春季敏感時期三峽庫區(qū)典型支流富營養(yǎng)化評價

陳秀秀，宋林旭，紀道斌，呂 垚，劉德富(.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 44300；.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心(三峽大學)，湖北 宜昌 44300)

0 引 言

三峽水庫蓄水后，庫區(qū)水位抬高、流速減緩、水體擴散能力減弱、污染物滯留時間延長等水環(huán)境條件發(fā)生了巨大變化，尤其是支流庫灣，受干流頂托作用影響，局部水體的水流運動呈現(xiàn)湖泊狀態(tài)，具備了水華發(fā)生的基本水動力條件，本研究監(jiān)測支流總磷濃度(TP)為0.03～0.237 mg/L,總氮濃度為1.369～2.698 mg/L, 且這些支流常年總氮(TN)、總磷(TP)含量均已接近或超過國際上公認的發(fā)生富營養(yǎng)化的濃度水平(TN為0.2 mg/L，TP為0.02 mg/L)[1-3]。從2003年開始，春季敏感時期庫區(qū)主要支流已經(jīng)頻繁爆發(fā)水華，嚴重影響庫灣水環(huán)境質(zhì)量和水體功能。不同富營養(yǎng)化程度的水體爆發(fā)水華風險不一樣，進行水體富營養(yǎng)化評價對預測和控制水華的必要措施和手段。水體富營養(yǎng)化評價是對水體富營養(yǎng)化發(fā)生過程中，某一時期營養(yǎng)狀況的定量描述，其主要目的是通過對具有指示富營養(yǎng)化狀態(tài)的因子進行調(diào)查分析，判斷該水體的營養(yǎng)狀態(tài)，了解富營養(yǎng)化進程并預測發(fā)展趨勢，進而根據(jù)具體情況進行水體水質(zhì)治理及富營養(yǎng)化防治。目前富營養(yǎng)化采用的評價方法可分為水質(zhì)指標參數(shù)法、生物指標參數(shù)法、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4]、模糊數(shù)學法[5]、灰色關(guān)聯(lián)分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[6,7]等，主要是針對湖泊特性選取參數(shù)進行富營養(yǎng)化的評價，對三峽庫區(qū)的評價結(jié)果與實際值差別很大，不能準確的反映三峽庫區(qū)特有的水環(huán)境特點。本研究通過改進的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，根據(jù)三峽水庫其自身特有的水環(huán)境特點決定的參數(shù)與權(quán)重，更具有針對性三峽水庫的支流營養(yǎng)水平進行了評價。于2014年4月春季敏感時期對三峽庫區(qū)9條典型次級支流回水河段進行了野外水質(zhì)監(jiān)測，并在此基礎上應用改進的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對富營養(yǎng)狀態(tài)進行了評價研究，主要對庫首湖北區(qū)中下游段的五條支流(九畹溪、童莊河、香溪河、渣溪河、神農(nóng)溪)和重慶區(qū)中上游段的四條支流(大寧河、朱衣河、磨刀河、小江)進行營養(yǎng)狀態(tài)評價，其目的是確切地反映湖泊水環(huán)境的質(zhì)量和污染情況，進而預測出將來的發(fā)展趨勢。富營養(yǎng)化防治已成為三峽水庫水環(huán)境治理與管理的重點，而水體富營養(yǎng)化評價方法是防治和管理的基礎[8]。是保護庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的必要措施和手段，以期為三峽水庫富營養(yǎng)化防治及水環(huán)境管理提供依據(jù)和支持。

1 對象與方法

1.1 研究區(qū)域監(jiān)測指標與方法

本研究監(jiān)測范圍為三峽庫區(qū)9條典型次級支流——九畹溪、童莊河、香溪河、渣溪河、神農(nóng)溪、大寧河、朱衣河、磨刀溪、小江，各支流回水區(qū)概況如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測項目指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)5項，所有項目均為采水器在水面下0.5 m處采樣。SD采用塞氏盤(Secchi Disc)測定；Chl-a采用丙酮萃取分光光度法測定；TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定[9]。

圖1 三峽庫區(qū)采樣點分布示意圖Fig.1 Map of sampling sites

1.2 監(jiān)測方法

本研究的調(diào)查時間選擇在 2014年4月 (藻類易爆發(fā)時段 )，調(diào)查范圍包括重慶市云陽縣至三峽大壩之間的庫區(qū)干流及其支流回水區(qū), 共設采樣斷面56個, 其中長江干流斷面9個, 支流斷面47個斷面采樣, 共取得樣品數(shù) 168個。監(jiān)測主要指標為：水流流速、水深、水溫。流速利用“威龍”聲學多普勒三維點式流速儀現(xiàn)場測定，水深、水溫利用Hydrolab DS5-44783多參儀分層測定，每1 m為一層。用作營養(yǎng)鹽檢測的水樣選用自制的采水器在各監(jiān)測斷面分層打水，貯存于2個潔凈的350 mL聚乙烯瓶中。對采集的水樣一瓶加酸至pH<2，用于室內(nèi)實驗室進行水化學實驗分析。

1.3 評價方法的選取

目前三峽水庫支流的富營養(yǎng)化評價較多采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，本文將采用改進的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[8-10]。本研究選用包括Chl-a、TN、TP、SD和CODMn在內(nèi)的相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來評估各支流的營養(yǎng)狀況[11]。先分別計算單項指標營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)：

TLI(Chl-a)=10[2.46+ln Chl-a/ln 2.5]

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

再通過加權(quán)求和計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)：

(6)

式中：TLI(∑)代表綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI(j)代表第j種指標的單項營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為指標個數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

其中，Wj可由Chl-a作為基準參數(shù)，對其他評估參數(shù)進行相關(guān)分析后，對相關(guān)系數(shù)進行歸一化處理得出：

(7)

式中：rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)，見表1。

表1 三峽水庫參數(shù)權(quán)重Tab.1 The weights of parameters of Three Gorges Reservoir

注：表中rij來源于三峽水庫31條主要入庫支流監(jiān)測結(jié)果[8]。

水體營養(yǎng)化狀態(tài)劃分標準方法是采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)值對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行分級[4]，詳見表2。

表2 水體營養(yǎng)狀態(tài)分級Tab.2 Classification of water nutritional status

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查分析

2.1.1理化參數(shù)分析

表3為研究區(qū)域各支流理化因子監(jiān)測結(jié)果。水溫范圍在14.9～21.8 ℃，各支流均表現(xiàn)為由下游至上游逐漸升高的規(guī)律。pH范圍在7.78～9.60，均為弱堿性水體，各支流亦多表現(xiàn)為下游低上游高的規(guī)律。DO含量范圍在15.03～37.64 mg/L。電導率范圍在253～537 μS/cm，庫首湖北區(qū)五條支流均呈現(xiàn)出下游高上游低的規(guī)律，另四條支流則表現(xiàn)出相反的規(guī)律，且在小江上游出現(xiàn)最大值537 μS/cm，其余監(jiān)測值均小于382 μS/cm。SD的范圍在20～450 cm，由于主要受水體中浮游生物量和懸浮物的影響，和各支流流域生態(tài)環(huán)境狀況不同，導致SD在各支流間差異較大。庫首五條支流上游SD均在80 cm以內(nèi)，是由于光線及降雨沖刷帶入大量泥沙所致。采樣至小江時平均光照強度達到569.73 LX，氣候溫度在28～29 ℃，小江水溫也是九條支流中最高為20.7 ℃，浮游生物量急增造成小江上游SD驟降至55 cm。

2.1.2營養(yǎng)因子分析

(1)高錳酸鹽指數(shù)。圖2為研究區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)空間變化。在空間分布上，故大多數(shù)支流表現(xiàn)為從下游至上游逐漸升高的趨勢，說明上游受有機污染風險較大。當高錳酸鹽指數(shù)超過4 mg/L時即表示水體已處于有機污染狀態(tài)[12]，從圖2得出九畹溪上游與小江上游均受到有機污染。這是由于這兩條河流的上游河谷狹隘，流量小，易受到污染，而河流下游段出口與長江水體交換頻繁，摻混度大受有機污染輕。朱衣河的高錳酸鹽指數(shù)表現(xiàn)出下游高上游低的變化規(guī)律，神農(nóng)溪和大寧河則是中游高錳酸鹽指數(shù)較高。研究區(qū)域其余大多數(shù)支流高錳酸鹽指數(shù)小于4 mg/L，而香溪河上游和小江上游高錳酸鹽指數(shù)分別為4.126和5.451 mg/L，香溪河沿岸人口密集，耕地面積廣，工礦企業(yè)分布眾多。小江回水區(qū)沿岸云陽縣縣城的排污使得這一河段的營養(yǎng)負荷相對提高，表明香溪河和小江上游已經(jīng)受到有機污染的威脅，需要繼續(xù)關(guān)注。

表3 理化因子監(jiān)測結(jié)果Tab.3 Results of physical chemistry parameters

圖2 高錳酸鹽指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distributions of CODMn

(2)TN、TP含量變化。研究區(qū)域各支流TN、TP含量變化如圖3和圖4所示。TN的最高濃度3.208 mg/L，最低濃度0.450 mg/L，TN濃度空間差異不明顯。鄭丙輝[12]對營養(yǎng)狀態(tài)評價指標進行閾值分析，三峽水庫湖泊型水體TP的富營養(yǎng)化爆發(fā)閾值介于0.043～0.093 mg/L之間, TN的富營養(yǎng)化爆發(fā)閾值介于0. 607～0.893 mg/L之間。該九條支流TN濃度均在閾值之上，差異不大。各支流河口區(qū)域的氮濃度較高，庫灣末端較低，這也進一步驗證了三峽庫區(qū)的干流倒灌異重流對支流營養(yǎng)鹽的補給作用[13]。TP濃度在大部分支流中表現(xiàn)為由下游至上游逐漸降低的變化規(guī)律，從三峽庫區(qū)看庫首九條支流TP濃度由庫區(qū)下游向上游逐漸降低的變化規(guī)律。而香溪河空間分布表現(xiàn)在上游TP濃度最高(0.329 mg/L)、下游濃度最低(0.185 mg/L)，離河口越遠、磷濃度含量越高，超過了富營養(yǎng)化閾值4～8倍，香溪河呈現(xiàn)出相反規(guī)律與該流域上游富含磷礦有關(guān)。三峽庫區(qū)湖北段另外三條支流童莊河、渣溪河和神農(nóng)溪TP濃度均大于閾值，重慶段四條支流大寧河、朱衣河、磨刀溪和小江TP濃度均小于閾值，大寧河TP濃度最小為0.001 mg/L。對藻類生長來說，TN/TP比值大小反映氮磷不足，比值大于20時，表現(xiàn)為磷不足；值小于13時，表現(xiàn)為氮不足[14]。分析結(jié)果表明，香溪河為氮不足，九畹溪、童莊河、渣溪河TN/TP比率在13～20之間，其余幾條支流均大于20，即表現(xiàn)為磷不足。

圖3 TN含量空間變化Fig.3 Spatial distributions 0f TN

圖4 TP含量空間變化Fig.4 Spatial distributions 0f TP

(3)Chl-a含量變化。水體中藻類的急劇增殖是誘發(fā)水華發(fā)生的直接原因，而水體中浮游植物生物量水平的高低可由葉綠素a濃度的大小來反映，因此，通過研究葉綠素a可以直觀地描述水體營養(yǎng)化狀況對水華消長的影響。研究區(qū)域各支流葉綠素a濃度變化如圖5所示。九條支流葉綠素a濃度整體不高，其中九畹溪、童莊河、神農(nóng)溪、大寧河、朱衣河、磨刀溪和小江葉綠素a濃度在0.737～6.315 μg/L之間，濃度較低。而渣溪河上游葉綠素a濃度較高為41.732 μg/L，香溪河中下游葉綠素a濃度為3.261、5.341 μg/L，上游葉綠素a濃度最高為184.61 μg/L。

圖5 葉綠素a含量空間變化Fig.5 Spatial distribution of Chl-a

2.2 營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果分析

不同支流營養(yǎng)狀態(tài)評估結(jié)果見圖6。位于庫首下游湖北段的五條支流(香溪河、九畹溪、童莊河、渣溪河、神農(nóng)溪)水體營養(yǎng)程度較高，均達到中營養(yǎng)水平以上，其中香溪河達到富營養(yǎng)化水平，庫首重慶區(qū)四條支流均處于貧營養(yǎng)化水平。本次評價的綜合營養(yǎng)指數(shù)范圍在16～61，大部分支流在中營養(yǎng)水平以下，與三峽庫區(qū)蓄水初期2005年支流的綜合營養(yǎng)指數(shù)35～72 相比[10]，支流的營養(yǎng)化程度有所改善。最大值61出現(xiàn)在庫首下游段湖北區(qū)支流香溪河中游，最小值16出現(xiàn)在支流磨刀溪上游。香溪河中上游已達到富營養(yǎng)化水平, 并由輕度富營養(yǎng)化向中度富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變的趨勢，支流童莊河、九畹溪、神農(nóng)溪都處于中營養(yǎng)水平，且每條支流營養(yǎng)水平從下游向上游遞減；庫首上游段重慶區(qū)支流大寧河、朱衣河、磨刀溪、小江為中營養(yǎng)水平且有不同程度的降低；表明三峽水庫從蓄水初期至2014年4月支流水體營養(yǎng)程度有所好轉(zhuǎn)，說明近幾年對三峽庫區(qū)內(nèi)排放的污染負荷有針對性地進行控制治理是有效的。

圖6 支流水體富營養(yǎng)化評價結(jié)果Fig.6 Spatial distribution of TLI(∑)

3 結(jié) 語

(1)通過本次調(diào)查結(jié)果分析，庫首的九條支流中，香溪河的綜合營養(yǎng)指數(shù)由下游到上游遞增，其他八條支流的綜合營養(yǎng)指數(shù)均由下游到上游遞減。從圖5看出庫首九條支流中，綜合營養(yǎng)指數(shù)從庫區(qū)下游到庫區(qū)上游有遞減趨勢，支流富營養(yǎng)化因干流水體倒灌稀釋作用有所減緩。

(2)采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對三峽水庫庫首湖北段與重慶段九條支流進行評價，結(jié)果表明，本次調(diào)查的綜合營養(yǎng)指數(shù)范圍在16～61，大部分支流處于中營養(yǎng)水平以下。只有香溪河中上游已達到富營養(yǎng)化水平, 并由輕度富營養(yǎng)化向中度富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變的趨勢；另外湖北段四條庫首支流都處在中營養(yǎng)水平，其余幾條支流為中營養(yǎng)水平且有不同程度的降低。進一步驗證了改進的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法能夠針對三峽庫區(qū)的特有水利環(huán)境反映出水體營養(yǎng)狀態(tài)的時空變化特征，更有利于對三峽水庫水環(huán)境的科學治理。

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