三峽水庫蓄水前后長江枝城至沙市段水質(zhì)評價

王叢丹 冷 陽 嚴林浩 曾 濤

(長江委水文局荊江水環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 荊州 434020)

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三峽水庫蓄水前后長江枝城至沙市段水質(zhì)評價

王叢丹 冷 陽 嚴林浩 曾 濤

(長江委水文局荊江水環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 荊州 434020)

為探討三峽水庫蓄水以來長江枝城至沙市河段的水質(zhì)變化情況，利用這一河段3個斷面水質(zhì)實測資料，通過模糊評價方法與權(quán)重值分析，對1998～2011年水質(zhì)狀況進行了分析評價。結(jié)果表明，枝城至沙市河段水質(zhì)尚好，鉛為對沙市河段水質(zhì)影響最大的污染因子。對比了三峽水庫蓄水前后的水質(zhì)評價結(jié)果，表明水質(zhì)狀況未受明顯影響，分析成果可為相關(guān)機構(gòu)管理該河段的水資源提供參考。

模糊綜合評價；水質(zhì)評價；權(quán)重值分析；三峽水利樞紐

荊江河段過去關(guān)注的重點是其水量及河床演變。然而隨著工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，有限的淡水資源受污染面積擴大，水質(zhì)型缺水問題更加突出。一直以來，從未中斷過對長江水環(huán)境的監(jiān)測，然而不同時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)可比性較差，因此本文將基于三峽水庫蓄水前后1998～2011年期間監(jiān)測技術(shù)和參數(shù)相對固定條件下的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及國家水質(zhì)標準的有關(guān)規(guī)定選取水質(zhì)評價參數(shù)，并采用模糊綜合評價法對枝城至沙市河段的水質(zhì)進行綜合評價。

1 監(jiān)測斷面

枝城至沙市河段共設(shè)5個斷面，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，文中選擇了分別位于枝城、沙市、江陵的3個斷面，即荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)和荊51(江陵觀音寺)近10 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。3個斷面周圍的主要污染源是城市生活污水和工業(yè)廢水，主要污染物包括氨氮、化學(xué)需氧量等。

2 數(shù)據(jù)來源及參數(shù)選擇

數(shù)據(jù)采用的是1998～2011年共14 a的常規(guī)監(jiān)測成果，為了凸顯年際變化規(guī)律，每個斷面取年均值作為分析用數(shù)據(jù)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)[1]，考慮到生產(chǎn)任務(wù)的不斷變化，選取1998～2011年不間斷監(jiān)測的氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘作為評價指標。對于長江干流的斷面，總氮不作監(jiān)測要求，總磷從蓄水后才開始監(jiān)測。因此，從2003年起，對于蓄水后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將加入總磷作為評價指標進行對比分析。

3 水質(zhì)評價方法

采用模糊綜合評價法對枝城至沙市段的水質(zhì)狀況進行評價。

3.1 建立因子集

根據(jù)國家水質(zhì)標準的有關(guān)規(guī)定，先選擇氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘作為評價項目，即因子集為：u={NH4-N，CODMn，BOD5，DO，Cu，Pb，Cd，TP}。從2003年開始監(jiān)測總磷后，將總磷加入評價項目，即因子集為：u={NH4-N，CODMn，BOD5，DO，Cu，Pb，Cd，TP}。

3.2 建立評價集

基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)，河流分為5級。因此，評價集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

3.3 建立隸屬函數(shù)

水質(zhì)污染的程度是一個模糊概念，水質(zhì)分級標準也是模糊的，所以用隸屬度來刻畫分級界線較為合理。參考文獻[2]與[3]，溶解氧針對5個類別的隸屬度函數(shù)如下：

DO-Ⅰ級水

DO-Ⅱ級水

DO-Ⅲ級水

DO-Ⅳ級水

DO-Ⅴ級水

類似地，分別作出NH4-N、CODMn、BOD5、Cu、Pb、Cd、TP的隸屬函數(shù)。

3.4 建立模糊關(guān)系矩陣

將實際監(jiān)測值帶入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計算其隸屬度，由此得到評價因子對各水質(zhì)類別隸屬度的模糊關(guān)系矩陣R。以1998年荊3(枝城)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，其矩陣為

其中，第1行因子集u中的一個因子NH4-N對5個類別的隸屬度，即水質(zhì)就NH4-N而言，屬于Ⅰ類水的程度為0.56；第1列表示u中7個因子分別對于Ⅰ類水的隸屬度。

3.5 建立權(quán)重集

由于不同的污染物對水質(zhì)的影響程度不同，綜合考慮時就要對它們賦予不同的權(quán)重Ii。

(1)

對于溶解氧而言，其含量越高，表明水質(zhì)越好，所以其權(quán)重計算公式為

(2)

將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入，為了進行模糊復(fù)合運算，各單因子權(quán)重必須歸一化，即：

(3)

應(yīng)用上述方法確定權(quán)重集A為： (0.304,1.8,0.55,8.36,1.011 9,0,0)。

3.6 模糊綜合評價

本文采用先取積，后求和的計算方式：

B=A。R

式中，“。”為扎德算子。對于河流水質(zhì)的模糊綜合評價只是集合V上的模糊子集，矩陣中各元素是對應(yīng)于集合V上的各項的隸屬度。以1998年荊3(枝城)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，則

B=(0.304，1.8，0.55，8.36，0.011 9，0，0) 。

(0.876,0.123,0,0,0)

對于水質(zhì)模糊綜合評價只是集合V上的模糊子集，矩陣中各元素是對應(yīng)于集合V上的各項的隸屬度，即對Ⅰ類水的隸屬度為0.876，由于對Ⅰ類水隸屬度最大，故該斷面水質(zhì)處于Ⅰ類。

4 結(jié)果與分析

4.1 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3個斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 3個斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果

通過模糊綜合評價方法計算，得出3個斷面的隸屬度值，見圖2。

圖2 1998 ～2011 年水質(zhì)綜合評價類別隸屬度

在得出模糊綜合評價的不同等級隸屬度值后，采用最大隸屬度原則(此方法直觀、簡便)，即選取隸屬度值最大的類別為水質(zhì)等級來對各斷面水質(zhì)進行綜合評價。根據(jù)國家水資源規(guī)劃，荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)均要求達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體的要求。

綜合評價結(jié)果表明，1998～ 2002年，采用氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘作為評價因子時，自上游斷面荊3(枝城)到荊47(五七碼頭)，到下游的荊51(江陵觀音寺)，其水質(zhì)均能達標。自2003年起，采用氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘、總磷作為評價因子后，水質(zhì)類別仍符合規(guī)劃要求。

5 討 論

5.1 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化分析

經(jīng)分析得出了3個斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

5.1.1 懸浮物與重金屬濃度變化

從圖1(a)和圖1(h)可以看出，自2003年三峽水庫蓄水后，3個斷面的懸浮物、金屬Cu的濃度均降至較低的范圍，懸浮物濃度范圍10.5～121.78 mg/L，金屬Cu的濃度范圍 0.003～0.008 mg/L，均明顯低于蓄水前(懸浮物為185.24～436.5 mg/L，金屬Cu為 0.009～0.024 mg/L)。同時，對觀測數(shù)據(jù)進行分析，懸浮物濃度與金屬Cu濃度呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)關(guān)系。這說明，金屬Cu的遷移轉(zhuǎn)化與泥沙的吸附作用密切相關(guān)[4]。

由圖1(f)，(g)和(h)可知，金屬Pb與金屬Cd的濃度變化則與懸浮物濃度變化無明顯相關(guān)性，金屬Pb的年平均值不超過Ⅲ類水質(zhì)標準；金屬Cd的年平均值、月平均值均不超過Ⅲ類水質(zhì)標準。3個斷面的金屬Pb濃度均在2002年達到峰值，之后一直維持較高濃度，1998～2001年間，金屬Pb月平均值超標率為0%；2002～2011年間，荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)斷面金屬Pb月平均值超標率分別為4.2%，5.8%，5.0%，超標月份集中在7，8，9月。

5.1.2 氧平衡因子變化

在本文中，氧平衡因子主要討論DO、BOD5、CODMn。在2003～2005年三峽水庫持續(xù)蓄水期間，DO濃度有所提升。在蓄水完成后，有明顯的下降，之后達到新的平衡，與蓄水完成前無明顯差異(見圖1(d))。

BOD5濃度在2003年后有明顯提升，從0.39～0.81 mg/L提升到0.73～1.44 mg/L。但在2006年與2011年又降至蓄水后的低值(見圖1(c))，這可能是由于這2 a為枯水年，其水量減少，流速變緩，懸浮物含量下降，因此水中泥沙吸附的易生物降解的有機物減少，隨泥沙沉入底泥，從而導(dǎo)致其BOD5有所下降。

在2003年三峽水庫蓄水前，CODMn的濃度與懸浮物的濃度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系；在2003年后，CODMn濃度較蓄水前并無明顯變化(見圖1(b))。

5.1.3 營養(yǎng)鹽因子變化

營養(yǎng)鹽因子主要指能為水中藻類等水生植物提供營養(yǎng)的N、P，反映了水中的營養(yǎng)狀況。在本文中，考慮到?jīng)]有TN的監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要討論水中NH4-N、蓄水后TP的變化。蓄水后，NH4-N濃度下降，在2005～2006年達到最低值，之后，呈上升趨勢，但3個斷面均未達到蓄水前的最高值。2005～2007年，NH4-N濃度呈現(xiàn)先下降，后上升的趨勢(見圖1(a))。2003～2006年，總磷的含量均呈現(xiàn)振蕩上升趨勢，2006～2011年，總磷的含量則表現(xiàn)為直線上升，升至0.14～0.18 mg/L(見圖1(i))，已接近Ⅲ類水的限值，應(yīng)引起重視。

查閱水文資料可知，2005，2007，2010年和2012年為豐水年，2006與2011年為枯水年。從理論上講，水體質(zhì)量與水量的關(guān)系應(yīng)為：水量越大，水質(zhì)越好，污染物濃度越小。很顯然，這與監(jiān)測到的實際情況有所差異。這可能是由于在豐水年降雨較多，如在取樣前剛好有過強降雨，那么在降雨后，雨水形成地表徑流，大量的面源污染物，如農(nóng)田撒過的農(nóng)藥等，就會隨著地表徑流匯流到長江，其中氮、磷污染物較多。因此，就長江而言，營養(yǎng)鹽因子的變化與水量之間沒有必然的聯(lián)系。

5.1.4 權(quán)重因子

對于荊3(枝城)斷面，2002～2007年間，溶解氧和鉛是確定該斷面水質(zhì)類別的最重要的控制因子；而2008～2011年間，總磷的含量成為確定該斷面水質(zhì)類別的最重要的控制因子。

對于荊47(五七碼頭)斷面，2002～2004年間鉛為確定該斷面水質(zhì)類別的最重要的控制因子；而2008～2011年間(除2006年外)，總磷的含量成為確定該斷面水質(zhì)類別的最重要的控制因子。

對于荊51(江陵觀音寺)斷面，2002～2006年間鉛為確定該斷面水質(zhì)類別的最重要的控制因子；而2007～2011年間，總磷的含量成為確定該斷面水質(zhì)類別的最重要的控制因子。

就所分析的評價因子而言，對3個斷面水質(zhì)類別影響較大的因子是溶解氧、總磷、鉛。

5.2 評價結(jié)果討論

由表1結(jié)果可知，對于荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)3個斷面，1998～2001年，用模糊綜合評價法評價其年平均值，評價結(jié)果表明其符合和達到Ⅲ類水質(zhì)類別的比例均為100%。由此可知，2003年三峽水庫蓄水對長江沙市到枝城段的水質(zhì)并無明顯影響。

分析圖2隸屬度值曲線得出，從2001年起，荊3(枝城)斷面水質(zhì)類別雖然沒有發(fā)生改變，但其Ⅱ、Ⅲ類隸屬值開始提高。下游的荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)斷面變化較為滯后，從2002年起，在Ⅱ類隸屬值不變的情況下，Ⅲ類隸屬度值突然提高。這說明，對于這3個斷面，實際水質(zhì)狀況已經(jīng)開始惡化，只是尚未超過Ⅲ類水質(zhì)標準，但應(yīng)引起重視，這可能是由上游枝江、宜昌企業(yè)排污引起。

根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，長江干流沒有進行總氮的監(jiān)測工作，總磷的監(jiān)測也是始于蓄水后，但從權(quán)重因子可以看出，從2007～2008年開始，總磷的污染問題日益凸顯，逐漸成為控制因素。因此，有必要加強長江干流營養(yǎng)鹽因子的監(jiān)測工作。

分析權(quán)重因子可知，3個斷面的主要污染因子為鉛、總磷，這與朱葉華提出的鉛、糞大腸菌群、總磷為沙市江段主要污染因子的結(jié)論比較一致[5]。重金屬污染主要來源于化工、采礦、金屬冶煉及加工、電鍍、輪船制造等行業(yè)，以及農(nóng)用殺蟲劑和生活污水[6]。根據(jù)徐小清等研究報告[7-8]，三峽庫區(qū)江段沉積物中重金屬元素含量主要受上游泥沙以及沿江城市和工廠三廢排放的影響，已受到不同程度的污染。而總磷的污染主要有以下兩方面：工業(yè)污水中食品加工、發(fā)酵、洗滌劑生產(chǎn)等工廠的廢水；生活污水中含磷合成洗滌劑。因此，控制工業(yè)污染關(guān)鍵在于主要污染因子。

最后，根據(jù)2005～2009年間尤永祥等采用的模糊綜合評價法評價結(jié)果可知[9]，長江下游貴池河段的水質(zhì)級別總體上滿足Ⅲ類水體的要求，與本文基于的模糊綜合評價的評價結(jié)果具有相關(guān)性、連續(xù)性。

6 結(jié) 語

模糊綜合評價法是一種不確定性的綜合評價方法，體現(xiàn)了水環(huán)境的模糊、可變性，評價符合客觀規(guī)律，評價結(jié)果也比較全面、有效[10]。根據(jù)模糊綜合評價法可知，三峽水庫蓄水對長江枝城到沙市段的水質(zhì)沒有明顯影響。但考慮2002～2011年間所選3個斷面隸屬值的變化，以及金屬Pb的月平均值有超標的現(xiàn)象，應(yīng)及早采取如下措施。

(1)加強水資源的合理規(guī)劃與管理。采用法律、法規(guī)和經(jīng)濟手段，合理安排長江周邊的設(shè)施，控制周邊生活污水、生產(chǎn)廢水的排放，加強執(zhí)法和監(jiān)督力度，保障法律、行政和經(jīng)濟措施的實施。

(2)建立污染治理系統(tǒng)。將周圍各大工業(yè)園的廢水和開發(fā)區(qū)內(nèi)居民的生活污水全部送入污水處理廠進行集中處理，做好截污工程，嚴禁各種廢水、污水不經(jīng)處理進入河湖內(nèi)。有關(guān)部門應(yīng)加大監(jiān)管力度，不斷進行技術(shù)革新，切實保障污染治理系統(tǒng)有效運行。

[1] 國家環(huán)境保護總局.地表水環(huán)境質(zhì)量標準 GB3838-2002[S].2002.

[2] 奚旦立,孫裕生,劉秀英.環(huán)境監(jiān)測[M].北京:高等教育出版社,2004.

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[4] 蘭峰.三峽工程蓄水前后庫區(qū)河流水質(zhì)變化分析[J].人民長江,2008,39(1):7-8.[5] 朱葉華,曾濤,楊軍,等.綜合水質(zhì)指數(shù)法對長江沙市江段的水質(zhì)評價[J] .南水北調(diào)與水利科技,2010,8(5):122-124.

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(編輯：朱曉紅)

2016-09-05

王叢丹，女，長江委水文局荊江水環(huán)境監(jiān)測中心，助理工程師.

1006-0081(2016)11-0023-05

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