陳曉燕，何秉宇，劉江，茉莉得爾金斯汗，陳磊

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué)智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830046；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；4.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830011，5.新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830011)

水環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因之一是有機(jī)污染物污染[1]．艾里克湖位于新疆克拉瑪依市東北部，對克拉瑪依市整體生態(tài)環(huán)境狀況有直接影響，對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有一定影響[2]．不同類型的天然水體對污染物自然降解有其特性[3?5]，20世紀(jì)80年代至今，雖然許多學(xué)者對國內(nèi)外多條河流的有機(jī)污染物降解速率進(jìn)行了大量研究[6]，但湖泊中污染物降解機(jī)理較河流中更為復(fù)雜，而針對湖泊污染物的降解僅有零星的研究[7,8]．有關(guān)新疆湖泊污染物降解系數(shù)的研究未見報道，考慮到新疆地理位置、氣候以及水體含鹽量高等特點(diǎn)，直接將《國家地表水水環(huán)境容量核定》中給定的污染物降解系數(shù)應(yīng)用于新疆湖泊中，其數(shù)值模擬結(jié)果或許存在一定的誤差，從而可能導(dǎo)致水環(huán)境容量測算誤差．

由于周圍融雪水的匯入，融凍期湖泊水量增加迅速，污染物入湖量增大，水溫、pH值、溶解氧等因素變化劇烈，導(dǎo)致湖泊污染物降解系數(shù)變化較大．本文選取化學(xué)需氧量（CODcr）、氨氮、總氮、總磷作為艾里克湖水環(huán)境中有機(jī)物污染的主要指標(biāo)[9]．研究有機(jī)污染物在融凍期（2月底至4月上旬）的綜合降解系數(shù)，探究降解系數(shù)的時空變化規(guī)律及其影響因素．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾里克湖（85?450～85?520E，45?510～45?590N）位于新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市烏爾禾區(qū)境內(nèi)，地處準(zhǔn)噶爾盆地西部低山丘陵的東緣，是白楊河的尾閭湖．白楊河每年4-5月有積雪融水形成的洪水涌入艾里克湖，湖面也因此擴(kuò)大[10]．湖泊長約12.4 km，寬約為3.5 km，面積約52.4 km2[11]．艾里克湖流域是典型的溫帶干旱區(qū)大陸性荒漠氣候，降水稀少，冬寒夏暖，氣溫年較差與日較差大，且春季、秋季多大風(fēng)，七八級大風(fēng)年均68天，平均風(fēng)速達(dá)3.5 m/s[12]．

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法及時間

目前有關(guān)湖泊降解系數(shù)的確定方法主要有現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測法、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)法、歷史資料類比分析法、實(shí)測資料反推法、常規(guī)監(jiān)測資料估算法等[13]．室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)法估算有機(jī)污染物降解系數(shù)屬于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，在模擬過程中無法體現(xiàn)水文、水力、溫度、河道特征、底泥性質(zhì)、季節(jié)變化等諸多綜合影響因素[14]．本文根據(jù)該湖泊的實(shí)際情況，采用現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測法來確定融凍期艾里克湖有機(jī)污染物的降解系數(shù)．

研究選擇艾里克湖融凍期（2月底至4月上旬）的有機(jī)污染物降解系數(shù)，其中采樣時間為2016年2月29日、3月7日、3月14日、3月21日、3月28日、4月4日．

1.2.2 采樣位置

根據(jù)以往的艾里克湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點(diǎn)總體實(shí)施方案，以及對水質(zhì)監(jiān)測采樣時的難易程度，最終確定五個具有代表性的采樣點(diǎn)（即入湖口SH03-1、湖右岸SH03-2、湖左岸SH03-3、湖心部分SH03-4、湖尾處SH03-5），其中每個采樣點(diǎn)重復(fù)3次采樣，共計15個水質(zhì)采樣點(diǎn)．艾里克湖水質(zhì)采樣位置如圖1．

圖1 艾里克湖水質(zhì)采樣位置示意圖

1.2.3 現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場采樣時，同時開展GPS定位、水溫、pH值、溶解氧、流速等基礎(chǔ)資料的測量工作．采集水樣按《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》中的要求保存，帶至實(shí)驗(yàn)室待測．

1.2.4 降解系數(shù)的確定

國內(nèi)外研究表明，污染物的生物降解原理符合米氏方程，污染物濃度遠(yuǎn)大于米氏常數(shù)時，降解規(guī)律符合零級反應(yīng)，污染物濃度遠(yuǎn)小于米氏常數(shù)時，則符合一級反應(yīng)[15]．湖泊中污染物濃度一般小于米氏常數(shù)，所以其降解系數(shù)可用一級反應(yīng)動力學(xué)模型進(jìn)行計算．依據(jù)研究[16,17]，本文對KCOD、K氨氮、K總氮、K總磷的確定，采用一級反應(yīng)動力學(xué)模型進(jìn)行計算．一級反應(yīng)動力學(xué)模型如下

式中：C為t時刻某污染物的濃度(mg/L)；K為污染物降解系數(shù)；t為反應(yīng)時間(d)．

將式（1）兩邊同時積分

式中：C0為某污染物的初始濃度(mg/L)．

由（3）得污染物降解系數(shù)K值[18]．

2 結(jié)果與討論

2.1 降解系數(shù)的時空變化規(guī)律

湖泊特性表明其水質(zhì)存在時空變化規(guī)律．本文從時間和空間兩個角度研究融凍期艾里克湖水環(huán)境中有機(jī)污染物的降解系數(shù)，探討其變化規(guī)律．

2.1.1 時間變化

融凍期的艾里克湖主要有機(jī)污染物KCOD的變化范圍為0.000 92 d?1～0.019 70 d?1，K氨氮的變化范圍為 0.000 58 d?1～0.037 19 d?1；K總氮變化范圍為0.001 84 d?1～0.038 15 d?1；K總磷變化范圍為0.000 59 d?1～0.073 85 d?1．

由圖2分析得出，KCOD、K氨氮、K總氮融凍初期呈遞增趨勢，但在3月21日或28日之后呈現(xiàn)下降趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因可能是該時間段內(nèi)該地區(qū)氣溫回升過快．并且結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀坏乩砬闆r，該湖區(qū)位于風(fēng)口，其風(fēng)力較大，湖水復(fù)氧能力較高，由此加快了有機(jī)物的降解．然而K總磷隨時間的變化規(guī)律并不明顯．

圖2 降解系數(shù)隨時間的變化

圖3 降解系數(shù)空間變化

2.1.2 空間變化

按照入湖口、湖右岸、湖左岸、湖心部分、湖尾處對該湖泊進(jìn)行空間分類，并進(jìn)行各個采樣點(diǎn)降解系數(shù)變化的討論分析，變化規(guī)律如圖3所示．

（1）KCOD：不同位置的KCOD變化呈現(xiàn)三種形態(tài)，即波動型、穩(wěn)定型、增長型．入湖口為波動型，因入湖口位置水質(zhì)變化大，致使KCOD波動較大．湖右岸為穩(wěn)定型，其原因是該位置地處艾里克湖西南，入湖的污染物與原水質(zhì)混合平緩，并未產(chǎn)生較大波動．湖左岸、湖心部分、湖尾處為增長型，即KCOD呈現(xiàn)有規(guī)律的增長，然而3月28日-4月4日KCOD明顯下降，說明入湖的污染物水量對該湖KCOD影響較弱，不足以影響總的降解系數(shù)．

（2）K氨氮：整體上3月7日-28日五個位置的K氨氮都趨于穩(wěn)定增長，說明湖水中污染物降解與水溫有直接關(guān)系，或由于入湖污染物量較少，不足以直接影響到氨氮的降解速率．4月4日五個位置的K氨氮都呈下降趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因可能是該時間段內(nèi)匯入的污染物氨氮濃度偏高，對K氨氮的影響較大．湖尾處在21日的K氨氮就呈現(xiàn)下降趨勢，根據(jù)水力動力學(xué)特性分析其位于入湖主流上，受入湖水流影響較大，該位置的降解系數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)較早．

（3）K總氮：入湖口K總氮變化較大，沒有穩(wěn)定的規(guī)律，說明一直有污染源的匯入，對K總氮產(chǎn)生影響．3月7日-28日湖右岸、湖左岸、湖心部分、湖尾處符合常規(guī)降解趨勢，說明入湖水量較少，K總氮呈現(xiàn)有規(guī)律的增長，并在21日或28日出現(xiàn)K總氮的最大值．3月28日-4月4日五個位置的K總氮都出現(xiàn)下降趨勢，說明入湖的污染物量超過了該湖的水體自凈能力．

（4）K總磷：可看出湖心部分的K總磷趨于穩(wěn)定，入湖口、湖右岸、湖左岸、湖尾處都存在較大的變化，規(guī)律不明顯，說明一直都有污染物的匯入，入湖流量水質(zhì)與原水質(zhì)混合不均勻．

五個監(jiān)測點(diǎn)的KCOD、K氨氮存在一定規(guī)律性變化，可以歸納為波動型、穩(wěn)定型、增長型；K總氮、K總磷變化規(guī)律不明顯．說明匯入艾里克湖的外界污染物水質(zhì)中化學(xué)需氧量、氨氮的含量相對穩(wěn)定；總氮、總磷含量不穩(wěn)定．

2.1.3 降解系數(shù)變化時空分析

利用SPSS軟件，以時間、空間為雙因子，各個降解系數(shù)為因變量，進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果見表1．KCOD兩組間的時間變化非常顯著（P≤0.01），KCOD兩組間的空間變化為不顯著（P>0.05）；K氨氮兩組間的時間變化差異為非常顯著（P≤0.01），K氨氮兩組間的空間變化為不顯著（P>0.05）；K總氮兩組間的時間變化、空間變化差異為非常顯著（P≤0.01）；K總磷兩組間的時間變化為非常顯著（P≤0.01），K總磷兩組間的空間變化為不顯著（P>0.05）．

表1 降解系數(shù)與時空的雙因素方差分析

在融凍期內(nèi)，艾里克湖的KCOD、K氨氮、K總氮、K總磷都會隨著時間變化而遞增；對于不同空間位置上的KCOD、K氨氮、K總氮、K總磷并未呈現(xiàn)一定的規(guī)律性．

2.2 影響降解系數(shù)變化的因素

研究表明，水體中污染物質(zhì)的降解是一個很復(fù)雜的過程，受諸多因素的影響，主要包括水中污染物的特性、pH值、污染物初始濃度、水力特性、微生物群落、懸浮固體、溫度、溶解氧等幾個方面[19]．

利用R語言技術(shù)進(jìn)行降解系數(shù)與水溫、pH值、溶解氧、流速的相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示．得出KCOD與流速間的差異為非常顯著；K氨氮與pH值、流速間的差異為非常顯著；K總氮與水溫、pH值、流速間的差異為非常顯著；然而K總磷分別與這四種因素間的差異為不顯著．

表2 降解系數(shù)與水溫、pH值、溶解氧、流速的相關(guān)性

利用R語言技術(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析如表3所示（其中X1、X2、X3、X4分別為水溫、pH值、溶解氧、流速）．由于影響因子作用于湖泊水質(zhì)，因此在單因子分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多變量相關(guān)分析，尋找影響該湖泊水質(zhì)降解系數(shù)變化的關(guān)鍵因子．

影響因子與KCOD、K氨氮、K總氮的多元線性回歸模型都達(dá)到顯著性水平(P<0.05)，其中KCOD、K氨氮、K總氮受四種因子影響較小(R2<0.5)，K總磷的多元線性回歸模型未達(dá)到顯著性水平(P>0.05)且受四種因子影響較小(R2<0.5)．KCOD、K氨氮、K總氮、K總磷都與水溫、溶解氧正相關(guān)；KCOD、K總磷與pH值正相關(guān)，K氨氮、K總氮與pH值負(fù)相關(guān)；KCOD、K氨氮、K總氮與流速正相關(guān)，K總磷與流速負(fù)相關(guān)．

圖4 Matlab的逐步回歸分析圖

從多元線性回歸分析中已經(jīng)得出降解系數(shù)與各影響因子間的相關(guān)關(guān)系，但需要進(jìn)一步確定影響該湖泊水環(huán)境中有機(jī)污染物降解系數(shù)的最主要因子，進(jìn)而利用Matlab的逐步回歸分析如圖4所示，最終建立逐步回歸模型：YCOD=0.004 271 7+0.011 431 5X4；Y氨氮=0.000 550 999+0.031 574 4X4；Y總氮=0.006 101 53+0.020 721 9X4；總磷的相關(guān)分析未建立成方程．綜上分析，流速是影響KCOD、K氨氮、K總氮的最主要因子，而K總磷的變化并不符合常規(guī)，未找出最主要的因子．

2.2.1 湖泊水溫的影響

水溫升高可以加速湖泊中有機(jī)污染物的分解、氧化反應(yīng)、微生物的活性，有利于污染物的降解．結(jié)果顯示：水溫對有機(jī)污染物的降解系數(shù)影響較大，一般來說，北方水體夏季的降解系數(shù)要比冬季的降解系數(shù)高出1～2倍，這也是有些河流、湖泊枯水期水質(zhì)惡化的一個重要原因．本文研究時間段為融凍期，水溫變化從0～12?C遞增，每次采樣增幅僅有2～4?C．通過數(shù)據(jù)分析，KCOD、K氨氮、K總氮、K總磷都與水溫正相關(guān).

2.2.2 湖泊水體中pH值的影響

pH值是水質(zhì)中氫離子活度的一種標(biāo)度，也就是通常意義上水質(zhì)酸堿程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)．根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該時間段內(nèi)該水體中污染物pH值范圍為8.12～8.23，其變化并不明顯．KCOD、K總磷與pH值正相關(guān)，K氨氮、K總氮與pH值負(fù)相關(guān)．

2.2.3 湖泊水體中溶解氧的影響

溶解氧值是研究水自凈能力的一個指標(biāo)．研究時段水體中的溶解氧范圍8.01～9.66 mg/L，進(jìn)一步分析表明，KCOD、K氨氮、K總氮、K總磷與溶解氧濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系．

2.2.4 湖泊水文特征—流速的影響

湖泊水文特征包括流量、流速、湖寬、湖深、底泥等．由于研究的是融凍期的湖泊水質(zhì)，因而流量、湖寬、湖深、底泥等對該降解系數(shù)的影響不大．根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，流速從0.1 m/s逐漸增長至0.8 m/s，并且通過數(shù)據(jù)分析，KCOD、K氨氮、K總氮與流速正相關(guān)，K總磷與流速負(fù)相關(guān)，降解系數(shù)會隨著流速的增大而增加．

3 結(jié)論

（1）融凍期艾里克湖主要有機(jī)污染物降解系數(shù)變化較大．KCOD變化范圍為0.000 92 d?1～0.019 70 d?1,K氨氮變化范圍為0.000 58 d?1～0.037 19 d?1；K總氮變化范圍為0.001 84 d?1～0.038 15 d?1；K總磷變化范圍為0.00 059 d?1～0.073 85 d?1；

（2）融凍期艾里克湖主要有機(jī)污染物降解系數(shù)變化呈現(xiàn)兩種模式：規(guī)律性模式與非規(guī)律性模式．KCOD、K氨氮在融凍期表現(xiàn)出較好的規(guī)律性；K總氮、K總磷變化規(guī)律不明顯；

（3）融凍期艾里克湖主要有機(jī)污染物降解系數(shù)時間變化特征顯著，空間變化未呈現(xiàn)較好的規(guī)律性；

（4）融凍期艾里克湖主要有機(jī)污染物降解系數(shù)變化影響因素分析表明：水溫、溶解氧是主要影響因子，流速、pH值的影響有正負(fù)方向差異之分．

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