漢江襄陽(yáng)河段主要污染物通量分析

王文靜 周才金 聶真真 楊松 徐祥

摘要：漢江水環(huán)境狀況對(duì)襄陽(yáng)市和漢江中下游的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活影響重大。崔家營(yíng)航電樞紐工程建成運(yùn)行后，漢江襄陽(yáng)城區(qū)段成為崔家營(yíng)庫(kù)區(qū)，形成水庫(kù)型河流。引入湖泊入出湖污染物通量的計(jì)算公式，通過(guò)同步監(jiān)測(cè)2017年漢江襄陽(yáng)河段干支流水質(zhì)水量，估算了漢江襄陽(yáng)河段不同水期的污染物通量，分析出入江污染物通量隨時(shí)間的變化及空間來(lái)源組成。結(jié)果表明：2017年漢江襄陽(yáng)河段污染物通量主要來(lái)自豐水期，豐水期入江污染物通量空間分布與年通量分布一致。入江通量大于出江通量，各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)與水量多呈正相關(guān)。漢江襄陽(yáng)河段的污染物控制應(yīng)以強(qiáng)化主要入江河流輸入通量控制為主，尤其是豐水期的污染物防治工作應(yīng)作為水環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：污染物通量;時(shí)空變化;水環(huán)境保護(hù);漢江襄陽(yáng)河段;崔家營(yíng)航電樞紐工程

中圖法分類號(hào)：X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）03 - 0068 - 06

1 研究背景

在污染物總量控制研究中，污染物通量較污染物濃度更具研究?jī)r(jià)值[1-2]。污染物濃度不能反映出水量對(duì)濃度的影響，也不能反映各斷面污染物的總量，只有綜合考慮水質(zhì)和水量，才能較全面地反映污染治理情況，而污染物通量則能較好地反映污染負(fù)荷的大小[3]。

漢江在襄陽(yáng)市境內(nèi)流域面積達(dá)17 357.6 km2，約占襄陽(yáng)市總面積的88%[4]。2009年10月24日，崔家營(yíng)航電樞紐工程正式建成蓄水，蓄水后漢江襄陽(yáng)城區(qū)段成為崔家營(yíng)庫(kù)區(qū)，庫(kù)區(qū)范圍從壩址（錢(qián)營(yíng)）至上游約33 km的新集，控制流域面積13.06萬(wàn)km2。水庫(kù)蓄水后河面變寬，水深加大，水流明顯減緩，漢江襄陽(yáng)城區(qū)段基本形成水庫(kù)型河流[5]。作為襄陽(yáng)主城區(qū)的唯一水源地和納污水體，襄陽(yáng)市未來(lái)的城市發(fā)展將在很大程度上受到漢江水環(huán)境狀況，尤其是漢江梯級(jí)開(kāi)發(fā)和南水北調(diào)中線工程實(shí)施對(duì)漢江中下游水環(huán)境容量的疊加影響[6-7]。因此，對(duì)漢江襄陽(yáng)城區(qū)段水量水質(zhì)的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

目前，對(duì)漢江襄陽(yáng)河段水環(huán)境的研究主要集中在水質(zhì)方面。鄧萬(wàn)霞等[5]分析了崔家營(yíng)水庫(kù)蓄水前后漢江襄陽(yáng)市區(qū)段水質(zhì)變化，蓄水后水污染呈略微上升趨勢(shì)。孫辰等[6]研究了調(diào)水及梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)漢江襄陽(yáng)河段水環(huán)境容量的影響，發(fā)現(xiàn)2015年漢江襄陽(yáng)河段主要污染物COD和NH3-N的水環(huán)境容量在多數(shù)江段呈下降的趨勢(shì)。漢江襄陽(yáng)河段污染物通量的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。本文首次將湖泊入出湖污染物通量的計(jì)算方式引入到漢江襄陽(yáng)河段，通過(guò)分析比較漢江襄陽(yáng)河段主要污染物入出江通量，探尋污染物來(lái)源，以期為漢江襄陽(yáng)河段和漢江中下游水環(huán)境管理提供決策支持。

2 試驗(yàn)與方法

2.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)闈h江襄陽(yáng)城區(qū)段，從漢江上游新集斷面至下游崔家營(yíng)壩下。在此江段內(nèi)，匯入的支流有3條，分別是唐白河、小清河和滾河。其中，唐白河是由唐河和白河匯合而得名，唐河和白河均流經(jīng)鄂、豫兩省，是重要的省界河流。

綜合考量斷面的代表性和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的可行性，在漢江干流上布設(shè)新集和襄陽(yáng)余家湖2個(gè)斷面，在支流白河布設(shè)劉灣渡口斷面，唐河布設(shè)雙溝斷面，滾河布設(shè)琚灣斷面，清河布設(shè)清河店斷面。斷面布設(shè)見(jiàn)圖1。

2.2 分析方法

根據(jù)區(qū)域水污染特點(diǎn)，選取pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)分析。每月同步監(jiān)測(cè)水質(zhì)水量1次，連續(xù)測(cè)定時(shí)間為2017年1～12月。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法參照《水和廢水分析方法（第四版）》[8]，流量測(cè)驗(yàn)采用走航式ADCP方法。

2.3 數(shù)據(jù)處理

污染物通量是指水體中各污染物在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一斷面的總質(zhì)量，是水環(huán)境的水文、地質(zhì)、化學(xué)及生物等綜合作用的結(jié)果[9-11]，污染物通量計(jì)算公式為

式中：F為污染物通量，t/s;C為該時(shí)刻的污染物濃度，mg/L;Q為該斷面的流量，m3/s;u為該時(shí)刻該斷面的流速，m/s;A為斷面面積，m2。將每月監(jiān)測(cè)得到的每條河流流量作為該條河的月平均流量，同時(shí)將測(cè)得的斷面濃度均值作為該條河的月平均濃度，以此計(jì)算得到污染物通量。

3 結(jié)果與討論

3.1 流量分析

從2017年漢江襄陽(yáng)河段各斷面月均流量趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖2）中可以看出：2017年10月有1次較大漲水過(guò)程，漢江襄陽(yáng)河段干支流流量均有明顯增長(zhǎng)，10月流量為全年最大流量。漢江干流新集和余家湖兩斷面在4～6月還有1次小幅度漲水過(guò)程。漢江支流斷面僅劉灣渡口在4月還有1次漲水過(guò)程;其他支流斷面總體流量較平穩(wěn)，全年僅10月有1次明顯漲水過(guò)程。

3.2 入江污染物通量時(shí)空分布

崔家營(yíng)電站建成蓄水后，漢江襄陽(yáng)城區(qū)段基本形成水庫(kù)型河流。將劉灣渡口、雙溝、清河店、琚灣水文站4個(gè)支流斷面與漢江上游新集斷面看作入江斷面，崔家營(yíng)壩下斷面余家湖看作出江斷面，以此來(lái)分析漢江襄陽(yáng)城區(qū)段主要污染物通量分布情況。

3.2.1 時(shí)間分布

5～10月為豐水期，1～4，11～12月為枯水期，分別計(jì)算枯水期與豐水期的時(shí)段通量。2017年漢江襄陽(yáng)河段各斷面豐水期與枯水期通量占比見(jiàn)表1。漢江襄陽(yáng)城區(qū)段各斷面主要污染物通量均表現(xiàn)為豐水期大于枯水期。尤其是支流4個(gè)斷面豐水期通量占比均超過(guò)80%，干流2個(gè)斷面豐水期通量占比略低，但仍超過(guò)70%。由此可以看出，在時(shí)間分布上，漢江襄陽(yáng)河段各斷面污染物通量主要來(lái)自于豐水期，豐水期污染物通量貢獻(xiàn)占各斷面的70%以上，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[12]中結(jié)論一致。

從逐月的通量變化來(lái)看（見(jiàn)圖3），10月漢江襄陽(yáng)河段各斷面污染物通量均為全年最大值，其他月份則相對(duì)較平緩。這主要是因?yàn)闈h江流域總體水質(zhì)狀況良好，污染物濃度相對(duì)平穩(wěn)，由于10月有明顯漲水，流量增加明顯，因此，污染物通量也明顯增加。再加上受漢江流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)影響，漢江襄陽(yáng)河段各河流漲水經(jīng)常伴隨上游和兩岸沖刷等帶來(lái)的漂浮物、泥沙等，導(dǎo)致漲水期間水體偏渾，污染物濃度較通常相對(duì)偏大，受污染物濃度和流量的雙重影響，豐水期污染物通量明顯高于枯水期。

3.2.2 空間分布

圖4比較了漢江襄陽(yáng)城區(qū)段各斷面污染物年通量。由圖4可以看出：入江污染物通量貢獻(xiàn)最大的為新集斷面，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷的通量貢獻(xiàn)均超過(guò)45%;污染物通量貢獻(xiàn)最小的為琚灣斷面，均小于7%;劉灣渡口、雙溝、清河店3個(gè)斷面的污染物通量貢獻(xiàn)占比則相差不大。高錳酸鹽指數(shù)入江通量主要來(lái)自于干流，干流貢獻(xiàn)超過(guò)60%，其次為清河、唐河、白河、滾河;氨氮入江通量貢獻(xiàn)最大的為漢江干流，其次為唐河、清河、白河、滾河;總磷入江通量貢獻(xiàn)大小依次為干流、白河、唐河、清河、滾河。綜合來(lái)看，在空間分布上，漢江襄陽(yáng)城區(qū)段高錳酸鹽指數(shù)入江通量主要來(lái)自干流，氨氮和總磷入江通量主要來(lái)自于支流。

進(jìn)一步比較不同水期下的污染物通量空間分布發(fā)現(xiàn)：高錳酸鹽指數(shù)不同水期入江通量主要來(lái)源均為干流，豐水期干流入江通量貢獻(xiàn)達(dá)到55.7%，枯水期干流入江通量貢獻(xiàn)超過(guò)80%。氨氮入江通量貢獻(xiàn)中，豐水期以支流為主，枯水期以干流為主，但兩者的貢獻(xiàn)占比相差不大;總磷入江通量豐水期主要來(lái)自支流，枯水期主要來(lái)自于干流。在時(shí)空分布上，枯水期污染物通量均以干流貢獻(xiàn)為主;豐水期高錳酸鹽指數(shù)通量主要來(lái)自于干流，氨氮、總磷通量主要來(lái)自于支流，這與污染物年通量空間分布規(guī)律一致，也進(jìn)一步說(shuō)明了漢江襄陽(yáng)河段污染物通量的消減重點(diǎn)在于做好豐水期的污染物防治。

3.3 污染物通量平衡分析

3.3.1 流量平衡分析

為說(shuō)明污染物通量入江/出江平衡情況，首先要對(duì)入江/出江流量平衡進(jìn)行分析計(jì)算。因?yàn)樗r(shí)段相同，直接將入江斷面月均流量之和與出江斷面月均流量進(jìn)行比較，以流量平衡來(lái)比擬水量平衡。由圖5可以看出，2017年漢江襄陽(yáng)河段入江流量略大于出江流量，年均流量入江/出江比值為1.03，豐水期月均流量入江/出江比值為1.03，枯水期為1.04。總體來(lái)看，2017年漢江襄陽(yáng)河段入江/出江流量基本平衡，崔家營(yíng)大壩對(duì)水量的調(diào)蓄影響基本可以忽略。

3.3.2 通量平衡分析

表2比較了污染物年通量入江/出江比值。由表2可知，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為入江通量大于出江通量。豐水期通量與年通量情況相似，表現(xiàn)為入江通量大于出江通量，但豐水期通量入江/出江比值大于年通量比值，尤其是氨氮豐水期入江通量約為出江通量的2倍?？菟谕壳闆r則完全不同，表現(xiàn)為入江通量小于出江通量，其中高錳酸鹽指數(shù)和總磷入江通量與出江通量接近于平衡狀態(tài)，氨氮入江通量則明顯小于出江通量。綜合來(lái)看，漢江襄陽(yáng)河段污染物通量表現(xiàn)為入江大于出江，這與許多研究得出的湖泊入出湖通量平衡結(jié)果完全相反[13-15]。由于未計(jì)算區(qū)間產(chǎn)流及相應(yīng)污染物通量、未計(jì)算內(nèi)源污染等原因，通常入湖通量小于出湖通量[13]。對(duì)于漢江襄陽(yáng)河段來(lái)說(shuō)，入江通量大于出江通量可能是由于：①梯級(jí)大壩攔截對(duì)水體流動(dòng)性造成影響[16]，流速減緩加速了水中污染物沉降，崔家營(yíng)大壩相當(dāng)于起到了污染物攔截的作用，在豐水期效果尤為明顯;②在物理降解、生物轉(zhuǎn)化等河流自凈作用下，出江通量應(yīng)小于入江通量。

3.4 污染源類型分析

一般情況下，點(diǎn)源污染類型，濃度多與流量呈負(fù)相關(guān);非點(diǎn)源類型，濃度多與流量呈正相關(guān);點(diǎn)源、非點(diǎn)源混合類型，濃度與流量較為復(fù)雜，可能呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、無(wú)關(guān)的情況[17-18]。2017年漢江襄陽(yáng)河段各斷面水質(zhì)與水量的Person相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。從漢江襄陽(yáng)河段各斷面水質(zhì)與水量相關(guān)性來(lái)看，僅有劉灣渡口斷面高錳酸鹽指數(shù)，雙溝斷面高錳酸鹽指數(shù)、氨氮，以及新集斷面氨氮和總磷表現(xiàn)出水質(zhì)水量呈顯著正相關(guān)，應(yīng)以非點(diǎn)源污染類型為主;其他參數(shù)雖然多呈現(xiàn)出正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，應(yīng)是受點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染共同作用影響。隨著漢江流域?qū)嵤┳顕?yán)格水資源管理和河長(zhǎng)制建設(shè)的推進(jìn)，漢江襄陽(yáng)河段點(diǎn)源污染得到有效改善，建議相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)非點(diǎn)源污染治理，尤其是豐水期的面源污染防治。

4 結(jié) 論

（1）漢江襄陽(yáng)河段各斷面污染物通量主要來(lái)自于豐水期。在空間分布上，高錳酸鹽指數(shù)入江通量主要來(lái)自于干流，氨氮和總磷入江通量主要來(lái)自于支流。豐水期入江污染物通量空間分布與年通量分布一致，而枯水期污染物通量均以干流貢獻(xiàn)為主。

（2）2017年漢江襄陽(yáng)河段年均流量入江/出江比值為1.03，入江/出江流量基本平衡，崔家營(yíng)大壩對(duì)水量調(diào)蓄而導(dǎo)致的污染物通量變化可以忽略。

（3）漢江襄陽(yáng)城區(qū)段主要污染物通量表現(xiàn)為：豐水期入江通量大于出江通量，枯水期入江通量小于出江通量。2017年漢江襄陽(yáng)河段入江通量大于出江通量，可能是受崔家營(yíng)大壩帶來(lái)的水體流動(dòng)性影響和河流自凈作用的共同作用，在豐水期崔家營(yíng)大壩對(duì)污染物的攔截作用尤為明顯。

（4）漢江襄陽(yáng)河段各斷面水質(zhì)與水量多呈現(xiàn)出正相關(guān)，其中劉灣渡口斷面CODMn、雙溝斷面CODMn、NH3-N，以及新集斷面NH3-N和TP水質(zhì)水量顯著正相關(guān)，以非點(diǎn)源污染類型為主;其他參數(shù)相關(guān)性不顯著，為點(diǎn)源、非點(diǎn)源共同影響。建議相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)漢江襄陽(yáng)河段非點(diǎn)源污染治理，尤其是豐水期的面源污染防治。

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（編輯：李曉濛）