(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽 550001；2.貴州科學(xué)院，貴陽 550009)

1 研究背景

草海是貴州境內(nèi)最大的淡水天然湖泊，在當(dāng)?shù)氐淖匀缓蜕鐣?huì)環(huán)境中有著舉足輕重的地位。草海自然保護(hù)區(qū)由濕地、農(nóng)田和森林3個(gè)生態(tài)系統(tǒng)以及村鎮(zhèn)聚落環(huán)境組成，獨(dú)特的氣候資源配之以高原湖泊風(fēng)光使其被視為生態(tài)、民俗旅游的理想境地，也被譽(yù)為“世界十大最佳觀鳥區(qū)之一”。但隨著人類活動(dòng)的增加，草海的污染日益嚴(yán)重，草海自然保護(hù)區(qū)96 km2范圍內(nèi)居住著約3萬人口，而人均耕地不足667 m2，有些村寨人均耕地甚至不足334 m2。多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示草海水質(zhì)富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重，并有日益增加的趨勢；水下部分的蘆葦和水草每年腐敗沉落后，在湖底形成強(qiáng)烈的生物淤積，造成湖水二次污染，并且湖底每年都在抬高，沼澤化趨勢明顯[1-2]。在此情況下，改善草海水環(huán)境狀況刻不容緩，草海水質(zhì)污染控制也是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

掌握水質(zhì)污染物的時(shí)空分布特征，是制定有效的污染控制方案的前提基礎(chǔ)。在草海流域中，已經(jīng)進(jìn)行了一些有關(guān)污染物的時(shí)空變化特征的研究。例如，周晨等[3]運(yùn)用水質(zhì)綜合評價(jià)和GIS空間分析方法，研究草海濕地水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化。相對而言，在我國其他流域，進(jìn)行這些類似的水質(zhì)時(shí)空分布特征研究較多。其中包括了對云南[4-7]、青藏高原[8]、湖南[9]、山西[10]、山東[11]、河南[12]等地的研究。例如：朱琳等[4]對2013—2015年武水河流域7個(gè)監(jiān)測斷面的11個(gè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示武水河水質(zhì)時(shí)空分布差異性；程學(xué)寧等[5]對閩江19個(gè)監(jiān)測斷面8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行時(shí)空聚類，分析了時(shí)空背景下的閩江水質(zhì)變化特征；等等。即便如此，還是不能夠準(zhǔn)確確定流域內(nèi)水質(zhì)的時(shí)空分布特性，這是因?yàn)榱饔騼?nèi)水質(zhì)時(shí)空分布的影響因素很多且很復(fù)雜。因此，本文監(jiān)測枯水期和豐水期草海高原濕地不同空間下水質(zhì)污染情況，探究草海水質(zhì)污染的差異，對流域水質(zhì)時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，旨在為草海流域水污染治理提供參考，具有現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

2 研究區(qū)域概況

草海國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于貴州省西部威寧彝族回族苗族自治縣縣城西南側(cè)，地理位置介于104°10′16″E—104°20′40″E，26°47′32″N—26°52′52″N，是一個(gè)完整的、典型的喀斯特高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，是貴州省境內(nèi)最大的天然巖溶堰塞淡水湖泊。保護(hù)區(qū)面積96 km2，其中水域面積枯水期19.8 km2、豐水期26.0 km2。原湖面面積45 km2，平均水深僅2 m，最深處5.13 m，蓄水量達(dá)1.4億m3。由于歷史原因，草海湖水面積已大大縮小，現(xiàn)在大約僅有25 km2，蓄水量也大大減少。

草海屬長江水系，是金沙江支流橫江洛澤河的上源湖泊，其水源補(bǔ)給主要靠大氣降水，其次為地下水。匯入草海的河流大多為發(fā)源于泉水的短小河溪，主要有東山河、北門河、卯家海子河、白馬河和大中河等。這些小溪的流量隨降水的季節(jié)變化而變化。夏秋季節(jié)流量大，冬春季節(jié)流量減小，有的甚至斷流。由于草海湖區(qū)巖石的隔水作用，地下水埋藏較淺，一般在5 m以內(nèi)，出露的泉點(diǎn)較多，畜牧場、下壩、白馬塘、大水井、謝家沖等泉水均成為注入草海的重要源泉。

3 材料與方法

3.1 采樣布點(diǎn)原則

為充分考慮草海流域周邊主要污染來源及人為干擾對草海水質(zhì)的影響，針對各空間斷面的污染狀況布點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況對草海流域豐水期和枯水期進(jìn)行布點(diǎn)采樣，其中由草海碼頭進(jìn)入草海湖面的航道內(nèi)有3個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 草海采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution of sampling sites in Caohai Lake

3.2 樣品的采集與制備

分別于2014年8月(豐水期)和2015年3月(枯水期)對不同空間草海水樣進(jìn)行采集。在采集水樣前，先用準(zhǔn)備采集的水樣清洗采樣瓶幾次，等待水位穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行采樣，盡量減輕對水體的擾動(dòng)，但不能混入水里的雜質(zhì)，盡量選擇在水流平緩或者靜止的水域采取表層水。采樣后蓋緊取樣瓶，然后在取樣瓶上貼上標(biāo)簽，裝入準(zhǔn)備好的箱子帶回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃保存。為保證各指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，水樣采集回來后盡量在48 h內(nèi)測定。

3.3 測定指標(biāo)

主要水質(zhì)測試指標(biāo)包括：溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(CDOCr)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)及生化需氧量(BOD)。各指標(biāo)的測定方法依照國家標(biāo)準(zhǔn)測定方法[13]。

表1 評價(jià)指標(biāo)的質(zhì)量濃度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standard of mass concentration of pollution factors

表2 草海豐水期不同空間下水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度檢測結(jié)果Table 2 Detected mass concentration of water quality indicators at different locations of Caohai Lake in wet season

3.4 評價(jià)方法

本文采用單因子評價(jià)法，其基本原理是以目標(biāo)水體的最差單項(xiàng)指標(biāo)作為該水體水質(zhì)類別的判斷依據(jù)。指標(biāo)污染指數(shù)計(jì)算值為某種污染物的實(shí)測濃度與該污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，即Pi=Ci/C0。其中：Pi為單因子指數(shù)；Ci為第i類水質(zhì)污染物指標(biāo)的實(shí)測濃度；C0為第i類水質(zhì)污染物指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Pi≤1時(shí)，表示水體未受到污染；當(dāng)Pi>1時(shí)，表示水體受到污染，具體數(shù)值直接反映污染物超標(biāo)程度[14]。單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各評價(jià)指標(biāo)的質(zhì)量濃度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 草海流域水質(zhì)特征

4.1.1 草海豐水期的水質(zhì)特征

從表2可以看出，在草海豐水期，各水質(zhì)指標(biāo)含量變化差異較大。從各指標(biāo)含量均值的斷面空間來看，除了CODMn的最高含量出現(xiàn)在湖中心、TN的最高含量出現(xiàn)在湖中心往陽關(guān)山方向以外，其余的水質(zhì)指標(biāo)(包括DO、 CODCr、NH3-N、TP、BOD)最高含量均出現(xiàn)在碼頭往湖中心的方向。總體來看，湖中心區(qū)域的水質(zhì)指標(biāo)含量均比其他方位的含量少。而碼頭處和出水口方向的水質(zhì)指標(biāo)含量相差不大，湖中心分別往東山和陽關(guān)山的含量也近似相同。

DO的標(biāo)準(zhǔn)差總體上較小，說明了在各個(gè)斷面空間下DO濃度變化不是很大，變化幅度也較小，CODMn、 CODCr、BOD也表現(xiàn)出與DO相同的規(guī)律，而NH3-N、TN、TP的標(biāo)準(zhǔn)差相較而言較大，側(cè)面說明最大值與最小值間相差較大，變化范圍也較大。

4.1.2 草海枯水期的水質(zhì)特征

從表3可知，在草海枯水期，各水質(zhì)指標(biāo)含量變化差異較大。從各指標(biāo)含量均值的斷面空間來看，除了DO的最高含量出現(xiàn)在出水口處以外，其余的水質(zhì)指標(biāo)(包括CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP、BOD)最高含量均出現(xiàn)在碼頭往湖中心方向。除了CODCr的標(biāo)準(zhǔn)差相較而言較大以外，其余的水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差都很小，說明CODCr濃度變化范圍較大，變化幅度也較大。

表3 草?？菟诓煌臻g下水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度檢測結(jié)果Table 3 Detected mass concentration of water quality indicators at different locations of Caohai Lake in dry season

表4 草海豐水期單因子污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果
Table 4 Evaluation result of water quality of Caohai Lake in wet season by single factor index method

空間DOCODMnBODCODCrNH3-NTNTPPi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別水質(zhì)類別1水質(zhì)類別2碼頭往湖中心方向1.25Ⅰ4.58Ⅳ1.28Ⅲ2.16Ⅴ2.55Ⅱ2.85Ⅲ12.70ⅣⅤⅣ湖中心區(qū)域1.18Ⅰ4.77Ⅳ1.11Ⅲ1.30Ⅲ1.55Ⅱ3.09Ⅲ8.30ⅢⅣⅢ湖中心往東山方向1.19Ⅰ4.09Ⅳ1.00Ⅲ1.74Ⅳ1.39Ⅱ2.84Ⅲ7.52ⅢⅣⅢ湖中心往陽關(guān)山方向1.19Ⅰ3.91Ⅳ1.08Ⅲ1.39Ⅳ1.66Ⅱ4.29Ⅲ7.27ⅢⅣⅢ出水口1.24Ⅰ4.08Ⅳ1.11Ⅲ2.03Ⅴ0.97Ⅱ1.21Ⅱ5.89ⅢⅤⅢ

4.2 草海流域水質(zhì)污染評價(jià)

4.2.1 草海豐水期水質(zhì)污染評價(jià)

通過單因子評價(jià)可知，如表4中的水質(zhì)類別1所示，草海豐水期符合或優(yōu)于Ⅳ類水體的斷面空間有3個(gè)，除了碼頭往湖中心方向處和出水口處的水質(zhì)類別為Ⅴ類以外，其他的斷面空間均為Ⅳ類水體。水質(zhì)類別總體上在Ⅳ—Ⅴ類之間。CODMn和TP的單因子指數(shù)較大，說明這2個(gè)指標(biāo)對草海豐水期水質(zhì)產(chǎn)生的影響較大。

在草海豐水期，基本上所有的斷面空間水質(zhì)類別均劣于Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)，其中超標(biāo)指標(biāo)主要為CODMn和CODCr。為了更好地分析評價(jià)草海斷面空間水質(zhì)，現(xiàn)將超標(biāo)的指標(biāo)CODMn和CODCr去除后，再單獨(dú)分析CODMn和CODCr，去除這2個(gè)超標(biāo)指標(biāo)后各斷面空間水質(zhì)類別如表4中水質(zhì)類別2所示。去除這2個(gè)超標(biāo)指標(biāo)后，草海豐水期符合或優(yōu)于Ⅲ類水體的斷面空間有4個(gè)，除了碼頭往湖中心方向處的水質(zhì)類別為Ⅳ類以外，其他的各斷面空間均為Ⅲ類水體。

4.2.2 草?？菟谒|(zhì)污染評價(jià)

如表5中的水質(zhì)類別1所示，草?？菟诜匣騼?yōu)于Ⅳ類水體的斷面空間有4個(gè)，除了出水口處的水質(zhì)類別為Ⅴ類以外，其他的斷面空間均為Ⅳ類水體?？傮w而言，水質(zhì)類別在Ⅳ—Ⅴ類之間。CODMn和TP的單因子指數(shù)較大，說明這2個(gè)指標(biāo)對草海枯水期水質(zhì)產(chǎn)生的影響較大。

在草海枯水期，斷面空間的水質(zhì)類別和豐水期間相似。其中超標(biāo)指標(biāo)也主要為CODMn和CODCr，去除這2個(gè)超標(biāo)指標(biāo)后，草?？菟谒袛嗝婵臻g水質(zhì)均符合Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)(如表5中的水質(zhì)類別2)。

4.3 草海流域水質(zhì)污染來源

經(jīng)調(diào)查，目前草海水體的主要污染物來源是草海周邊農(nóng)田化肥、周邊村落畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞尿和居民的生活污水。而不同的污染源在不同空間上的污染方式及污染強(qiáng)度不一樣。在碼頭往湖中心的方向，主要污染來源為周邊農(nóng)田化肥。參考威寧縣統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，草海周邊村寨2009年農(nóng)用化肥施用量為2 879 t，其中氮肥998 t、磷肥1 668 t、復(fù)合肥199 t。在降雨和灌溉的條件下，部分化肥以可溶形式淋失到土壤下層，給淺層地下水造成污染。施入農(nóng)田的化肥沒有被農(nóng)作物吸收的部分會(huì)隨著地表徑流、通過地下淋溶等方式流失入水體，流失的N和P等營養(yǎng)物質(zhì)過剩，則會(huì)使河、湖等出現(xiàn)富營養(yǎng)化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致大量的藻類特別是有毒藻類的瘋長，使水質(zhì)惡化。

表5 草海枯水期單因子污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

Table 5 Evaluation result of water quality of Caohai Lake in dry season by single factor index method

空間DOCODMnBODCODCrNH3-NTNTPPi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別Pi水質(zhì)類別水質(zhì)類別1水質(zhì)類別2碼頭往湖中心方向1.18Ⅰ3.86Ⅳ1.03Ⅲ1.94Ⅳ4.81Ⅲ4.50Ⅲ7.20ⅢⅣⅢ湖中心區(qū)域1.15Ⅰ3.30Ⅳ0.96Ⅰ1.84Ⅳ3.53Ⅲ3.39Ⅲ4.90ⅢⅣⅢ湖中心往東山方向1.05Ⅰ3.25Ⅳ0.79Ⅰ1.34Ⅲ1.81Ⅱ2.14Ⅲ5.64ⅢⅣⅢ湖中心往陽關(guān)山方向1.12Ⅰ3.06Ⅳ0.82Ⅰ1.55Ⅳ2.68Ⅱ3.17Ⅲ4.95ⅢⅣⅢ出水口1.17Ⅰ3.15Ⅳ0.83Ⅰ2.35Ⅴ2.46Ⅱ2.37Ⅲ4.02ⅡⅤⅢ

而在湖中心區(qū)域，周邊農(nóng)田化肥對該區(qū)域的污染強(qiáng)度明顯小于離碼頭近的區(qū)域。但隨著湖中心向東山方向和陽關(guān)山方向靠近時(shí)，污染強(qiáng)度又會(huì)加大。在出水口處污染源的強(qiáng)度最小。草海濕地位于威寧縣城南側(cè)，長期以來，威寧縣沒有污水處理廠，城市生活污水中除了人糞尿能夠統(tǒng)一處理外，周邊村落畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞尿和其他污水直接進(jìn)入草海流域。畜禽糞尿中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，草海地區(qū)畜禽糞尿的主要處理方式是隨意堆放在村落或農(nóng)田灌溉溝渠旁，最終隨著降雨和地表徑流而流入草海，引起水體氨氮含量的增加、溶解氧的急劇下降，導(dǎo)致水體惡化發(fā)臭，威脅水生生態(tài)系統(tǒng)。

4.4 草海流域水質(zhì)與其他流域水質(zhì)比較

在我國的其他流域中，不同的流域水質(zhì)污染表現(xiàn)出不同的特征。比如赤水河上游流域的水質(zhì)時(shí)空分析表明該流域豐水期和枯水期的水質(zhì)結(jié)果差異不明顯[15]。而固城湖豐水期和枯水期的水質(zhì)變化結(jié)果卻不同：豐水期處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，枯水期處于中營養(yǎng)狀態(tài)。鄱陽湖的水質(zhì)也呈現(xiàn)出豐水期水質(zhì)好于枯水期的規(guī)律。也有流域除了TN和TP污染分指數(shù)在豐水期最高之外，枯水期綜合污染指數(shù)最高，表明污染源中面源污染已占相當(dāng)比例[16-18]。不同的流域在水質(zhì)污染指標(biāo)上也不同。比如赤水河上游流域CODCr是該流域水質(zhì)主要污染物之一。而天目湖沙河水庫水質(zhì)時(shí)空分布特征的研究表明了高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)等主要水質(zhì)因子存在顯著的空間分布差異[19]。河北省河流(包括灤河、北三河、永定河子牙河、漳衛(wèi)南運(yùn)河、黑龍港運(yùn)東水系)水質(zhì)空間變化特征顯示該省的主要水質(zhì)污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD)和氨氮(NH3-N)，該省北部地區(qū)水質(zhì)良好，中部和南部地區(qū)水質(zhì)污染嚴(yán)重[20]。在水質(zhì)類別表現(xiàn)上，流域間的差異性也較大。東江中游水質(zhì)在Ⅰ—Ⅲ類之間[21]。溫瑞塘河水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了劣Ⅴ類的程度，水體中氮、磷含量嚴(yán)重超標(biāo)，分別是國家Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的3.52倍和1.68倍[22]。

在本研究中，對草海流域水質(zhì)的時(shí)空分析表明豐水期和枯水期的水質(zhì)不同，總體上枯水期的水質(zhì)指標(biāo)均值比豐水期好。這也和上述的流域不一致，這與流域本身的地理位置及當(dāng)?shù)刂車h(huán)境有關(guān)。從空間斷面上來看，草海水質(zhì)污染的超標(biāo)指標(biāo)主要為CODMn和CODCr，水質(zhì)類別總體上在Ⅲ—Ⅳ類之間。

5 討 論

水是人類及一切生物賴以生存的必不可少的重要物質(zhì)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善不可替代的極為寶貴的自然資源。在有限的可利用的淡水資源中，全球分配又極度不平衡。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，將使全球本來就缺乏的淡水資源水質(zhì)的污染更加嚴(yán)重。中國水資源地區(qū)分布也很不平衡，長江流域及其以南地區(qū)，國土面積僅占全國的36.5%，水資源量卻占全國的81%；長江流域以北地區(qū)，國土面積占全國的63.5%，水資源量僅占全國的19%。為此，研究流域水質(zhì)污染特征就顯得極其重要。草海流域在豐水期和枯水期2個(gè)時(shí)段水質(zhì)污染指標(biāo)表現(xiàn)不同。對草海流域空間斷面的水質(zhì)類別現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，Ⅳ類水域治理是該流域的治理重心，此外，應(yīng)擴(kuò)大Ⅲ類水域占比，從而達(dá)到縮減Ⅴ類水域的目的，也是最終實(shí)現(xiàn)成都市河流水質(zhì)污染控制目標(biāo)的首要任務(wù)。各斷面空間的污染程度與主要污染源不同，應(yīng)實(shí)際考慮因段制宜，針對不同的斷面空間采取不同的治理措施，使污染治理做到有的放失，最終最大力度實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。故此，草海流域應(yīng)著力Ⅳ類水域治理，擴(kuò)大Ⅲ類水域占比，從而達(dá)到縮減Ⅴ類水域，最終實(shí)現(xiàn)成都市河流水質(zhì)污染控制目標(biāo)。

草海流域的水質(zhì)污染與斷面空間的關(guān)系明顯。其中，碼頭通往湖中心方向的這段水域水質(zhì)污染較重，這是由于這段水域不僅受人們不合理使用化肥的影響，還常常受撐船、游人等人類活動(dòng)的影響，攪動(dòng)底泥使得水體中懸浮物大量增加，造成水體嚴(yán)重污染。其次較為嚴(yán)重的還有出水口處的水域和湖心至陽關(guān)山水域，這是由于這2段水域靠近縣城，受到縣城排放的生活和生產(chǎn)污水的影響較嚴(yán)重，另外水禽養(yǎng)殖區(qū)處于該片水域內(nèi)，投放的飼料除部分被魚類攝取外，其余部分飼料和魚類排泄物通過物質(zhì)循環(huán)成為了含氮較多的肥料，加重了水體污染。由于受到周邊農(nóng)田化肥、農(nóng)藥的大量施用和周圍村民生活污水隨意排入草海的影響，湖周靠近岸邊的水體污染較重。其他斷面空間(包括湖中心區(qū)域、湖中心往東山方向)污染相對較輕，這是由于水深較深，較少受到游人撐船游覽等人為活動(dòng)的影響，水生植物的水質(zhì)凈化能力較強(qiáng)，而且還分布有幾條小河溪，外來補(bǔ)給水稀釋了水體總的污染濃度，因此水質(zhì)較其他區(qū)域水質(zhì)要好。因此，草海斷面空間上的水體污染主要為人類活動(dòng)的影響所致。

6 結(jié) 論

草海流域水質(zhì)時(shí)空差異較大：在豐水期，DO、CODMn、CODCr、BOD的標(biāo)準(zhǔn)差總體上較小；在枯水期，CODCr的標(biāo)準(zhǔn)差相差較大，其余水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差都很小。豐水期DO、CODMn、CODCr、TP較枯水期高，其余污染指標(biāo)表現(xiàn)為枯水期較好。各斷面空間超標(biāo)污染物主要為CODMn和CODCr，水質(zhì)類別在Ⅳ—Ⅴ類之間。