春季敏感时期三峡库区典型支流富营养化评价

陈秀秀，宋林旭，纪道斌，吕 垚，刘德富(.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 44300；.三峡库区生态环境教育部工程研究中心(三峡大学)，湖北 宜昌 44300)

0 引 言

三峡水库蓄水后，库区水位抬高、流速减缓、水体扩散能力减弱、污染物滞留时间延长等水环境条件发生了巨大变化，尤其是支流库湾，受干流顶托作用影响，局部水体的水流运动呈现湖泊状态，具备了水华发生的基本水动力条件，本研究监测支流总磷浓度(TP)为0.03～0.237 mg/L,总氮浓度为1.369～2.698 mg/L, 且这些支流常年总氮(TN)、总磷(TP)含量均已接近或超过国际上公认的发生富营养化的浓度水平(TN为0.2 mg/L，TP为0.02 mg/L)[1-3]。从2003年开始，春季敏感时期库区主要支流已经频繁爆发水华，严重影响库湾水环境质量和水体功能。不同富营养化程度的水体爆发水华风险不一样，进行水体富营养化评价对预测和控制水华的必要措施和手段。水体富营养化评价是对水体富营养化发生过程中，某一时期营养状况的定量描述，其主要目的是通过对具有指示富营养化状态的因子进行调查分析，判断该水体的营养状态，了解富营养化进程并预测发展趋势，进而根据具体情况进行水体水质治理及富营养化防治。目前富营养化采用的评价方法可分为水质指标参数法、生物指标参数法、营养状态指数法[4]、模糊数学法[5]、灰色关联分析法和人工神经网络法[6,7]等，主要是针对湖泊特性选取参数进行富营养化的评价，对三峡库区的评价结果与实际值差别很大，不能准确的反映三峡库区特有的水环境特点。本研究通过改进的综合营养状态指数法，根据三峡水库其自身特有的水环境特点决定的参数与权重，更具有针对性三峡水库的支流营养水平进行了评价。于2014年4月春季敏感时期对三峡库区9条典型次级支流回水河段进行了野外水质监测，并在此基础上应用改进的综合营养状态指数法对富营养状态进行了评价研究，主要对库首湖北区中下游段的五条支流(九畹溪、童庄河、香溪河、渣溪河、神农溪)和重庆区中上游段的四条支流(大宁河、朱衣河、磨刀河、小江)进行营养状态评价，其目的是确切地反映湖泊水环境的质量和污染情况，进而预测出将来的发展趋势。富营养化防治已成为三峡水库水环境治理与管理的重点，而水体富营养化评价方法是防治和管理的基础[8]。是保护库区水环境质量的必要措施和手段，以期为三峡水库富营养化防治及水环境管理提供依据和支持。

1 对象与方法

1.1 研究区域监测指标与方法

本研究监测范围为三峡库区9条典型次级支流——九畹溪、童庄河、香溪河、渣溪河、神农溪、大宁河、朱衣河、磨刀溪、小江，各支流回水区概况如图1所示。水质监测项目指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)5项，所有项目均为采水器在水面下0.5 m处采样。SD采用塞氏盘(Secchi Disc)测定；Chl-a采用丙酮萃取分光光度法测定；TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定[9]。

图1 三峡库区采样点分布示意图Fig.1 Map of sampling sites

1.2 监测方法

本研究的调查时间选择在 2014年4月 (藻类易爆发时段 )，调查范围包括重庆市云阳县至三峡大坝之间的库区干流及其支流回水区, 共设采样断面56个, 其中长江干流断面9个, 支流断面47个断面采样, 共取得样品数 168个。监测主要指标为：水流流速、水深、水温。流速利用“威龙”声学多普勒三维点式流速仪现场测定，水深、水温利用Hydrolab DS5-44783多参仪分层测定，每1 m为一层。用作营养盐检测的水样选用自制的采水器在各监测断面分层打水，贮存于2个洁净的350 mL聚乙烯瓶中。对采集的水样一瓶加酸至pH<2，用于室内实验室进行水化学实验分析。

1.3 评价方法的选取

目前三峡水库支流的富营养化评价较多采用综合营养状态指数法，本文将采用改进的综合营养状态指数法[8-10]。本研究选用包括Chl-a、TN、TP、SD和CODMn在内的相关加权综合营养状态指数来评估各支流的营养状况[11]。先分别计算单项指标营养状态指数：

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

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

再通过加权求和计算综合营养状态指数：

(6)

式中：TLI(∑)代表综合营养状态指数；TLI(j)代表第j种指标的单项营养状态指数；m为指标个数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

其中，Wj可由Chl-a作为基准参数，对其他评估参数进行相关分析后，对相关系数进行归一化处理得出：

(7)

式中：rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数，见表1。

表1 三峡水库参数权重Tab.1 The weights of parameters of Three Gorges Reservoir

注：表中rij来源于三峡水库31条主要入库支流监测结果[8]。

水体营养化状态划分标准方法是采用0～100的一系列连续数值对水体营养状态进行分级[4]，详见表2。

表2 水体营养状态分级Tab.2 Classification of water nutritional status

2 结果与分析

2.1 水环境现状调查分析

2.1.1理化参数分析

表3为研究区域各支流理化因子监测结果。水温范围在14.9～21.8 ℃，各支流均表现为由下游至上游逐渐升高的规律。pH范围在7.78～9.60，均为弱碱性水体，各支流亦多表现为下游低上游高的规律。DO含量范围在15.03～37.64 mg/L。电导率范围在253～537 μS/cm，库首湖北区五条支流均呈现出下游高上游低的规律，另四条支流则表现出相反的规律，且在小江上游出现最大值537 μS/cm，其余监测值均小于382 μS/cm。SD的范围在20～450 cm，由于主要受水体中浮游生物量和悬浮物的影响，和各支流流域生态环境状况不同，导致SD在各支流间差异较大。库首五条支流上游SD均在80 cm以内，是由于光线及降雨冲刷带入大量泥沙所致。采样至小江时平均光照强度达到569.73 LX，气候温度在28～29 ℃，小江水温也是九条支流中最高为20.7 ℃，浮游生物量急增造成小江上游SD骤降至55 cm。

2.1.2营养因子分析

(1)高锰酸盐指数。图2为研究区域高锰酸盐指数空间变化。在空间分布上，故大多数支流表现为从下游至上游逐渐升高的趋势，说明上游受有机污染风险较大。当高锰酸盐指数超过4 mg/L时即表示水体已处于有机污染状态[12]，从图2得出九畹溪上游与小江上游均受到有机污染。这是由于这两条河流的上游河谷狭隘，流量小，易受到污染，而河流下游段出口与长江水体交换频繁，掺混度大受有机污染轻。朱衣河的高锰酸盐指数表现出下游高上游低的变化规律，神农溪和大宁河则是中游高锰酸盐指数较高。研究区域其余大多数支流高锰酸盐指数小于4 mg/L，而香溪河上游和小江上游高锰酸盐指数分别为4.126和5.451 mg/L，香溪河沿岸人口密集，耕地面积广，工矿企业分布众多。小江回水区沿岸云阳县县城的排污使得这一河段的营养负荷相对提高，表明香溪河和小江上游已经受到有机污染的威胁，需要继续关注。

表3 理化因子监测结果Tab.3 Results of physical chemistry parameters

图2 高锰酸盐指数空间分布Fig.2 Spatial distributions of CODMn

(2)TN、TP含量变化。研究区域各支流TN、TP含量变化如图3和图4所示。TN的最高浓度3.208 mg/L，最低浓度0.450 mg/L，TN浓度空间差异不明显。郑丙辉[12]对营养状态评价指标进行阈值分析，三峡水库湖泊型水体TP的富营养化爆发阈值介于0.043～0.093 mg/L之间, TN的富营养化爆发阈值介于0. 607～0.893 mg/L之间。该九条支流TN浓度均在阈值之上，差异不大。各支流河口区域的氮浓度较高，库湾末端较低，这也进一步验证了三峡库区的干流倒灌异重流对支流营养盐的补给作用[13]。TP浓度在大部分支流中表现为由下游至上游逐渐降低的变化规律，从三峡库区看库首九条支流TP浓度由库区下游向上游逐渐降低的变化规律。而香溪河空间分布表现在上游TP浓度最高(0.329 mg/L)、下游浓度最低(0.185 mg/L)，离河口越远、磷浓度含量越高，超过了富营养化阈值4～8倍，香溪河呈现出相反规律与该流域上游富含磷矿有关。三峡库区湖北段另外三条支流童庄河、渣溪河和神农溪TP浓度均大于阈值，重庆段四条支流大宁河、朱衣河、磨刀溪和小江TP浓度均小于阈值，大宁河TP浓度最小为0.001 mg/L。对藻类生长来说，TN/TP比值大小反映氮磷不足，比值大于20时，表现为磷不足；值小于13时，表现为氮不足[14]。分析结果表明，香溪河为氮不足，九畹溪、童庄河、渣溪河TN/TP比率在13～20之间，其余几条支流均大于20，即表现为磷不足。

图3 TN含量空间变化Fig.3 Spatial distributions 0f TN

图4 TP含量空间变化Fig.4 Spatial distributions 0f TP

(3)Chl-a含量变化。水体中藻类的急剧增殖是诱发水华发生的直接原因，而水体中浮游植物生物量水平的高低可由叶绿素a浓度的大小来反映，因此，通过研究叶绿素a可以直观地描述水体营养化状况对水华消长的影响。研究区域各支流叶绿素a浓度变化如图5所示。九条支流叶绿素a浓度整体不高，其中九畹溪、童庄河、神农溪、大宁河、朱衣河、磨刀溪和小江叶绿素a浓度在0.737～6.315 μg/L之间，浓度较低。而渣溪河上游叶绿素a浓度较高为41.732 μg/L，香溪河中下游叶绿素a浓度为3.261、5.341 μg/L，上游叶绿素a浓度最高为184.61 μg/L。

图5 叶绿素a含量空间变化Fig.5 Spatial distribution of Chl-a

2.2 营养状态评价结果分析

不同支流营养状态评估结果见图6。位于库首下游湖北段的五条支流(香溪河、九畹溪、童庄河、渣溪河、神农溪)水体营养程度较高，均达到中营养水平以上，其中香溪河达到富营养化水平，库首重庆区四条支流均处于贫营养化水平。本次评价的综合营养指数范围在16～61，大部分支流在中营养水平以下，与三峡库区蓄水初期2005年支流的综合营养指数35～72 相比[10]，支流的营养化程度有所改善。最大值61出现在库首下游段湖北区支流香溪河中游，最小值16出现在支流磨刀溪上游。香溪河中上游已达到富营养化水平, 并由轻度富营养化向中度富营养化转变的趋势，支流童庄河、九畹溪、神农溪都处于中营养水平，且每条支流营养水平从下游向上游递减；库首上游段重庆区支流大宁河、朱衣河、磨刀溪、小江为中营养水平且有不同程度的降低；表明三峡水库从蓄水初期至2014年4月支流水体营养程度有所好转，说明近几年对三峡库区内排放的污染负荷有针对性地进行控制治理是有效的。

图6 支流水体富营养化评价结果Fig.6 Spatial distribution of TLI(∑)

3 结 语

(1)通过本次调查结果分析，库首的九条支流中，香溪河的综合营养指数由下游到上游递增，其他八条支流的综合营养指数均由下游到上游递减。从图5看出库首九条支流中，综合营养指数从库区下游到库区上游有递减趋势，支流富营养化因干流水体倒灌稀释作用有所减缓。

(2)采用综合营养状态指数法对三峡水库库首湖北段与重庆段九条支流进行评价，结果表明，本次调查的综合营养指数范围在16～61，大部分支流处于中营养水平以下。只有香溪河中上游已达到富营养化水平, 并由轻度富营养化向中度富营养化转变的趋势；另外湖北段四条库首支流都处在中营养水平，其余几条支流为中营养水平且有不同程度的降低。进一步验证了改进的综合营养状态指数法能够针对三峡库区的特有水利环境反映出水体营养状态的时空变化特征，更有利于对三峡水库水环境的科学治理。

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