星云湖水質季節性變化及成因分析

何 瑩，祁云寬

(玉溪市生態環境科學研究所，云南 玉溪 653100)

前 言

星云湖位于滇中，是支撐玉溪市江川區經濟發展的重要自然資源，影響著居民的生產生活。1990年以來，星云湖受農業面源、畜禽養殖、農村居民生活及磷礦開采磷化工企業生產活動等影響[1]，湖泊水質變差、富營養化程度加重[2]，氮、磷及有機污染問題突出，且因流域內來水量有限、水資源短缺[3]，湖泊水生態功能也逐漸減退。近年來，隨著多項湖泊保護治理工作的實施推進，星云湖水質得到初步改善，但仍存在截污治污體系不完善、生態水量無法保證、藍藻水華爆發等問題[4]，星云湖水質穩定持續向好依然面臨較大壓力?，F有研究發現星云湖對氣候變化響應較為敏感[5]，季節變化影響著湖泊水體的物質循環[6]，季風和降雨均可能導致湖泊水質的季節性差異[7]。但目前，關于星云湖水質季節性波動及影響因素的系統研究較為缺乏。因此，本文根據星云湖近三年的水環境資料，結合地區季節氣候特點，系統分析星云湖旱雨季水質變化特征及影響因子，并提出相應對策建議。

1 研究背景與方法

1.1 研究區域介紹

星云湖為高原斷層陷落淺水湖泊，位于云南省玉溪市江川區境內，屬珠江流域南盤江水系(圖1)，具有工農業用水、調蓄、防洪、旅游等功能[8]。湖體南北長 9.09km；平均寬3.80km、東西最大寬4.73km、最窄2.30km；平均水深6.01m、最大水深10.81m。根據2019年修訂的《云南省星云湖保護條例》[9]，星云湖最高運行水位為 1723.35m(1985國家高程基準)，最低運行水位為1721.65m。當湖面達1723.35m高程時，湖面面積34.33km2，蓄水量為2.0981億m3，湖岸線長38.80km。歷年湖泊最高水位1723.11m，最低為1720.56m，最大變幅為2.55m，年內水位變化0.73～1.68m[10]。

星云湖所處地區屬典型的亞熱帶半濕潤高原季風氣候，多年平均氣溫約為15.9℃；平均降雨量863.1 mm，年降雨量496.8～1220.6 mm，雨季主要集中于5～10月[11]。湖水補給主要靠地表徑流和湖面降水，徑流區枯水期降水量占全年降水量的16%左右，汛期占84%左右[10]。

圖1 星云湖位置及流域水系和監測點示意圖Fig.1 Diagram of location，drainage system and monitoring points of Xingyun Lake

1.2 研究分析方法

本文分析采用星云湖2019～2021年的水質數據，引用數據來源于云南省生態環境廳駐玉溪市生態環境監測站，監測點位分別為湖心、螺螄鋪、李家灣，評價標準執行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，各項水質指標均采用全湖算術平均值；降雨數據來源于玉溪市年鑒。

結合當地氣候特征，全年5～10月劃分為雨季，1～4月、11～12月為旱季，各項水質指標旱、雨季濃度采用對應月份的平均值。綜合營養狀態指數的計算評價參照《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》(總站生字[2001]090號)；水質綜合污染指數選取六項指標濃度計算：高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮。相關性分析采用IBM SPSS Statistics軟件的Spearman模型進行計算。

水質綜合營養狀態指數的計算公式：

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCOD)

式中，TLI(∑)為綜合營養狀態指數；Wj為j參數的營養狀態指數相關權重；TLI(j)為j參數的營養狀態指數；各指標以Chl-a作為基準參數，rij為j參數與Chl-a的相關系數；m為評價參數的個數；TLI(Chl-a)、TLI(TP)、TLI(TN)、TLI(SD)、TLI(COD)分別為葉綠素a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數的營養狀態指數；Chl-a的單位為mg/m3，SD單位為m，其余指標單位均為mg/L。營養狀態分級：TLI(∑)<30為貧營養，30≤TLI(∑)≤50為中營養，TLI(∑)>50為富營養，5070為重富營養。

水質綜合污染指數的計算公式：

式中，P為水質綜合污染指數；pi為i污染物的污染指數；n為污染物的種類(本文中n為6)；Ci為i污染物實測濃度平均值；Si為i污染物評價標準值(本文中以水功能Ⅲ類標準值進行計算)。

2 星云湖水體水質變化情況

2.1 星云湖年度水質變化

星云湖2019年水質綜合類別為劣Ⅴ類，重度污染，綜合營養狀態指數為66.3；2020年水質綜合類別為Ⅴ類，中度污染，綜合營養狀態指數為65.0；2021年水質綜合類別為Ⅴ類，中度污染，綜合營養狀態指數為62.9。綜合營養狀態指數逐年遞減，星云湖總體水質逐年好轉。

2.2 主要水質變化趨勢分析

2019～2021年，星云湖綜合水質類別在Ⅴ類和劣Ⅴ類波動(圖2)。其中，2019年2月綜合水質類別為Ⅴ類，其余月均為劣Ⅴ類；2020年星云湖1～4月、11～12月水質均為Ⅴ類，5～10月均為劣Ⅴ類；2021年全年各月星云湖均保持Ⅴ類水質。2019～2020年星云湖Ⅴ類水質均出現在旱季，劣Ⅴ類水質出現在雨季，旱雨季水質差異明顯。

圖2 2019～2021年星云湖綜合水質類別變化趨勢Fig.2 Variation trend of comprehensive water quality in Xingyun Lake from 2019 to 2021

2.2.2 綜合營養狀態指數

2019～2021年星云湖綜合營養狀態指數各月值范圍在58.7～73.7之間(圖3)，最高值出現在2019年8月(雨季)，最低值出現在2020年3月(旱季)。

從各年內來看，2019年星云湖綜合營養狀態指數最高值73.7出現于8月(雨季)，最低值61.1出現于1月(旱季)；2020年，最高值69.2出現于10月(雨季)，最低值58.7出現于3月(旱季)；2021年，最高值67.0出現在9月(雨季)，最低值59.6出現于12月(旱季)。

圖3 星云湖綜合營養狀態指數逐月變化趨勢Fig.3 Monthly variation trend of comprehensive nutrient status index in Xingyun Lake

從旱雨季來看，2019～2021年星云湖雨季綜合營養狀態指數平均值均大于旱季。其中，2019年星云湖雨季綜合營養狀態指數比旱季高出7.8個百分點，2020年雨季比旱季高出8.3個百分點，2021年雨季比旱季高出6.2個百分點。

2.2.3 綜合污染指數

星云湖綜合污染指數在2019～2021年期間呈逐年下降的趨勢(圖4)，各年內數值均呈現先上升后下降的趨勢。三年中，星云湖綜合污染指數范圍在1.01-2.84范圍內波動，其中2019年8月的值最高(雨季)，2020年3月最低(旱季)。

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從各年內來看，2019年星云湖綜合污染指數最高值2.84出現在8月(雨季)，最低值1.44出現在2月(旱季)；2020年，最高值1.81出現在6月(雨季)，最低值1.01出現在3月(旱季)；2021年，最高值1.49出現在9月(雨季)，最低值1.11出現在3月(旱季)。

以旱雨季對比來看，2019～2021年星云湖雨季綜合污染指數平均值均大于旱季。2019年星云湖雨季綜合污染指數比旱季高54.3%，2020年雨季比旱季高34.6%，2021年雨季比旱季高20.0%。雖然星云湖綜合污染指數旱雨季的差距在逐年縮減，但旱雨季的水質污染差別仍為明顯。

綜上，星云湖雨季水質普遍劣于旱季，各年綜合營養狀態指數和綜合污染指數的最高值均出現在雨季，最低值均出現在旱季，且各年平均值均表現為雨季大于旱季，且差異明顯(圖5)。

圖4 星云湖綜合污染指數逐月變化趨勢Fig.4 Monthly variation trend of the comprehensive pollution index of Xingyun Lake

圖5 星云湖旱雨季平均綜合營養指數、綜合污染指數對比Fig.5 Comparison of average comprehensive nutrient index and comprehensive pollution index in Xingyun Lake during dry and rainy season

3 分析討論

星云湖旱雨季污染差異，其原因主要包括入湖河流污染負荷[10]、湖泊水位[12]、水溫季節性變化[13]及底泥內源釋放[14]等多方面。

3.1 主要入湖河流污染

主要入湖河流既是保證湖泊水位的重要補給，也是攜帶污染入湖的最大隱患，尤其在雨季，雨水沖刷會大大增加入湖污染[11]。

從星云湖所在地區(江川區)2019～2021年降雨量來看(圖6-圖7)，每年自4月起，降雨大幅度增加，10月后降雨減少，全年最大降雨量集中于6～8月。區域內各年雨季降雨量約為旱季降雨量的3～4倍，2019年、2021年雨季降雨量均為旱季的3.61倍，2020年雨季降雨量為旱季的3.93倍。

從8條主要入湖河流來看(圖8～圖10)，2019年有6條入湖河流雨季綜合污染指數高于旱季，占比達75%，分別大龍潭河、大莊河、螺螄鋪河、學河、漁村河及周德營河；2020年有5條入湖河流雨季綜合污染指數高于旱季，占比為62.5%，分別為大龍潭河、東西大河、學河、漁村河及周德營河；2021年除周德營河無水無監測數據外，有6條入湖河流雨季綜合污染指數高于旱季，占比為75%，分別為大街河、大龍潭河、大莊河、螺螄鋪河、學河及漁村河。每年均有一半以上的主要入湖河流雨季污染大于旱季，與星云湖綜合污染指數旱雨季差異表現一致。

結合降雨和河流污染分析，星云湖流域雨季降雨強度大、且降雨時間較為集中，增加了雨水沖擊污染入湖的風險。當雨季來臨，強降雨使得地表徑流增大，陸面污染沖刷入河，入湖河流污染加重，河水攜帶污染入湖，直接影響著湖體水質。

圖6 2019～2021年星云湖所在地區降雨情況Fig.6 Rainfall in the area of Xingyun Lake from 2019 to 2021

圖7 星云湖旱雨季平均降雨量對比Fig.7 Comparison of mean rainfall during dry and rainy seasons in Xingyun Lake

圖8 2019年主要入湖河流旱雨季綜合污染指數對比Fig.8 Comparison of comprehensive pollution index of major rivers during dry and rainy seasons in 2019

圖9 2020年主要入湖河流旱雨季綜合污染指數對比Fig.9 Comparison of comprehensive pollution index of main rivers during dry and rainy seasons in 2020

圖10 2021年主要入湖河流旱雨季綜合污染指數對比Fig.10 Comparison of comprehensive pollution index of major rivers during dry and rainy seasons in 2021

3.2 湖體水位水溫季節性變化

水位和水溫是湖泊重要水文特征，水位和水溫的波動變化影響著湖泊水生態功能和水化學過程，進而對水質產生影響[14]，故結合星云湖水位、水溫變化，分析二者對湖泊水質的影響。

從水位來看(圖11)，2019～2021年星云湖全湖年均水位逐年上升，其中2019年各月總體水位較低，全年平均水為1722.67m；2021年平均水位最高，為1723.10m。2019～2021年自3月起水位呈下降趨勢，分別于雨季6月、7月達到最低水位，旱季1月、10月、12月達到最高水位。水位變化的主要影響因素包括入湖流量、蒸發量及降雨量[15]，當湖泊水體蒸發量大于降雨和徑流的補給時，可能出現即使降水量增加、湖泊水位也下降的現象。

圖11 2019～2021年星云湖水位各月變化情況Fig.11 Monthly variation of water level in Xingyun Lake from 2019 to 2021

從水溫來看(圖12)，2019～2021年星云湖全湖平均水溫逐年下降，其中2019年總體平均水溫較高，全年平均水溫為19.98℃；2021年平均水溫最低，為19.31℃。自每年2月、3月起，星云湖水溫隨著氣溫的升高而上升，雨季7月、8月水溫最高，旱季1月、2月水溫最低。

為深入了解星云湖水位、水溫變化與湖泊水質的相關性及相關程度，我們做了相關性分析(如下表所示)。分析發現，2019年湖體水位和綜合營養狀態指數顯著負相關，這與前人[16]研究結果一致；2019～2021年湖體水溫與綜合營養狀態指數、綜合污染指數均為顯著正相關，與相關研究[17]結果一致。但水位變化的影響僅體現在污染較嚴重的2019年。這是由于近年來星云湖水位恢復，持續保持高水位運行，水體自凈能力增強，促進水質進一步改善。2015年后流域降水形勢的好轉，星云湖水位逐漸恢復正常水位，在2020年8月之后到2021年，星云湖平均水位保持在較高水位運行，年均值高于往年汛限，相應湖容水量增多，湖體自凈能力增強。因此，高水位時，星云湖水質指數與水位的相關性并不顯著。2019～2021年水溫均和綜合營養狀態指數及綜合污染指數呈顯著正相關關系，可見旱雨季水溫變化對水質影響較大。流域內雨季正處夏季，夏季溫度升高可能從內源釋放、藻華等多方面加快污染物的遷移轉化，具體在3.3中進行討論。

圖12 2019～2021年星云湖水溫各月變化情況Fig.12 Monthly variation of water temperature in Xingyun Lake from 2019 to 2021

表 2019～2021年星云湖湖體水位、水溫與主要污染指標相關系數統計Tab. Statistics of correlation coefficients between lake water level，water temperature and main pollution indicators in Xingyun Lake from 2019 to 2021

3.3 其他可能因素

湖體水質季節性變化還可能受到內源釋放污染[18]、藻華[19]及水動力擾動[20]等方面影響。

星云湖為淺水湖泊，內源釋放也是不可忽視的污染來源?；诘萚21]對同樣淺水湖泊的杭州西湖中底泥釋放強度研究發現，高溫期內源釋磷強度的增大是導致湖泊總磷升高的主要原因。星云湖流域內雨季正處于夏季，溫度升高會增加水中有機質的分解，加強浮游植物殘體和其他固體物質在深層的氧化礦化，耗氧增多，沉積物中磷釋放的風險增加[18，22]，從而加重湖泊水質污染。

由于星云湖是藻型湖泊，季節變化、溫度上升為藻類提供了適宜的生長環境。水溫是藻類光合作用的重要條件，影響著藻細胞內的酶反應速率、合成代謝、呼吸強度等生理及繁殖過程，從而影響著藻類生長及生物量累計[19]。雨季強降雨的發生可能導致藻類群落多樣性和豐富度上升[23]。當藍藻水華暴發，會致使水體理化特性發生改變，藻類在水體中光合作用增強，不斷消耗水體中碳酸根和碳酸氫根，促使水體pH值升高，加快沉積物中蓄積的磷活化析出；同時，藻類的大量積聚壞死會釋放氨氮、磷、化學需氧量等營養物，進一步加劇水體富營養化。

此外，雨季降雨和風力造成的水動力擾動也是造成湖泊水質波動的重要因素。有研究發現，強風對淺水型湖泊影響較大，強風可能引起磷的爆發釋放在太湖地區頻繁發生[20]。風波擾動驅動的動態釋放可能是磷內部釋放的主要方式[24]，當地表風速過大時，強風可能導致水體總磷濃度是平時的兩倍[25]，湖泊底泥上翻出現密集懸浮現象，且固體懸浮物的大小隨風速的增大而增大，湖泊水體的透明度無法保證。

湖泊水質季節性變化是多因素共同作用的結果。但由于目前星云湖水質與內源釋放、藻華及水動力擾動的相關研究缺乏，對星云湖水質污染的貢獻無法量化，需在今后開展專項課題研究。

4 結論及建議

近年來，湖泊水生態保護治理力度加大，星云湖水質逐漸向好，但旱雨季水質差異明顯。

(1)星云湖雨季水質普遍要劣于旱季水質，劣Ⅴ類水質大多出現在雨季；星云湖全湖雨季綜合營養狀態指數和污染指數均大于旱季，且各年綜合營養狀態指數和污染指數的最高值均出現在雨季，最低值均出現在旱季。

(2)雨季流域內降雨量大幅度增加，降雨時間較為集中，強降雨使地表徑流增大，陸面污染沖刷入河，50%及以上的主要入湖河流雨季綜合污染指數高于旱季，河水補給湖泊或泄洪會攜帶污染入湖，直接影響著星云湖湖體水質。

(3)星云湖綜合營養狀態指數和綜合污染指數與湖泊水溫呈顯著正相關關系，2019年星云湖的綜合營養狀態指數還與湖泊水位呈顯著負相關關系。雨季水溫的上升對水質影響較大。

因此，為了星云湖水質的不斷提升和維系，針對以上結論提出幾點建議：

(1)加強源頭治污，堅決防止星云湖水質變差返劣。針對區域降雨特點，突出工作重點，制定可行方案，切實做好調蓄帶、入湖河流和湖外農業循環用水工程的有效管理，杜絕污水入湖。

(2)優化水資源配置，持續提高清水入湖量，保證生態流量補給。雨季是全年中生態流量補給的關鍵季節，需開源節流并重，既要阻斷污染也要保障補給水量。在雨季來臨前，及時對河道進行排污清淤，提高水系連通性。提高農業灌溉水的利用效率，減少農業活動對流域內生態流量的影響。同時定期開展水生態系統恢復工作。水位保證和生態穩定，協同提高湖泊自凈能力。

(3)開展針對內源釋放、水動力擾動、藻華控制等相關基礎性研究，為精準治湖提供更科學的依據和支撐。研究多因子對湖泊水質污染的貢獻率，因地制宜地出臺相應措施，控制藻華爆發，減輕底泥釋放，預防水動力擾動影響，以全面提高湖體水質。