滇中高原湖泊水质的年内分异特征及影响因素研究
滇中高原湖泊水质的年内分异特征及影响因素研究
滇中高原湖泊水质的年内分异特征及影响因素研究，采用WQI指数、TLI指数、MK检验和多元回归分析等方法，对抚仙湖、杞麓湖和星云湖2021年6月至2022年5月的逐日水质监测数据进行分析。研究发现，抚仙湖水质良好且全年WQI的季节波动较小，杞麓湖和星云湖均为中度富营养湖泊，且两湖均表现为夏季水质较差、春季水质最好的季节特征。
研究背景与意义
湖泊是内陆重要的水资源，能够调节气候、维持生物多样性和生态系统平衡。自1980年以来，由于经济快速发展、全球气候变化和人类活动的影响，湖泊生态健康和水资源供给受到严重威胁。来自工业、城市和农业的污染输入加速了湖泊富营养化，气候变化、城市化和农业扩张等多种因素导致湖泊总面积不断缩小。反之，湖泊水质和面积的下降不仅降低了湖泊及其流域的生态功能，还威胁到人类的生存环境。
云南高原湖泊多为构造断陷湖，流域面积有限，入湖河流水量小，对污染物流入的净化作用较弱，污染物更容易在湖泊水体中积聚。近20年来，云南高原湖泊面积缩小主要受到持续干旱、耕地开垦和湖区旅游开发的影响。在人为和自然的双重压力下，城市群集中的滇中地区其湖泊水质污染和富营养化问题日益严峻。
研究方法与数据来源
本研究以云南高原中部的抚仙湖、杞麓湖和星云湖为研究对象，采用2021年612月和2022年15月每日4 h的水质自动监测数据，数据来源于国家环境监测总站的地表水水质自动监测实时数据发布系统。包括总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a (Chl a)、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)和水温等6项指标。
水质年内变化特征
水质指标的统计结果表明，在2021年6月2022年5月，抚仙湖TN和TP变化范围分别为0.050.16 mg/L和0.010.02 mg/L，杞麓湖为1.812.93 mg/L和0.060.12 mg/L，星云湖为0.931.23 mg/L和0.05~0.15 mg/L。杞麓湖和星云湖夏季TP浓度最高，分别达到0.11和0.14 mg/L，这是由于夏季降水丰富，径流携带流域营养盐、污染物输入湖泊。杞麓湖和星云湖在冬季的TN浓度分别为2.63和1.22 mg/L，均高于抚仙湖。抚仙湖TN和TP浓度最低、变化平稳，季节变化幅度均小于杞麓湖和星云湖。
从2021年夏季至来年春季，抚仙湖、杞麓湖和星云湖溶解氧的变化幅度分别为1.80、3.80和3.74 mg/L，3个湖泊溶解氧的最大值均出现在春季，抚仙湖和星云湖溶解氧最小值出现在秋季，杞麓湖则出现在夏季。抚仙湖、杞麓湖和星云湖高锰酸盐指数的变化范围分别为0.771.88、8.0912.53和6.41~9.06 mg/L，最高值均出现在夏季，最低值出现在冬春季。夏末秋初时杞麓湖和星云湖较高的CODMn和较低的溶解氧显示这一时期水体中具有较高的有机物含量。抚仙湖、杞麓湖和星云湖的叶绿素a均在夏季出现高值，分别为2.82、40.14和17.49 μg/L，比季节低值高出1.47、31.09和14.36 μg/L。
图2.三个湖泊不同水质指标的年内变化特征
M-K检验结果表明，抚仙湖TN和TP浓度均在冬季发生突变，杞麓湖和星云湖TP在夏末秋初发生突变。杞麓湖TN浓度在各个季节多次突变，而星云湖TN浓度在冬季发生突变后TN浓度在春季上升。抚仙湖的高锰酸盐指数在秋季发生突变，10月以后CODMn持续减少，杞麓湖的高锰酸盐指数在夏季出现突变后，于秋季至来年春季显著下降，星云湖在11月至来年2月出现CODMn的显著减少。3个湖泊的叶绿素a均表现为夏季增加，夏末秋初以后减少的趋势，但突变时间有所差异，抚仙湖、杞麓湖和星云湖分别在8月、1月和11月发生突变，其中，抚仙湖和星云湖Chl a分别在12月至次年3月和12月出现显著降低。
图3.三个湖泊不同水质指标年内变化的M-K检验
水质和营养状况评价
基于WQI和TLI指数的评价方法对三个湖泊的水质及营养状况进行评估，结果表明：抚仙湖2021年夏秋季节水质指数较高，为89.2，最高值出现在10月，冬季水质指数略有下降，1月出现最低值85.7，进入2022年春季再次上升，总体上水质指数的季节波动较小，保持在88左右，水质良好。杞麓湖2021年夏季水质指数较低，最低值出现在6月，进入秋季后WQI上升，至来年春季达到最高，为58.4，夏秋季节水质指数出现较大变幅，10月增加了10.5%，12月则出现明显下降，WQI降低了5.5%。星云湖水质指数变化范围为58.8~68.6，夏季最低冬季最高，最低值出现在7月，总体上水质中等，夏秋季节WQI变化幅度较大，秋冬季节更为稳定。杞麓湖和星云湖均呈现夏季水质较差，春季水质最好的季节变化特征。
TLI指数的评价结果表明，抚仙湖综合营养指数变化范围为32.2341.31，湖泊营养水平在三湖中最低，夏季和初秋TLI变化幅度较小，1月出现上升，春季TLI指数保持在40左右。杞麓湖TLI变化范围为65.2274.51，为中度富营养湖泊，夏季湖泊营养程度最高，最高值出现在6月，春季TLI最低，出现在5月。星云湖综合营养指数变化范围为59.72~69.81，湖泊营养状况为中度富营养，2021年夏季湖泊营养程度最高，TLI最大值出现在7月，秋季以后湖泊营养程度逐渐下降，10月降低了7.4 %，至2022年春季达到最低。杞麓湖和星云湖TLI均呈现夏季最高，春季最低的特征。
图4.三个湖泊WQI、TLI指数的年内变化(ab)及变化速率(cd)
Chl a的年内分异特征
叶绿素a浓度通常可以表征水体中藻类浓度进而被用于评价湖泊营养状况，湖泊TN、TP、水温和透明度显著影响湖泊藻类群落结构和叶绿素a变化。相关性分析显示，三湖的TN、TP、水温和氮磷比均与Chl a浓度呈显著正相关，湖泊水质参数与Chl a的多元回归分析进一步显示，TN并不是影响杞麓湖和星云湖Chl a浓度的显著因素。对不同深度湖泊营养状况和Chl a浓度关系的研究表明，TP在浅水湖和深水湖Chl a浓度中起主导作用，而TN总体上起次要作用。
三个湖泊的氮磷比和MK检验结果表明，杞麓湖夏季受氮、磷共同限制的作用，夏末秋初TP浓度发生突变后，其余时期几乎都受到磷限制。而星云湖在夏季和初秋受到氮限制，初秋TP浓度出现突变，秋季逐渐向氮、磷限制过渡，此后TN浓度发生突变，冬季和春初主要受到磷限制，进入春季后又受氮磷共同限制。抚仙湖氮磷比夏季和秋季变化范围分别为10.127.2和620，均值为19.2和10.9，主要受到氮、磷限制并持续至冬季，春季转向氮限制。
结论
基于滇中三大高原湖泊2021年6月至2022年5月的逐日水质监测数据，采用WQI指数、TLI指数、MK检验和多元回归分析等方法对水质年内特征进行分析，识别湖泊营养状态在年内尺度发生突变的关键时间节点及影响因素，得到以下结论：
水质指数结果显示2021年夏季至2022年春季抚仙湖水质良好且全年WQI的季节波动较小，杞麓湖水质一般，星云湖水质中等，且两湖均表现为夏季水质较差、春季水质最好的季节特征。
综合营养指数结果表明杞麓湖和星云湖均为中度富营养湖泊且两个湖泊的TLI均表现出夏季最高，春季最低的特征。抚仙湖水体营养盐含量低、总体变化平稳，冬春季节氮磷含量略高于夏秋季节。
杞麓湖夏季受氮、磷共同限制，其余时期几乎都受磷限制。星云湖在夏季受到氮限制，秋季向氮、磷限制过渡，冬季主要受到磷限制，进入春季后又受氮磷共同限制。抚仙湖夏秋季节主要受到氮、磷限制并持续至冬季，春季转向氮限制。