1992—2021年抚仙湖海口水生态环境指标COD_%28Mn%29变化趋势及影响因素研究.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 调 查 规 划 :/年抚仙湖海口水生态环境指标 变化趋势及影响因素研究贺克雕(云南省水文水资源局云南 昆明)摘要:为探明水生态环境指标 高锰酸盐指数突变特征、变化趋势及其影响因素采用 检验法对高锰酸盐指数变化趋势、突变特征进行研究运用 软件分析主要水文要素和经济社会指标与高锰酸盐指数的关系 结果表明 年抚仙湖海口断面高锰酸盐指数总体呈显著上升趋势年均上升 /近年浓度接近 /高锰酸盐指数在研究时段内发生 次突变 年、年突变不显著 年突变极其显著 抚仙湖水位经历了上升、平稳、下降、上升、下降的变化过程多年平均蒸发量约为多年平均降水量的 倍蒸降比高时水位呈下降趋势 流域人口密度、蒸发量、水位可解释抚仙湖海口断面高锰酸盐指数变化的 人口密度、蒸发量与海口断面高锰酸盐指数呈正相关水位与海口断面高锰酸盐指数呈负相关 流域人口密度、蒸发量、水位是海口断面高锰酸盐指数的主要影响因子人口密度的影响程度最大关键词:水生态环境指标高锰酸盐指数()突变趋势水文要素蒸降比抚仙湖海口中图分类号:文献标识码:文章编号:()引文格式:贺克雕 年抚仙湖海口水生态环境指标 变化趋势及影响因素研究 林业调查规划():/.():/():./.收稿日期:第一作者:贺克雕()女贵州盘州人博士高级工程师 从事水环境水生态监测及研究 :林 业 调 查 规 划 .:抚仙湖是深水型湖泊换水周期长处于中龄化阶段湖容和平均水深位列云南省湖泊之首 湖泊长期保持类水质近几年水位持续下降部分主要水生态环境指标浓度呈上升趋势对湖泊稳定保持类水质造成威胁对抚仙湖生态安全产生潜在影响 抚仙湖水生态环境质量好坏直接关乎珠江流域的可持续发展 高锰酸盐指数()是反映水体中有机污染物和无机可氧化物质污染程度的常用指标高锰酸盐指数越高水体受有机污染程度越大是备受关注的水质指标之一 近年来抚仙湖海口断面的高锰酸盐指数已逼近类标准限值 /有超类的风险因此探究高锰酸盐指数变化趋势及其影响因素对抚仙湖的生态环境保护具有重要意义 很多学者开展了高锰酸盐指数相关研究 兰静等分析了 年以来长江中下游干流水体高锰酸盐指数的时空变化得出研究区域各江段高锰酸盐指数浓度受沿程点面源、水文因素等影响变化较大 刘乾甫等对西江干流高锰酸盐指数的变化特征及其与其他水质指标的关系进行了探究 何虎军等对南充市嘉陵江干流高锰酸盐指数和氨氮动态变化及影响因素的研究表明环境条件的改变会对高锰酸盐指数产生影响 林兰钰等对全国地表水高锰酸盐指数污染特征进行分析认为污染较重的断面与水资源短缺、高锰酸盐指数接纳量高有直接关系 目前关于高锰酸盐指数的研究一部分集中在分布特征、时空变化、与其他水质指标的相关性等方面更多的是关于高锰酸盐指数的测定关于深水湖泊高锰酸盐指数变化趋势以及从水文要素、经济社会指标等角度探究对其变化的影响的文献报道较少 本文拟以抚仙湖海口断面为研究对象探究高锰酸盐指数的突变特征、变化趋势及其影响因素以期为抚仙湖生态环境保护、水资源管理提供科学依据 材料与方法 研究区概况抚仙湖位于云南省玉溪市境内跨澄江、江川和华宁三县距离省会昆明 抚仙湖流域地理位置为东经 北纬 为云南高原抬升过程中形成的断陷型深水湖泊属珠江流域南盘江水系 抚仙湖片区处于滇中湖群五大湖泊(抚仙湖、星云湖、杞麓湖、阳宗海和滇池)的中心部位东邻南盘江南与星云湖相连并与杞麓湖流域相隔西望滇池流域北接阳宗海流域 抚仙湖水深量大为我国第二深淡水湖蓄水量在淡水湖中排名第三与上游相隔 的星云湖形成“姊妹湖”抚仙湖湖岸线长 集水面积 当湖面高程 时水面面积 相应湖泊蓄水量为 湖长约 湖最宽处约 最大水深 平均水深 有大小入湖河流 条大多是间歇性的小山溪流程短 海口河是历史上唯一的明河出水口隔河是抚仙湖出流改道后的出湖河流之一抚仙湖水经隔河泄入星云湖 抚仙湖流域水资源主要靠降雨地表径流补给 数据来源分析数据为 年抚仙湖海口断面水质监测数据抚仙湖星云湖流域内 个雨量站的逐年降水量澄江海口站的逐年蒸发量和逐年平均水位 数据均来源于云南省水文水资源局 年人口和 数据来源于玉溪市统计年鉴 研究方法 检验法 检验方法是一种非参数方法样本不需要遵从一定的分布也不受少数异常值的干扰计算比较简便 采用 检验法对抚仙湖海口高锰酸盐指数变化趋势和突变进行分析)趋势检验 是关于观测值序列的秩次和时序的秩相关检验而非数据本身将时间序列数据假设为 个独立的、随机变量同分布的样本()计算检验统计量:第 卷贺克雕:年抚仙湖海口水生态环境指标 变化趋势及影响因素研究 ()()式中:()为符号函数分别为、当数据系列服从独立且同分布的假设时 服从正态分布其均值为 方差()()()/统计值 计算公式为:()/()()/()()对于给定的置信水平 当 /时序列趋势显著 时序列呈上升趋势 时序列呈下降趋势 当 大于等于 、和 时表示分别通过置信度为、和 的显著性检验衡量趋势大小的指标用倾斜度 表示计算公式为:()/()()秩序列 是第 时刻数值大于 时刻数值个数的累计数 在时间序列随机独立的假定下定义统计量:()()()式中:()()为累计数 的均值和方差相互独立且有相同连续分布时()()/()()()/为标准正态分布是按时间序列 顺序 计算出的统计量序列给定显著性水平 查正态分布表若 则表明序列存在明显的趋势变化 按时间序列 逆序 再重复上述过程同时使 ()绘制 和 曲线图若 或 的值大于 序列呈上升趋势小于 则呈下降趋势 当其超过临界直线时表明上升或下降趋势显著 超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域 如果和 两条曲线出现交点且交点在临界线之间那么交点对应的时刻便是突变开始的时间 给定 显著性水平及 极显著水平即()()突变趋势判别标准见表 表 突变趋势判别标准 突变趋势极显著上升显著上升不显著上升不显著下降显著下降极显著下降 高锰酸盐指数变化与影响因素的关系分析选择多元线性回归模型来定量表达高锰酸盐指数与影响因子之间的联系及密切程度 多元线性回归的一般数学模型为:()式中:为因变量()为 个不同的自变量 为截距()为 个对应的回归系数 为随机误差一般假定其服从正态分布为了消除量纲不同和数量级的差异带来的影响进行多元回归前要对自变量和因变量进行标准化公式为:()式中:为标准化值 为指标值 为算术平均值 为标准差 结果与分析 抚仙湖海口断面高锰酸盐指数变化趋势从年际变化看抚仙湖海口断面高锰酸盐指数呈波动上升趋势 年的 /是研究时段内的最小值 年达到类标准限值 /之后稍有下降而后继续上升至 年出现最大值 /年均大于 /单项水质指标评价均为类 年小于 /但呈上升趋势接近 /(图)对抚仙湖海口断面 年高锰酸盐指数进行 趋势检验结果(表)显示高锰酸盐指数总体呈显著上升趋势统计值 大于第 期林 业 调 查 规 划图 抚仙湖海口断面高锰酸盐指数年际变化 表 抚仙湖海口断面高锰酸盐指数 趋势检验结果 指标统计值(双侧)趋势显著水平 显著上升 通过了置信度为 的显著性检验说明高锰酸盐指数在 水平上显著上升 引入 倾斜率 来估算趋势的变化幅度研究时段内抚仙湖海口断面的高锰酸盐指数年均上升 /抚仙湖海口断面高锰酸盐指数突变分析采用显著水平(临界值为)与极显著水平(临界值为)对高锰酸盐指数进行 突变趋势分析绘制正向统计量 和反向统计量 曲线图突变分析结果(图)表明高锰酸盐指数在研究时段内有 个突变点 年开始突变发生突变后高锰酸盐指数持续上升 年发生第二次突变这两次突变点均位于显著信度线()之间说明突变不显著第二次突变后曲线持续上升至 年突破了 的临界值区域年突破了 的临界值区域 年发生了第三次突变这一突变点超出极显著信度线 的上限表明突变极其显著 抚仙湖主要水文要素变化特征 年抚仙湖平均降水量 最大年降水量为 年的 最小年降水图 抚仙湖海口断面高锰酸盐指数突变分析 量为 年的 平均蒸发量为 最大年蒸发量为 年的 最小年蒸发量为 年的 平均水位 最高年平均水位为 年的 最低年平均水位为 年的 抚仙湖水位经历了上升(年)、平稳(年)、下降(年)、上升(年)、下降(年)的变化过程(图)研究时段内多年平均蒸发量是多年平均降水量的 倍 年平均水位显著下降期间平均蒸降比达 最高为 年的 年、年水位上升期间平均蒸降比均为 年水位平稳期间平均蒸降比为 与多年平均蒸降比一致 高锰酸盐指数变化的影响因子解析为了定量分析水文要素和主要经济社会指标对高锰酸盐指数变化的影响把高锰酸盐指数年均值作为因变量年均降水量、年均蒸发量、年平均水位、流域人口密度、人均 作为自变量对自变量和因变量数据进行标准化后采用 进行逐步多元回归分析建立高锰酸盐指数与影响因子的多元线性回归模型基于多元线性回归方程的调整(可决系数)来判断影响因子对高锰酸盐指数的影响程度根据回归系数的大小来判断各影响因子对高锰酸盐指数影响的大小 根据回归结果(表)流域人口密度、蒸发量、水位可解释抚仙湖海口断面高锰酸盐指数变化的 人口密度、蒸发量与海口断面高锰酸盐指数呈正相关水位与海口断面高锰酸盐指数呈负相关在 个指标中人口密度对抚仙湖海口断面高锰酸盐指数变化的影响程度最大第 卷贺克雕:年抚仙湖海口水生态环境指标 变化趋势及影响因素研究图 抚仙湖主要水文要素变化 表 高锰酸盐指数回归模型参数 断面名称(截距)(人口密度)(蒸发量)(水位)调整抚仙湖海口 讨 论抚仙湖总体水质保持优良与径流区森林的涵养水源、保持水土功能有着密切联系尤其是 年国家实施天然林保护计划和退耕还林政策后抚仙湖流域的森林植被得到了很大恢复面积有所增加 植被恢复是生态系统功能恢复的前提和基础林业生态建设在湖泊生态环境保护和治理中发挥了重要作用 流域森林植被会对降雨、蒸散发等产生影响进而影响水文过程和水生态环境质量 年抚仙湖海口断面高锰酸盐指数变化经历了几次较大波动 年抚仙湖被省政府确定为省级旅游度假区澄江县旅游业全面发展 年抚仙湖旅游处于快速发展阶段全力推进旅游重大项目建设人均 快速增长抚仙湖旅游资源 集中在沿湖区域很难将游览区、休闲区与生活服务区分离容易造成对湖泊水质的影响 年后进行了突破转型 年间抚仙湖蒸发量明显下降水位明显上升而 年后抚仙湖流域经济增长速度猛增呈指数级增长这可能是抚仙湖海口断面高锰酸盐指数从 年开始快速增大 年出现最大值 年后开始下降而 年后又呈上升趋势的主要影响因素 其间抚仙湖流域自 年遭遇了 年连旱降水量连续 年偏少蒸发量增大周边群众生活生产用水困难纷纷向抚仙湖提水 年抚仙湖水位急剧下降这可能是 年高锰酸盐指数突破 的临界值区域呈显著上升趋势的主要原因 兰静等研究提出河流水动力情势及周边人类活动是高锰酸盐指数含量高低的重要影响因素黄金良等认为人口密度、建设用地比例是影响流域水质的主要因素研究时段内抚仙湖流域人口密度持续增长城镇化水平快速提升 年后进入快速城镇化阶段人们的生活方式和消费结构均发生了较大变化多元回归分析中人口密度的回归系数最大人口密度是影响抚仙湖海口断面高锰酸盐指数显著上升的主要因素 因此缓解抚仙湖流域人口压力对解决湖泊水质变化具有重要意义近年来抚仙湖降水量下降蒸发量上升使得水位持续下降使仅靠降水补给的湖盆受到较大影响蓄水量减少湖泊自净能力受到影响加之人口密度持续上升使高锰酸盐指数上升 高锰酸盐指数是地表水水质评价的一个重要指标也是水体富营养化评价指标之一 高锰酸盐指数的上升会引起营养状态指数的增大影响湖泊营养化进程使湖泊水质受到威胁水质变化又会影响水生态系统的演变进而对水生态环境质量和水生态安全造成威胁因此要高度关注高锰酸盐指数的变化趋势加强湖泊管理保护控制流域人口规模保障湖泊生态水位复苏湖泊生态环境永葆湖泊生机活力第 期林 业 调 查 规 划 结 论 年抚仙湖海口断面高锰酸盐指数总体呈显著上升趋势年均上升 /近年浓度接近 /高锰酸盐指数在研究时段内发生 次突变 年、年突变不显著 年突变极其显著抚仙湖水位经历了上升、平稳、下降、上升、下降的变化过程多年平均蒸发量约为多年平均降水量的 倍蒸降比高时水位呈下降趋势流域人口密度、蒸发量、水位可解释抚仙湖海口断面高锰酸盐