春季敏感時期三峽庫區典型支流富營養化評價

陳秀秀，宋林旭，紀道斌，呂 垚，劉德富(.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 44300；.三峽庫區生態環境教育部工程研究中心(三峽大學)，湖北 宜昌 44300)

0 引 言

三峽水庫蓄水后，庫區水位抬高、流速減緩、水體擴散能力減弱、污染物滯留時間延長等水環境條件發生了巨大變化，尤其是支流庫灣，受干流頂托作用影響，局部水體的水流運動呈現湖泊狀態，具備了水華發生的基本水動力條件，本研究監測支流總磷濃度(TP)為0.03～0.237 mg/L,總氮濃度為1.369～2.698 mg/L, 且這些支流常年總氮(TN)、總磷(TP)含量均已接近或超過國際上公認的發生富營養化的濃度水平(TN為0.2 mg/L，TP為0.02 mg/L)[1-3]。從2003年開始，春季敏感時期庫區主要支流已經頻繁爆發水華，嚴重影響庫灣水環境質量和水體功能。不同富營養化程度的水體爆發水華風險不一樣，進行水體富營養化評價對預測和控制水華的必要措施和手段。水體富營養化評價是對水體富營養化發生過程中，某一時期營養狀況的定量描述，其主要目的是通過對具有指示富營養化狀態的因子進行調查分析，判斷該水體的營養狀態，了解富營養化進程并預測發展趨勢，進而根據具體情況進行水體水質治理及富營養化防治。目前富營養化采用的評價方法可分為水質指標參數法、生物指標參數法、營養狀態指數法[4]、模糊數學法[5]、灰色關聯分析法和人工神經網絡法[6,7]等，主要是針對湖泊特性選取參數進行富營養化的評價，對三峽庫區的評價結果與實際值差別很大，不能準確的反映三峽庫區特有的水環境特點。本研究通過改進的綜合營養狀態指數法，根據三峽水庫其自身特有的水環境特點決定的參數與權重，更具有針對性三峽水庫的支流營養水平進行了評價。于2014年4月春季敏感時期對三峽庫區9條典型次級支流回水河段進行了野外水質監測，并在此基礎上應用改進的綜合營養狀態指數法對富營養狀態進行了評價研究，主要對庫首湖北區中下游段的五條支流(九畹溪、童莊河、香溪河、渣溪河、神農溪)和重慶區中上游段的四條支流(大寧河、朱衣河、磨刀河、小江)進行營養狀態評價，其目的是確切地反映湖泊水環境的質量和污染情況，進而預測出將來的發展趨勢。富營養化防治已成為三峽水庫水環境治理與管理的重點，而水體富營養化評價方法是防治和管理的基礎[8]。是保護庫區水環境質量的必要措施和手段，以期為三峽水庫富營養化防治及水環境管理提供依據和支持。

1 對象與方法

1.1 研究區域監測指標與方法

本研究監測范圍為三峽庫區9條典型次級支流——九畹溪、童莊河、香溪河、渣溪河、神農溪、大寧河、朱衣河、磨刀溪、小江，各支流回水區概況如圖1所示。水質監測項目指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(CODMn)5項，所有項目均為采水器在水面下0.5 m處采樣。SD采用塞氏盤(Secchi Disc)測定；Chl-a采用丙酮萃取分光光度法測定；TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定[9]。

圖1 三峽庫區采樣點分布示意圖Fig.1 Map of sampling sites

1.2 監測方法

本研究的調查時間選擇在 2014年4月 (藻類易爆發時段 )，調查范圍包括重慶市云陽縣至三峽大壩之間的庫區干流及其支流回水區, 共設采樣斷面56個, 其中長江干流斷面9個, 支流斷面47個斷面采樣, 共取得樣品數 168個。監測主要指標為：水流流速、水深、水溫。流速利用“威龍”聲學多普勒三維點式流速儀現場測定，水深、水溫利用Hydrolab DS5-44783多參儀分層測定，每1 m為一層。用作營養鹽檢測的水樣選用自制的采水器在各監測斷面分層打水，貯存于2個潔凈的350 mL聚乙烯瓶中。對采集的水樣一瓶加酸至pH<2，用于室內實驗室進行水化學實驗分析。

1.3 評價方法的選取

目前三峽水庫支流的富營養化評價較多采用綜合營養狀態指數法，本文將采用改進的綜合營養狀態指數法[8-10]。本研究選用包括Chl-a、TN、TP、SD和CODMn在內的相關加權綜合營養狀態指數來評估各支流的營養狀況[11]。先分別計算單項指標營養狀態指數：

TLI(Chl-a)=10[2.46+ln Chl-a/ln 2.5]

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

再通過加權求和計算綜合營養狀態指數：

(6)

式中：TLI(∑)代表綜合營養狀態指數；TLI(j)代表第j種指標的單項營養狀態指數；m為指標個數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重。

其中，Wj可由Chl-a作為基準參數，對其他評估參數進行相關分析后，對相關系數進行歸一化處理得出：

(7)

式中：rij為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數，見表1。

表1 三峽水庫參數權重Tab.1 The weights of parameters of Three Gorges Reservoir

注：表中rij來源于三峽水庫31條主要入庫支流監測結果[8]。

水體營養化狀態劃分標準方法是采用0～100的一系列連續數值對水體營養狀態進行分級[4]，詳見表2。

表2 水體營養狀態分級Tab.2 Classification of water nutritional status

2 結果與分析

2.1 水環境現狀調查分析

2.1.1理化參數分析

表3為研究區域各支流理化因子監測結果。水溫范圍在14.9～21.8 ℃，各支流均表現為由下游至上游逐漸升高的規律。pH范圍在7.78～9.60，均為弱堿性水體，各支流亦多表現為下游低上游高的規律。DO含量范圍在15.03～37.64 mg/L。電導率范圍在253～537 μS/cm，庫首湖北區五條支流均呈現出下游高上游低的規律，另四條支流則表現出相反的規律，且在小江上游出現最大值537 μS/cm，其余監測值均小于382 μS/cm。SD的范圍在20～450 cm，由于主要受水體中浮游生物量和懸浮物的影響，和各支流流域生態環境狀況不同，導致SD在各支流間差異較大。庫首五條支流上游SD均在80 cm以內，是由于光線及降雨沖刷帶入大量泥沙所致。采樣至小江時平均光照強度達到569.73 LX，氣候溫度在28～29 ℃，小江水溫也是九條支流中最高為20.7 ℃，浮游生物量急增造成小江上游SD驟降至55 cm。

2.1.2營養因子分析

(1)高錳酸鹽指數。圖2為研究區域高錳酸鹽指數空間變化。在空間分布上，故大多數支流表現為從下游至上游逐漸升高的趨勢，說明上游受有機污染風險較大。當高錳酸鹽指數超過4 mg/L時即表示水體已處于有機污染狀態[12]，從圖2得出九畹溪上游與小江上游均受到有機污染。這是由于這兩條河流的上游河谷狹隘，流量小，易受到污染，而河流下游段出口與長江水體交換頻繁，摻混度大受有機污染輕。朱衣河的高錳酸鹽指數表現出下游高上游低的變化規律，神農溪和大寧河則是中游高錳酸鹽指數較高。研究區域其余大多數支流高錳酸鹽指數小于4 mg/L，而香溪河上游和小江上游高錳酸鹽指數分別為4.126和5.451 mg/L，香溪河沿岸人口密集，耕地面積廣，工礦企業分布眾多。小江回水區沿岸云陽縣縣城的排污使得這一河段的營養負荷相對提高，表明香溪河和小江上游已經受到有機污染的威脅，需要繼續關注。

表3 理化因子監測結果Tab.3 Results of physical chemistry parameters

圖2 高錳酸鹽指數空間分布Fig.2 Spatial distributions of CODMn

(2)TN、TP含量變化。研究區域各支流TN、TP含量變化如圖3和圖4所示。TN的最高濃度3.208 mg/L，最低濃度0.450 mg/L，TN濃度空間差異不明顯。鄭丙輝[12]對營養狀態評價指標進行閾值分析，三峽水庫湖泊型水體TP的富營養化爆發閾值介于0.043～0.093 mg/L之間, TN的富營養化爆發閾值介于0. 607～0.893 mg/L之間。該九條支流TN濃度均在閾值之上，差異不大。各支流河口區域的氮濃度較高，庫灣末端較低，這也進一步驗證了三峽庫區的干流倒灌異重流對支流營養鹽的補給作用[13]。TP濃度在大部分支流中表現為由下游至上游逐漸降低的變化規律，從三峽庫區看庫首九條支流TP濃度由庫區下游向上游逐漸降低的變化規律。而香溪河空間分布表現在上游TP濃度最高(0.329 mg/L)、下游濃度最低(0.185 mg/L)，離河口越遠、磷濃度含量越高，超過了富營養化閾值4～8倍，香溪河呈現出相反規律與該流域上游富含磷礦有關。三峽庫區湖北段另外三條支流童莊河、渣溪河和神農溪TP濃度均大于閾值，重慶段四條支流大寧河、朱衣河、磨刀溪和小江TP濃度均小于閾值，大寧河TP濃度最小為0.001 mg/L。對藻類生長來說，TN/TP比值大小反映氮磷不足，比值大于20時，表現為磷不足；值小于13時，表現為氮不足[14]。分析結果表明，香溪河為氮不足，九畹溪、童莊河、渣溪河TN/TP比率在13～20之間，其余幾條支流均大于20，即表現為磷不足。

圖3 TN含量空間變化Fig.3 Spatial distributions 0f TN

圖4 TP含量空間變化Fig.4 Spatial distributions 0f TP

(3)Chl-a含量變化。水體中藻類的急劇增殖是誘發水華發生的直接原因，而水體中浮游植物生物量水平的高低可由葉綠素a濃度的大小來反映，因此，通過研究葉綠素a可以直觀地描述水體營養化狀況對水華消長的影響。研究區域各支流葉綠素a濃度變化如圖5所示。九條支流葉綠素a濃度整體不高，其中九畹溪、童莊河、神農溪、大寧河、朱衣河、磨刀溪和小江葉綠素a濃度在0.737～6.315 μg/L之間，濃度較低。而渣溪河上游葉綠素a濃度較高為41.732 μg/L，香溪河中下游葉綠素a濃度為3.261、5.341 μg/L，上游葉綠素a濃度最高為184.61 μg/L。

圖5 葉綠素a含量空間變化Fig.5 Spatial distribution of Chl-a

2.2 營養狀態評價結果分析

不同支流營養狀態評估結果見圖6。位于庫首下游湖北段的五條支流(香溪河、九畹溪、童莊河、渣溪河、神農溪)水體營養程度較高，均達到中營養水平以上，其中香溪河達到富營養化水平，庫首重慶區四條支流均處于貧營養化水平。本次評價的綜合營養指數范圍在16～61，大部分支流在中營養水平以下，與三峽庫區蓄水初期2005年支流的綜合營養指數35～72 相比[10]，支流的營養化程度有所改善。最大值61出現在庫首下游段湖北區支流香溪河中游，最小值16出現在支流磨刀溪上游。香溪河中上游已達到富營養化水平, 并由輕度富營養化向中度富營養化轉變的趨勢，支流童莊河、九畹溪、神農溪都處于中營養水平，且每條支流營養水平從下游向上游遞減；庫首上游段重慶區支流大寧河、朱衣河、磨刀溪、小江為中營養水平且有不同程度的降低；表明三峽水庫從蓄水初期至2014年4月支流水體營養程度有所好轉，說明近幾年對三峽庫區內排放的污染負荷有針對性地進行控制治理是有效的。

圖6 支流水體富營養化評價結果Fig.6 Spatial distribution of TLI(∑)

3 結 語

(1)通過本次調查結果分析，庫首的九條支流中，香溪河的綜合營養指數由下游到上游遞增，其他八條支流的綜合營養指數均由下游到上游遞減。從圖5看出庫首九條支流中，綜合營養指數從庫區下游到庫區上游有遞減趨勢，支流富營養化因干流水體倒灌稀釋作用有所減緩。

(2)采用綜合營養狀態指數法對三峽水庫庫首湖北段與重慶段九條支流進行評價，結果表明，本次調查的綜合營養指數范圍在16～61，大部分支流處于中營養水平以下。只有香溪河中上游已達到富營養化水平, 并由輕度富營養化向中度富營養化轉變的趨勢；另外湖北段四條庫首支流都處在中營養水平，其余幾條支流為中營養水平且有不同程度的降低。進一步驗證了改進的綜合營養狀態指數法能夠針對三峽庫區的特有水利環境反映出水體營養狀態的時空變化特征，更有利于對三峽水庫水環境的科學治理。

□

[1] 張 遠，鄭丙輝，劉鴻亮. 三峽水庫蓄水后的浮游植物特征變化及影響因素[J]. 長江流域資源與環境，2006,15(2):551-555.

[2] 龍天渝，劉臘美，郭蔚華. 流量對三峽庫區嘉陵江重慶主城段藻類生長的影響[J]. 環境科學研究，2008,21(4):104-108.

[3] 張 晟，李崇明，付永川. 三峽水庫成庫后支流庫灣營養狀態及營養鹽輸出[J]. 環境科學，2008,29(1):7-12.

[4] 王明翠，劉雪芹，張建輝. 湖泊富營養化評價方法及分級標準[J]. 中國環境監測，2002,18(5):47-49.

[5] 張 平，黃鈺鈴，陳媛媛. 模糊數學在香溪河庫灣富營養化評價中的應用[J]. 環境科學與技術，2012,37(6):173-179.

[6] 岳 雋，王仰麟，李貴才. 深圳市西部庫區景觀格局與水質的關聯特征[J]. 應用生態學報，2008,19(1):203-207.

[7] 馮成洪. 湖庫富營養化評價、預測研究[D]. 西安: 西安理工大學, 2004.

[8] 許秋瑾，鄭丙輝，朱延忠，等. 三峽水庫支流營養狀態評價方法[J]. 中國環境科學，2010,30(4):453-457.

[9] 國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會. 水和廢水監測分析方法[M]. 北京: 中國環境出版社, 2002:201-205.

[10] 張 晟，李崇明，鄭 堅，等. 三峽水庫支流回水區營養狀態季節變化[J]. 環境科學，2009,(1):64-69.

[11] 金相燦，屠清英. 湖泊富營養化調查規范[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 1990:286-302.

[12] 鄭丙輝，張 遠，富 國，等. 三峽水庫營養狀態評價標準研究[J]. 環境科學學報，2006，26(6):1 022-1 030.

[13] 張 宇，劉德富，紀道斌，等. 干流倒灌異重流對香溪河庫灣營養鹽的補給作用[J]. 環境科學，2012,33(8):2 621-2 627.

[14] 白寶峰，程愛芳. 水體富營養化環境影響評價[J]. 中小企業管理與科技(上旬刊)，2010,(6):111-112.