張 巖，王 楠，趙同國(guó)，李衛(wèi)平，田業(yè)蓬，原凌飛

冰封對(duì)烏梁素海水質(zhì)污染特征的影響

張 巖1，王 楠1，趙同國(guó)1，李衛(wèi)平2，田業(yè)蓬3，原凌飛4

（1.煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.煙臺(tái)大學(xué) 特里爾可持續(xù)發(fā)展技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；4.煙臺(tái)市套子灣污水處理有限公司，山東 煙臺(tái) 264013）

【目的】明確烏梁素海冰封期的水質(zhì)污染特征，揭示冰封對(duì)湖泊水質(zhì)等級(jí)的影響?！痉椒ā坑?021年1月在烏梁素海布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)，采集冰層及冰下水樣品。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）和烏梁素海的污染特征，選取CODMn、NH3-N、TP、TN、氟化物和銅6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)作為目標(biāo)污染物，采用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和主成分分析法對(duì)烏梁素海冰封期與非冰封期的水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?！窘Y(jié)果】各項(xiàng)目標(biāo)污染物的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為：冰封期冰下水≥非冰封期≥冰封期冰融水；6項(xiàng)目標(biāo)污染物的污染程度依次為：TN>TP>CODMn>NH3-N>銅>氟化物，其中CODMn、NH3-N、TN質(zhì)量濃度都發(fā)生了水質(zhì)等級(jí)的變化；各采樣點(diǎn)在冰封期的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果全部劣于非冰封期，其中采樣點(diǎn)I12由Ⅱ類(lèi)惡化為Ⅲ類(lèi)，其余采樣點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)雖未發(fā)生變化，但其質(zhì)量濃度距離相應(yīng)的水質(zhì)等級(jí)下限值更加接近；烏梁素海的整體水質(zhì)受NH3-N、TN和TP水質(zhì)因子的影響較大，較高的氮、磷值將為烏梁素海水體富營(yíng)養(yǎng)化帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)；各采樣點(diǎn)的水質(zhì)優(yōu)劣順序在空間上呈出水區(qū)>湖中區(qū)>進(jìn)水區(qū)的變化?！窘Y(jié)論】冬季結(jié)冰過(guò)程中，冰對(duì)目標(biāo)污染物具有排斥效應(yīng)，污染物由冰體向冰下水遷移致使冰下水中污染物質(zhì)量濃度增大，加劇了烏梁素海的水質(zhì)惡化，這為冰封期湖泊水環(huán)境管理帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。

烏梁素海；結(jié)冰效應(yīng)；冰封期；主成分分析法；水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

0 引 言

【研究意義】湖泊是地球上淡水資源的重要組成部分，是維護(hù)水域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要保障。在高緯度、高海拔地區(qū)，有5 000萬(wàn)個(gè)以上湖泊存在冰封期[1]，形成的冰層阻擋了冰下水體與外界的物質(zhì)和能量交換[2]，降低了各種生化反應(yīng)速率[3]，使冰下水體自?xún)裟芰Υ蟠鬁p弱[4-5]。由于結(jié)冰過(guò)程中冰層的排斥作用，污染物向冰下水遷移，在冰下水中甚至是沉積物中聚集，使冰下水環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，湖泊冰封期水污染嚴(yán)重[6-7]。在春季冰層融化過(guò)程中，冰體內(nèi)的少量污染物會(huì)在早期集中釋放到冰下水中，也會(huì)對(duì)冰下水環(huán)境再次產(chǎn)生影響[8]。

【研究進(jìn)展】近年來(lái)，針對(duì)冰封期湖泊國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了越來(lái)越多的研究，這些研究大多集中在污染物、營(yíng)養(yǎng)鹽和浮游動(dòng)植物的分布及污染特征以及結(jié)冰對(duì)湖泊冰下水污染影響。孫悅等[9]研究了白洋淀冬季冰封期的水污染特征，結(jié)果表明TN、TP是白洋淀冬季冰封期冰下水水質(zhì)的限制因子；王司陽(yáng)等[10]以烏梁素海、奈倫湖為研究對(duì)象，對(duì)黃河流域上游干旱地區(qū)冰封期湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)冰蓋的形成使湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度加?。粍孕竦萚11]以?xún)?nèi)蒙古達(dá)里諾爾湖為研究對(duì)象，對(duì)不同相態(tài)下湖水中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分布特征和定量關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明冬季結(jié)冰過(guò)程中達(dá)里湖水體中的氮和磷存在濃縮效應(yīng)，導(dǎo)致冰封期湖內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度超過(guò)國(guó)家Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；李佳等[12]分析了烏梁素海冰封期浮游藻類(lèi)群落結(jié)構(gòu)以及與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的關(guān)系，揭示了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在冰-水介質(zhì)的分布規(guī)律，并對(duì)冰封期的水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；盧興順等[13]分析了烏梁素海冰封期污染物的分布遷移，揭示了烏梁素海冰封期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分布規(guī)律，為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理等研究提供理論依據(jù)。孫馳[14]基于第一性原理分析了冰的物理特點(diǎn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素分布的影響，揭示了重金屬在冰-水中的分布特征。【切入點(diǎn)】目前對(duì)非冰封和冰封條件下的湖泊水質(zhì)污染特征對(duì)比以及結(jié)冰效應(yīng)對(duì)水質(zhì)等級(jí)變化的影響卻鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究將烏梁素海進(jìn)行網(wǎng)格化處理，設(shè)置10個(gè)代表性采樣點(diǎn)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），結(jié)合了烏梁素海的環(huán)境條件，選取較為典型的CODMn、NH3-N、TP、TN、氟化物和銅6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，運(yùn)用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)以及主成分分析對(duì)該水體非冰封期和冰封期的水質(zhì)進(jìn)行分析，旨在從不同角度明確冰封對(duì)烏梁素海水質(zhì)等級(jí)和水污染特征的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海（40°36'—41°03'N，108°43'—108°57'E）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，河套灌區(qū)最東部，是黃河流域內(nèi)典型的寒旱區(qū)湖泊濕地，水域面積為293 km2，湖區(qū)水深在0.5～1.5 m之間，最大水深4 m，流域基本概況如圖1所示[15]。烏梁素海是河套灌區(qū)工農(nóng)業(yè)退水的主要承泄渠道[16]，隨著工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，大量污染物如氮、磷經(jīng)由各排干進(jìn)入烏梁素海，對(duì)烏梁素海水質(zhì)的影響嚴(yán)重，某些污染物的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)超出了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的限定值，甚至惡化到Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)湖泊的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[17]。湖泊于每年11月中下旬開(kāi)始結(jié)冰，冰封期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，冰層厚度為0.3～0.6 m，約占水體的1/3[18]。冰蓋形成后整個(gè)冰下水生態(tài)系統(tǒng)處于“靜止”狀態(tài)[2]，大大削弱了湖泊水體的自?xún)裟芰4]。

圖1 烏梁素海流域概況和采樣點(diǎn)布設(shè)[15,18]

1.2 樣品采集和數(shù)據(jù)處理

根據(jù)河套灌區(qū)各排干與烏梁素海的相對(duì)位置，依據(jù) 2 km×2 km 的梅花型方式，將研究區(qū)域網(wǎng)格化處理，布設(shè)了10個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），包括進(jìn)水區(qū)：J11、I12、西大灘L11、北部明水區(qū)域L15，湖中區(qū)：大卜洞O10、蘆葦區(qū)域N13、旅游區(qū)Q10、Q8，出水區(qū)：海壕V3、二點(diǎn)T5，于2021年1月進(jìn)行冰層和冰下水的采集：用冰鉆采集冰芯樣品，將其放置在切割板上，用冰鋸切分為3段冰柱，并將其分別放在塑料瓶中，在室溫下自然融化；用“注射器”式采水器通過(guò)冰孔抽取各采樣點(diǎn)的冰下水樣。參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[20]，對(duì)采集的冰樣以及冰下水樣進(jìn)行檢測(cè)，用以表征烏梁素海的水質(zhì)特征。

為避免研究過(guò)程中外源污染物以及降水等原因?qū)Ω黜?xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的影響，根據(jù)物質(zhì)守恒原理，非冰封期各指標(biāo)質(zhì)量濃度1計(jì)算式為（不考慮冰和水的密度差異）：

式中：ice為冰層中各項(xiàng)指標(biāo)的質(zhì)量濃度（mg/L）；ice為冰層的體積（m3）；water為冰下水體中各項(xiàng)指標(biāo)的質(zhì)量濃度（mg/L）；water為冰下水的體積（m3）；1為計(jì)算所得的非冰封期各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度（mg/L）。

分配系數(shù)用以表征污染物在結(jié)冰過(guò)程中由冰層向冰下水層遷移的能力，計(jì)算式為：

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

選用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)和主成分分析對(duì)烏梁素海冰封期和非冰封期水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)判斷烏梁素海各采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)是否達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的水域功能分類(lèi)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)在同一類(lèi)水質(zhì)類(lèi)別里進(jìn)行定量比較，得出縱向空間水質(zhì)變化趨勢(shì)；運(yùn)用主成分分析能夠?qū)⒏呔S度數(shù)據(jù)化為低維度數(shù)據(jù)，以減少冗余信息所造成的誤差，同時(shí)篩選出能囊括絕大部分信息的水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)烏梁素海的綜合水質(zhì)進(jìn)行分析，并對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行排序，定性、定量的描述烏梁素海不同時(shí)期的綜合水質(zhì)；通過(guò)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)對(duì)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）評(píng)價(jià)湖泊的綜合水質(zhì)類(lèi)別，將冰封期與非冰封期的水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行對(duì)比，分析冰封對(duì)湖泊水質(zhì)等級(jí)的影響。

1.3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

單因子水質(zhì)指數(shù)P[21]由1位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后2位或3位有效數(shù)字組成，計(jì)算式為：

式中：1代表水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別；2代表水質(zhì)數(shù)據(jù)在1類(lèi)水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，根據(jù)公式按四舍五入的原則計(jì)算確定；3代表水質(zhì)類(lèi)別與功能區(qū)劃設(shè)定類(lèi)別的比較結(jié)果，視評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度，3為1位或2位有效數(shù)字。

1.3.2 主成分分析法

通過(guò)主成分分析法將烏梁素海復(fù)雜的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，分析各項(xiàng)污染物所攜帶的信息，篩選出比原始污染物數(shù)目少，但能影響總體水質(zhì)的代表性污染物[9]，再進(jìn)行成分得分系數(shù)矩陣等相關(guān)方程和公式的計(jì)算，得到10個(gè)采樣點(diǎn)的主成分分析的綜合得分，定量描述各采樣點(diǎn)的污染程度，并對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行排序，從空間上確定湖泊不同區(qū)域的污染程度。

1.3.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)wq[22]由整數(shù)位和3位或4位小數(shù)組成，其計(jì)算式為：

式中：1、2由計(jì)算獲得，3和4根據(jù)比較結(jié)果得到。其中，1為綜合水質(zhì)類(lèi)別；2為綜合水質(zhì)在1類(lèi)水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置；3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)；4為綜合水質(zhì)類(lèi)別與水體功能區(qū)類(lèi)別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度，4為1位或2位有效數(shù)字。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏梁素海冰封期湖泊水深與冰厚分布

為了更好地表征各污染物向冰下水的遷移程度，對(duì)10個(gè)采樣點(diǎn)的水深以及冰厚進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖2。烏梁素海全湖的平均水深為2.19 m，西北和南部的水深較深，位于南部的采樣點(diǎn)T5最深，為3.13 m；冰厚分布較均勻，在0.35～0.6 m之間，平均值為0.49 m，湖區(qū)中部地區(qū)的冰厚值多大于平均值。

圖2 烏梁素海各采樣點(diǎn)冰厚和水深變化

2.2 烏梁素海冰封期各項(xiàng)水質(zhì)因子特征

由圖3可知，6項(xiàng)目標(biāo)污染物在非冰封期湖水、冰融水和冰下水的含量呈“凹”字形分布，具體表現(xiàn)為：冰下水＞非冰封期湖水＞冰融水，其中CODMn和TP在各采樣點(diǎn)質(zhì)量濃度分布較均勻，但遷移系數(shù)在采樣點(diǎn)L11較大，分別為0.52和1.04，表明該采樣點(diǎn)的CODMn和TP向冰下水遷移能力較弱，更容易被冰晶捕獲在冰體中，導(dǎo)致冰融水中CODMn、TP質(zhì)量濃度較大。J11采樣點(diǎn)的NH3-N和TN質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于其他采樣點(diǎn)，遷移系數(shù)卻遠(yuǎn)小于其他采樣點(diǎn)，分別為0.03和0.02，表明NH3-N和TN的遷移能力較強(qiáng)，加重了冰下水的氮源污染，春季冰融期易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。采樣點(diǎn)L11的TN遷移系數(shù)較高，為0.23，污染物向冰下水遷移的量較少，導(dǎo)致冰融水中的TN質(zhì)量濃度明顯大于其他采樣點(diǎn)。氟化物的質(zhì)量濃度在整個(gè)湖區(qū)分布較均勻，但其遷移系數(shù)在J11采樣點(diǎn)明顯大于其他采樣點(diǎn)，為0.30，遷移能力較弱，所以J11采樣點(diǎn)的氟化物冰中質(zhì)量濃度稍高。采樣點(diǎn)I12的銅質(zhì)量濃度明顯低于其他點(diǎn)，但遷移系數(shù)卻是最大，為0.06，其他均在0.02以下，說(shuō)明I12采樣點(diǎn)低質(zhì)量濃度的銅遷移能力較弱，可能是由于采樣點(diǎn)I12的銅質(zhì)量濃度較低，進(jìn)入冰封期后向冰下水的遷移量相對(duì)較少，導(dǎo)致遷移系數(shù)較大。

2.3 烏梁素海冰封期單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)

依據(jù)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中地表水水域的水環(huán)境功能與保護(hù)目標(biāo)的功能區(qū)對(duì)象劃分，烏梁素海的水域功能分類(lèi)為Ⅲ類(lèi)，本研究以地表Ⅲ類(lèi)水為限值，對(duì)烏梁素海非冰封期和冰封期冰下水和冰中的6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖3 烏梁素海各采樣點(diǎn)目標(biāo)污染物質(zhì)量濃度

圖4 烏梁素海各采樣點(diǎn)目標(biāo)污染物的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果表現(xiàn)為：冰下水≥非冰封期湖水≥冰融水。各采樣點(diǎn)冰融水中污染物的質(zhì)量濃度未超過(guò)Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，但冰封期冰下水和非冰封期結(jié)果明顯大于冰融水，其中TN和TP污染最為嚴(yán)重，所有采樣點(diǎn)均超出了地表Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，其次為CODMn和NH3-N，污染較輕的是銅和氟化物。湖泊從非冰封期進(jìn)入冰封期后，有6個(gè)采樣點(diǎn)的CODMn下降了1個(gè)水質(zhì)等級(jí)，其中采樣點(diǎn)J11、L11、Q8、Q10和V3由Ⅱ類(lèi)水降低到Ⅲ類(lèi)水，I12采樣點(diǎn)由Ⅲ類(lèi)水下降至Ⅳ類(lèi)水；采樣點(diǎn)J11和采樣點(diǎn)Q8的NH3-N下降了1個(gè)水質(zhì)等級(jí)，其中采樣點(diǎn)J11從Ⅲ類(lèi)水惡化到Ⅳ類(lèi)水，其余采樣點(diǎn)NH3-N質(zhì)量濃度變化未達(dá)到等級(jí)變化程度；采樣點(diǎn)I12、L15和Q8的TN質(zhì)量濃度惡化了1個(gè)水質(zhì)等級(jí)，其中采樣點(diǎn)I12惡化為Ⅴ類(lèi)水，其余2個(gè)采樣點(diǎn)為Ⅳ類(lèi)水，其余采樣點(diǎn)雖未發(fā)生水質(zhì)等級(jí)的變化，但TN質(zhì)量濃度距離相應(yīng)水質(zhì)等級(jí)區(qū)間的下限值接近了21%～70%，甚至采樣點(diǎn)J11和采樣點(diǎn)L11的TN單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為7.54和6.43，已經(jīng)為劣Ⅴ類(lèi)水。所有采樣點(diǎn)的TP雖未發(fā)生水質(zhì)等級(jí)的下降，但都超出了Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。氟化物非冰封期和冰封期冰下水的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果在1.20～1.50之間，整體變化幅度不大。銅的非冰封期和冰封期冰下水的結(jié)果完全重合，這是因?yàn)闉趿核睾Ｋw中的銅質(zhì)量濃度較低，雖然冰封期會(huì)受到冰蓋的排斥作用而向冰下水遷移，但其質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到水質(zhì)等級(jí)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的變化幅度。

2.4 烏梁素海冰封期綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)

為對(duì)冰封期湖泊的橫向空間的污染特征進(jìn)行比較，采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)能夠進(jìn)一步明確冰封對(duì)各采樣點(diǎn)水質(zhì)變化的影響。由圖5可知，湖泊冰封期綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)明顯大于非冰封期的。采樣點(diǎn)I12綜合水質(zhì)下降了1個(gè)等級(jí)，由Ⅱ類(lèi)水下降為Ⅲ類(lèi)水。其余采樣點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)雖未發(fā)生變化，但這些采樣點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的質(zhì)量濃度距離相應(yīng)的水質(zhì)等級(jí)下限值接近10%～31%：差值最大的是采樣點(diǎn)L15、Q8，表明進(jìn)入冰封期后，污染最為嚴(yán)重；差值最小的是采樣點(diǎn)L11、T5，表明污染較輕。冰封期各個(gè)采樣點(diǎn)參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)未達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的數(shù)量相較于非冰封期增加了5個(gè)。

圖5 烏梁素海各采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

2.5 烏梁素海冰封期污染主成分分析

為了進(jìn)一步確定冰封期湖泊水質(zhì)的重要影響因子，采用主成分分析對(duì)冰封期湖泊空間上水質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行排序。由表1的因子荷載矩陣可知，3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到86.703%，表明這3個(gè)主成分可反映數(shù)據(jù)的大部分信息。貢獻(xiàn)率最大的是第1個(gè)主成分為45.296%，最小的是第3個(gè)主成分為13.931%。與第1主成分關(guān)系密切的相關(guān)指標(biāo)有NH3-N和TN；與第2主成分關(guān)系密切的指標(biāo)有TP。由此可知，影響烏梁素海冰封期綜合水質(zhì)的主要因子為NH3-N、TN和TP。由表2主成分分析的因子荷載矩陣可知，3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.376%，表明這3個(gè)主成分可反映數(shù)據(jù)的大部分信息。3個(gè)主成分中貢獻(xiàn)率最大為44.244%，最小是24.028%。與第1主成分關(guān)系密切的相關(guān)指標(biāo)有NH3-N和TN，因子負(fù)載為0.921和0.917；與第2主成分關(guān)系密切的指標(biāo)有氟化物；與第3主成分關(guān)系密切的指標(biāo)有CODMn。因此，影響烏梁素海非冰封期綜合水質(zhì)的主要因子為NH3-N、TN、氟化物。

表1 冰封期主成分分析因子荷載矩陣

表2 非冰封期主成分分析因子荷載矩陣

通過(guò)因子荷載矩陣的分析可以反映出烏梁素海水質(zhì)的主要影響因子是NH3-N、TN和TP。根據(jù)成分得分系數(shù)矩陣等相關(guān)方程和計(jì)算式得出10個(gè)采樣點(diǎn)的主成分分析的綜合得分（圖6），綜合得分越高，水質(zhì)越差。各采樣點(diǎn)水質(zhì)優(yōu)劣順序?yàn)椋篔11

圖6 烏梁素海主成分分析綜合得分

3 討 論

3.1 結(jié)冰過(guò)程中污染物的遷移機(jī)理

由烏梁素海冰封期和非冰封期的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)和主成分分析評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，結(jié)冰過(guò)程中CODMn、NH3-N、TP、TN、氟化物和銅6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均呈現(xiàn)出由冰體向冰下水體遷移的規(guī)律，這可從湖冰的形成過(guò)程進(jìn)行解釋?zhuān)寒?dāng)冬季湖泊表面溫度下降到0 ℃時(shí)，表層水達(dá)到過(guò)冷狀態(tài)后水分子開(kāi)始有冰核產(chǎn)生并形成細(xì)小、平整且不含雜質(zhì)的冰晶，這些冰晶相互連接便可形成柔性冰，柔性冰經(jīng)凍結(jié)變厚，形成堅(jiān)硬冰蓋，成核形成冰晶，并逐漸形成冰水界層[23]，此時(shí)空氣中的冷量能只能通過(guò)湖泊表面向下傳遞，由于氮、磷等污染物的凝固點(diǎn)較低，冷能僅能夠使在冰-水界面處的水分子達(dá)到凝固點(diǎn)而平穩(wěn)析出，烏梁素海冰封期6種污染物由冰體向冰下水遷移，水分子形成冰晶的過(guò)程中會(huì)將液態(tài)的污染物質(zhì)排斥到冰水界層附近；同時(shí)湖泊結(jié)冰過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生熱通量，進(jìn)而產(chǎn)生溶質(zhì)通量，溶質(zhì)通量會(huì)比冰更快的脫離結(jié)冰區(qū)域，即污染物質(zhì)會(huì)比冰晶更快的脫離結(jié)冰區(qū)，進(jìn)而進(jìn)入到冰水界層。溶質(zhì)通量的驅(qū)動(dòng)因素為溫度梯度和質(zhì)量濃度梯度：溫度梯度會(huì)驅(qū)動(dòng)物質(zhì)從低溫區(qū)域遷移到高溫區(qū)域（索雷效應(yīng)）[24]，即隨著結(jié)冰過(guò)程的進(jìn)行，各污染物會(huì)由冰體遷移到冰下水體，只有少部分污染物以“污染物胞”的形式存在于冰體中（圖7）；質(zhì)量濃度梯度則會(huì)驅(qū)動(dòng)物質(zhì)從高質(zhì)量濃度遷移至低質(zhì)量濃度區(qū)域（菲克擴(kuò)散定律）[24]，即污染物質(zhì)會(huì)從質(zhì)量濃度較高的冰水界層遷移至冰下水中，導(dǎo)致原本質(zhì)量濃度較為均勻的水體發(fā)生變化，冰下水中污染物質(zhì)量濃度增加。

圖7 冰結(jié)構(gòu)剖面示意圖

3.2 湖泊冰封的環(huán)境效應(yīng)和啟示

結(jié)冰過(guò)程中污染物的遷移效應(yīng)使得烏梁素海冰封期冰下水體中污染物的質(zhì)量濃度增加，冰下水環(huán)境質(zhì)量的惡化會(huì)隨著結(jié)冰厚度的逐漸增加而進(jìn)一步加劇，特別是TN、NH3-N、TP的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)較高，表明冰封對(duì)烏梁素海富營(yíng)養(yǎng)元素的環(huán)境效應(yīng)更為明顯，這與楊文煥等[25]的研究結(jié)果一致。而冰下水中較高的氮、磷量將為翌年春季水體的富營(yíng)養(yǎng)化帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，特別是在進(jìn)水區(qū)域，隨著河套灌區(qū)春灌排水的流入，富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)還將提高，這需要引起湖泊水管理部門(mén)的重視。同時(shí)，由于烏梁素海水深較淺，冰體所占比例較高，冰下水中污染物的濃縮系數(shù)較大，因此可從淺水湖泊冰封期污染特征的特殊性入手，探索淺水湖泊冰封期水環(huán)境治理的措施。

冰封對(duì)湖泊水質(zhì)污染特征的影響也提示我們需要尤為關(guān)注水體冰封期冰下水環(huán)境質(zhì)量的變化，盡管冰體的覆蓋使得冰下水環(huán)境的變化更加“隱蔽”，但冰下水環(huán)境的變化絕非“靜止”。特別是對(duì)于飲用水水源地而言，隨著結(jié)冰過(guò)程的進(jìn)行，冰下水質(zhì)會(huì)逐漸變差，加之低溫條件下水處理廠的化學(xué)處理工藝的效率會(huì)降低，因此如何能在水體冰封期確保出廠水達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）的要求帶來(lái)新的課題和挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

1）烏梁素海冰封期的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果全部劣于非冰封期，甚至出現(xiàn)了水質(zhì)等級(jí)的下降，表明結(jié)冰過(guò)程對(duì)污染物具有濃縮效應(yīng)，致使污染物被排斥到冰下水體。

2）烏梁素海各區(qū)域的水質(zhì)優(yōu)劣順序?yàn)椋哼M(jìn)水區(qū)<湖中區(qū)<出水區(qū)，表明湖區(qū)進(jìn)水區(qū)的水質(zhì)污染較嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)匯入湖區(qū)的農(nóng)業(yè)退水和農(nóng)業(yè)廢水等外源污染物排放的治理。

3）烏梁素海的水質(zhì)受CODMn、NH3-N、TN、TP水質(zhì)因子的影響較大，較高的營(yíng)養(yǎng)元素將為湖泊春季融冰期的富營(yíng)養(yǎng)化帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4）湖泊冰封期冰下水環(huán)境質(zhì)量的惡化，為冰封期湖泊的管理帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也可為冰封期湖泊的治理提供新的思路，但需要進(jìn)一步研究湖泊冰封期水環(huán)境治理的具體措施。

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Change in Water Quality of Ulansuhai Lake after Its Surface Freezing

ZHANG Yan1,WANG Nan1, ZHAO Tongguo1, LI Weiping2, TIAN Yepeng3, YUAN Lingfei4

(1. Civil Engineering College, Yantai University, Yantai 264005, China; 2. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 3. Trier Institute of Technology for Sustainable Development,Yantai University, Yantai 264005, China; 4. Yantai Taoziwan Wastewater Treatment Co, Yantai 264013, China)

【Objective】Chemical quality of surface water bodies is affected by many factors but most of them are driven by oxygen. Bioavailable oxygen in water decreases after the water surface is frozen, and this paper investigates how this impacts water quality in Ulansuhai lake in Inner Mongolia.【Method】Ice and water samples were taken in January 2021 from 10 sites in the lake. Contents of CODMn, nitrate, total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), fluoride and copper in each sample were analyzed. They were compared to those measured before the lake was frozen. Change in these chemicals due to freezing was assessed using the single-factor and the comprehensive water quality identification index, as well as the principal component analysis.【Result】①Single factor water quality identification index analysis indicated that the content of all chemicals in fluid water was ranked in the order of water underneath ice≥water before freezing≥melted ice. The pollution degree of the six chemicals was ranked in the order of TN>TP>CODMn>NH3-N>copper>fluoride. The chemicals that resulted in water quality classification change were CODMn, NH3-N and TN. ② Comprehensive water quality identification index analysis showed that freezing worsened the water quality in all 10 sampling sites, though the deterioration varied with sampling sites. Nitrate, TN and TP had the greatest influence on water quality, as increasing nitrogen and phosphorus risked eutrophication. Spatially, water quality in the lake area was ranked in the order of outlet area>middle lake area>inlet area.【Conclusion】Surface freezing in Ulansuhai Lake increased chemical concentrations in the water beneath the ice, leading to water quality deterioration. To ameliorate water pollution, discharge of pollutants to the lake, especially for TN and TP in autumn and winter, should be reduced.

Ulansuhai Lake; icing effect; water quality evaluation; principal component analysis method; water quality identification index

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1672 - 3317（2023）03 - 0120 - 08

X524

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022384

2022-07-13

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目（BS2014HZ021）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51609207）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019MS05006）

張巖（1984-），男。教授，主要研究方向?yàn)樗Y源利用與保護(hù)。E-mail: zhangyan-992@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳