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2014—2019年乌鲁木齐河上游水体COD动态变化特征

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吕湘芳冷冰冰刘燚蒋焕

摘要：乌鲁木齐河是我国西北干旱区典型内流河，也是乌鲁木齐市的重要水源地。为了解乌鲁木齐河上游水体化学需氧量（COD）在不同时间尺度的变化特征，在上游上、中、下段3个水质监测断面（跃进桥、英雄桥、青年渠）开展连续6年（2014—2019年）长期监测，每月测定1次水体COD。结果表明：各年份之间及各监测断面之间的COD均具有明显的月变化特征（2.0～13.0mg/L），但变化趋势各不相同;上游上段跃进桥COD（5.4mg/L）显著低于中段英雄桥（7.04mg/L）和下段青年渠（7.03mg/L）;随时间（年）延长，各断面及其平均COD值呈显著下降趋势。总体而言，乌鲁木齐河上游水体COD低于《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）一类标准限值（≤15mg/L），且呈逐年向好趋势。

关键词：乌鲁木齐河;化学需氧量;年际动态;月变化;水污染

中图分类号 X832文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）19-0129-04

Dynamic Variation Characteristic of COD in the Upper-reaches of Urumqi River from 2014 to 2019

LV Xiangfang et al.

（Urumqi Environmental Monitoring Center Station，Urumqi 830099，China）

Abstract：The Urumqi River is a typical inland river in arid area of Northwest China，and its also an important water source of Urumqi city.In order to understand the variation characteristics of chemical oxygen demand（COD）in the upper reaches of Urumqi River at different time scales，a long-term monitoring was carried out for six years（2014—2019）at three hydrological monitoring stations（i.e.，Yuejinqiao，Yingxiongqiao，and Qingnianqu，respectively）of upper，middle，and lower sections，and the COD in water body was measured once a month.The results showed that the CODs showed obvious monthly variation characteristics（between 2.0～13.0mg/L）in different years and different monitoring stations，but the change trends were different to each other.The COD（5.4mg/L）in Yuejinqiao in the upper section of upper-reaches of Urumqi River was significantly lower than that of Yingxiongqiao（7.04mg/L）and Qingnianqu（7.03mg/L）in the middle and lower sections.With the extension of time（year），the COD value in each of the three stations and their average value both showed a significant decreasing trend.In general，the COD in water body in the upper reaches of Urumqi River is lower than the national limit standard（≤15mg/L），and it is getting better year by year.

Key words：Urumqi River;COD;Inter-annual dynamic;Monthly change;Water pollution

烏鲁木齐河（Urumqi River）位于新疆天山北坡中段、准噶尔盆地南缘，发源于天山乌鲁木齐河源1号冰川，自南向北横穿乌鲁木齐市、五家渠市，最后流入古尔班通古特沙漠南缘的东道海子，全长214km，流域总面积约5000km2[1]。乌鲁木齐河是一条冰雪融水、降雨及地下水混合补给的河流，多年平均径流量为2.44×108m3，年最大径流量可达3.44×108m3[2]。乌鲁木齐河沿途建有乌拉泊、红雁池、八一、猛进等多座水库，是乌鲁木齐市居民生产生活及工农业生产的主要水源地之一[3]。

乌鲁木齐河通常分为上游、中游和下游3部分，其中市区南郊乌拉泊水库西南青年渠以上的河段称为上游（又称大西沟，长约29km），它是保障乌鲁木齐市饮用水安全的最关键区段[1]。随着乌鲁木齐城市化进程加快及工农业生产发展，自然和人类对水资源需求的矛盾日益扩大，水环境污染已成为制约可持续发展的重要因素[4]。在水资源不变的条件下，提高水资源利用效率、控制并有效降低水环境污染已刻不容缓，而对天然河流尤其是河源区域水体质量的长期有效监测则是实现这一要务的重要前提。

化学需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）是水质检测GB3838—2002国家标准的重要指标[5]，它是指以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量，具体指水体中尤其是受污染水体中能被强氧化剂氧化的物质（各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等，但以有机物为主）的氧当量[6]。因此，COD被视为衡量水中有机物质含量多少及水体受污染严重程度的重要指标，其值越大表明水体受有机物污染越严重，反之则受污染较轻[7]。研究表明，COD是乌鲁木齐河主要污染源之一[8]，但COD在长时间梯度上如何变化（月变化和年际变化）尚不清楚。为了解乌鲁木齐河上游水体COD的时间动态特征，本研究对3个水质监测断面开展了连续6年（2014—2019年）的长期监测，分析探讨水体COD在月份、年份及不同断面之间的变异性和差异性，试图找出一定的变化规律，以揭示乌鲁木齐河上游水质特点及其时间变异格局，并为干旱区内流河水安全保障及河源水质变化预测提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 水样采集与指标测定以乌鲁木齐河上游青年渠（上游下段）、英雄桥（上游中段）和跃进桥（上游上段）3个水质监测断面为调查取样点，每月上旬开展水体取样工作。用500mL玻璃瓶采集水体样品，取样点距离河岸1m，取样深度原则上距水面和河底均不小于0.3m，水位较低时则在中间水层取样，样品重复3个。样品带回乌鲁木齐市环境监测中心站实验室，置于4℃冰箱内冷藏，2d内完成分析测定。

采用国标（GB11914—1989）中的重铬酸盐法（CODCr）测定水体COD含量[5]。基本原理为：在强酸性溶液中准确加入过量的重铬酸钾标准溶液，加热回流，将水样中还原性物质氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液回滴，根据所消耗的重铬酸钾标准溶液量计算水样COD。

CODCr（mg/L）=（V1–V2）×C×8000/V0[5]

式中：C为硫酸亚铁铵标准溶液的浓度（mol/L）;V1为滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液用量（mL）;V2为滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液用量（mL）;V0为水样体积（mL）;8000为1/2氧（O）摩尔质量（g/mol）以mg/L为单位的换算值（GB11914—1989）。

1.2 数据统计分析对3个监测断面各年份、各月份水体COD进行初步统计分析，分别统计比较不同年份乌鲁木齐河上游水体COD的月变化及不同监测断面水体COD的月变化，绘制变化曲线，计算变异系数（CV<25%为弱变异，25%

2 结果与分析

2.1 不同年份水体COD的月变化特征由图1可知，2014—2019年乌鲁木齐河上游各年份COD的月平均值范围分别为5.0～13.0（2014年）、6.0～13.0（2015年）、5.0～12.0（2016年）、4.0～9.67（2017年）、3.33～11.0（2018年）和2.0～6.0mg/L（2019年）。各年份COD均具有明显的月变化特征，但变化趋势各不相同;COD逐年变异系数（CV）分别为31.7%、24.6%、36.8%、24.4%、43.3%和38.9%。由此可见，除2015年和2017年COD月均值的CV在25%以下外（属于弱变异），其余4年均属于中等变异。总体而言，乌鲁木齐河上游水体COD均低于国家I类水质标准限值（≤15mg/L），表明乌鲁木齐河上游水源地水质优良。

2.2 不同监测断面水体COD的月变化特征将每个监测断面每个月份6年的COD值进行平均化后（见图2），得到青年渠COD月平均值在4.8～9.8mg/L，其中最大值在1月，最小值在6月和7月，总体上呈“下降—升高—再下降”的趋势;英雄桥COD月平均值在4.0～9.5mg/L，其中4月最大，12月和3月最小，总体呈“下降—跃升—下降—缓升—再下降”的变化趋势;跃进桥COD月平均值在3.25～7.0mg/L，最大值在1月，最小值在11月，中间经历了“降低—缓升—再降低”的过程。由此可见，3个监测断面COD月变化趋势各不相同，但均属于较弱变异（CV分别为21.9%、21.6%和23.1%）。

2.3 水体COD在不同年份和监测断面间的差异性不同年份间COD的方差分析表明（见图3），青年渠各年平均COD在4.11～9.91mg/L，以2015年最高，2019年最低，总体呈逐年降低趋势;英雄桥前5年COD无显著差异（7.00～9.75mg/L），但显著高于2019年的3.88mg/L，6年总体也呈下降趋势;跃进桥2016—2019年COD无显著差异（4.58～5.88mg/L），但2019年COD值最低。

对各年份3个监测断面水体COD进行对比分析（图4），发现仅2017年水体COD在3个断面间差异显著，表现为上游上段跃进桥显著低于中段英雄桥，其他年份各断面差异不显著。将每个监测断面6年各月COD数据整合后进行方差分析，结果如图5所示。由图5可见，乌鲁木齐河上游下段的青年渠和中段的英雄桥COD平均值分别为7.03mg/L和7.04mg/L，显著高于上游上段的跃进桥（5.40mg/L），高出比例达30%。说明随着河水逐渐往下游流动，其水体COD呈显著增加趋势。尽管如此，青年渠和英雄桥COD平均值均在《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）一类标准限值（≤15mg/L）50%以下，水质优良。

将同一年份3个监测断面各月COD数据合并后进行方差分析（图5A），结果显示，2015年乌鲁木齐河COD总体最高（达到9.85mg/L），而2019年总体最低（3.92mg/L），其他4年之间差异不显著（6.46～7.65mg/L）。线性拟合表明（图5B），随时间（年）延长，乌鲁木齐河上游水体COD值呈显著下降趋势（y=?0.8363x+9.9076，R2=0.6639，P<0.05），表明水体有机污染物在原本较少的基础上又显著减少，说明乌鲁木齐河上游水质逐渐提升。

3 结论与讨论

乌鲁木齐河是我国西北地区典型的降水、冰川和地下水综合补给的内陆河。作为乌鲁木齐市的母亲河，乌鲁木齐河承载了流域内的自然环境和人类社会的耗水量，对区域生态环境改善和经济可持续发展具有重要意义[1，4]。因此，如何保障乌鲁木齐河的水资源安全尤其是上游的水质安全，是保障和发展民生、促进经济社会和自然环境可持续发展的重要任务。

河流水质通常具有明显的时间变化，包括月变化、季节变化和年际变化。例如，对上海市6条中小河流水体污染物连续12个月监测表明，各指数均存在明显的月变化，但变化趋势各不相同，其综合营养状态指数总体呈逐月增加趋势[7]。对乌鲁木齐河英雄桥水文站1958—2005年48年径流量的年内和年际变化规律特征的分析发现[9]，乌鲁木齐河径流量年内分配不均匀，呈显著的季节变化，而径流量的年际变化不明显，不存在突变特征，但存在较明显的周期特征（显著周期为16年、6年和3年）[10]。同样，本研究发现，2014—2019年乌鲁木齐河上游各年内水体COD月变化明显，但各年之间的趋势均不相同，猜测可能与上述周期性变化相似，即本研究中的6年可能就处在一个变化周期内，因此年份间的变化特征需要更长时间的监测数据加以分析验证。

通过对乌鲁木齐河2001—2010年水质监测数据分析表明，与“十五”相比，“十一五”期间乌鲁木齐河水质明显改善，综合污染指数进一步下降，跃进桥断面水质类别由Ⅱ类水质变为Ⅰ类，英雄桥断面水质类别由Ⅲ类水质变为Ⅱ类[11]。而本研究发现，以COD反映的乌鲁木齐河水质以上游上段为最好，上游中段和下段水体COD稍有增加，但仍低于I类水COD限制阈值（≤15mg/L）的50%[5]。随着时间延长，至2019年乌鲁木齐河上游水体COD逐渐降低，表明水质得到进一步提升，这与近年来开展的生态工程建设有密切关联。如游牧民搬迁工程、定居工程，使得山区放牧强度和人类活动大大减少，极大缓解了水土流失压力，减少了水土和牲畜粪便对水源造成的污染[1]。此外，生态工程的实施也使得森林和草地的生态系统功能得到一定程度提升，增加了河源区水源涵养和净化能力，提升了水源地水质。

金兵[8]对乌鲁木齐河上、中、下游水质进行综合研究表明，上游与下游断面的河水均达到有关标准，河流综合污染指数、有机類污染指数、营养盐类污染指数随河流向下流动而逐渐增加，COD等有机类污染物成为主要污染源。该结果与本研究中从上游上段跃进桥至中段和下段英雄桥及青年渠COD显著增加的结论一致。分析表明，上游工业活动、生活污水排放、水土流失等是造成河道污染的主要原因[12，13]。此外，水质的好坏及其月变化与河流年径流量也有一定关联。相关性分析和灰色关联度分析表明，乌鲁木齐河年径流量变化主要受降水的影响[2]。乌鲁木齐河上游出山口径流量的年际变化相对稳定，但年内分配极不平衡，其中夏季径流量最大，其他各月径流量占全年不到40%[14]。本研究中夏季5—8月COD总体上较低，这可能与夏季径流量大引起的污染物稀释效应有关。

与20世纪初的10年相比[11]，本研究中乌鲁木齐河上游跃进桥和英雄桥已然成为Ⅰ类水体（基于COD），且COD值逐年下降、水质逐年提升。这表明现有水源地保护与水污染治理政策对乌鲁木齐河的保护与治理卓有成效，但这个趋好现象并不代表水质不会出现反弹。研究表明，近10年来乌鲁木齐河上游气候趋于暖湿，可能会逐渐增大径流量，但长期会使河源冰川逐渐消退[15]。长此以往，乌鲁木齐河水资源承载力、水循环过程都将发生变化，山洪、泥石流及反弹的过度放牧等均可能会显著影响水体质量并导致水污染等问题发生[4]。因此，在监测河流水体污染物指标的同时，流域气象环境、人类活动等因素也应同时监测记录，以更加明确地揭示河流水体COD等水体质量指标与地表径流、气候环境等因子之间的关系，为指导乌鲁木齐河水环境科学监测、预报及水资源可持续利用提供科学依据。

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