丹江口水庫湖北庫區(qū)水質(zhì)分區(qū)及長期變化趨勢

張 煦，熊 晶，程繼雄，姚志鵬

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430072

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

丹江口水庫湖北庫區(qū)水質(zhì)分區(qū)及長期變化趨勢

張 煦1，熊 晶1，程繼雄1，姚志鵬2

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430072

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程水源地，準確地掌握丹江口水庫水環(huán)境質(zhì)量狀況變化情況，對保障調(diào)水工程順利進行有著極其重要的意義?；谒|(zhì)理化指標將丹江口水庫湖北庫區(qū)水域劃分為4個區(qū)，各分區(qū)的主要物理指標存在顯著差異，化學指標較為均一；近10年水質(zhì)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，湖北庫區(qū)除總氮指標外，其余監(jiān)測指標水質(zhì)類別均達到或優(yōu)于Ⅱ類，總體水質(zhì)保持優(yōu)良；氨氮、總磷、總氮3項指標年均濃度從2007年起呈增加趨勢，在2011年后均有所降低并趨于穩(wěn)定。農(nóng)業(yè)面源污染對丹江口水庫水質(zhì)影響較大。目前采取的各項環(huán)保措施對丹江口水庫的水質(zhì)產(chǎn)生了積極的影響，需繼續(xù)加大各項治理措施的實施力度，完善水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，保障丹江口水庫水質(zhì)安全。

丹江口水庫；水質(zhì)分區(qū)；變化趨勢；聚類分析

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程水源地，水域橫跨湖北、河南2個省，由湖北境內(nèi)的漢江庫區(qū)和河南境內(nèi)的丹江庫區(qū)組成。丹江口水庫多年平均入庫水量為395億m3，水庫多年平均面積超過700 km2[1]。2012年丹江口大壩加高后，水庫正常蓄水位從157 m增至170 m，水域面積可達1 022.75 km2，蓄水量達290.5億m3[2]。南水北調(diào)中線一期工程于2014年11月開始試調(diào)水，12月正式通水。丹江口水庫水質(zhì)狀況不僅直接影響到調(diào)水區(qū)當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，而且關系到用水區(qū)人民的健康和用水安全。因此，全面、準確地掌握丹江口水庫水環(huán)境質(zhì)量狀況變化情況，對保障調(diào)水工程順利進行具有極其重要的意義。

針對丹江口水庫水質(zhì)的研究集中在庫區(qū)及入庫支流的水質(zhì)現(xiàn)狀[3]、變化趨勢及影響因素分析[4]、水遙感監(jiān)測[5]及水質(zhì)演變趨勢研究[6]等方面，基于水質(zhì)理化指標的庫區(qū)分區(qū)及長時間尺度的水質(zhì)變化趨勢研究相對較少。2013年6月，筆者對丹江口水庫湖北庫區(qū)進行了大范圍的水質(zhì)監(jiān)測，嘗試對丹江口水庫湖北庫區(qū)進行水域分區(qū)，并比較不同庫區(qū)的差別，同時對丹江口水庫湖北庫區(qū)近10年的水質(zhì)變化進行了趨勢研究。

1 實驗部分

1.1 采樣點設置和監(jiān)測項目

2013年6月，對丹江口水庫湖北庫區(qū)采用網(wǎng)格布點法，綜合考慮入庫口、庫灣、庫體水質(zhì)的差別，共布設21個監(jiān)測點(圖1)。監(jiān)測項目為水溫、pH、透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、硝酸鹽氮、葉綠素a共10項。其中，濁度、高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮使用奧地利S::CAN型在線多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測定，葉綠素a使用BBE FLUOROPROBE藻類野外現(xiàn)場分析儀(version 1.6 E1)現(xiàn)場測定，其余指標根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)測定。水質(zhì)和營養(yǎng)狀態(tài)評價依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號)執(zhí)行。

1.2 數(shù)據(jù)分析及處理

對丹江口水庫湖北庫區(qū)監(jiān)測點的水質(zhì)指標進行聚類分析[7-8]，劃分庫區(qū)，并用單因素方差分析(One-way ANOVA)解析各庫區(qū)各項監(jiān)測指標的差異。如果單因素方差分析的組間差異顯著，進一步進行多重比較；如果方差齊，就進行LSD檢驗；如果方差不齊，就選用Games-Howell檢驗。

圖1 丹江口水庫湖北庫區(qū)監(jiān)測點示意圖

對近10年丹江口水庫湖北庫區(qū)溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a、透明度和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)共9項指標的年均濃度變化趨勢用spearman秩相關系數(shù)進行分析。取顯著性水平α=0.05，將秩相關系數(shù)rs的絕對值與spearman秩相關系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較。如果|rs|≥Wp，則表明變化趨勢有顯著意義，否則表明變化趨勢無顯著意義。如果rs為正值，則表明有上升趨勢；如果rs為負值，則表明有下降趨勢[9]。

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 19.0軟件。

2 結果與討論

2.1 丹江口水庫湖北庫區(qū)監(jiān)測點聚類分析

選取各采樣點的透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、硝酸鹽氮、葉綠素a、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)9項指標，利用聚類分析的方法(圖2)，將丹江口水庫湖北庫區(qū)的21個監(jiān)測點劃分為4個區(qū)(庫區(qū)Ⅰ包括1#、2#、3#、4#、5#、6#，庫區(qū)Ⅱ包括7#、8#、12#，庫區(qū)Ⅲ包括13#、14#，庫區(qū)Ⅳ包括9#、10#、11#、15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#)。

圖2 丹江口水庫湖北庫區(qū)監(jiān)測點聚類分析樹狀圖

2.2 各區(qū)監(jiān)測結果分析

單因素方差分析顯示，透明度、溶解氧、濁度、葉綠素a、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在湖北庫區(qū)4個區(qū)存在顯著差異(表1)。透明度在4個區(qū)呈現(xiàn)不同的特點，Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)及Ⅳ區(qū)各為一類，Ⅱ區(qū)兼具其他3個區(qū)的特性，其中Ⅰ區(qū)透明度最大，Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)透明度最?。蝗芙庋酡騾^(qū)和Ⅳ區(qū)可分為一類，與Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)均不相同，其中Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)溶解氧較大，Ⅰ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)最??；濁度指標4個區(qū)各為一類，其中Ⅲ區(qū)濁度最大，Ⅳ區(qū)、Ⅱ區(qū)次之，Ⅰ區(qū)濁度最小；葉綠素a指標Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)可分為一類，與Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)均不相同，其中Ⅳ區(qū)葉綠素a最大，Ⅱ區(qū)次之，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)較小，Ⅲ區(qū)葉綠素a最小；4個區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)可分為2類，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較小，均處于中營養(yǎng)狀態(tài)，Ⅳ區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較大，個別監(jiān)測點已達到輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，但該區(qū)均值仍在中營養(yǎng)狀態(tài)范圍內(nèi)。

表1 丹江口水庫湖北庫區(qū)不同分區(qū)監(jiān)測結果統(tǒng)計

注：數(shù)值為“平均值±標準誤差”；字母不同的同一變量表明其存在顯著差異(P<0.05)。

高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮、總氮、總磷4項指標在4個區(qū)之間沒有顯著性差異。

高錳酸鹽指數(shù)為1.26～2.85 mg/L，基本穩(wěn)定在Ⅰ類；硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為0.99～1.62 mg/L；總氮質(zhì)量濃度為0.61～2.41 mg/L，大部分監(jiān)測點為Ⅳ～Ⅴ類；總磷質(zhì)量濃度為0.04～0.09 mg/L，基本穩(wěn)定在Ⅲ類。

湖北庫區(qū)東西方向分布范圍較廣，橫跨東經(jīng)111°03′～111°31′。庫區(qū)Ⅰ位于丹江口水庫壩前位置，水深較大，流速緩慢，水體相對穩(wěn)定。庫區(qū)Ⅱ為原漢江河道，形態(tài)狹長，連接湖北庫區(qū)最大庫灣與壩前庫區(qū)。庫區(qū)Ⅲ位于漢江入庫口區(qū)域，為河流形態(tài)與水庫形態(tài)的緩沖帶，水體有一定流速，水最淺。庫區(qū)Ⅳ是丹江口水庫湖北庫區(qū)的最大庫灣。

總體來看，根據(jù)聚類分析結果進行的分區(qū)較為合理。丹江口水庫湖北庫區(qū)I區(qū)位于壩前位置，為典型的深水水庫，透明度大，濁度小，水體相對穩(wěn)定，葉綠素a和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較小，該區(qū)域水質(zhì)總體優(yōu)良，發(fā)生水華的潛在風險較低；Ⅱ區(qū)為原漢江河道，形態(tài)狹長，連接湖北庫區(qū)最大庫灣與壩前庫區(qū)，透明度、溶解氧和葉綠素a濃度較高，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較小，總體水質(zhì)優(yōu)良，發(fā)生水華的潛在風險較低；Ⅲ區(qū)為漢江入庫口區(qū)域，為河流形態(tài)與水庫形態(tài)的緩沖帶，水體有一定流速，水最淺，由于有上游帶來的懸浮泥沙[5]，其透明度和溶解氧濃度最低，濁度最大，葉綠素a濃度最低，Ⅲ區(qū)總體水質(zhì)較好，發(fā)生水華的潛在風險也較低；Ⅳ區(qū)透明度較低，溶解氧濃度和濁度較高，葉綠素a濃度最高，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)也較大，個別監(jiān)測點已經(jīng)處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，該區(qū)域為湖北庫區(qū)最大庫灣，水面面積大，水較深，流動性較差，在采樣過程中水面多現(xiàn)圍網(wǎng)養(yǎng)殖現(xiàn)象，漁業(yè)養(yǎng)殖投肥是影響Ⅳ區(qū)水質(zhì)的重要原因，若不及時采取相關措施，該區(qū)域部分位置將有發(fā)生水華的風險。

2.3 水質(zhì)變化趨勢分析

spearman秩相關系數(shù)分析結果顯示：溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、透明度和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)5項指標的|rs|Wp=0.564(n=10)，變化趨勢顯著，其中氨氮、總磷和總氮呈顯著增加趨勢，葉綠素a濃度呈顯著降低趨勢(表2)。

表2 2004—2013年丹江口水庫湖北庫區(qū)相關監(jiān)測指標變化趨勢

注：10年均值為“年均值±標準誤差”。

2004—2013年丹江口水庫湖北庫區(qū)氨氮、總磷、總氮和葉綠素a共4項指標年際變化顯示：氨氮質(zhì)量濃度為0.033～0.155 mg/L，除2011年為Ⅱ類外其余年份均達到Ⅰ類標準，2007—2011年氨氮濃度呈增加趨勢，2011年以后逐漸下降；總磷質(zhì)量濃度為0.009～0.017 mg/L，大部分年份穩(wěn)定在Ⅱ類水平，2007—2010年總磷質(zhì)量濃度有所增加，2010年以后有所降低并趨于穩(wěn)定；總氮質(zhì)量濃度為1.082～1.435 mg/L，均符合Ⅳ類標準，2009—2011年總氮質(zhì)量濃度逐漸增加，2011年以后逐漸降低；葉綠素a質(zhì)量濃度為0.906～2.053 mg/m3，2004—2007年降低較快，其后趨于穩(wěn)定(圖3)。

2004—2013年丹江口水庫湖北庫區(qū)除總氮指標為Ⅳ類外，其余監(jiān)測指標水質(zhì)類別均達到或優(yōu)于Ⅱ類，營養(yǎng)狀態(tài)級別在貧營養(yǎng)和中營養(yǎng)之間波動，總體水質(zhì)保持優(yōu)良。氨氮、總磷、總氮3項指標年均濃度呈顯著增加趨勢，濃度增加的時間段主要集中在2007—2011年，2011年以后3項指標濃度均有所降低并趨于穩(wěn)定。

圖3 近10年丹江口水庫湖北庫區(qū)氨氮、總磷、總氮、葉綠素a年際變化

丹江口庫區(qū)總磷、總氮主要來源于上游水土流失、農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污染[10-13]，水源區(qū)面源污染在點源污染得到有效控制之后已成為影響庫區(qū)水質(zhì)的主要原因之一[14]。庫區(qū)面源污染主要來自3個方面：大量使用農(nóng)藥和化肥、水土流失、養(yǎng)殖業(yè)及生活垃圾[15]。種植業(yè)源為湖北庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源的主要污染源[16]。據(jù)統(tǒng)計，2008—2011年，丹江口水庫湖北庫區(qū)內(nèi)丹江口市、鄖縣和鄖西縣的化肥施用量、農(nóng)藥施用量、耕地面積均呈總體上升趨勢，2011年3個縣市化肥施用總量較2008年上升3.7%，農(nóng)藥施用總量和耕地總面積分別上升13.6%和2.9%(圖4～圖6)。這與本研究中氨氮、總磷、總氮的變化趨勢一致。

圖4 2008—2011年丹江口市、鄖縣、鄖西縣化肥施用量變化

圖5 2008—2011年丹江口市、鄖縣、鄖西縣農(nóng)藥施用量變化

圖6 2008—2011年丹江口市、鄖縣、鄖西縣耕地面積變化

近10年間丹江口水庫湖北庫區(qū)葉綠素a濃度年均值變化呈3個階段：2004—2007年逐漸下降；2007—2011年略有上升；2011年后波動趨穩(wěn)。2004—2007年，由于2005年開始對丹江口大壩進行加高，筑壩施工及水文條件的變化對丹江口水庫水質(zhì)產(chǎn)生了一定影響，庫區(qū)氨氮、總磷濃度波動較大，這些因素共同作用造成葉綠素a濃度降低。2007年以后，水庫水體形成了新的穩(wěn)態(tài)，葉綠素a濃度變化趨勢與氮、磷濃度變化趨于一致，相關性較好[17]。

隨著南水北調(diào)中線工程的立項實施，丹江口水庫水源地的濕地保護被提上日程，庫區(qū)周邊的小水泥廠、小造紙廠、化工廠等被強行關閉。根據(jù)國務院《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十二五”規(guī)劃》的要求，一批水污染防治項目和水土保持項目在“十二五”期間陸續(xù)建設完成，包括排污口整治、工業(yè)點源治理、面源污染治理、庫周生態(tài)隔離帶建設、清污分流管網(wǎng)建設、尾礦庫治理等。從2011年以來的主要污染物濃度變化來看，以上水污染防治和水土保持措施對丹江口水庫的水質(zhì)產(chǎn)生了積極的影響。有關部門需進一步加強庫區(qū)上游水土保持和農(nóng)業(yè)面源污染防治工作，嚴格控制庫區(qū)漁業(yè)養(yǎng)殖，徹底清理整頓點源污染，加快生活污水和生活垃圾處理設施規(guī)劃與建設，健全庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡和預警預報系統(tǒng)，保障丹江口水庫水質(zhì)安全。

3 結論

丹江口水庫湖北庫區(qū)水質(zhì)聚類分析表明，根據(jù)水質(zhì)理化指標對丹江口水庫湖北庫區(qū)的分區(qū)較為合理：湖北庫區(qū)可劃分為4個區(qū)域，不同分區(qū)的透明度、溶解氧、濁度、葉綠素a、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等主要物理指標存在顯著差異，而化學指標較均一，這與實際地理狀況的分析吻合。近10年歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，湖北庫區(qū)除總氮指標為Ⅳ類外，其余監(jiān)測指標水質(zhì)類別均達到或優(yōu)于Ⅱ類，總體水質(zhì)保持優(yōu)良；氨氮、總磷、總氮3項指標年均濃度呈顯著上升趨勢，濃度增加的時間段主要集中在2007—2011年，2011年后3項指標均有所下降并趨于穩(wěn)定。農(nóng)業(yè)面源污染影響了丹江口水庫水質(zhì)安全。目前政府各相關部門采取的水污染防治和水土保持措施對丹江口水庫的水質(zhì)產(chǎn)生了積極的影響，需繼續(xù)加大各項治理措施的實施力度，進一步健全庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡和預警預報系統(tǒng)，確保一庫清水送北京。

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The Spatial Distribution and Long-term Variation Trend of Water Quality of Danjiangkou Reservoir in Hubei Province

ZHANG Xu1, XIONG Jing1, CHENG Jixiong1, YAO Zhipeng2

1.Hubei Province Environmental Monitoring Centre, Wuhan 430072, China

2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

Since Danjiangkou Reservoir is the water source for the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project, precisely monitoring the variations of water quality in Danjiangkou Reservoir is of great importance for ensuring the success of the water diversion project. In this study, the water area of Danjiangkou Reservoir in Hubei Province was divided into four districts based on the physical and chemical index of water quality, each of which differed significantly according to the main physical index, its chemical index, however, indicated no significant difference; it is demonstrated from the historical monitoring data of water quality in the recent decade that apart from the Total Nitrogen Index, the rest water quality monitoring indexes of Hubei Province all reached or better than the class II with the overall water quality remained at good level; the annual average concentrations of Ammonia Nitrogen, Total Phosphorus and Total Nitrogen Index showed an uptrend from 2007 and became gradually stable after a drop since 2011. Water quality of Danjiangkou Reservoir had been greatly influenced by agricultural non-point source pollution. Positive effects have been brought to it by various environmental protection measures adopted in these days, however, it is still required to keep strengthening the implementations of every preventing and controlling measures and perfecting water quality monitoring system, in order to ensure the safety of water quality in Danjiangkou Reservoir.

The Danjiangkou Reservoir; spatial distribution of water quality; variation trend; hierarchical cluster analysis

2015-02-10;

2015-06-21

國家科技支撐計劃項目“南水北調(diào)中線工程水源地及沿線水質(zhì)監(jiān)測預警關鍵技術研究與示范”(2011BAC12B01-01，2011BAC12B02-01)

張 煦(1986-)，女，湖北孝感人，碩士，工程師。

姚志鵬

X824

A

1002-6002(2016)01- 0064- 06