張書濱 ,周涵杰 ,謝千辰 ,唐 明
(1.江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室,江西 南昌,330009;2.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院,江西 南昌,330099;3.江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌,330099)
鄱陽湖是中國最大的淡水湖泊,北通長江,南接贛江、撫河、修水、信江、饒河,區(qū)間亦有部分直接入湖的中小河流,是典型的季節(jié)性、過水性和吞吐型湖泊[1]。鄱陽湖流域內(nèi),人類生產(chǎn)活動(dòng)頻繁,在各個(gè)支流,不同程度地存在點(diǎn)、面源污染,總磷是鄱陽湖的主要污染物之一[2-4]。鄱陽湖的總磷濃度變化,主要受自然變化和人類活動(dòng)共同作用[5];有專家分析得出豐水期總磷濃度要低于枯水期和平水期總磷濃度[6,7]的結(jié)論;亦有學(xué)者認(rèn)為鄱陽湖中的采砂作業(yè),對(duì)水體中的總磷濃度有著直接貢獻(xiàn)[8]。目前,大多數(shù)文獻(xiàn)都是對(duì)總磷時(shí)空分布規(guī)律的總結(jié),針對(duì)上游來水、沿線排污、采砂作業(yè)等人為影響因素的分析做得不夠,沒有區(qū)分水文自然節(jié)律以及不同人為影響的主次關(guān)系。
鄱陽湖入江水道將鄱陽湖主湖區(qū)與長江干流連接起來,區(qū)間匯入河流的流域面積較小,河道外的影響因素相對(duì)清晰,主要污染源來自沿線居民生產(chǎn)生活廢水;河道內(nèi)主要污染源則是由上游來水,以及采砂作業(yè)、砂石轉(zhuǎn)運(yùn)、內(nèi)河航運(yùn)等人為活動(dòng)帶來的底泥擾動(dòng)造成的。
本文以老爺廟監(jiān)測(cè)斷面為上游控制端,蛤蟆石監(jiān)測(cè)斷面為下游控制端,綜合考慮上游來水水質(zhì)、沿線排污、區(qū)間采砂與運(yùn)砂作業(yè),結(jié)合入江水道中總磷的時(shí)空分布規(guī)律,分析不同影響因素對(duì)總磷濃度變化的貢獻(xiàn)大小,從而區(qū)分它們的主次關(guān)系。
本文數(shù)據(jù)則來自水利、水文、環(huán)保、采砂管理等相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),收集整理了2020年的入河(湖)排污口調(diào)查數(shù)據(jù)(九江市);2014-2019年的水位流量數(shù)據(jù);2014-2019年的老爺廟、星子和蛤蟆石共3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面總磷月際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);2014-2019的年度采砂記錄。
圖1顯示,老爺廟、星子和蛤蟆石等3個(gè)斷面的總磷指標(biāo)呈現(xiàn)一定的周期性波動(dòng)規(guī)律。大多數(shù)年份10月或11月,總磷濃度都會(huì)出現(xiàn)明顯的升高現(xiàn)象;到了每年的4月或5月份,總磷濃度又會(huì)出現(xiàn)較為明顯的下降現(xiàn)象。這樣的波動(dòng)規(guī)律與文獻(xiàn)[6]得出的“豐水期總磷濃度要低于枯水期和平水期”的結(jié)論相吻合??偭诐舛?月滑動(dòng)平均值過程線可以更加明顯的看出這種變化趨勢(shì)(圖2)。
圖1 各斷面總磷指標(biāo)月際變化
圖2 各斷面3月滑動(dòng)平均值過程線
1.2.1 年際分布規(guī)律
圖3為各斷面2014-2020總磷監(jiān)測(cè)值的年際分布箱型圖,其中,入江水道綜合數(shù)據(jù)為老爺廟、星子和蛤蟆石3個(gè)斷面總磷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值,從整體上反映入江水道總磷的變化趨勢(shì)。年度均值的多項(xiàng)式擬合結(jié)果顯示,3個(gè)斷面年際變化規(guī)律的一致性較好,與入江水道綜合數(shù)據(jù)亦保持一致,總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。
圖3 各斷面總磷年際分布及均值多項(xiàng)式擬合
3個(gè)斷面的年度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較前一年變化趨勢(shì)也基本一致;但是,值得注意的是,在部分年份,老爺廟斷面的變化與其它2個(gè)斷面存在差異,如2016年,老爺廟斷面總磷濃度較2015年增加,但星子、蛤蟆石均較前一年度減?。?018年,老爺廟較前一年的變化也與其它2個(gè)斷面不一致。
通過查閱采砂記錄,可以發(fā)現(xiàn),2016年,老爺廟上游采砂區(qū)的作業(yè)較為頻繁,對(duì)老爺廟斷面水質(zhì)影響較大;但是,諸多研究文獻(xiàn)表明,泥沙吸附與沉淀作用,是水體凈化能力之一[9-11],底泥擾動(dòng)帶來的總磷濃度升高,伴隨著泥沙吸附與沉淀過程,得到沿程緩解;最終,對(duì)相距不遠(yuǎn)的星子斷面影響較小。
相關(guān)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,2018年,鄱陽湖流域水文情勢(shì)偏枯,星子站年平均水位11.91m,年最低水位7.74m;河水歸槽持續(xù)時(shí)間長,入江水道的水體納污能力、自凈能力均較其它年份更差,而區(qū)間的影響因素并沒有相應(yīng)減少,導(dǎo)致2018年斷面總磷濃度較其它年份更高。
1.2.2 年內(nèi)分布規(guī)律
圖4為2014-2019年斷面總磷濃度的各月統(tǒng)計(jì)情況,各月均值的多項(xiàng)式擬合結(jié)果顯示,3個(gè)斷面年內(nèi)變化規(guī)律基本一致,總體呈現(xiàn)汛期水質(zhì)優(yōu)于枯水期的趨勢(shì);其中,老爺廟斷面月平均總磷濃度從1月的72.81μg/L下降到8月的47.57μg/L,而后又從9月的60.43μg/L 上升到 12月的 66.14μg/L;星子、蛤蟆石,以及入江水道總磷綜合濃度呈現(xiàn)相同的年內(nèi)變化規(guī)律。
圖4 各斷面總磷年內(nèi)分布及均值多項(xiàng)式擬合
這主要是由于鄱陽湖豐水期的五河來水量加大,水體納污能力增加;同時(shí),入江水道水位升高,漫灘行洪,水體自凈能力變強(qiáng);枯水期,五河來水減少,入江水道水位降低,河水歸槽,水體自凈能力變差;且枯水期是采砂、運(yùn)砂作業(yè)時(shí)段,也是導(dǎo)致枯水期總磷濃度上升的因素之一。
另外,值得注意的是,蛤蟆石斷面的豐、枯水期總磷濃度變化小于另外2個(gè)斷面,但總體水平要高于上游2個(gè)斷面;說明在星子-蛤蟆石段(以下簡(jiǎn)稱下段)納入的內(nèi)、外源污染物較老爺廟-星子段(以下簡(jiǎn)稱上段)更多。
鄱陽湖采砂作業(yè)時(shí)間主要集中在每年的7月至次年的3月(4~6月為禁采期)。
2014-2020年老爺廟-星子-蛤蟆石總磷濃度空間變化如圖5。由圖5可知,上段年度總磷濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì);下段年度總磷濃度呈增加趨勢(shì)。說明上段水體的自然凈化作用較各種污染源帶來的影響更大,星子斷面總磷濃度比老爺廟斷面低;下段水體的自然凈化作用未能抵消各種污染源帶來的影響,蛤蟆石斷面總磷濃度比星子斷面高。
圖5 總磷濃度空間變化(2014-2020)
鑒于相鄰斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有關(guān)聯(lián)性,按照“配對(duì)樣本t檢驗(yàn)”對(duì)其進(jìn)行顯著性分析??梢钥闯觯涸诓缮捌?,下段水質(zhì)發(fā)生了顯著性變化(圖5中相鄰兩斷面的字母不同,則表示兩斷面存在顯著性差異,下同),檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的概率值為0.035,小于給定的顯著性水平(α=0.05)。雖然其它情況下的時(shí)段均值差異不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性,但7年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征值可以作為水質(zhì)變化分析的參考。采砂期,上下段總磷濃度變化規(guī)律與年度情況一致。但是,上段總磷濃度下降率為6.2%,幅度比年度均值的4.8%更大,區(qū)間水質(zhì)優(yōu)化效果明顯;下段總磷濃度上升率為17.6%,幅度也比年度均值的12.1%大,區(qū)間水質(zhì)劣化效果更加明顯。說明采砂作業(yè)對(duì)斷面水質(zhì)存在優(yōu)化與劣化的雙重可能。
影響入江水道水質(zhì)的因素可以分為三類;第一類是年內(nèi)波動(dòng)較小的常年影響因素,諸如沿線的工業(yè)生產(chǎn)、群眾生活廢水排放,過境船只航運(yùn)影響等;第二類是年內(nèi)波動(dòng)較大的季節(jié)性影響,比如通過地表徑流匯入的農(nóng)業(yè)面源污染、采砂作業(yè)污染;第三類是影響區(qū)域相對(duì)固定的污染源,比如砂石轉(zhuǎn)駁市場(chǎng)。入江水道區(qū)間地表匯流源短量小,流域面積不大,分布較均勻,農(nóng)業(yè)面源污染沿程差異不大;在上游來水與過境船只影響相似的情況下,斷面水質(zhì)波動(dòng)主要來自沿線的工業(yè)生產(chǎn)、群眾生活廢水排放、采砂作業(yè)污染、砂石轉(zhuǎn)駁市場(chǎng)等。
入江水道中,上段沿線居民生產(chǎn)生活廢水排口較下段更少,相關(guān)采砂作業(yè)顯示,統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)該段的采砂作業(yè)強(qiáng)度亦較小,所以星子斷面年均總磷濃度較老爺廟更低,不同分位數(shù)的特征值也更接近,波動(dòng)性較小。而下段生產(chǎn)生活廢水排口更為密集,區(qū)間年均采砂量也較多,加上砂石轉(zhuǎn)駁市場(chǎng)附近航運(yùn)繁忙,枯水期對(duì)底泥擾動(dòng)較強(qiáng),導(dǎo)致蛤蟆石斷面總磷濃度較同期星子斷面增加較多,而且不同分位數(shù)的特征值相差較多,波動(dòng)性較大。
鄱陽湖入江水道的總磷濃度的年際、年內(nèi)及空間分布規(guī)律與其水位變化有著密切的聯(lián)系。圖6是鄱陽湖星子站各月水位及總磷濃度的對(duì)照?qǐng)D,可以看出總磷濃度與水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為-0.909,超過相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)的臨界值0.576,n=12,α=0.05)。這種明顯的負(fù)相關(guān)性也揭示了入江水道總磷濃度隨時(shí)程的周期性變化規(guī)律,主要是由入湖水量變化導(dǎo)致的湖泊水體自凈能力與納污能力波動(dòng)引起的。
圖6 星子站總磷濃度及水位年內(nèi)變化趨勢(shì)(2014-2019)
從鄱陽湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的年均水位統(tǒng)計(jì)(表1)可以看出,2018年屬于鄱陽湖的枯水年份,各站點(diǎn)年平均水位均比其它年份低了1m以上,使得鄱陽湖及入江水道漫灘時(shí)間短,水體凈化能力變?nèi)?,?dǎo)致3個(gè)斷面的2018年度總磷濃度較其它年份更高。
表1 各站點(diǎn)年均水位m
采砂作業(yè)對(duì)底泥的擾動(dòng)和洗砂廢水是造成水體污染的原因之一;同時(shí),泥砂的吸附與沉淀又使水體得到一定程度的凈化。
圖7為2014-2019年各斷面采砂期和非采砂期逐月總磷濃度統(tǒng)計(jì)情況,并按照“配對(duì)樣本t檢驗(yàn)”對(duì)相鄰斷面的水質(zhì)變化進(jìn)行顯著性分析。可以看出,無論是在采砂期還是禁采期,下段的總磷濃度都發(fā)生了顯著性上升;采砂期,檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的概率值為0.002(α=0.05),禁采期,檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的概率值為0.048(α=0.05)。禁采期,上段總磷濃度平均下降率為10.5%,幅度比采砂期的6.2%大;下段總磷濃度平均上升率為17.06%,幅度也比采砂期的17.6%略小,說明采砂作業(yè)對(duì)斷面水質(zhì)存在一定的影響。
圖7 采砂期與禁采期的總磷濃度空間變化(2014-2020)
由于采砂及相關(guān)作業(yè)是間歇性的,加上它們的影響會(huì)沿程得到緩解,各監(jiān)測(cè)斷面在采砂期的水質(zhì)受其上游采砂作業(yè)的影響,存在一定的不確定性;當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面處在采砂作業(yè)帶來的影響范圍之內(nèi),水質(zhì)指標(biāo)會(huì)劣化;當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面處在采砂作業(yè)帶來的影響范圍之外,水質(zhì)指標(biāo)不會(huì)受到影響,甚至有一定程度的優(yōu)化。
因此,在船舶自身污染得到有效控制情況下,采砂作業(yè)、砂石轉(zhuǎn)運(yùn)等擾動(dòng)底泥帶來的內(nèi)源性污染轉(zhuǎn)移是限定在一定范圍之內(nèi)的;但是,如何量化不同水文條件下的采砂作業(yè)帶來的影響范圍,還需要進(jìn)一步研究。
鄱陽湖入江水道的斷面水質(zhì)不僅受上游來水的影響,還與沿線排入的居民生產(chǎn)生活廢水,以及采砂作業(yè)、砂石轉(zhuǎn)運(yùn)與內(nèi)河航運(yùn)等人為活動(dòng)帶來的底泥擾動(dòng)影響有關(guān)。綜合分析結(jié)果如下:
(1)從時(shí)程上來看,鄱陽湖入江水道主要斷面的總磷指標(biāo)存在“豐水期優(yōu)于枯水期”的周期性波動(dòng)規(guī)律;總磷濃度與水位呈明顯負(fù)相關(guān)性。這種時(shí)程規(guī)律主要是由入湖水量變化導(dǎo)致的湖泊水體自凈能力與納污能力波動(dòng)引起的。
(2)從空間上看,上段總磷濃度均呈優(yōu)化現(xiàn)象,采砂期的總磷濃度下降幅度較年度均值更高;下段總磷濃度呈劣化現(xiàn)象,采砂期的總磷濃度上升幅度較年度均值亦略高。說明采砂作業(yè)對(duì)斷面水質(zhì)影響存在優(yōu)化與劣化的雙重可能。在上游來水與過境船只影響相似的情況下,下段區(qū)間沿線生產(chǎn)生活廢水排放、采砂作業(yè)和砂石轉(zhuǎn)駁等影響較上段更大。
(3)鄱陽湖采砂作業(yè)與砂石轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)斷面水質(zhì)存在一定的影響,但其本質(zhì)是底泥擾動(dòng)帶來的內(nèi)源性污染遷移,其影響較入湖排污帶來的外源性污染要小。采砂及其相關(guān)作業(yè)帶來的總磷濃度升高,會(huì)隨著泥砂沉淀得到沿程緩解;當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面處在采砂或轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)帶來的影響范圍之內(nèi),水質(zhì)指標(biāo)會(huì)劣化;反之亦然。