汉江中下游丰枯水期水质时空变化特征

张 胜，林 莉，王 珍，潘 雄，刘 敏，董 磊，陶晶祥

(1.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010； 2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

汉江中下游流域是湖北省乃至全国的重要粮仓，是汉江生态经济带的重要组成部分，而汉江是区域内的重要水源地，同时也是最大的纳污水体[1]。已有研究表明，汉江中下游水质保持地表水Ⅱ类水平，但整体呈下降趋势，1992年至今发生的10次硅藻水华事件中，有5次发生在近10 a[2]。当前有关汉江中下游水质的研究主要有梯级水库作用下的水质评价[3]、富营养化[4]、水质模拟[5]等，且集中于部分河段[6-7]，而对于中下游全河段丰、枯水期水质时空变化特征的研究较少。由于丰枯水期河流流量变化大，水体污染物的来源及分布特征不同，研究丰枯水期背景下水质时空变化特征具有重要意义。

本文以汉江中下游为研究对象，通过2019年6月丰水期和2020年1月枯水期2次野外调查采样，采用综合污染指数法和综合营养状态指数评价法进行水质评价，探讨丰、枯水期的水质时空差异，分析主要污染因子及其变化特征，结合流域自然及人文因素分析污染原因，旨在掌握不同时期汉江中下游的水质时空变化特征，从而为汉江中下游水资源保护和可持续发展提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

汉江中下游流域位于湖北省境内，在111°E —115°E，30°N—33°N之间，干流范围为丹江口大坝至武汉龙王庙，主要流经丹江口市、老河口市、襄阳市、钟祥市、荆门市、潜江市、仙桃市、汉川市、武汉市等，长度为652 km，流域总面积约为63 800 km2，钟祥市为中下游分界[8]。其间主要有王甫洲、崔家营、兴隆闸和引江济汉等水利枢纽，以及清河、唐白河、竹皮河等支流[3],研究区域见图1。该流域受亚热带季风的影响，年平均气温为15～17 ℃，年降水量范围为700～1 200 mm，是湖北省乃至全国的重要粮仓，主要产业是小麦、水稻、棉花、石油、畜牧业和水产养殖[9]。

图1 研究区及采样点分布Fig.1 Middle-lower Hanjiang River and distribution of sampling sites

2.2 样品采集与处理

根据汉江中下游流域特点及采样点布设一般要求，共设置18个干流采样断面及唐白河、竹皮河2个典型支流采样断面，各断面情况如表1所示，分布如图1所示。分别于2019年6月(丰水期)和2020年1月(枯水期)进行两次采样，在每个断面中泓处采集500 mL的表层水(深度为水下0.5 m左右)，所有采集的样品当天运回实验室并于4 ℃保存。选取总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和叶绿素a(Chl-a)共计5项水质指标，按照《水和废水监测分析方法》(第4版)[10]进行测定。

2.3 数据处理与分析

2.3.1 水质评价

根据已检测的各断面污染因子浓度值，本文采用综合污染指数法(Comprehensive Pollution Index, CPI)对汉江中下游各断面丰、枯水期的污染情况进行

表1 各采样断面情况Table 1 Conditions of sampling sections

评价，该方法优点是可以在同类别水质中比较污染状况，并得出超标因子及倍数，具体计算公式为[11]

(1)

式中:Pi为第i项污染因子的污染分指数,Pi=Ci/Si；Ci为第i项污染因子的实测值；Si为第i项污染因子的标准值，因汉江中下游水功能区水质目标总体为保持地表水Ⅱ类水平(部分江段为Ⅲ类)，此处统一以地表水Ⅱ类水质标准来评价，标准限值详见《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[12];P为综合污染指数，其值越大说明污染越严重；n为参加评价的污染因子个数。综合污染指数评价分级如表2所示。

表2 综合污染指数评价分级Table 2 Rating of overall pollution index

2.3.2 营养状态评价

选取综合营养状态指数法(Comprehensive Trophic Level Index, TLI)对汉江中下游各断面丰、枯水期的污染情况进行评价，该方法由于具有简单方便、评价结果较为准确等优点被广泛应用，计算公式为[13]

(2)

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数营养状态指数的相关权重；TLIj为第j种参数的营养的状态指数。

以Chl-a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为

(3)

式中：rij为第j种参数和基准参数Chl-a的相关系数，如表3所示；m为评价参数的个数。

表3 部分参数与Chl-a的相关系数和Wj值Table 3 Values of and Wj representing the correlation between Chl-a and other parameters

各参数的营养状态指数计算方式为

(4)

式中CChl-a、CTP、CTN、CSD、CCOD分别为Chl-a、TP、TN、SD、COD的浓度。CChl-a单位为mg/m3，CSD单位为m；其他指标单位均为mg/L。

综合营养状态指数TLI(∑)可分级为：TLI(∑)<30为贫营养；30≤TLI(∑)<50为中营养；50≤TLI(∑)<60为轻度富营养；60≤TLI(∑)<70为中度富营养；TLI(∑)≥70为重度富营养。

3 结果与分析

3.1 丰、枯水期水质时间差异分析

采用综合污染指数法(CPI)对汉江中下游各断面丰、枯水期水质进行评价，结果如表4所示。由表4可知，汉江中下游干流18个断面的综合污染指数P值在丰、枯水期范围分别为0.80～2.51、0.88～1.85，平均综合污染指数分别为1.30和1.17。采用非参数显著性检验，显著性水平为0.05，表明整体上丰、枯水期P值无显著性差异。但从各断面丰、枯水期P值比较，除H2、H3、H7、H11、H12断面以外，其余断面均为丰水期污染程度大于枯水期。从评价等级看，丰、枯水期18个断面水质达Ⅱ类水标准的比例为33%，整体处于污染级别。已有研究表明[14]，2012—2015年汉江中下游干流水质较好，17个监测断面的水质均符合 Ⅱ 类水标准，由此可知近些年汉江中下游

表4 各采样断面丰枯水期水质评价Table 4 Result of water quality evaluation of each sampling section in wet season and dry season

干流水质有一定恶化趋势。另外，从表中超标因子及超标倍数可知，干流丰、枯水期各断面TN均超过II类水质标准。TP含量在H5、H6、H15、H16、H17、H18等6个断面超过Ⅱ类水质标准，NH3-N含量在H17断面丰水期存在超标现象。其他监测因子在各监测断面综合污染指数<1，均在Ⅱ类水质标准限值范围内。因此可以看出TN、TP、NH3-N是汉江中下游的主要污染因子。

3.2 丰、枯水期水质空间差异分析

丰、枯水期汉江中下游干流各断面沿程变化如图2所示。由图2可知，综合污染指数在空间上具有差异性，波动幅度较大，丰、枯水期整体上沿程变化趋势相似。从丹江口坝下(H1)至清河汇入口下游(H4)断面综合污染指数整体上呈现增加趋势，随后经崔家营库区(H6)、皇庄水文站(H8)、沙洋水文站(H11)及兴隆闸(H12)等断面呈下降趋势，水质状况变好，最后经汉川和武汉城区又呈增加的趋势，水质逐渐恶化。根据各断面丰、枯水期综合污染指数平均值可知，其范围在0.88～1.97之间，18个断面中均值在基本合格范围内仅占16.7%，其余断面均存在污染风险，尤其是襄阳、汉川及武汉河段水质发生较大的变化。

图2 综合污染指数空间变化Fig.2 Spatial variation of overall pollution index

图3 总氮、总磷、氨氮时空变化Fig.3 Spatio-temporal variation of TN,TP,and NH3-N concentration

3.3 主要污染因子时空变化分析

根据综合污染指数超标因子分析结果，汉江中下游水体主要污染因子为TN、TP、NH3-N，其丰、枯水期各采样断面浓度值时空变化如图3。由图3可以看出，3种主要污染因子均呈现出较大的时空差异性，并在不同水期有明显的变化特征。TN浓度在丰、枯水期均远超过Ⅱ类水标准限值，其浓度值有66.7%(12个)的断面在丰水期明显大于枯水期，范围分别为0.95～2.85 mg/L和0.99～2.62 mg/L，均值为1.67 mg/L和1.43 mg/L。TP浓度和TN具有基本相同的变化趋势，同样表现为丰水期浓度多数大于枯水期，范围分别为0.01～0.14 mg/L和0.03～0.16 mg/L，均值为0.09 mg/L和0.07 mg/L，大于Ⅱ类水标准限值的超标率为27.8%。NH3-N浓度波动幅度比TN和TP要小，在枯水期NH3-N浓度均低于Ⅱ类水标准限值，仅在丰水期H4和H17断面超出标准，83.3%(15个)的断面丰水期浓度值明显大于枯水期，丰、枯水期浓度范围分别为0.05～1.26 mg/L和0.10～0.33 mg/L，均值分别为0.32 mg/L和0.15 mg/L。与前期研究结果比较，TN浓度与2007年(2.33 mg/L)及2017年(2 mg/L)相比有所下降，TP浓度相近，维持在0.1 mg/L左右[2,4]。从TN、TP、NH3-N浓度值看，污染较大的河段均表现在襄阳及武汉河段，与综合污染指数分析结果一致。

3.4 综合营养状态评价

综合营养状态指数(TLI)在各断面丰枯水期变化如图4所示。从整体看，沿程各采样断面综合营养状态指数呈递增趋势，范围在38～58之间，处于中营养到轻度富营养状态。从时间看，同样采用非参数显著性检验，显著性水平为0.05，结果表明整体上丰、枯水期综合营养状态指数TLI值没有显著性差异，但枯水期沿程波动更大。从空间分布看，丰枯水期综合营养状态指数最低值出现在丹江口河段，较高值出现在襄阳、钟祥、荆门、潜江及武汉河段，下游主要表现为轻度富营养状态。本研究结果与已有报道相符[15-16]，汉江中下游历次水华的发生主要在1—3月冬春季节的枯水期，硅藻为优势种群，该时期水位较低、流速缓慢、光照条件良好和气温较低是硅藻水华发生的有利条件，另外水华爆发范围扩大，之前主要集中在潜江以下江段，近些年有向上游蔓延趋势，2018年已延伸到钟祥沙洋河段，从综合营养状态指数分析，襄阳河段也存在水华发生风险。

图4 各断面丰枯水期综合营养状态评价Fig.4 Evaluation result of overall trophic level index in various sections in wet season and dry season

4 水质变化原因分析

4.1 点源及非点源污染

由综合污染指数和综合营养状态指数得知，汉江中下游主要污染河段为襄阳、汉川和武汉段，从污染源分布特征看，污染物来源可分为点源污染和非点源污染。点源污染主要有城镇居民生活污水和工业废水排放，如居民洗衣及厨房等生活污水中含有较高浓度的氮磷元素，河流沿线城市管网建设不完善，会导致部分污水未经处理直接排入地表水体；另外据调查，流域内污染严重的企业，经处理后的废水中污染物的排放量仍然较大，这些污染物排入汉江后势必影响水质[8]。

多数断面丰水期水质状况比枯水期略差，可能是因为枯水期点源污染相对容易监测与控制，而丰水期农业活动、畜禽养殖等带来的非点源污染涉及范围广，管理难度大，已成为丰水期汉江中下游流域水环境污染的主要来源。其中农业非点源污染更是全球性问题，汉江中下游流域是湖北省乃至全国的重要粮仓，主要农作物是小麦、水稻、棉花等，区域内的大米和棉花产量约占全省的40%和65%[17]。

此外，据估算汉江中下游两岸的河漫滩面积在74～256 km2之间波动，目前河流两岸的河漫滩有大面积的蔬菜种植[18]。由于在农业生产活动中不合理使用化肥农药，当丰水期雨季来临时，残留在土壤中的大量氮磷营养盐随地表径流进入汉江水体，从而表现出非点源污染物的输入大于水量增加的自净作用。

4.2 支流汇入污染

根据监测获得的丰、枯水期唐白河汇入口上游(Z1)、竹皮河汇入口上游(Z2)两支流断面水质因子与汉江中下游干流均值对比，结果如图5所示。由图5可知，两条支流的TN、TP、NH3-N以及综合污染指数P和综合营养状态指数TLI值均显著大于干流平均值，说明汉江中下游支流水质比干流差。其中两条支流的TN在丰、枯水期均超出地表Ⅴ类水标准限值，竹皮河断面更是严重超标，丰、枯水期均为Ⅴ类水标准限值的4倍左右；竹皮河丰水期TP浓度也超出地表Ⅴ类水标准限值，为0.46 mg/L；支流NH3-N浓度远远大于干流均值，约为干流的10～66倍，最大值出现在竹皮河(丰水期)，为5.91 mg/L，约为地表Ⅴ类水标准限值的3倍；综合营养状态指数TLI表现出较大的差异，唐白河断面达到轻度富营养，竹皮河为中度富营养，而干流均值为中营养等级。经过两支流汇入口上下游断面水质比较，可以发现在汇入口下游断面水质发生明显变化，其中唐白河对干流水质影响较大，如图2—图4所示，唐白河汇入口上游(Z1)位于H4和H5断面之间，竹皮河汇入口上游(Z2)位于H9和H10断面之间。已有研究表明，唐白河水质总体以Ⅳ类水为主，Ⅴ类及劣五类水比例有所增加；竹皮河常年以劣Ⅴ类水为主，属于重度污染[19]。汉江干流水体虽有一定的自净能力，但是支流中高浓度的污染物汇入对干流水质会造成负面影响。

图5 汉江中下游干流与支流水质状况对比Fig.5 Comparison of water quality between mainstream and tributaries of Hanjiang River

4.3 水利枢纽影响

从前面可知，汉江中下游干流水质在丰、枯水期均有超出地表水Ⅱ类标准限值的风险，具备水华发生的条件，一定程度上与南水北调工程及流域内梯级水电开发有关。南水北调中线工程从丹江口水库陶岔引水，用于缓解河南、河北、北京、天津四省(市)水资源紧张问题，工程规划分两期完成，一期工程已于2014年正式通水运行，年均调水量为95亿m3，远期规划调水130亿m3[20]。南水北调中线一期工程调水后，汉江中下游多年平均下泄流量减少，河道水位不同程度降低。另外，流域内已建成的王甫洲、崔家营和兴隆梯级水利枢纽运行后，污染物的扩散和降解受到影响，水体自净能力下降，最终导致水环境容量减小，污染物浓度增加，水环境质量恶化，水资源承载力减弱。

在丰枯水期TN、TP含量均已超过水体营养化始发浓度(TN为0.2 mg/L、TP为0.02 mg/L)，谢平等学者曾指出氮磷营养盐不是导致汉江中下游藻类爆发的关键因素，而是梯级水利枢纽运行下流量、流速和水位变化所引起的[21]。随着南水北调中线工程及鄂北调水等调水工程的投入运行，以及汉江中下游王甫洲、崔家营和兴隆梯级水利枢纽的调度运行，水利枢纽对汉江中下游水质造成的影响不容忽视。

5 结论与建议

利用丰、枯水期野外调查实测水质数据，结合综合污染指数法和综合营养状态指数法，对2019—2020年汉江中下游水质时空变化特征进行评价分析，结论如下：

(1)汉江中下游干流综合污染指数在丰、枯水期整体表现为无显著性差异，但从各断面比较，大多数断面均在丰水期污染程度略大，丰、枯水期综合污染指数范围分别为0.80～2.51、0.88～1.85，平均综合污染指数为1.30和1.17；空间上丰、枯水期沿程各断面变化趋势相似，污染较大的断面分布在襄阳、汉川和武汉段。

(2)汉江中下游水体主要污染因子是TN、TP、NH3-N，其中TN浓度在丰、枯水期均远超过地表Ⅱ类水标准限值，且丰水期显著大于枯水期，浓度范围分别为0.95～2.85 mg/L、0.99～2.62 mg/L，均值分别为1.67 mg/L和1.43 mg/L；TP浓度和TN在各断面具有基本相同的变化趋势，同样表现为丰水期浓度值多数断面大于枯水期，超过Ⅱ类水标准限值断面的比例为27.8%，NH3-N浓度波动幅度比TN和TP更小，在枯水期均在Ⅱ类水限值内，仅在丰水期个别断面出现超标现象。

(3)通过综合营养状态评价，从整体看，汉江中下游干流水体综合营养状态指数范围在38～58之间，处于中营养到轻度富营养状态，各采样断面呈沿程递增趋势。从时间看，整体表现为丰、枯水期综合营养状态指数TLI值没有显著性差异，但枯水期沿程波动更大；从空间分布看，丰、枯水期综合营养状态指数最低值出现在丹江口河段，较高值出现在襄阳、钟祥、荆门、潜江及武汉河段，下游主要表现为轻度富营养状态。

(4)从污染原因上分析，汉江中下游水质主要受点源和非点源污染、支流汇入，以及水利枢纽工程的影响。为实现水资源的可持续发展，针对该区域水质污染特征提出如下建议：坚持预防为主，防治结合，加强水质监测与管理，从源头进行治理；对梯级水利枢纽进行生态调度，增加河流年径流量，提高水体自净能力；提高全民环保意识，积极引导农民科学合理使用化肥农药；完善城市网管建设，提高污水收集与处理能力；加大支流治理力度，定期清理河道垃圾。