長江航道疏浚傾倒區(qū)水環(huán)境分布特征

羅宏偉　孫曉鋒　戴越聰　李楊　黃昊　楊順益　潘文杰

摘 要：為研究長江航道疏浚傾倒區(qū)水環(huán)境的分布特征，基于長江下游12.5 m深水航道疏浚傾倒區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文利用差異顯著性檢驗、聚類分析以及相關(guān)性檢驗等方法對水環(huán)境參數(shù)（總磷、氨氮、高錳酸鹽和懸浮物）和流量數(shù)據(jù)進行了分析。研究表明：（1）傾倒區(qū)營養(yǎng)鹽指標(biāo)（總磷、氨氮和高錳酸鹽）能基本穩(wěn)定滿足所在地地表水環(huán)境質(zhì)量的要求;（2）營養(yǎng)鹽指標(biāo)和懸浮物在傾倒區(qū)臨近水域一致性較高，空間分布無顯著差異;（3）聚類分析顯示流量、懸浮物和氨氮驅(qū)動監(jiān)測結(jié)果分化為兩組，一組以流量、懸浮物和氨氮較高為特征，一組以流量、懸浮物和氨氮較低為特征。綜上所述，傾倒區(qū)水環(huán)境參數(shù)并未受傾倒活動出現(xiàn)顯著變化，傾倒區(qū)水環(huán)境空間分布一致性高，流量、懸浮物和氨氮共同驅(qū)動水環(huán)境監(jiān)測結(jié)果的分化，這表明水文情勢是主導(dǎo)三傾倒區(qū)時空分布特征的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：疏浚;傾倒區(qū);水質(zhì);流量

中圖分類號：X82? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0130-03

1前言

長江航道疏浚傾倒的生態(tài)環(huán)境影響評估少見報道，大量研究集中在海洋傾倒對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響[1-3]。丁金釗總結(jié)相關(guān)研究，認(rèn)為疏浚傾倒對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響可分為兩類：一類是短期影響，包括傾倒區(qū)及周邊水體懸浮物和渾濁度的增加及水質(zhì)下降;一類是長期影響，包括傾倒區(qū)的水下地形和底部沉積物特性變化，浮游生物、底棲生物和魚類生存環(huán)境的改變導(dǎo)致生物種類和密度減少等[4]。后續(xù)有研究指出，在內(nèi)源污染較嚴(yán)重的區(qū)域進行疏浚作業(yè)時還需關(guān)注疏浚土污染物的溶出對水質(zhì)的影響[1-5]。

長江南京以下12.5米深水航道（以下稱“深水航道”）下起太倉市瀏河口，上至南京市新生圩，全長約306km。深水航道經(jīng)一期整治工程、二期整治工程后，于2019年交長江航道局維護。為保障航道長期穩(wěn)定滿足尺度，需進行疏浚工作。為科學(xué)評價疏浚對傾倒區(qū)水環(huán)境影響，我們在深水航道維護疏浚的兩個傾倒區(qū)開展了逐月的水環(huán)境監(jiān)測。本文通過數(shù)據(jù)分析，研究了傾倒區(qū)水環(huán)境的分布特征，以期為長江航道疏浚傾倒區(qū)的合理規(guī)劃利用及長江保護提供科學(xué)依據(jù)。

2水環(huán)境監(jiān)測與分析

2.1樣品采集與檢測

2019年7月-2021年6月（其中2020年1月-2020年6月未監(jiān)測），我們在深水航道疏浚維護工程的九龍港（張家港市）、口岸直（揚中市）兩個傾倒區(qū)開展了逐月的水環(huán)境監(jiān)測。每個傾倒區(qū)設(shè)置對照斷面（傾倒區(qū)上游200m）、控制對面（傾倒區(qū)內(nèi)）和消減斷面（傾倒區(qū)下游200m），每個斷面設(shè)置左中右三條垂線，每條垂線設(shè)置表層與底層水深樣點，監(jiān)測總磷（TP），氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）以及懸浮物（SS），同時收集附近水文站的流量（Discharge），檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）。

2.2 數(shù)據(jù)分析

利用差異顯著性檢驗（Tukey多重比較法）分析水環(huán)境分布特征。利用k-均值聚類和person相關(guān)分析研究水環(huán)境與水文關(guān)系?；谒h(huán)境和流量數(shù)據(jù)進行k-均值聚類，探索監(jiān)測結(jié)果的分化情況。首先利用Tibshirani等（2001）提出的“First SEmax”方法確認(rèn)最小的分組數(shù)[6]，再使用t檢驗分析水環(huán)境參數(shù)和流量在組間的差異，同時計算各參數(shù)與聚類分析中主成分軸得分（score）的person相關(guān)性，找出驅(qū)動監(jiān)測結(jié)果分組的因子。所有分析和畫圖在R語言中完成。

3結(jié)果與分析

3.1水質(zhì)達標(biāo)情況

根據(jù)江蘇省有關(guān)地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃的文件，口岸直傾倒區(qū)水域執(zhí)行地表水質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)， 九龍港傾倒區(qū)水域執(zhí)行地表水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。除口岸直傾倒區(qū)2019年8月在消減斷面、2021年3月在控制斷面總磷分別超標(biāo)準(zhǔn)0.04 mg/L和0.01 mg/L，其他水質(zhì)指標(biāo)均達到所在地水質(zhì)要求，超標(biāo)率低于0.6%。監(jiān)測表明水質(zhì)指標(biāo)能基本滿足水環(huán)境功能區(qū)要求。

3.2水環(huán)境空間分布

差異顯著性分析顯示，九龍港和口岸直傾倒區(qū)水環(huán)境指標(biāo)在對照斷面-受控斷面、受控斷面-消減斷面和對照斷面-消減斷面間的p值均遠(yuǎn)大于0.05，差異不顯著。結(jié)果表明九龍港和口岸直傾倒區(qū)域的水環(huán)境一致性較高。

3.3 水環(huán)境與水文

聚類分析結(jié)果表明，基于水環(huán)境和水文數(shù)據(jù)監(jiān)測點最適合分為兩組，超過三組后SEmax值逐漸增大（圖1，No1最優(yōu)聚類）。在主成分分析前兩軸（PC1、PC2）構(gòu)成的空間內(nèi)兩聚類組樣點差異明顯，前兩軸的解釋率分別占原始數(shù)據(jù)方差的42.5%、27.8%（圖1，No2聚類展示）。

相關(guān)性分析表明（圖2），軸1與氨氮、懸浮物和流量相關(guān)性較高，分別為0.71、負(fù)0.83和負(fù)0.87，與其他參數(shù)相關(guān)系較弱;軸2與總磷和高錳酸鹽相關(guān)性較高，分別為0.76和0.74;懸浮物和流量之間相關(guān)性較高，達到0.78，其他參數(shù)間相關(guān)性較弱。

箱線圖結(jié)果顯示（圖3），組1總磷和氨氮的變幅、中位數(shù)大于組2;組1高錳酸鹽變幅大于組2，中位數(shù)小于組2;組1和組2懸浮物和流量的變幅差異明顯，組1懸浮物和流量中位數(shù)明顯小于組2。t檢驗結(jié)果顯示總磷、高錳酸鹽的組間差異不顯著（p>0.05），而懸浮物、流量和氨氮的組間組差異顯著（p<0.05）。

聚類分析、相關(guān)性分析和組間差異顯著性結(jié)果表明驅(qū)動組間差異的主要是流量、懸浮物和氨氮。組1代表了平水期和枯水期的水環(huán)境和水文狀況，組2代表豐水期的水環(huán)境和水文狀況。

4結(jié)論

疏浚對傾倒區(qū)域水質(zhì)影響主要包含兩個因素，一是傾倒過程中傾倒物擴散導(dǎo)致懸浮物增高，二是內(nèi)源污染嚴(yán)重區(qū)域的疏浚土中污染物的溶出[1]。在海洋傾倒區(qū)水質(zhì)研究中，傾倒結(jié)束后傾倒區(qū)水質(zhì)均能達到所處功能區(qū)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[1-3，7-8]。本研究結(jié)果也證實了長江航道維護傾倒區(qū)營養(yǎng)鹽參數(shù)能長期穩(wěn)定達標(biāo)。但朱偉等在研究金華市通濟橋水庫疏浚對水質(zhì)影響時發(fā)現(xiàn)總磷在疏浚期間以及完工半年內(nèi)都較疏浚前高，底泥擾動導(dǎo)致總磷的溶出可能是主要原因[9]。吉會峰等分析連云港海域疏浚物的重金屬生態(tài)風(fēng)險時指出需要關(guān)注重金屬的污染狀況，避免較高內(nèi)源污染物溶出的影響[5]。相較湖泊水庫，海洋和長江干流水體的流動性較強，通過水體稀釋能有效降低疏浚對水質(zhì)影響。但在內(nèi)源污染嚴(yán)重區(qū)域進行疏浚時亦需加強傾倒管理和環(huán)境監(jiān)測，避免出現(xiàn)疏浚物污染傾倒區(qū)水環(huán)境的情況發(fā)生。

九龍港和口岸直傾倒區(qū)域的水環(huán)境一致性較高，表明在水質(zhì)未受疏浚傾倒影響時，長江干流的疏浚傾倒區(qū)面積小，水體充分混合促使水質(zhì)均勻分布。陳善榮等在研究整個長江流域水質(zhì)時空分布時發(fā)現(xiàn)，氨氮月值變化規(guī)律較為明顯，1-3月較高、7-9月較低，呈明顯的峰谷變化特征，說明氨氮豐水期較低、枯水期較高;總磷月值變化無明顯規(guī)律，總體差距不大[10]。本研究基于傾倒區(qū)水環(huán)境參數(shù)與流量數(shù)據(jù)分析表明流量、懸浮物和氨氮是驅(qū)動監(jiān)測結(jié)果分化為兩組的主要因素，同時一組表現(xiàn)出豐水期特征，流量、懸浮物和氨氮較高，一組表現(xiàn)出枯平期特征，流量、懸浮物和氨氮較低。流量就是水文條件的重要指標(biāo)，懸浮物與流量相關(guān)性高，氨氮的豐枯交替變化，都佐證了水文情勢深刻影響著傾倒區(qū)水環(huán)境的時間分布特征。

參考文獻：

[1]張亮，宋春麗，任榮珠，等.疏浚物傾倒對嵐山港臨時海洋傾倒區(qū)周邊海域環(huán)境影響的研究[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報，2011，20（06）：916-922.

[2]崔健，張秋豐，牛福新，等.天津疏浚物海洋傾倒區(qū)海水水質(zhì)現(xiàn)狀評價[J].海洋信息，2013（03）：31-34.

[3]朱志清，葉林安，章紫寧，等.海洋傾倒區(qū)對附近海域環(huán)境影響分析-以嵊泗上川山為例[J].海洋開發(fā)與管理，2020，37（05）：52-56.

[4]丁金釗.疏浚物傾倒對區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的影響與對策研究相關(guān)文獻綜述[J].海洋開發(fā)與管理，2009，26（09）：33-37.

[5]吉會峰，劉吉堂，楊波，等.連云港市海域海洋傾倒疏浚物的重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險[J].海洋開發(fā)與管理，2019，36（06）：46-51.

[6]Tibshirani R.， Walther G， Hastie T. Estimating the number of data clusters via the Gap statistic [J]. Journal of the Royal Statistical Society B， 2001， 63： 411–423.

[7]柯麗娜，王權(quán)明，周惠成.基于可變模糊集的海洋水質(zhì)環(huán)境綜合評價模型-以青島疏浚物海洋傾倒區(qū)為例[J].資源科學(xué)，2012，34（04）：734-739.

[8]鄭琳，崔文林，賈永剛.青島海洋傾倒區(qū)海水水質(zhì)模糊綜合評價[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2007，（01）：38-41.

[9]朱偉，馮甘雨，劉毅璠，等.深水型水庫環(huán)保疏浚對水質(zhì)的影響及敏感參數(shù)研究-以通濟橋水庫為例[J].湖泊科學(xué)，2019，31（04）：930-940.

[10]陳善榮，何立環(huán)，張鳳英，等.2016-2019年長江流域水質(zhì)時空分布特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2020，33（5）：1100-1108.

基金項目：長江航務(wù)管理局科技項目（201910017）;長江南京以下12.5m深水航道維護疏浚項目部資助。