三峽庫區(qū)香溪河回水區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)變化特征與驅(qū)動因子

葉許春，孟元可，張永生，蔣名亮，徐力剛

(1．西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2．中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3．中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008； 4.中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008)

近幾十年來，受到社會經(jīng)濟快速發(fā)展和人類活動干擾加劇的影響，眾多地表水體面臨著水環(huán)境惡化、富營養(yǎng)化加劇和服務(wù)功能減弱等重大生態(tài)環(huán)境問題[1-5]。自2003年6月三峽工程成功蓄水運行以來，庫區(qū)水環(huán)境條件發(fā)生了巨大變化。伴隨著庫區(qū)水位提高、水流減緩，水體擴散能力減弱、污染物滯留時間延長，導(dǎo)致部分支流回水區(qū)域污染加重，水體富營養(yǎng)化頻繁發(fā)生[2,6]。有關(guān)三峽工程運行后庫區(qū)及其支流回水區(qū)營養(yǎng)鹽的來源及時空分布特征一直是學(xué)者們研究的重點[6-10]。除此之外，不少研究開始關(guān)注庫區(qū)水文水動力條件以及水溫、光照等外在誘發(fā)因素對水體環(huán)境惡化以及藻類水華產(chǎn)生的影響[11-14]。這些研究對認識三峽庫區(qū)水環(huán)境演變機制以及確定富營養(yǎng)化水域治理措施起到關(guān)鍵作用。

香溪河是三峽庫區(qū)重要支流，其干流長度94 km，流域面積3 099 km2。三峽水庫蓄水后，香溪河形成回水庫灣。當水庫蓄水至135 m時，香溪河庫灣回水淹沒范圍長達26 km，當蓄水至175 m時回水范圍可達40 km。由于水動力學(xué)條件的改變以及沿岸地區(qū)工農(nóng)業(yè)及生活污水的大量排入，香溪河庫灣水體營養(yǎng)程度增加，并多次發(fā)生藻類水華，對庫區(qū)飲水安全造成嚴重威脅，引起了廣泛關(guān)注[8，12,14]。然而，以往研究大多針對特定時段，缺少在完整水文年內(nèi)較大尺度上的連續(xù)性研究報道。本研究自2015年7月以來對香溪河庫灣水域進行了為期1年的連續(xù)監(jiān)測，重點探討香溪河庫灣回水區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)的季節(jié)性變化特征以及污染來源，以期為三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化的研究和防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

在香溪河回水區(qū)峽口大橋水域至香溪河河口，沿河道中泓線布設(shè)4個監(jiān)測采樣點，見圖1。其中，X01位于峽口鎮(zhèn)附近，代表香溪河回水區(qū)上游監(jiān)測采樣點；X02位于賈家店附近，代表中游監(jiān)測采樣點；X03位于楚家灣附近，代表下游監(jiān)測采樣點；X04位于香溪河與長江交匯處，代表河口監(jiān)測采樣點。監(jiān)測工作集中在2015年7月24日至2016年6月30日期間完成，于每月下旬在所有監(jiān)測采樣點進行現(xiàn)場監(jiān)測和水樣采集(表層0.5 m以上)，水樣帶回中科院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室進行各種水化學(xué)測定。

圖1 香溪河位置及監(jiān)測采樣點布置

主要監(jiān)測指標包括水溫(T)、溶解氧(DO)、pH值、濁度(Turb)、電導(dǎo)率(Cond)、透明度(SD)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl-a)以及高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等10項。其中水體SD采用Secchi盤測定，DO、T、pH、Cond等采用便攜式Y(jié)SI ProPlus多參數(shù)水質(zhì)測定儀(產(chǎn)自USA)現(xiàn)場測得。其他指標如濁度(Turb)采用濁度計測定；Chl-a采用丙酮萃取分光光度法測定；CODMn采用高錳酸鉀酸性法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定，具體方法可參考文獻[15]。

依據(jù)《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》采用加權(quán)綜合營養(yǎng)指數(shù)法[16]對香溪河回水區(qū)水體的營養(yǎng)現(xiàn)狀進行評價。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)ITLI的計算公式為

(1)

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；ITLI，j代表第j種因子的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價因子個數(shù)，本研究綜合考慮Chl-a、CODMn、TN、TP和SD5種影響因子。采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級：ITLI<30為貧營養(yǎng)；30≤ITLI≤50為中營養(yǎng)；5070為重度富營養(yǎng)。

2 結(jié)果及討論

2.1 回水區(qū)水體基本理化性狀分析

表1 香溪河基本理化指標數(shù)據(jù)

(a) CODMn (b) TN

(c) TP (d) Chl-a

三峽水庫蓄水之后，香溪河庫灣水體基本處于準靜止狀態(tài)，除河口處受到長江影響存在一定的差異外，總體上空間差異不大。表1為監(jiān)測期間香溪河回水區(qū)的主要物理化學(xué)參數(shù)。由表1可知，整個庫灣水體pH范圍在8.22～8.33，為弱堿性水體。DO質(zhì)量濃度范圍在7.31～9.48mg/L，河口處DO質(zhì)量濃度相對較低。水體透明度就全年來看空間差異不大，在1.42～1.44 m之間，但存在較大的季節(jié)性差異。冬季水庫處于枯水期，水體透明度為全年最高。夏季水體透明度全年最低，不僅與浮游植物生長有關(guān)，還易受降雨攜帶的泥沙及懸浮顆粒物等因素的影響。濁度的空間差異最顯著，從庫灣上游到河口處呈不斷增大的趨勢，特別是河口處水體濁度平均達到20.31 NTU，遠遠大于上游的5.50 NTU，這主要是由于受長江來水中攜帶的大量懸浮物的影響。電導(dǎo)率在528.13～564.89 μS/cm之間，7—10月的電導(dǎo)率明顯高于其他月份，空間上差異并不十分明顯。

2.2 營養(yǎng)參數(shù)的周年變化

CODMn作為有機污染物指標，當其質(zhì)量濃度超過4 mg/L時，表示水體受到有機污染[17]。調(diào)查表明，香溪河回水區(qū)除2016年1月的下游、2016年3月的上游和下游受到有機污染外(圖2(a))，其他季節(jié)CODMn質(zhì)量濃度均低于4 mg/L，優(yōu)于地表水Ⅱ類標準。總體來看，7—10月香溪河CODMn質(zhì)量濃度較穩(wěn)定(9月上游水域可能受局部污染)。11月CODMn質(zhì)量濃度降到全年最低。冬季CODMn質(zhì)量濃度明顯上升，并且12月和1月呈現(xiàn)較大的空間差異。在之后的3月，香溪河庫灣水體CODMn質(zhì)量濃度達到全年最高，之后一直呈逐月降低趨勢。CODMn質(zhì)量濃度的這種特征除了與香溪河回水區(qū)局部的有機污染有關(guān)外，還與三峽水庫的運行方式密切相關(guān)。冬季三峽水庫蓄水維持較高水位，香溪河庫灣水流平靜水體擴散能力弱，導(dǎo)致CODMn質(zhì)量濃度存在較大的空間差異。在隨后的春季泄水過程中，隨著庫區(qū)水位的降低，庫灣水動力條件加強，CODMn質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。香溪河回水區(qū)從上游到河口TN質(zhì)量濃度在0.75～3.50 mg/L之間(圖2(b))。除了2016年6月中、下游及河口處TN質(zhì)量濃度偏低外，其他時間均大于1.5 mg/L，為地表水Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)標準，表明香溪河庫灣全年TN污染十分嚴重?？臻g上，香溪河回水區(qū)上下游TN質(zhì)量濃度差異較小，僅上游河段在2016年6月異常偏大。另外，部分月份里河口區(qū)TN質(zhì)量濃度反而高于其他河段。季節(jié)上看，TN質(zhì)量濃度變化趨勢不明顯，但是2015年秋季TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)降低的趨勢，隨后的冬春季節(jié)略有增加并維持在較高水平。秋季是三峽水庫的蓄水季節(jié)，隨著水庫水位的逐漸升高，干流水體大量進入庫灣，且以倒灌異重流的形式對庫灣營養(yǎng)鹽進行了稀釋和再分配[18]，同時水庫的高水位運行狀態(tài)使顆粒態(tài)的營養(yǎng)鹽得以沉降，營養(yǎng)鹽濃度逐漸降低。冬季是浮游植物生物量較小的季節(jié)，對營養(yǎng)鹽的消耗量較小，庫灣中的營養(yǎng)鹽濃度逐漸上升，營養(yǎng)鹽開始累積。春季TN質(zhì)量濃度略有增加，則可能更多地受區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)耕作活動的影響。

香溪河TP質(zhì)量濃度在0.03～0.54 mg/L之間(圖2(c))，其中大多數(shù)時間里小于0.20 mg/L，達到Ⅲ類水質(zhì)標準。但是在10月、1月以及次年4月，香溪河TP質(zhì)量濃度異常偏高，局部河段TP質(zhì)量濃度超過0.4 mg/L，達到劣Ⅴ類水質(zhì)標準。時間上TP質(zhì)量濃度表現(xiàn)出與TN不同的變化趨勢。7—9月TP質(zhì)量濃度偏低，主要是受浮游植物生長吸收的影響。其他時間里，TP質(zhì)量濃度變化復(fù)雜，還可能受到庫區(qū)水動力條件改變的影響，也與城鎮(zhèn)生活污水排入和農(nóng)村化肥過度施用有關(guān)?？臻g上，除了2—5月河口區(qū)TP質(zhì)量濃度整體較低外，在大多數(shù)月份里TP質(zhì)量濃度上游最高，下游最低，然后到河口區(qū)TP質(zhì)量濃度又有所增高。這一特征在很大程度上受流域自然環(huán)境特征的影響。香溪河流域內(nèi)磷礦資源豐富，上游磷礦資源的開采、庫灣沿岸的非點源污染是水體中磷污染負荷的主要來源[19]，因此庫灣上游磷營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度明顯大于下游。河口區(qū)水體受長江干流影響，已有研究也表明，三峽庫區(qū)大多數(shù)支流回水區(qū)的TN、TP質(zhì)量濃度低于干流[20]。

Chl-a質(zhì)量濃度可以在一定程度上表征水體浮游植物的現(xiàn)存量[21]。香溪河回水區(qū)Chl-a質(zhì)量濃度年變化范圍在0.07～15.07 mg/L之間，并且呈現(xiàn)出巨大的季節(jié)行波動特征。如圖2(d)所示，香溪河回水區(qū)Chl-a質(zhì)量濃度在2015年8月呈現(xiàn)出爆發(fā)式增加特點，在之后的9月份急劇減小，僅在下游水域仍保持在較高水平。香溪河回水區(qū)Chl-a質(zhì)量濃度在11—12月達到最低值，在隨后的1—6月質(zhì)量濃度穩(wěn)定且維持在較低水平。根據(jù)OECD富營養(yǎng)化單因子Chl-a評價標準(ρ(Chl-a)<3 mg/L為貧營養(yǎng)；3≤ρ(Chl-a)<11 mg/L為中營養(yǎng)；11≤ρ(Chl-a)<78 mg/L為富營養(yǎng)；ρ(Chl-a)≥78 mg/L為嚴重富營養(yǎng))[14]，2015年8月整個庫灣回水區(qū)均處于中營養(yǎng)狀態(tài)，下游水域更是達到富營養(yǎng)狀態(tài)。

2.3 營養(yǎng)狀態(tài)的周年變化

調(diào)查時段內(nèi)不同月份香溪河庫灣水域營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果見圖3。整個回水區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)ITLI范圍為30.30～52.31，水體營養(yǎng)程度較高，無貧營養(yǎng)狀態(tài)。就各月份來看，除了在2015年8月香溪河回水區(qū)達到富營養(yǎng)狀態(tài)外，其他月份均達到中營養(yǎng)狀態(tài)。這一特點也與Chl-a質(zhì)量濃度在8月呈現(xiàn)爆發(fā)式增加相對應(yīng)。水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最低的是2015年11月，其次是12月，其他月份庫灣水體的營養(yǎng)狀態(tài)均維持在較高水平，差異并不突出。受三峽庫區(qū)長江主流水體的影響，2—5月河口的營養(yǎng)狀態(tài)總體要低于庫灣，并且從上游到下游營養(yǎng)狀態(tài)呈一定的梯度減小。這一特征與CODMn質(zhì)量濃度變化特征相似，而與TN質(zhì)量濃度變化情況不同。從季節(jié)變化來看，統(tǒng)計表明香溪河庫灣水域營養(yǎng)狀態(tài)從低到高順序為秋季、冬季、春季、夏季。

圖3 香溪河庫灣水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化

2.4 水體富營養(yǎng)化主要驅(qū)動因子分析

水體富營養(yǎng)化的發(fā)生所必需的條件主要有3個[22]：TN、TP等營養(yǎng)鹽相對比較充足；緩慢的水流流態(tài)(流速、水深等)以及適宜的環(huán)境條件(水溫、光照等)。根據(jù)單因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析，香溪河回水區(qū)中CODMn、TN 、TP、Chl-a與SD的平均營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為25.17、65.61、60.67、21.78和47.56，表明TN質(zhì)量濃度是影響水體富營養(yǎng)化程度最重要的指標，其次是TP、SD、CODMn和Chl-a。

一般認為，當水體中TN、TP 質(zhì)量濃度分別達到0.20、0.02 mg/L以上時，水體存在發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險[7]。藍藻水華的暴發(fā)是水體富營養(yǎng)化后的一種表現(xiàn)，其對破壞水體原有的生態(tài)系統(tǒng)平衡起著重要作用[23]。本研究中，調(diào)查時段內(nèi)各月份香溪河庫灣水體的TN、TP質(zhì)量濃度均遠高于限制值，表明水體為浮游藻類的生長提供了充足的營養(yǎng)鹽，在一定的環(huán)境條件驅(qū)動下(合適的溫度和光照)藻類水華風(fēng)險較大。另外，研究表明N/P值對藻類的暴發(fā)性生長具有重要作用，當水體中N/P值小于7時，N將限制藻類的生長；N/P值在8～30之間為適應(yīng)藻類生長范圍；N/P值大于30時，P將成為藻類生長的限制因子[24-26]。本研究中香溪河庫灣水域中N/P值在3.41～37.23之間，絕大多數(shù)時間里其比值在8～30之間，因此香溪河庫灣水體N、P條件較適合藻類的生長，容易發(fā)生水體富營養(yǎng)化。

根據(jù)相關(guān)性分析(表2)可知，香溪河TN質(zhì)量濃度與CODMn以及TP質(zhì)量濃度呈負相關(guān)，表明其主要來源不同。香溪河流域是典型的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，沿岸有較多的村鎮(zhèn)分布，因而農(nóng)村化肥過度施用和城鎮(zhèn)生活污水排入應(yīng)該是TN污染的主要來源。此外，CODMn與TP呈較強的正相關(guān)，特別是CODMn與TP質(zhì)量濃度都具有從庫灣上游向下游減小的趨勢，流域上游磷礦資源開采的工業(yè)廢水以及庫灣沿岸的點源污染是水體中CODMn與TP污染負荷的主要來源。Chl-a質(zhì)量濃度與主要營養(yǎng)鹽之間均呈弱負相關(guān)關(guān)系，表明水體中Chl-a質(zhì)量濃度受N、P等營養(yǎng)鹽的限制較弱，可能更多地受到水溫和光照等條件的影響。Chl-a與SD呈較強的負相關(guān)，表明回水區(qū)透明度除受浮游藻類影響外，還受水體中懸浮物的影響，這與該區(qū)域較強的人類活動有關(guān)。

表2 香溪河庫灣水體各營養(yǎng)因子間相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

a. 香溪河回水區(qū)TN污染十分嚴重，為地表水Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)標準，無明顯季節(jié)變化趨勢。TP污染在大多數(shù)時間里達到Ⅲ類水質(zhì)標準，某些月份里局部水域可達到劣Ⅴ類水質(zhì)標準。在調(diào)查時段內(nèi)，各月份香溪河庫灣水體的TN、TP質(zhì)量濃度均遠高于限制值，為浮游藻類生長提供了良好條件，易發(fā)生水體富營養(yǎng)化。

b. 香溪河回水區(qū)水體營養(yǎng)程度較高，所有月份均達到中營養(yǎng)狀態(tài)，其中2015年8月更是達到富營養(yǎng)狀態(tài)。就季節(jié)來看，水體營養(yǎng)狀態(tài)從低到高順序為秋季、冬季、春季、夏季。TN質(zhì)量濃度是影響香溪河庫灣水體富營養(yǎng)化程度最重要的指標，其次是TP、SD、CODMn和Chl-a。

c. 香溪河水體中的TN主要來自農(nóng)業(yè)面源污染和城鎮(zhèn)生活污水的排入，而流域上游的磷礦資源開采產(chǎn)生的工業(yè)廢水以及庫灣沿岸的點源污染是水體中CODMn與TP污染負荷的主要來源。水體中Chl-a質(zhì)量濃度受N、P等營養(yǎng)鹽的限制較弱，可能更多地受到水溫和光照等條件的影響。水體透明度除受浮游藻類影響外，還受水體中懸浮物的影響，這與該區(qū)域較強的人類活動有關(guān)。

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