜溫差較大,日照時間長(袁海峰等, 2020)。敦煌西湖自然保護區(qū)附近的主要河流有疏勒河和黨河,沼澤是匯集黨河溢出的水和多處泉水而成,玉門關(guān)沼澤、后坑子沼澤位于疏勒河故道,由于地勢低,地下水位高,地下水溢出而成。馬迷兔、灣腰墩等沼澤為季節(jié)性沼澤,春季凍土融化,地下水上升成沼澤。
水樣采集時間為2021 年3 月底,采集了研究區(qū)主要水域的水樣(圖1),在水體靜止時采集水樣,每個水域采集3 次,現(xiàn)場測定水溫、pH 值,后將水樣倒入干凈的棕色玻璃瓶中,加入固定試劑防止樣品在運輸過程的發(fā)生反應(yīng),將樣品裝入移動低溫保溫箱儲存,并在1 d 內(nèi)運送到實驗室進行分析。
圖1 研究區(qū)濕地資源分布圖Fig.1 Distribution of wetland resources in the study area
采集的水樣分別測定其pH 值、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)、溶解氧(DO)(表1)。
表1 水質(zhì)測定方法Table 1 Water quality determination method
2.3.1 有機污染綜合評價法 有機污染綜合評價法是以評價有機污染為主的一種常見的水質(zhì)評價方法(毛興華, 2006)。有機污染綜合評價方法在實際水質(zhì)評價過程指標(biāo)的選擇要視情況而定,可以根據(jù)被測地區(qū)的地質(zhì)情況、水流情況以及相關(guān)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)判斷當(dāng)?shù)氐乃w質(zhì)量。本文根據(jù)水樣DO、NH3-N、COD、BOD54 項指標(biāo)來判斷水質(zhì)。計算公式如下 :
式中:BODi是水體五日生化需氧量的實測數(shù)據(jù);CODi是水體化學(xué)需氧量的實測數(shù)據(jù);NH3-N 是氨氮實測數(shù)據(jù);DOi是溶解氧的實測數(shù)據(jù)。
A值越大表明水體有機污染越嚴(yán)重,A值越小水體有機污染越輕。一般BOD5、COD、NH3-N 越小,DO值越大,A值越小,水質(zhì)越好(馬虹等, 2002)。本次評價采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),取BOD0值 為3 mg/L、COD0值 為15 mg/L、DO0值 為6 mg/L、NH3-N0值為0.5 mg/L。
2.3.2 綜合污染指數(shù)法 綜合污染指數(shù)評價法是對各單因子指數(shù)加入等權(quán)重的水質(zhì)評價方法(畢業(yè)亮等, 2021)。其公式為:
式中:PT表示綜合污染指數(shù), 表示各指標(biāo)因子污染指數(shù)。PT≤0.5,清潔;0.5 <PT≤1.0,較清潔;1.0 <PT≤1.5,稍有污染;1.5 <PT≤2.0,中度污染;PT>2.0,重污染。
各指標(biāo)因子污染指數(shù)Pij的計算公式分非溶解氧指標(biāo)、溶解氧指標(biāo)、pH 值3 種計算方式(楊旭等, 2014)。
(1)非溶解氧污染指標(biāo)的公式為:
式中:Pij表示第i 個采樣點的第j 項指標(biāo)因子的污染指數(shù);Cij為第i 采樣點第j 項指標(biāo)的實測濃度;Sij為第i 采樣點第j 項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度。
(2)溶解氧的單項污染指數(shù)公式為:
式中 :Pij(DO)為溶解氧的單因子污染指數(shù);CDO為溶解氧的實測濃度;CfDO為飽和溶解氧的濃度 ;S0DO為與水質(zhì)污染指標(biāo)對應(yīng)的溶解氧濃度標(biāo)準(zhǔn)值。
(3)pH 值的單因子指數(shù)評價法的公式為:
式中:Pij(PH)表示 pH 值 的污染指數(shù);pHij表示pH 值的實測值;pHsd表示評價中pH 值的標(biāo)準(zhǔn)下限值;pHsu表示評價中pH 值的標(biāo)準(zhǔn)上限值。當(dāng)Pij>1 時,該項指標(biāo)超標(biāo),水體污染;當(dāng)Pij≤1 時,該項指標(biāo)未超標(biāo),水體未污染(LU et al, 2019)。
3.1.1 pH 值 pH 值是反映水質(zhì)酸堿程度的重要指標(biāo),水體pH 值的變化會影響水質(zhì)其他指標(biāo)的變化。pH 值一般范圍在6.5 ~9.5,當(dāng)pH 值過低時,會有腐蝕性,當(dāng)pH 值過高的時候,水體會有溶解鹽析出。敦煌西湖地表水水質(zhì)pH 值整體大于8.0,呈現(xiàn)弱堿性和堿性,采樣點中后坑水樣的pH 值最小為8.05,天橋墩水質(zhì)pH 值最大為9.29,水樣呈現(xiàn)堿性,鹽池、鹽池灣的水質(zhì)pH值都大于8.5,沒有滿足世界飲水標(biāo)準(zhǔn)(世界飲水pH 值范圍為7.0 ~8.5之間)(表2)。
3.1.2 NH3-N NH3-N 是水體中的營養(yǎng)素,以銨鹽的形式存在于水體之中。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析,西湖地表水中NH3-N 含量都較低,大多數(shù)水體NH3-N 含量低于0.025 mg/L,采集的水樣中只有3 個水樣NH3-N 含量大于0.025 mg/L,分別為鹽池、大馬迷兔、小馬迷兔,但NH3-N 含量還是相對較小(表2)。
表2 敦煌西湖水質(zhì)各指標(biāo)實測數(shù)據(jù)Table 2 Measured data of water quality indexes of Dunhuang West Lake
3.1.3 CODMnCODMn是反映水體中有機和無機可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo),反應(yīng)在同一條件下,氧化水樣中有機物與無機還原性物質(zhì)所用高錳酸鉀量進而反應(yīng)需氧量。根據(jù)《水質(zhì) CODMn的測定(GB 11892-89)》適用于飲用水、水源水和地面水的測定,CODMn測定范圍為0.5 ~4.5 mg/L。西湖水質(zhì)的CODMn較高,其中鹽池、土豁落、小馬迷兔、鹽池灣的CODMn更高,分別為30.6、14.2、29.22 、13.8 mg/L,說明該水體受有機質(zhì)污染(表2)。
3.1.4 TP TP 是1 L 水中含磷物質(zhì)的量,是水樣將有磷物質(zhì)變?yōu)檎姿猁}的結(jié)果。采集的水樣中大多數(shù)水樣TP 含量都小于最小測試值,土豁落水樣的TP 含量最大,為0.15 mg/L(表2)。
3.1.5 TN 水體TN 含量是衡量水質(zhì)的一個重要指標(biāo)。其指標(biāo)主要評價水體污染和自凈情況,水體中氮磷超標(biāo),大量微生物繁衍,水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化。全氮包括NO3-、NO2-和NH4+等無機氮和蛋白質(zhì)、氨基酸和有機胺等有機氮,以每升水含氮毫克數(shù)計算。采集的水體中TN 含量中大多數(shù)小于1.0 mg/L,只有灣腰墩、天橋墩、崔木土溝的全氮含量大于1.0 mg/L(表2)。
3.1.6 DO DO 是水質(zhì)自我凈化能力的依據(jù)。水體中DO 被消耗,要恢復(fù)到初始狀態(tài),所需時間短,說明該水體的自凈能力強,水體污染不嚴(yán)重。敦煌西湖水體中DO 含量均較大,說明水質(zhì)較好,自凈能力較強,其中馬圈灣的DO 最小,為5.9 mg / L(表2)。
根據(jù)水質(zhì)有機污染綜合評價法(表3、表4),研究區(qū)內(nèi)南大湖、后坑、疏勒河、灣腰墩、天橋墩、崔木土、艾山湖污染級別為0,水質(zhì)良好;馬圈灣、土豁落、大馬迷兔污染級別為1,水質(zhì)較好;鹽池灣污染級別為2,水質(zhì)評價為一般;鹽池、小馬迷兔污染級別為3,水質(zhì)評價為輕度污染。研究區(qū)水體整體水質(zhì)較好,只有鹽池與小馬迷兔A值稍大,對比測試指標(biāo)發(fā)現(xiàn),鹽池與小馬迷兔的NH3-N、COD、BOD5相比其他采樣點數(shù)據(jù)偏高。
表3 水質(zhì)指數(shù)分級表Table 3 Classification of water quality index
表4 各采樣點的水質(zhì)類別表Table 4 Water quality categories of each sampling point
敦煌西湖地表水通過水質(zhì)綜合污染指數(shù)分析表明:敦煌西湖整體水質(zhì)較好,僅鹽池、小馬迷兔水質(zhì)稍有污染 ;其他區(qū)域水質(zhì)均較好,南大湖、馬圈灣、后坑、疏勒河、灣腰墩、天橋墩、崔木土溝、艾山湖水質(zhì)清潔 ;土豁落、大馬迷兔、鹽池灣水質(zhì)比較清潔(表5)。
表5 敦煌西湖各采樣點水質(zhì)評價Table 5 Water quality evaluation of each sampling point of Dunhuang West Lake
有機污染綜合評價法與綜合污染指數(shù)法分析的評價結(jié)果相同,鹽池與小馬迷兔稍有污染,這兩處水域水質(zhì)監(jiān)測中CODMn較大,水質(zhì)較清潔的為土豁落、鹽池灣,該處水質(zhì)CODMn也較大,說明CODMn能很好地反映水體水質(zhì)情況,為后期快速了解水質(zhì)情況提供了依據(jù)。
水質(zhì)變化由多種因素共同影響,自然環(huán)境、社會環(huán)境的變化都會影響水質(zhì)變化(黎育紅等,2014)。本文通過采集敦煌西湖自然保護區(qū)主要地表水水樣,測試其主要水質(zhì)指標(biāo)并采用有機污染評價法和綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)水質(zhì)進行了綜合評價分析。鹽池、土豁落、小馬迷兔、鹽池灣4 處水樣的CODMn和CODcr都相對較高,說明該區(qū)域有機污染比較嚴(yán)重。有機污染評價法和綜合污染指數(shù)法結(jié)果顯示,該區(qū)域水域主要表現(xiàn)為水量較小,周圍野生動物活動較多,水體較為渾濁。敦煌西湖自然保護區(qū)水質(zhì)有機污染主要為天然有機質(zhì)污染,主要包括腐殖質(zhì)、微生物分泌物、溶解植物組織、野生動物的廢棄物。敦煌西湖自然保護區(qū)地表水水質(zhì)整體較好,有機污染評價法和綜合污染指數(shù)法的評價結(jié)果基本相同,表明研究區(qū)內(nèi)大多水域水質(zhì)較好,鹽池與小馬迷兔水質(zhì)較差,水域稍有污染。兩種方法評價土豁落水域較清潔,有機污染評價法表明鹽池灣水質(zhì)一般,綜合污染指數(shù)法表明鹽池灣水質(zhì)較清潔。