長江航道疏浚傾倒區水環境分布特征

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水環境的分布特征，基于長江下游12.5 m深水航道疏浚傾倒區的監測數據，本文利用差異顯著性檢驗、聚類分析以及相關性檢驗等方法對水環境參數（總磷、氨氮、高錳酸鹽和懸浮物）和流量數據進行了分析。研究表明：（1）傾倒區營養鹽指標（總磷、氨氮和高錳酸鹽）能基本穩定滿足所在地地表水環境質量的要求;（2）營養鹽指標和懸浮物在傾倒區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、懸浮物和氨氮驅動監測結果分化為兩組，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，傾倒區水環境參數并未受傾倒活動出現顯著變化，傾倒區水環境空間分布一致性高，流量、懸浮物和氨氮共同驅動水環境監測結果的分化，這表明水文情勢是主導三傾倒區時空分布特征的關鍵因素。

關鍵詞：疏浚;傾倒區;水質;流量

中圖分類號：X82? ? ? ? 文獻標識碼：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環境影響評估少見報道，大量研究集中在海洋傾倒對區域生態環境的影響[1-3]。丁金釗總結相關研究，認為疏浚傾倒對區域生態環境的影響可分為兩類：一類是短期影響，包括傾倒區及周邊水體懸浮物和渾濁度的增加及水質下降;一類是長期影響，包括傾倒區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境的改變導致生物種類和密度減少等[4]。后續有研究指出，在內源污染較嚴重的區域進行疏浚作業時還需關注疏浚土污染物的溶出對水質的影響[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。為保障航道長期穩定滿足尺度，需進行疏浚工作。為科學評價疏浚對傾倒區水環境影響，我們在深水航道維護疏浚的兩個傾倒區開展了逐月的水環境監測。本文通過數據分析，研究了傾倒區水環境的分布特征，以期為長江航道疏浚傾倒區的合理規劃利用及長江保護提供科學依據。

2水環境監測與分析

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）兩個傾倒區開展了逐月的水環境監測。每個傾倒區設置對照斷面（傾倒區上游200m）、控制對面（傾倒區內）和消減斷面（傾倒區下游200m），每個斷面設置左中右三條垂線，每條垂線設置表層與底層水深樣點，監測總磷（TP），氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數（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《水和廢水監測分析方法》（第四版）。

2.2 數據分析

利用差異顯著性檢驗（Tukey多重比較法）分析水環境分布特征。利用k-均值聚類和person相關分析研究水環境與水文關系。基于水環境和流量數據進行k-均值聚類，探索監測結果的分化情況。首先利用Tibshirani等（2001）提出的“First SEmax”方法確認最小的分組數[6]，再使用t檢驗分析水環境參數和流量在組間的差異，同時計算各參數與聚類分析中主成分軸得分（score）的person相關性，找出驅動監測結果分組的因子。所有分析和畫圖在R語言中完成。

3結果與分析

3.1水質達標情況

根據江蘇省有關地表水（環境）功能區劃的文件，口岸直傾倒區水域執行地表水質量Ⅱ類標準， 九龍港傾倒區水域執行地表水質量Ⅲ類標準。除口岸直傾倒區2019年8月在消減斷面、2021年3月在控制斷面總磷分別超標準0.04 mg/L和0.01 mg/L，其他水質指標均達到所在地水質要求，超標率低于0.6%。監測表明水質指標能基本滿足水環境功能區要求。

3.2水環境空間分布

差異顯著性分析顯示，九龍港和口岸直傾倒區水環境指標在對照斷面-受控斷面、受控斷面-消減斷面和對照斷面-消減斷面間的p值均遠大于0.05，差異不顯著。結果表明九龍港和口岸直傾倒區域的水環境一致性較高。

3.3 水環境與水文

聚類分析結果表明，基于水環境和水文數據監測點最適合分為兩組，超過三組后SEmax值逐漸增大（圖1，No1最優聚類）。在主成分分析前兩軸（PC1、PC2）構成的空間內兩聚類組樣點差異明顯，前兩軸的解釋率分別占原始數據方差的42.5%、27.8%（圖1，No2聚類展示）。

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

箱線圖結果顯示（圖3），組1總磷和氨氮的變幅、中位數大于組2;組1高錳酸鹽變幅大于組2，中位數小于組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明顯小于組2。t檢驗結果顯示總磷、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、相關性分析和組間差異顯著性結果表明驅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境和水文狀況，組2代表豐水期的水環境和水文狀況。

4結論

疏浚對傾倒區域水質影響主要包含兩個因素，一是傾倒過程中傾倒物擴散導致懸浮物增高，二是內源污染嚴重區域的疏浚土中污染物的溶出[1]。在海洋傾倒區水質研究中，傾倒結束后傾倒區水質均能達到所處功能區的水質標準[1-3，7-8]。本研究結果也證實了長江航道維護傾倒區營養鹽參數能長期穩定達標。但朱偉等在研究金華市通濟橋水庫疏浚對水質影響時發現總磷在疏浚期間以及完工半年內都較疏浚前高，底泥擾動導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風險時指出需要關注重金屬的污染狀況，避免較高內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影響。但在內源污染嚴重區域進行疏浚時亦需加強傾倒管理和環境監測，避免出現疏浚物污染傾倒區水環境的情況發生。

九龍港和口岸直傾倒區域的水環境一致性較高，表明在水質未受疏浚傾倒影響時，長江干流的疏浚傾倒區面積小，水體充分混合促使水質均勻分布。陳善榮等在研究整個長江流域水質時空分布時發現，氨氮月值變化規律較為明顯，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律，總體差距不大[10]。本研究基于傾倒區水環境參數與流量數據分析表明流量、懸浮物和氨氮是驅動監測結果分化為兩組的主要因素，同時一組表現出豐水期特征，流量、懸浮物和氨氮較高，一組表現出枯平期特征，流量、懸浮物和氨氮較低。流量就是水文條件的重要指標，懸浮物與流量相關性高，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水環境的時間分布特征。

參考文獻：

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[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風險[J].海洋開發與管理，2019，36（06）：46-51.

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

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

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