三峽庫區(qū)干支流水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

裴中平，辛小康，胡 圣

(1.長江水資源保護科學(xué)研究所，湖北武漢430051；2.長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心，湖北武漢430010)

三峽水庫是我國的戰(zhàn)略淡水資源庫，也是我國重要的生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，其水質(zhì)狀況受到社會各界的廣泛關(guān)注。三峽水庫于2003年蓄水以后，干支流流速減緩，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了變化，部分支流回水區(qū)水體富營養(yǎng)化，暴發(fā)了嚴(yán)重水華，威脅著三峽庫區(qū)的生態(tài)安全問題。富營養(yǎng)化(Eutrophication)通常是指在人類活動的影響下，生活污水、農(nóng)業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)尾水以及地表徑流中大量的氮、磷及其他營養(yǎng)物質(zhì)輸入湖泊、水庫、河口、海灣等緩流水體后發(fā)生富集，促使自養(yǎng)型生物迅速繁殖，水體從生產(chǎn)力水平較低的貧營養(yǎng)狀態(tài)向生產(chǎn)力水平較高的富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程[1]。相關(guān)科研單位對三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化問題開展了廣泛研究。鄧春光[2]等分析了2003年～2005年三峽庫區(qū)13條支流的富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢；趙冰[3]等評價了三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化現(xiàn)狀，并提出了富營養(yǎng)化控制對策；胡圣[4]等聚焦三峽水庫支流香溪河，通過高頻次加密監(jiān)測，分析了葉綠素a與相關(guān)營養(yǎng)鹽指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。

圖1 三峽庫區(qū)水系和水質(zhì)監(jiān)測站點

三峽水庫自2009年開展175 m水位試驗性蓄水以來，已經(jīng)連續(xù)7年實現(xiàn)了175 m蓄水目標(biāo)。175 m蓄水位正常運行后，需要全面整體地評價分析三峽水庫水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)。為此，本文分三峽庫區(qū)干流、支流和重點支流3個層次，以近幾年營養(yǎng)鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析三峽水庫富營養(yǎng)化狀況，為三峽庫區(qū)水污染防治和水資源保護提供參考。

1 研究范圍與監(jiān)測方法

三峽水庫上起重慶朱沱，下至宜昌三斗坪，全長約660 km，流域面積大于100 km2的支流有40余條。歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，40余條主要支流中有29條發(fā)生過水華。本文將發(fā)生水華的支流作為本次研究的重點河流，包括御臨河、龍溪河、黎香溪、烏江、珍溪河、渠溪河、龍河、池溪河、東溪河、黃金河、汝溪河、壤渡河、苧溪河、小江、湯溪河、磨刀溪、長灘河、梅溪河、草堂河、大溪河、大寧河、神女溪、抱龍河、神農(nóng)溪、青干河、叱溪河、童莊河、香溪河、九畹溪。為評價三峽庫區(qū)干支流水體營養(yǎng)狀態(tài)，在三峽庫區(qū)干流布置有朝天門、寸灘、清溪場、沱口、官渡口、太平溪6個水質(zhì)監(jiān)測站點，在29條支流河口處各布置1個站點。監(jiān)測指標(biāo)包括葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)、總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，監(jiān)測頻次為每旬監(jiān)測1次。三峽庫區(qū)水系和水質(zhì)監(jiān)測站點見圖1。

2 評價方法

關(guān)于湖泊、水庫富營養(yǎng)化的評價方法較多?？柹瓲I養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)法是美國科學(xué)家卡爾森在1977年提出來的，考慮透明度、葉綠素a和總磷等指標(biāo)，并以湖水透明度為基準(zhǔn)指標(biāo)的評價方法。后來，相崎守弘等人提出了修正[5]，采用的是SL 395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》推薦的河湖富營養(yǎng)化評價方法，考慮總磷、總氮、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、透明度等指標(biāo)，根據(jù)不同濃度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定各指標(biāo)的賦分分值，最后確定根據(jù)均值法計算富營養(yǎng)化指數(shù)EI來判定富營養(yǎng)化程度。

本文采用原國家環(huán)境保護總局推薦的《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》對庫區(qū)水體富營養(yǎng)化狀況進行評價。以Chl-a、TP、TN、SD、CODMn為富營養(yǎng)化評價指標(biāo)，計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)，其計算公式為

TLI(∑)=∑wj·TLI(j)

式中，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；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

各指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)計算公式為：TLI(Chl-a)=10×(2.5+1.086lnChl-a)；TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)；TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)；TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)；TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661lnCODMn)。采用歸一法計算各指標(biāo)權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重計算公式如下

式中，rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。各指標(biāo)與基準(zhǔn)指標(biāo)Chl-a的相關(guān)系數(shù)見表1[7]。

表1 各項指標(biāo)與葉綠素a相關(guān)關(guān)系

注：表中rij源自中國26個主要湖泊調(diào)查數(shù)據(jù)的計算結(jié)果。

采用0～100之間連續(xù)數(shù)字對庫區(qū)支流水體營養(yǎng)狀態(tài)進行分級評價，分級標(biāo)準(zhǔn)為：TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)；TLI(∑)>50為富營養(yǎng)；5070為重度富營養(yǎng)。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其富營養(yǎng)化程度越重。

3 三峽庫區(qū)干支流富營養(yǎng)化評價結(jié)果

3.1 干流

對于長江干流水域，由于數(shù)據(jù)從2012年才開始系統(tǒng)調(diào)查，因此主要分析評價2012年～2015年期間的營養(yǎng)狀況。2012年～2015年期間，三峽庫區(qū)干流絕大部分調(diào)查斷面都處于富營養(yǎng)化界限之下，僅寸灘和朝天門在2012年TSI(∑)稍高于50，但是所有斷面都超過了中營養(yǎng)水平的界限，干流的水質(zhì)情況整體較好，富營養(yǎng)化程度相對較輕。2012年～2015年三峽庫區(qū)干流春季富營養(yǎng)狀況比較見圖2。

圖2 2012年～2015年三峽庫區(qū)干流春季富營養(yǎng)狀況比較

3.2 支流

由于2004年以前未對庫區(qū)支流的總氮和透明度進行測量，并且水華主要發(fā)生在春季，故從2005年開始計算29條主要支流春季的營養(yǎng)狀況TLI(∑)。在29條支流中，只有香溪河、大寧河、梅溪河、長灘河、磨刀溪、湯溪河、小江和龍河8條支流具備富營養(yǎng)化連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其他21條支流近10年的監(jiān)測數(shù)據(jù)并不連續(xù)。在這8條連續(xù)監(jiān)測的支流中，所有年份8條支流的TLI(∑)都處于中營養(yǎng)之上。除了大寧河和長灘河，其他6條支流11年內(nèi)，富營養(yǎng)狀態(tài)出現(xiàn)的幾率分別為27.3%、45.5%、45.5%、9%、36.4%和18.2%。2005年～2015年三峽庫區(qū)8條支流春季富營養(yǎng)狀況比較見圖3。

圖3 2005年～2015年三峽庫區(qū)8條支流春季富營養(yǎng)狀況比較

對庫區(qū)29條支流的整體情況進行統(tǒng)計。九畹溪、大寧河、大溪河、長灘河和烏江這5條支流富營養(yǎng)化TLI(∑)在統(tǒng)計年份內(nèi)均處于富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)之下，另外24條支流部分年份的TLI(∑)達(dá)到或超過了富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，其中苧溪河每年都處于富營養(yǎng)化水平，富營養(yǎng)化概率為100%。汝溪河、御臨河、黃金河、壤渡河、珍溪河富營養(yǎng)化狀態(tài)出現(xiàn)的幾率都超過了60%。支流富營養(yǎng)化出現(xiàn)年數(shù)及所占比例見表2。庫區(qū)上游支流壤渡河、池溪河和珍溪河分別在2008年(TLI(∑)為80.7)、2014年(TLI(∑)為78.1)和2012年(TLI(∑)為72.8)達(dá)到或超過重度富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)。綜合庫區(qū)29條支流的富營養(yǎng)化水平的統(tǒng)計結(jié)果，整體上庫區(qū)上游支流富營養(yǎng)化水平偏高，苧溪河、壤渡河、汝溪河、黃金河、東溪河、池溪河、珍溪河和御臨河8條支流的營養(yǎng)水平總體上以富營養(yǎng)為主，其他21條支流營養(yǎng)水平總體上以中營養(yǎng)為主。

3.3 典型支流

2005年～2015年4條典型支流香溪河、神農(nóng)溪、大寧河和小江春季總磷、總氮的變化趨勢見圖4。從圖4可知，4條支流中，小江和大寧河的總磷含量相對較低，年際波動相對較小，除2010年小江總磷含量較高為外，大部分時間2條支流的總磷濃度都低于0.1mg/L。香溪河總磷濃度較高，總磷含量在0.1～0.36mg/L；神農(nóng)溪在2010年以后總磷含量就高于0.1mg/L，并且有逐漸升高的趨勢。4條支流的總氮含量差異不大，且都處于波動之中。

表2 支流富營養(yǎng)化出現(xiàn)年限及所占比例

圖4 2005年～2015年三峽庫區(qū)典型支流總磷、總氮變化趨勢

圖5 2005年～2015年三峽庫區(qū)典型支流富營養(yǎng)狀況比較

2005年～2015年4條典型支流年富營養(yǎng)TLI(∑)見圖5。從圖5可知，香溪河TLI(∑)整體較高，為42.6～54.9，大部分時段處于富營養(yǎng)化狀態(tài)；大寧河TLI(∑)一直低于50，監(jiān)測時段以中營養(yǎng)水平為主；神農(nóng)溪TLI(∑)有緩慢增高趨勢，2013年、2014年超過50，達(dá)到富營養(yǎng)化狀態(tài)；監(jiān)測初期小江TLI(∑)較高，為42.9～54.5，此后也在高水平波動，但有輕微下降的趨勢。

4 結(jié) 語

根據(jù)近幾年的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法對長江干流、29條主要支流和4條典型支流進行富營養(yǎng)化狀態(tài)評價，結(jié)果表明，三峽庫區(qū)干流整體處于中營養(yǎng)狀態(tài)；三峽水庫主要支流中，上游支流富營養(yǎng)化水平偏高，總體上以富營養(yǎng)為主，中下游支流營養(yǎng)水平總體上以中營養(yǎng)為主；4條典型支流中，香溪河TLI(∑)總體較高，大部分時間處于富營養(yǎng)化狀態(tài)；神農(nóng)溪TLI(∑)有增高趨勢，達(dá)到富營養(yǎng)化的臨界狀態(tài)；大寧河TLI(∑)小于50，處于中營養(yǎng)狀態(tài)；小江TLI(∑)偶爾達(dá)到富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，但有小幅下降趨勢。

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