珠江中上游水環(huán)境狀況分析與評價

劉乾甫，杜浩，賴子尼，帥方敏，郭霞

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點實驗室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，武漢 430223;2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，廣州 510380)

珠江是中國南方最大的水系，干流全長2 214 km，為中國第3大河流，其徑流量僅次于長江，居全國第2位。珠江流域地勢大體呈西高東低、北高南低趨勢，上游處于云貴高原與黔桂地區(qū)的高山峽谷，平均海拔超過1 000米，中游為山地與丘陵相間，下游為珠江三角洲沖擊平原。西江是珠江的主干流，位于珠江干流的中上游地區(qū)，自西向東流經(jīng)中國云南、貴州、廣西和廣東四省(自治區(qū))，其主要干支流有南盤江、北盤江、紅水河、柳江、郁江、桂江、黔江、潯江及賀江等[1]。珠江中上游屬于熱帶——亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，常年溫暖，陽光充足，雨量豐沛，加上流域內(nèi)山地較多，河道狹窄，水流湍急，水體自然凈化能力較強，水生態(tài)環(huán)境狀況良好，在歷史上一直是沿江城市居民日常用水的主要來源。珠江中上游江段優(yōu)質(zhì)的水文地理環(huán)境也孕育了珠江流域眾多珍稀特有經(jīng)濟(jì)魚類資源。早期調(diào)查表明珠江中上游江段產(chǎn)卵場密集，魚類群落多樣性豐富，漁業(yè)資源量較高，其特殊的水文地理、礁群流體環(huán)境為魚類提供了良好的產(chǎn)卵、孵化及育肥等繁育場所[2]。然而，近年來，隨著河流的過度開發(fā)、珠江沿岸城鎮(zhèn)化的發(fā)展，以及流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投放的大量農(nóng)藥化肥原料被雨水帶入河流，西江漁業(yè)資源與環(huán)境受到了巨大的影響。多次調(diào)查數(shù)據(jù)表明，由于受水壩阻隔等多種因素影響，珠江漁業(yè)資源已呈現(xiàn)衰退趨勢[3-4]。前期關(guān)于珠江水系的環(huán)境調(diào)查研究主要集中于珠江下游的珠三角河網(wǎng)和珠江口區(qū)域[5-6]，對于珠江中上游較多見的是從魚類和浮游生物群落角度進(jìn)行漁業(yè)生物資源的調(diào)查研究，間接反應(yīng)出環(huán)境的變化及其影響[7-8]，而對于其水體環(huán)境狀況，尤其是水體主要污染因子及其污染程度均缺乏相應(yīng)的監(jiān)測分析。

為此，本研究分別于2016年3月(平水期)、6月(豐水期)和9月(枯水前期)對廣東省肇慶市以上的珠江中上游江段的水體進(jìn)行了調(diào)查取樣與測定分析，并對測定結(jié)果進(jìn)行了水環(huán)境狀況的分析與評價，以期全面了解珠江中上游水環(huán)境現(xiàn)狀、水體的污染狀況和主要污染因素，并基于本研究的水體指標(biāo)測定與分析結(jié)果，為珠江中上游水體環(huán)境保護(hù)與管理、珠江流域漁業(yè)資源保護(hù)與修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣站位概況

于2016年3月(平水期)、6月(豐水期)、9月(枯水前期)，分別開展對珠江中上游魯布革、八渡、白層、大化、合山、石龍、武宣、桂平(大騰峽)、石咀(東塔產(chǎn)卵場)、平南、藤縣、壩上(梧州長洲壩上)、梧州(梧州長洲壩下)、封開、郁南、德慶和肇慶等17個樣點的野外調(diào)查采樣工作。其中，魯布革采樣點處于珠江上游末端魯布革水電站修筑后形成的萬豐湖區(qū)域，八渡、白層位于南、北盤江流域，大化、合山、石龍和武宣位于紅水河干流，其他樣點均位于西江干流(圖1)。

圖1 珠江中上游采樣點分布圖LBG, BD, BC, DH, HS, SL, WX, GP, SZ, PN, TX, BS, WZ, FK, YN, DQ及ZQ分別表示采樣點魯布革、八渡、白層、大化、合山、石龍、武宣、桂平、石咀、平南、藤縣、長洲壩上、梧州、封開、郁南、德慶和肇慶。下同。Fig.1 Sampling sites in the upper and middle reaches of the Pearl RiverLBG, BD, BC, DH, HS, SL, WX, GP, SZ, PN, TX, BS, WZ, FK, YN, DQ and ZQ are, represented for sampling stations of Lubuge,Badu, Baiceng, Dahua, Heshan, Shilong, Wuxuan, Guiping, Shizui, Pingnan, Tengxian, Changzhoubashang, Wuzhou, Fengkai,Yunan, Deqing and Zhaoqing, respectively. The same below.

1.2 樣品采集與分析

1.3 水體環(huán)境質(zhì)量分析與評價

1.3.1 評價指標(biāo)及其限定值

1.3.2 評價方法

依據(jù)文獻(xiàn)[16]，采用單項污染指數(shù)和負(fù)荷比對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行單項評價，采用綜合污染指數(shù)對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行整體評價。單項污染指數(shù)計算公式見式(1)。

Pi=Ci/Ci0

式(1)

式(1)中：Pi為水環(huán)境中污染物i的污染指數(shù)；Ci為水環(huán)境中污染物i的實測值；Ci0為水環(huán)境污染物i的限量標(biāo)準(zhǔn)值。Pi≤ 1時，表示水環(huán)境未受污染，指標(biāo)合格，Pi= 計算所得值；當(dāng)Pi>1時，表示水環(huán)境受到污染，指標(biāo)不合格，Pi=1.0 + 5 × lg(計算所得值)[17]。超標(biāo)率的計算公式見式(2)。

式(2)

在單項污染指數(shù)評價的基礎(chǔ)上，采用兼顧單項污染指數(shù)最大值和平均值的綜合污染指數(shù)Pj進(jìn)行評價，其計算公式見式(3)。

式(3)

式(3)中：Pimax為最大單項污染指數(shù)，Piave為平均單項污染指數(shù)。

污染物負(fù)荷比的計算公式見式(4)。

式(4)

式(4)中：Qi為污染物i的負(fù)荷比；n為參評指標(biāo)總數(shù)，Pi為水環(huán)境中污染物i的單項污染指數(shù)。

依據(jù)水體環(huán)境綜合污染指數(shù)，將水質(zhì)狀況分為5個等級[18](表1)，并對所研究的區(qū)域水體的污染程度和污染水平進(jìn)行評價。

表1 水質(zhì)狀況分級

Tab.1 Grades of water environment

等級Grade綜合污染指數(shù)Comprehensivepollutionindex污染程度Degreeofpollution污染水平Levelofpollution1Pj<0.7清潔清潔20.73.0重污染嚴(yán)重超警戒水平

1.3.3 統(tǒng)計分析方法

文章數(shù)據(jù)處理與作圖使用Excel 2007軟件，采用MATLAB軟件進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體理化環(huán)境狀況

各采樣區(qū)域水體pH變化范圍為7.03～9.04，平水期、豐水期及枯水前期均值分別為8.11、7.83和7.86(圖2a)。水體溶解氧含量變化范圍為5.84～9.57 mg/L，3個時期DO均值變化不大，分別為7.48(平水期)、7.58(豐水期)和6.99 mg/L(枯水前期)(圖2b)。3個時期水體SD差別較大，豐水期最低，最小值僅為20 cm，均值為45 cm；其次為平水期，SD均值為127 cm；枯水前期SD最高，變化范圍為75～230 cm，均值達(dá)到149 cm(圖2c)。水體總磷含量呈現(xiàn)枯水前期明顯高于平水期和豐水期的分布狀況，均值分別為0.055 7(平水期)、0.095 4(豐水期)及0.173 6 mg/L(枯水前期)，但部分樣點在部分時期也會凸顯出較高的總磷水平，如2016年3月(平水期)梧州采樣點TP含量達(dá)到 0.267 3 mg/L(圖2d)。水體總氮含量變化范圍為0.636 0～3.715 3 mg/L，整個采樣期大部分采樣點總氮含量均高于1.0 mg/L，其中上游魯布革、八渡及白層等采樣區(qū)域的總氮含量高于中下游位點(圖2e)。水體氨氮含量在豐水期較平水期和枯水前期略高，平水期、豐水期及枯水前期均值分別為0.149 7、0.208 9和0.139 1 mg/L，其中豐水期氨氮含量峰值達(dá)到0.507 5 mg/L(桂平大藤峽)(圖2f)。水體Chla含量變化范圍為0.17 ～25.85 μg/L，其中處于魯布革水電站庫區(qū)內(nèi)水體Chla含量較高，平水期和枯水前期分別達(dá)到25.85 μg/L和17.72 μg/L，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀況，其余樣點在整個采樣期水體Chla含量大都在10 μg/L以內(nèi)，顯示“貧營養(yǎng)—中營養(yǎng)”水體特征(圖2g)。

圖2 珠江中上游主要水體理化指標(biāo)變化a:pH; b:溶解氧(DO); c:透明度(SD);d:總磷(TP); e:總氮(TN); f:氨氮 g:葉綠素a(Chla)。Fig.2 Changes of physical-chemical parameters in the upper and middle reaches of the Pearl Rivera:pH; b:dissolved oxygen; c:secchi depth; d:total phosphorus; e:total nitrogen; f:ammonia nitrogen; g:chlorophyll a.

表2 珠江中上游各水情期水體理化因子均值及范圍

Tab.2 Mean and range of physical-chemical parameters of each water regime in the upper and middlereaches of the Pearl Rivern=17

2.2 水質(zhì)狀況分析

表3 珠江中上游水質(zhì)狀況分析結(jié)果

Tab.3 Analyzing results of water quality in the upper and middle reaches of the Pearl Rivern=17

參數(shù)Parameters平水期Levelperiod豐水期Wetseason枯水前期Earlydryseason平均值A(chǔ)veragevalue超標(biāo)率Rateofultrastandard最大超標(biāo)倍數(shù)Multipleofmaxultrastandard平均值A(chǔ)veragevalue超標(biāo)率Rateofultrastandard最大超標(biāo)倍數(shù)Multipleofmaxultrastandard平均值A(chǔ)veragevalue超標(biāo)率Rateofultrastandard最大超標(biāo)倍數(shù)Multipleofmaxultrastandard限定值LimitspH8.11—/7.8311.76%0.067.86—/6.50～8.50DO(mg·L-1)7.48—/7.58—/6.99—/5.00NH3(mg·L-1)0.0117.65%0.440.0323.53%7.970.015.88%0.300.02NH+4-N(mg·L-1)0.15—/0.21—/0.14—/1.00NO-3-N(mg·L-1)1.7294.12%1.461.3994.12%1.861.8594.12%2.131.00NO-2-N(mg·L-1)0.01—/0.035.88%1.140.0811.76%0.640.15TN(mg·L-1)2.07100%1.852.05100%2.692.2694.12%2.721.00TP(mg·L-1)0.065.88%0.340.05—/0.1723.53%0.080.20SD(cm)127.00—/45.0082.35%0.67149.00 —/60.00Chla(μg·L-1)3.605.99%1.592.18—/4.285.88%0.7210.00

注：表中“—”表示沒有出現(xiàn)超標(biāo)；“/”表示沒有計算該數(shù)值。

2.3 水質(zhì)評價

從時間上看，平水期、豐水期和枯水前期珠江中上游水體綜合污染指數(shù)Pj分別為1.82、1.76和1.89，根據(jù)表1的漁業(yè)水質(zhì)分級，可以看到3個水情期水質(zhì)均為“輕污染”等級，污染水平為“輕度超警戒水平”。對每個采樣點的綜合污染指數(shù)Pj分析結(jié)果見圖3，由圖可以看到，上游魯布革、八渡、白層采樣站位水體受污染較為嚴(yán)重；中下游區(qū)域的石龍、武宣、藤縣和德慶等樣點在豐水期的水體綜合污染指數(shù)Pj明顯較另外兩個時期高。

基于水體綜合污染指數(shù)Pj，對珠江中上游各采樣點的水體環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行SOM(Self-organizing map)聚類分析，結(jié)果見圖4。珠江中上游水體環(huán)境大致可以分為3類：第I類，武宣、桂平、石咀、平南、壩上、封開、郁南、德慶和肇慶等樣點，參照圖3可知，這些樣點在3個水情期的水體綜合污染指數(shù)Pj及其均值都處于1～2之間，顯示整個調(diào)查期間水體環(huán)境質(zhì)量狀況比較穩(wěn)定，處于“輕污染”等級、“輕度超警戒水平”狀況；第II類，魯布革、八渡、白層、大化、合山和梧州等樣點，這些樣點在3個水情期的水體綜合污染指數(shù)Pj及其均值大都處于2～3之間，顯示整個調(diào)查期間水體環(huán)境質(zhì)量狀況比較嚴(yán)重，呈“中污染”等級、“中度超警戒水平”狀況；第III類，石龍和藤縣兩個樣點，二者在3個水情期的水體綜合污染指數(shù)Pj差別較大，處于1～5之間，豐水期水體環(huán)境質(zhì)量狀況比較嚴(yán)重，呈“重污染”等級、“嚴(yán)重超警戒水平”狀況，而在其他時期略低，處于1～2之間，“輕污染”等級、“輕度超警戒水平”狀況。

綜上，所調(diào)查的珠江中上游大部分采樣區(qū)域水體大都呈現(xiàn)“輕污染”、“輕度超警戒水平”狀況；(魯布革、八渡和白層)水質(zhì)受污染較嚴(yán)重，要劣于中下游水質(zhì)；但中下游部分樣點(石龍、藤縣和德慶)豐水期水體綜合污染指數(shù)偏高，水質(zhì)劣于其他時期(圖4)。

表4 珠江中上游水質(zhì)評價及污染等級

Tab.4 Assessment of major aquaculture pond water quality and pollution level in the upper and middle reachesof the Pearl Rivern=17

參數(shù)Parameters平水期Levelperiod豐水期Wetseason枯水前期Earlydryseason單項污染指數(shù)PiSinglepollutionindex負(fù)荷比/%QDutyration單項污染指數(shù)PiSinglepollutionindex負(fù)荷比/%QDutyration單項污染指數(shù)PiSinglepollutionindex負(fù)荷比/%QDutyrationpH0.587.290.636.580.333.67DO(mg·L-1)0.688.560.666.960.727.95NH3(mg·L-1)0.516.441.1912.510.566.20NH+4-N(mg·L-1)0.151.890.212.190.141.54NO-3-N(mg·L-1)2.1527.021.6417.192.2524.94NO-2-N(mg·L-1)0.070.930.252.580.586.43TN(mg·L-1)2.5732.332.4826.062.6729.66TP(mg·L-1)0.303.720.252.580.879.70SD(cm)0.556.922.0121.070.444.85Chla(μg·L-1)0.394.890.222.290.465.06綜合污染指數(shù)Pj1.821.761.89污染程度輕污染輕污染輕污染污染水平輕度超警戒水平輕度超警戒水平輕度超警戒水平

圖3 珠江中上游各采樣點的水體綜合污染指數(shù)Fig.3 Water comprehensive pollution index variation in the upper and middle reaches of the Pearl River

圖4 基于水體綜合污染指數(shù)的珠江中上游水體環(huán)境質(zhì)量狀況聚類分布圖Fig.4 Clustering graph of water quality based on water comprehensive pollution index in the upper and middle reaches of the Pearl River

3 討論

3.1 珠江中上游水體中的主要污染因子及影響分析

3.2 珠江中上游水體環(huán)境狀況的時空差異

3.3 珠江中上游水體污染程度與防控措施分析

致謝：本研究的野外調(diào)查取樣中，得到了李躍飛、楊計平、武智等同事的熱情幫助，并得到了仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院本科實習(xí)生黃志鵬同學(xué)在室內(nèi)樣品處理與分析方面的鼎力相助，在此一并致謝！