汉江襄阳河段主要污染物通量分析

王文静 周才金 聂真真 杨松 徐祥

摘要：汉江水环境状况对襄阳市和汉江中下游的社会经济发展及人民生活影响重大。崔家营航电枢纽工程建成运行后，汉江襄阳城区段成为崔家营库区，形成水库型河流。引入湖泊入出湖污染物通量的计算公式，通过同步监测2017年汉江襄阳河段干支流水质水量，估算了汉江襄阳河段不同水期的污染物通量，分析出入江污染物通量随时间的变化及空间来源组成。结果表明：2017年汉江襄阳河段污染物通量主要来自丰水期，丰水期入江污染物通量空间分布与年通量分布一致。入江通量大于出江通量，各监测断面水质与水量多呈正相关。汉江襄阳河段的污染物控制应以强化主要入江河流输入通量控制为主，尤其是丰水期的污染物防治工作应作为水环境保护的重点。

关键词：污染物通量;时空变化;水环境保护;汉江襄阳河段;崔家营航电枢纽工程

中图法分类号：X52文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.012

文章編号：1006 - 0081（2021）03 - 0068 - 06

1 研究背景

在污染物总量控制研究中，污染物通量较污染物浓度更具研究价值[1-2]。污染物浓度不能反映出水量对浓度的影响，也不能反映各断面污染物的总量，只有综合考虑水质和水量，才能较全面地反映污染治理情况，而污染物通量则能较好地反映污染负荷的大小[3]。

汉江在襄阳市境内流域面积达17 357.6 km2，约占襄阳市总面积的88%[4]。2009年10月24日，崔家营航电枢纽工程正式建成蓄水，蓄水后汉江襄阳城区段成为崔家营库区，库区范围从坝址（钱营）至上游约33 km的新集，控制流域面积13.06万km2。水库蓄水后河面变宽，水深加大，水流明显减缓，汉江襄阳城区段基本形成水库型河流[5]。作为襄阳主城区的唯一水源地和纳污水体，襄阳市未来的城市发展将在很大程度上受到汉江水环境状况，尤其是汉江梯级开发和南水北调中线工程实施对汉江中下游水环境容量的叠加影响[6-7]。因此，对汉江襄阳城区段水量水质的监测显得尤为重要。

目前，对汉江襄阳河段水环境的研究主要集中在水质方面。邓万霞等[5]分析了崔家营水库蓄水前后汉江襄阳市区段水质变化，蓄水后水污染呈略微上升趋势。孙辰等[6]研究了调水及梯级开发对汉江襄阳河段水环境容量的影响，发现2015年汉江襄阳河段主要污染物COD和NH3-N的水环境容量在多数江段呈下降的趋势。汉江襄阳河段污染物通量的研究则鲜见报道。本文首次将湖泊入出湖污染物通量的计算方式引入到汉江襄阳河段，通过分析比较汉江襄阳河段主要污染物入出江通量，探寻污染物来源，以期为汉江襄阳河段和汉江中下游水环境管理提供决策支持。

2 试验与方法

2.1 研究区域

本文研究区域为汉江襄阳城区段，从汉江上游新集断面至下游崔家营坝下。在此江段内，汇入的支流有3条，分别是唐白河、小清河和滚河。其中，唐白河是由唐河和白河汇合而得名，唐河和白河均流经鄂、豫两省，是重要的省界河流。

综合考量断面的代表性和现场测量的可行性，在汉江干流上布设新集和襄阳余家湖2个断面，在支流白河布设刘湾渡口断面，唐河布设双沟断面，滚河布设琚湾断面，清河布设清河店断面。断面布设见图1。

2.2 分析方法

根据区域水污染特点，选取pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷5个指标进行水质分析。每月同步监测水质水量1次，连续测定时间为2017年1～12月。水质指标测定方法参照《水和废水分析方法（第四版）》[8]，流量测验采用走航式ADCP方法。

2.3 数据处理

污染物通量是指水体中各污染物在单位时间内通过某一断面的总质量，是水环境的水文、地质、化学及生物等综合作用的结果[9-11]，污染物通量计算公式为

式中：F为污染物通量，t/s;C为该时刻的污染物浓度，mg/L;Q为该断面的流量，m3/s;u为该时刻该断面的流速，m/s;A为断面面积，m2。将每月监测得到的每条河流流量作为该条河的月平均流量，同时将测得的断面浓度均值作为该条河的月平均浓度，以此计算得到污染物通量。

3 结果与讨论

3.1 流量分析

从2017年汉江襄阳河段各断面月均流量趋势图（见图2）中可以看出：2017年10月有1次较大涨水过程，汉江襄阳河段干支流流量均有明显增长，10月流量为全年最大流量。汉江干流新集和余家湖两断面在4～6月还有1次小幅度涨水过程。汉江支流断面仅刘湾渡口在4月还有1次涨水过程;其他支流断面总体流量较平稳，全年仅10月有1次明显涨水过程。

3.2 入江污染物通量时空分布

崔家营电站建成蓄水后，汉江襄阳城区段基本形成水库型河流。将刘湾渡口、双沟、清河店、琚湾水文站4个支流断面与汉江上游新集断面看作入江断面，崔家营坝下断面余家湖看作出江断面，以此来分析汉江襄阳城区段主要污染物通量分布情况。

3.2.1 时间分布

5～10月为丰水期，1～4，11～12月为枯水期，分别计算枯水期与丰水期的时段通量。2017年汉江襄阳河段各断面丰水期与枯水期通量占比见表1。汉江襄阳城区段各断面主要污染物通量均表现为丰水期大于枯水期。尤其是支流4个断面丰水期通量占比均超过80%，干流2个断面丰水期通量占比略低，但仍超过70%。由此可以看出，在时间分布上，汉江襄阳河段各断面污染物通量主要来自于丰水期，丰水期污染物通量贡献占各断面的70%以上，这一现象与文献[12]中结论一致。

从逐月的通量变化来看（见图3），10月汉江襄阳河段各断面污染物通量均为全年最大值，其他月份则相对较平缓。这主要是因为汉江流域总体水质状况良好，污染物浓度相对平稳，由于10月有明显涨水，流量增加明显，因此，污染物通量也明显增加。再加上受汉江流域梯级开发影响，汉江襄阳河段各河流涨水经常伴随上游和两岸冲刷等带来的漂浮物、泥沙等，导致涨水期间水体偏浑，污染物浓度较通常相对偏大，受污染物浓度和流量的双重影响，丰水期污染物通量明显高于枯水期。

3.2.2 空间分布

图4比较了汉江襄阳城区段各断面污染物年通量。由图4可以看出：入江污染物通量贡献最大的为新集断面，对高锰酸盐指数、氨氮、总磷的通量贡献均超过45%;污染物通量贡献最小的为琚湾断面，均小于7%;刘湾渡口、双沟、清河店3个断面的污染物通量贡献占比则相差不大。高锰酸盐指数入江通量主要来自于干流，干流贡献超过60%，其次为清河、唐河、白河、滚河;氨氮入江通量贡献最大的为汉江干流，其次为唐河、清河、白河、滚河;总磷入江通量贡献大小依次为干流、白河、唐河、清河、滚河。综合来看，在空间分布上，汉江襄阳城区段高锰酸盐指数入江通量主要来自干流，氨氮和总磷入江通量主要来自于支流。

进一步比较不同水期下的污染物通量空间分布发现：高锰酸盐指数不同水期入江通量主要来源均为干流，丰水期干流入江通量贡献达到55.7%，枯水期干流入江通量贡献超過80%。氨氮入江通量贡献中，丰水期以支流为主，枯水期以干流为主，但两者的贡献占比相差不大;总磷入江通量丰水期主要来自支流，枯水期主要来自于干流。在时空分布上，枯水期污染物通量均以干流贡献为主;丰水期高锰酸盐指数通量主要来自于干流，氨氮、总磷通量主要来自于支流，这与污染物年通量空间分布规律一致，也进一步说明了汉江襄阳河段污染物通量的消减重点在于做好丰水期的污染物防治。

3.3 污染物通量平衡分析

3.3.1 流量平衡分析

为说明污染物通量入江/出江平衡情况，首先要对入江/出江流量平衡进行分析计算。因为所取时段相同，直接将入江断面月均流量之和与出江断面月均流量进行比较，以流量平衡来比拟水量平衡。由图5可以看出，2017年汉江襄阳河段入江流量略大于出江流量，年均流量入江/出江比值为1.03，丰水期月均流量入江/出江比值为1.03，枯水期为1.04。总体来看，2017年汉江襄阳河段入江/出江流量基本平衡，崔家营大坝对水量的调蓄影响基本可以忽略。

3.3.2 通量平衡分析

表2比较了污染物年通量入江/出江比值。由表2可知，高锰酸盐指数、氨氮、总磷3个指标均表现为入江通量大于出江通量。丰水期通量与年通量情况相似，表现为入江通量大于出江通量，但丰水期通量入江/出江比值大于年通量比值，尤其是氨氮丰水期入江通量约为出江通量的2倍。枯水期通量情况则完全不同，表现为入江通量小于出江通量，其中高锰酸盐指数和总磷入江通量与出江通量接近于平衡状态，氨氮入江通量则明显小于出江通量。综合来看，汉江襄阳河段污染物通量表现为入江大于出江，这与许多研究得出的湖泊入出湖通量平衡结果完全相反[13-15]。由于未计算区间产流及相应污染物通量、未计算内源污染等原因，通常入湖通量小于出湖通量[13]。对于汉江襄阳河段来说，入江通量大于出江通量可能是由于：①梯级大坝拦截对水体流动性造成影响[16]，流速减缓加速了水中污染物沉降，崔家营大坝相当于起到了污染物拦截的作用，在丰水期效果尤为明显;②在物理降解、生物转化等河流自净作用下，出江通量应小于入江通量。

3.4 污染源类型分析

一般情况下，点源污染类型，浓度多与流量呈负相关;非点源类型，浓度多与流量呈正相关;点源、非点源混合类型，浓度与流量较为复杂，可能呈正相关、负相关、无关的情况[17-18]。2017年汉江襄阳河段各断面水质与水量的Person相关系数见表3。从汉江襄阳河段各断面水质与水量相关性来看，仅有刘湾渡口断面高锰酸盐指数，双沟断面高锰酸盐指数、氨氮，以及新集断面氨氮和总磷表现出水质水量呈显著正相关，应以非点源污染类型为主;其他参数虽然多呈现出正相关，但相关性不显著，应是受点源、非点源污染共同作用影响。随着汉江流域实施最严格水资源管理和河长制建设的推进，汉江襄阳河段点源污染得到有效改善，建议相关部门加强非点源污染治理，尤其是丰水期的面源污染防治。

4 结 论

（1）汉江襄阳河段各断面污染物通量主要来自于丰水期。在空间分布上，高锰酸盐指数入江通量主要来自于干流，氨氮和总磷入江通量主要来自于支流。丰水期入江污染物通量空间分布与年通量分布一致，而枯水期污染物通量均以干流贡献为主。

（2）2017年汉江襄阳河段年均流量入江/出江比值为1.03，入江/出江流量基本平衡，崔家营大坝对水量调蓄而导致的污染物通量变化可以忽略。

（3）汉江襄阳城区段主要污染物通量表现为：丰水期入江通量大于出江通量，枯水期入江通量小于出江通量。2017年汉江襄阳河段入江通量大于出江通量，可能是受崔家营大坝带来的水体流动性影响和河流自净作用的共同作用，在丰水期崔家营大坝对污染物的拦截作用尤为明显。

（4）汉江襄阳河段各断面水质与水量多呈现出正相关，其中刘湾渡口断面CODMn、双沟断面CODMn、NH3-N，以及新集断面NH3-N和TP水质水量显著正相关，以非点源污染类型为主;其他参数相关性不显著，为点源、非点源共同影响。建议相关部门加强汉江襄阳河段非点源污染治理，尤其是丰水期的面源污染防治。

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（编辑：李晓濛）