湘江水利枢纽工程蓄水后对工程上游水环境营养水平影响研究

张蕊琪，铁柏清，胡旷成，周骏驰，袁　啸，2

(1.湖南农业大学资源环境学院，长沙　410128；2.中山大学环境科学与工程学院，广州　510275)

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湘江水利枢纽工程蓄水后对工程上游水环境营养水平影响研究

张蕊琪1，铁柏清1，胡旷成1，周骏驰1，袁啸1，2

(1.湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；2.中山大学环境科学与工程学院，广州510275)

对湘江水利枢纽工程运行后，湘江长沙境内河段6个断面进行取样分析研究。采用主成分分析和卡尔森综合营养状态指数法，分析长沙段内湘江水体的营养状态，对比了2011年和2014年水质指标，对水质重要指标变化的原因进行了剖析。研究表明：湘江水利枢纽工程运行后，对流域内总氮及COD影响较大，湘江长沙段水体基本处于中营养状态。2014年总氮(TN)浓度比2011年的TN浓度增长了51.7%，总磷(TP)浓度下降26.6%，COD浓度在黑石铺断面以及杜甫江阁江段持续超出水质标准。

湘江；水质监测；富营养化；水利枢纽工程

1　前　言

湘江——长江的一级支流，以潇水为源，干流全长844km，流域面积94660km2，是湖南省尤其是长沙市的最大水上交通枢纽和水源。为保障长株潭城市群快速建设发展的供水需求、航运要求及防洪需要，湖南省政府于2010年10月在长沙市下游望城区境内的蔡家洲开工建设湘江水利枢纽工程，2012年10月10日二期工程完工，成功实现蓄水、通航目标，之后流经株洲、湘潭、长沙三市的湘江水位将长期保持26m以上水位，由此导致湘江长沙市区段天然河道变宽、流速减缓，水体交换能力减弱，水质变清，增强了浮游植物的光合作用，给水体富营养化的产生创造了有利的环境条件[1,2]。国内三峡大坝[3,4]、番阳湖水利枢纽等工程[5]运行后相关水域均出现不同程度的水体富营养化。因此，分析研究湘江水利枢纽工程筑坝截流蓄水后对大坝上游湘江水环境的影响，能为克服该工程对水环境的不利影响，加强水环境保护提供科学依据。

目前，对水体富营养化的研究方法通常运用单一参数法、综合指数法等，但是这些方法难以科学、准确评估水体富营养化程度，无法准确的评估水体特性。本研究运用主成分分析法对2014年水体营养化状况进行评价分析，找出其主导因子，克服因人为因素对权重的影响，科学客观评估水体富营养程度。同时对2011年蓄水前[6]与2014年蓄水后同期湘江水质指标进行对比，进一步研究揭示湘江水利枢纽工程对湘江长沙段水质的影响。

2　材料与方法

2.1采样点确定方法

依据采样目标分类和采样断面设置的基本原则[7]，同时兼顾采样的可行性及方便性，确定采样断面，本研究江段共设置六个断面。如图1所示，从北至南，分别是丁字镇断面、霞凝港断面、三汊矶大桥断面、杜甫江阁断面、黑石铺大桥断面、坪塘断面。根据长沙市水域功能区规划，其中丁字镇位于湘江水利枢纽工程坝前，属于农业用水区，三汊矶大桥以及霞凝港断面属于工业用水区，黑石铺大桥及杜甫江阁属于饮用水水源一级保护区，坪塘断面属于饮用水水源二级保护区[8,9]。依据该划分，其中执行Ⅱ类水标准的为黑石铺断面及杜甫江阁断面，执行Ⅲ类水标准的为坪塘断面，执行Ⅳ类水标准的为三汊矶断面、霞凝港、丁字镇断面。

图1　湘江水利枢纽工程及采样断面设置Fig.1　Xiangjiang Riverr conservancy projectand sampling sections setting

2.2水样采集与测定方法

根据水体中富营养化藻类垂直分布特征，于断面中垂线表层以下1m处采集水样，采样器为5L不锈钢采水器。于2013年10月份开始,每个断面取2 L水样，放入聚乙烯瓶中保存，每15天一次，持续一年。在现场测定项目包括pH值、溶解氧(DO)、实验室测定指标为浊度(Turb)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODcr)、叶绿素a(Chla)，均采用国家标准方法[10]对上述指标进行水样处理与检测。

2.3数据分析

本文运用spss17.0统计学软件对监测数据进行主成分分析[11]，确定对长沙段湘江水域水体富营养化影响较大的因子，将分析得出的主因子与卡尔森综合营养状态指数计算公式相结合，计算该水域富营养化水平。

3　结果与讨论

3.1大坝上游水体富营养化状况评价

3.1.1水体富营养化的主要影响因子

选取与水体富营养化相关的7个指标DO、COD、Chla、TN、TP、Turb、氨氮7项作为评价湘江长沙段水体富营养化的主导性因子，上述7项水质指标的监测结果见表1。

输入spss17.0计算得出主成分分析结果见表2，由表2可以看出，前3个主成分的累积贡献率已达到75.554%。因此，可以考虑只取前面3个主成分，这样既简化了评价系统，也消除了原始信息间的交叉和冗余。3个主成分的因子负荷情况见表3。

从表2和表3中可看出，第一主成分贡献率达到35.304%，主要体现了Chla和TP的信息，说明湘江长沙段水体中Chla主要受TP和的影响；第二主成分贡献率为22.608%，反应了由DO和TN的信息，可见TN增加可能使得藻类增值，Chla增加，藻类经过生长、繁殖、死亡一系列过程能导致DO的下降；第三主成分贡献率为17.641%，反映了COD的信息，说明该水域中具有生活、生产、经济活动带来的点源、面源等污染特征。

主成份S1的负荷量最大因子为TP，因子负荷量为0.882，S2以及S3的负荷量最大因子分别为TN和COD，因子负荷量分别为0.687和0.746。因此，湘江长沙段水体富营养化程度的主导因子是TP、TN和COD。

表1　监测断面2013.11～2014.10每月监测指标结果

表2　主成分分析结果

3.1.2大坝上游湘江水体富营养化的水平分析

依据卡尔森综合营养状态指数[12]对湘江长沙段水域进行富营养化评价，计算公式为：

表3　主成分因子负荷值

(1)

式中：TLI(Σ)-综合营养状态指数；Wj-第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)-代表第j种参数的营养状态指数。各参数营养状态指数计算公式如下：

TLI(chla)=10(2.5+1.086lnchla)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(4)

TLI(COD)=10(0.109+2.661lnCOD)

(5)

公式(1)中Wj由公式(6)计算得到，其中rij以chla作为基准参数，TN、TN、COD为评价因子，结合表1中实测数据，利用spss17.0计算评价因子与chla之间的相关系数得到，具体见表4。

(6)

式中：rij-第j种参数与基准参数chla的相关系数；m-评价参数的个数。

表4　长沙段湘江水域chla与其相关因子之间的相关关系rij及

通过公式(6)和表4，得出各因子新的权值为

WChla=0.5685

WTP=0.4002

WTN=0.0028

WCOD=0.0285

通过卡尔森综合营养状态指数公式(1)以及新的权值对6个断面进行营养状态评估，结果见表5。

表5　2013.11～2014.10年长沙段湘江水域各断面营养状态指数以及富营养化程度评价

根据表5数据表明，该水域富营养化程度除2013年11月和2014年6月处于贫营养状态以外，其他均属于中营养状态。

3.22011年、2014年蓄水前后水体中总磷、总氮、化学需氧量含量对比分析

从表6可以看出，2014年3月至10月期间内，长沙段内湘江水域TN的平均浓度为2.30mg/L，达不到地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的Ⅴ级标准，与2011年同期1.51mg/L相比增加51.7%。时间分布上可以看出，各月TN含量均有稳步上涨趋势。受2014年8、9月降雨[13]及水位上升影响，土壤中化肥随地表径流进入江中，2014年的8、9月TN含量分别达到2011年8、9月份TN含量的3.17及1.83倍[14]。

从表7中各断面6个月总氮平均浓度对比可看出，从黑石铺断面开始总氮浓度大幅度上涨，霞凝港断面上涨最为明显，较2011年相比上涨67.61%，此断面主要受生活污水排污及上游浏阳河入水影响。各断面总氮浓度均超过地表水Ⅴ类水质标准，均为超标状态。

表6　 2011年及2014年长沙段湘江水域各月TN、TP平均浓度

表7　2011年及2014年长沙段湘江水域各断面TN、TP 3月～10月平均浓度

从表6中还可看出，2014年3月到10月长沙段内湘江水域TP的平均浓度为0.094mg/L，可达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的Ⅱ级标准，与2011年同期0.128mg/L相比，下降26.6%。产生此现象的原因是：天然水体中，泥沙对磷有吸附作用强，所以蓄水后因泥沙的大量沉降，致使与泥沙有高相关性的TP浓度下降[15]。同年里，断面从南到北，TP平均浓度逐个递增，丁字镇TP浓度比坪塘上升了72.5%，产生这种现象主要是由于长沙市污水处理厂位于浏阳河流域、湘江二桥的下游，同时浏阳河入湘江河口也位于湘江二桥下游，三汊矶大桥的上游，从而使三汊矶及以下断面磷含量高于上游断面。因湘江长沙段周围污水排放以及人类经济活动无明显改动，因此TN含量上涨则主要受蓄水后，大量农田淹没，土壤中氮肥随地表径流流入湘江的影响。

经计算，水样中总氮磷比随水位变化呈良好的相关性，枯水期3月时总氮磷比出现最大值101，进入平水期后氮磷比较为平稳，到8、9月份受降雨影响较大，氮磷比有增加趋势。在2014年6月对水域中溶解性含量进行调查，6个断面氮磷的溶解态所在比例都很高，DTN/TN的平均值为70.2%，DTP/TP的平均值为63%，说明湘江水域中氮磷污染很大一部分是以溶解态方式流入江中，主要受内源释放以及水位上升淹没农田影响，非溶解态则主要由市区生活污水以及从浏阳河的汇入中而来。

图2　2011年及2014年长沙段湘江水域各断面COD 3月～10月平均浓度Fig.2　Average concentration of COD in March to october of 2011 and 2014 at Changsha section of Xiangjiang River

从图8中各断面的COD数值变化来看，湘江水利枢纽工程对流域内COD值有明显影响，为明显上升趋势。经分析，在2014年黑石铺断面兴建了餐营业以及娱乐业，社会经济活动增加，杜甫江阁除兴建餐饮业外，地处城市中心，有大量生活垃圾被随意丢弃在岸边。霞凝港的涨幅，主要因霞凝港断面虽仅存在捕鱼业，但人为经济活动并不少，即便河道较宽，加大了对污染物的运输能力，但蓄水后水体更换周期大，不利于COD的降解，从整体看，COD浓度整体呈现流向累积作用，致使丁字镇断面增长幅度最大[16]。

4　结　论

4.1通过对2013.11～2014.10湘江长沙段水域多个主成分指标的实测数据和卡尔森综合营养状态指数分析可知，湘江长沙段水体富营养化级别基本上属于中营养。

4.2在监测期间，长沙段内湘江水域的TN超标率为100%，而其他检测指标存在分时段超出规定范围现象；与2011年蓄水前水质状况相比，污染物浓度均有不同程度上升，总氮含量与同期相比增长最多，达到51.7%。

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Effect of Changsha Water Conservancy Project Reservoir on the Water Environment Quality of Xiangjiang River

ZHANG Rui-qi1,TIE Bo-qing1,HU Kuang-cheng1,ZHOU Jun-chi1,YUAN Xiao1，2

(1.CollegeofResources&EnvironmentofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China; 2.CollegeofEnvironmentalScience&EngineeringofSunYat-SenUniversity,Guangzhou510275,China)

This paper analyzed the water quality indicators of six cross sections of Xiangjiang River in Changsha after the operation of Xiangjiang River water conservancy project. By using the principal component-comprehensive nutrition state index method to analyze the Eutrophication condition of Xiangjiang River, this paper contrasted the water quality indexes between 2011 and 2014 and analyzed the changing reasons in detail. The researches showed that: the TN concentration had increased 51.7%,but the concentration of TP slightly down 26.6% in 2014 than that in 2011, with a slight rise of TP concentration. Meanwhile, the COD concentration continued to exceed the water quality standard at Heishipu Section and Du Fu pavilion Section. This study showed that the operation of Xiangjiang River water conservancy project had a significant impact on the TN and COD concentration within the river basin and Xiangjiang River was between oligotrophic to middle eutrophication as a whole.

Xiangjiang River; water quality monitoring; eutrpphication; water conservancy project

2015-05-19

张蕊琪(1988-)，女，湖南农业大学资源环境学院环境科学专业2013级在读硕士研究生，研究方向为水体富营养化及其变化。

铁柏清，1033663271@qq.com。

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1001-3644(2015)06-0081-06