范家贞 李荣荣 席宁哲 赵文艳 张陶 蒲俊兵
收稿日期:2023-11-24;接受日期:2024-03-12
基金项目:重庆市自然科学基金项目(CSTB2022NSCQ-LZX0022);重庆市水文监测总站科研项目(2022-178);重庆师范大学基金项目(21XRC002)
作者简介:范家贞,女,硕士研究生,研究方向为水环境演变。E-mail:2022110514007@stu.cqnu.edu.cn
通信作者:蒲俊兵,男,研究员,博士生导师,博士,主要从事岩溶环境与全球变化及水文地球化学等方面的研究。E-mail:junbingpu@163.com
Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.
文章编号:1001-4179(2024) 06-0022-08
引用本文:范家贞,李荣荣,席宁哲,等.
2010~2021年重庆市主要河流水质时空变化特征分析
[J].人民长江,2024,55(6):22-29.
摘要:重庆市地处三峡库区,是长江上游的重要生态屏障区,揭示其地表水水质变化特征对评估长江生态环境变化具有重要意义,然而目前其大范围、长时间尺度的地表水质特征分析还较为欠缺。基于2011~2021年重庆市主要流域中的18条河流,共44个河流监测断面的11 a水质数据,采用单因子分析法和水质类别比例法对水质变化进行分析。结果表明:① 重庆市河流水质情况整体较好,Ⅰ~Ⅲ类水质断面占比从2012年开始逐渐上升并趋于稳定,水质状况评价均为优。② 总体河流水质在汛期与非汛期变化趋势大致相同,但非汛期Ⅳ~劣Ⅴ类水质断面占比低于汛期,整体非汛期水质更好。③ 川江流域段下游水质明显好于上游,整体上自三峡水库2010年达到175.00 m蓄水位以来,川江流域的水质一直维持较好状态,水质类别多维持在Ⅱ类,实现了国定目标。④ 不同流域之间水质存在一定差异,水质最好的为嘉陵江流域,其次是涪江、川江和乌江流域。⑤ 川江、嘉陵江和涪江流域在汛期的水质状况比非汛期差,而乌江流域在两个时段水质状况变化一致。通过对重庆市地表河流进行长时间序列的水质评价,可为河流水资源保护及治理提供参考,以期提升市域水环境质量,促进城市的可持续发展。
关 键 词:河流水质; 时空变化; 单因子分析法; 水质类别比例法; 影响因素; 重庆市
中图法分类号: X824
文献标志码: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.004
0 引 言
在社会发展过程中,各种污水排放及巨大用水需求对河流水体造成严重压力的同时也对人类健康和经济发展构成了较大威胁[1]。联合国环境计划署在1999年对全球流域面积最大的25条河流进行调查,发现大部分河流出现水量减少、水质变差、水污染程度加重的趋势[2]。如何改善水体质量以及如何平衡河流生态环境与社会可持续发展已成为一个全球性问题。由于人口、经济增长,全球未来对水资源的需求量将不断增加[3],这种对水资源需求量的不断提高以及对其质量不断破坏的行为,是中国在21世纪面临的主要环境问题之一[4]。2017年,全国地表水监测断面Ⅳ类及以下水质占比达到32.1%,劣V类水质占比达8.3%[5],平均每年因水污染在工农业、健康等方面造成的经济损失高达2 400亿元[6]。因此,中国政府发
布了多项有关河流水环境保护与治理的政策,如2012年提出水资源保护的“三条红线”、2015年颁布《水污染防治行动计划》(“水十条”)、2022年印发《“十四五”水安全保障规划》等,争取在2030年全国水环境质量得到总体改善[6-7]。而重庆市地处三峡库区腹心地带,是长江上游生态屏障的最后关口,其水生生态环境会影响到全国35%的淡水资源和长江中下游3.5亿多人的饮水安全[8]。由于其特殊的地理位置和战略地位,其水质优劣及时空变化趋势对全国生态环境稳定都至关重要[9]。
河流水质变化极大地受到人类活动的影响,而水质的优劣又直接影响人类社会可持续发展,因此评价地表河流水质的变化趋势及其影响因素,是地表水环境保护与治理的关键。水质评价即通过水体监测数据选择评价指标,建立相关数学模型对水环境质量状况及其变化趋势进行综合评价[10]。早期评价方法主要是直观描述和相关分析等,随着对水环境研究的不断深入和技术的不断成熟,如今评价方法逐渐多样化[11]。近年使用较多的主要有单因子评价法、主成分分析法、模糊评价法、Spearman秩相关系数法、污染指数法、灰色聚类法等[12-15]。综合前人研究成果,在中国大多数学者对地表河流水质的研究都集中在某具体河流,如辽河、黄河、长江等大河流域[16-18];或是某省市内河流的局部河段,如长江南京段[19]、黄河兰州段[20]、珠江昆明段[21]等。较少在城市内部分析多条河流或多个流域水质情况,无法综合市(区)域水质变化趋势及影响因素,不足以为城市水环境保护和污染防治提供科学支撑,无法深刻揭示城市生态环境的变化规律。
根据重庆市环境公报数据显示,2012~2017 年重庆市Ⅴ类和劣Ⅴ类河流分别占到3%~6%[22],然而目前对重庆市大范围、长时间尺度的地表水质特征分析还较为欠缺。为进一步了解重庆市河流水质时空变化情况,本文选择重庆市域内长江、嘉陵江、乌江、涪江等18条河流,共44个河流监测断面的11 a(2011~2021年)水质数据,采用单因子分析法和水质类别比例法对水质变化进行分析,以期为重庆市河流水环境保护与治理提供科学的理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
重庆市下辖38个区(县),总面积约8.24万km2,区内为亚热带季风性湿润气候,雨热同期,有汛期和非汛期之分。根据《重庆市防汛抗旱条例》[23],重庆市汛期为每年的5~9月,非汛期为10月到次年4月,其中汛期与非汛期时期的降水量、河流水位以及水体周边环境等水质影响因素也有较大差异,因此本文将分别从全年、汛期以及非汛期3个时段分析评价重庆市主要河流及流域水质变化特征。
重庆地区河流纵横,流域面积大于100 km2的河流有274条,整体属于长江流域;市内水系发达,乌江和嘉陵江为长江南北向的两大支流,水系整体呈现不对称的向心形网络形状。根据重庆市水文监测工作的实际情况,流域面积大于1 000 km2的河流主要为长江、嘉陵江、涪江、乌江等,而沱江、汉江、渠江和赤水河等流域在重庆市内所占面积相对较小。其中川江由渝西南到东北方向贯穿全市,涪江与嘉陵江流域位于渝西地区,乌江与沅江流域位于渝东南地区。为从时间与空间上连续评价重庆市水质变化,从245个历史监测断面中选择监测数据最完整的44个断面进行分析,其中川江流域共有21个监测站点、嘉陵江流域8个、涪江流域6个、乌江流域5个、沅江与沱江流域各2个,因沅江和沱江流域面积较小、监测断面数量少,因此主要分析评价长江干流、嘉陵江、乌江和涪江4个面积较大的流域。监测站点分布见图1。
1.2 数据来源与研究方法
本文选取的2011~2021年44个监测断面分属重庆市18条河流,相关监测数据来源于重庆市水文监测总站,主要包括pH、氨氮、粪大肠菌群、氟化物、高锰酸盐指数、汞、挥发酚、硫酸盐、六价铬、氯化物、锰、铅、氰化物、溶解氧、砷、石油类、水温、铁、铜、五日生化需氧量、硝酸盐、锌、总氮、总磷、镉25项监测指标,监测频次为一月一次,以每年12次监测数据的年算数平均值对主要河流及流域水质特征及时空变化进行评价。
基于GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的评价指标标准限值[24],使用单因子评价法将河流断面水质分为Ⅰ~劣Ⅴ类6个类型,并对其进行优劣评价。单因子法的评价过程简单直观,一般用于河流单个断面评价,其方法是将各监测指标的实测值与国家规定指标标准限值进行对比,再根据各个监测断面评价指标中类别最高的一项来确定水质等级[25-26]。
当进行河流或流域水质评价且监测断面≥5个时,多采用断面水质类别比例法,即根据河流或流域中各水质类别的断面数占河流或流域中所有评价断面总数的百分比来评价其水质状况[27]。其河流、流域水质类别定性评价为5个等级:Ⅰ~Ⅲ类水质比例≥90%时为优;75%≤Ⅰ~Ⅲ类水质比例<90%时为良好;Ⅰ~Ⅲ类水质比例<75%且劣Ⅴ类比例<20%时为轻度污染;Ⅰ~Ⅲ类水质比例<75%且20%≤劣Ⅴ类比例<40%时为中度污染;Ⅰ~Ⅲ类水质比例<60%且劣Ⅴ类比例≥40%时为重度污染。本研究中主要使用单因子分析法进行单个断面评价,并使用水质类别比例法进行河流和流域水质评价。
2 结果与讨论
2.1 重庆市主要河流水质时空变化特征
从全年时段来看,11 a间Ⅰ~Ⅲ类水质比例范围在77.3%~100.0%之间,水质状况为优或良好。其中2012年和2013年的Ⅰ~Ⅲ类水质比例略有下降,评价为良好,但从2014年开始其比例逐渐上升并趋于稳定,占比皆在90%之上,水质状况为优(表1)。由此可见,市域内地表河流平均水质整体较好,年际变化较小,其河流的水质状况不断好转,与水库蓄水以及政府对河流进行保护和恢复的措施密不可分。
从汛期时段来看,有8 a 的Ⅰ~Ⅲ类水质比例范围在90.9%~100.0%,水质情况判定为优;而在2012、2013年和2018年Ⅰ~Ⅲ类水质比例分别为72.7%,88.6%和79.5%,水质情况在2012年判定为轻度污染,2013年与2018年为良好(表2)。
在非汛期时段中,有8 a的Ⅰ~Ⅲ类水质比例范围在90.9%~100.0%,水质情况判定为优;只在2012、2013年中Ⅰ~Ⅲ类水质比例状况没有达到优秀,其Ⅰ~Ⅲ类水质比例都为86.4%,水质状况定性为良好(表2)。
对比汛期和非汛期Ⅳ~劣Ⅴ类水质断面比例可知,汛期与非汛期两时段之间水质变化趋势大致相同,Ⅳ~劣Ⅴ类水质断面比例都在2012年达到峰值后下降,在2018年又达到另一个峰值后下降。重庆市属于亚热带季风性湿润气候,汛期5~9月份集中的降雨会强烈影响河流水位以及水体周边环境[28]。总体来看,除2013年和2014年外,其余年份汛期Ⅳ~劣Ⅴ类水质断面普遍多于或等于非汛期Ⅳ~劣Ⅴ类水质比例,可见大部分时间汛期水质较非汛期差。汛期的Ⅳ~劣Ⅴ类水质均为总磷超标,除此之外还有氨氮、锰等超标指标,可见汛期河流主要受到生活、工业废水和农业肥料的影响[29-30]。主要原因为渝西地区和渝东北地区农业发达,5~9月汛期恰逢农作物施肥期,降雨后大量地表径流携带残留化肥、农药等进入河流,增加水体总磷和氨氮等污染物浓度[31]。此外,三峡库区的部分城镇还未实施雨污分流[32],其污水管道在非汛期积累的大量泥沙和污染物都在汛期进入河流,且大量降雨冲刷城市地表,将城市污染物带入河流也会影响河流生态环境[33]。
2.2 三峡水库影响下川江流域水质变化特征
重庆市地处三峡库区,前人研究指出自2003年三峡水库运行以来长江水质受到其蓄水影响,变化差异较大[34]。相关数据分析表明,川江流域分布的21个监测断面整体水质情况较好,Ⅰ~Ⅲ类水质比例范围在76.2%~100.0%之间,水质状况评价为优或良好(表3)。整体来看,2012年后川江流域Ⅰ~Ⅲ类水质比例呈现逐步上升状态,且水质状况稳定为优。从三峡水库2010年达到175.00 m蓄水位以来,川江流域的水质一直维持较好状态,水质类别多维持在Ⅱ类[35],实现了国定目标。
川江流域2012年Ⅳ、Ⅴ类水质断面占比为19.0%和4.8%,主要为白沙、取水口、糠壳湾、朝天门和独石沱5个监测断面,主要超标项目为铁、锰、总磷,其中朝天门因存在码头等特殊原因,还存在石油类超标项目;2013年主要为沙坝水库、糠壳湾和独石沱断面,全年主要超标项目为总磷和锰。2014年劣Ⅴ类水质断面占比4.8%,为独石沱监测断面,主要超标项目为铁、锰和总磷。从断面分布区域来看,上述2012、2013年和2014年间水质较差的断面多分布在三峡库区上游区域,而下游地区水质情况较好,Ⅰ~Ⅲ类水质断面占比高,无Ⅳ~Ⅴ类水质断面(表3、图2)。前人研究指出三峡水库入库水质普遍比出库水质差[36]、污染物超标现象上游大于下游[37],而本文结果也反映了库区川江上下游水质之间的差异,结论与前人一致。受到土地利用模式的影响,三峡库区上游主要为城市和农业发展聚集地(图2)[30,38],人类活动频繁,城镇污水和各种工农业废水能够对川江上游水质产生不良影响[39]。此外,库区上游水体水质还受到库区外域输入的影响,如四川省沿江城市生活污水的排放、沿江农业生产活动的废弃物排放等[40]。
三峡大坝建成以来,长江由天然河道变成河流型水库,理化性质发生明显变化[41],如水面拓宽、流速减缓、泥沙淤积沉降等。泥沙中富含的黏土与胶体在沉积过程中吸附各种污染物和重金属,导致水中污染物的浓度相对降低,从而使得河流水质情况变好[42- 43]。对比来看,水库区域整体水质状况较好,这与水库区间的水体自净能力、近年来推行的各种水体污染治理措施以及生态农业发展有一定的相关性[44-45]。
2.3 重庆市不同流域水质特征及时间变化
2.3.1 不同流域水质变化特征分析
不同流域间水质状况存在差异,对比各流域Ⅰ~Ⅲ类水质断面占比大小及出现年数,可知嘉陵江流域>涪江流域>川江流域>乌江流域(“>”表示“水质好于”)。整体上川江、嘉陵江和涪江等流域水质情况较好,在2011~2021年各年中Ⅰ~Ⅲ类水质占比较高,范围在75%~100%之间,水质评价为优或良好。而乌江流域水质情况相对较差,在2012年和2013年Ⅰ~Ⅲ类水质占比只达到60%,水质评价为中度和重度污染(图3)。
川江流域各类水质断面占比以及影响因素分析见2.2小节。
嘉陵江流域共8个监测断面,在2012年,嘉陵江流域Ⅳ类水质断面占比达到25%,为嘉华大桥和大溪沟两个断面,超标项目都为石油类污染物,主要受到附近朝天门码头船舶运行中泄露的燃油类污染物影响。2012年后通过航运部门、环保部门、水务部门对船舶燃油灌注、排污的监管,此类污染物排放得到较好控制。
涪江流域共6个监测断面,在2017年和2018年旧县和虎峰两个监测断面Ⅳ类水质断面比例均达到16.7%,且都位于小安溪河流上。小安溪主要流经永川区、大足区、铜梁区和合川区4个人口密集区,其中旧县断面位于铜梁旧县镇小安溪工业园区,全年超标项目为氨氮;虎峰断面位于铜梁虎蜂镇小安溪工业园区,全年主要超标项目为总磷。前人研究表明,小安溪长期水质情况较差,尤其是2017年和2018年,6个污染承载域控制单元在此期间污染负荷均大幅超过水环境容量[46-47]。河流中氨氮、总磷等超标项目主要受到区域内农业、工业源污染以及生活污水排放的影响[46-48] 。其中污水排放量大且处理不达标[47],是造成旧县和虎峰两个监测断面水质较差的重要原因,并进一步影响了涪江流域水质。
乌江流域共5个监测断面,整体水质与其他流域相比较差。2012年Ⅴ类和劣Ⅴ类水质比例都为20%,2013年Ⅴ类水质比例为40%,超标断面均为菜场沱和白涛两个监测断面,全年超标项目为总磷。菜场沱断面位于涪陵工业园区,白涛断面位于乌江武隆涪陵保留区,总磷含量超标主要是由于乌江流域磷矿产业和磷化工等工厂排放的污水以及雨水携带的磷矿区冲刷物进入乌江水体导致[49]。另外,当地的生产生活如农业的发展、城镇生活和规模化畜禽养殖,其产生的含磷污染物随雨水进入河流也会增加乌江总磷的含量。
2.3.2 不同流域在汛期与非汛期时段的水质变化分析
在汛期时段,川江流域Ⅰ~Ⅲ类水质断面类别比例存在明显年际变化。2012年水质状况定性为轻度污染,其余10 a水质定性为优或良。嘉陵江水质状况较为稳定,一直呈现优良的状态。涪江流域在2016、2017年和2018年水质情况较差,定性为轻污染,其余8 a水质状况定性为优或良。乌江流域中,2012年与2013年水质情况较差,水质状况分别定性为重度污染和中度污染,其余年份水质状况定性为优(图4)。
非汛期时段,川江流域整体水质较好,水质状况定性为优良。嘉陵江流域在非汛期时段的水质变化趋势与汛期时段的变化趋势一致,整体水质状况较好,水质评价为良好或优。涪江流域整体水质情况也较为稳定,水质状况较好,评价为良好或优。乌江流域水质状况变化较大,2012年水质状况定性评价为中度污染,2013年水质状况定性为重度污染,其余年份水质评价为优(图5)。
通过对比分析各流域中Ⅳ~劣Ⅴ类水质比例(表4),除去乌江流域外,川江、嘉陵江和涪江流域在汛期的水质状况普遍较非汛期水质状况差,且水质类别变化不稳定。通常情况下,当汛期河流水量增加时,会稀释河流中污染物浓度使得水质情况变好,出现汛期水质好于非汛期情况[50],而本研究出现相反情况。主要原因为:非汛期降雨较少,农业污染物、城镇污染物等都滞留堆积在地表或土层中,较少能够进入河流水体中,而汛期降雨促进了污染物的输送,即出现旱季“藏污纳垢”、雨季“零存整取”情况[51]。
由表4可知,汛期川江流域的Ⅳ~劣Ⅴ类水质比例变化趋势与其他支流同步,且变化范围较大,可知其流域水质还受到其他支流流域影响。其中嘉陵江、乌江等作为川江的一级支流,其水质变化会直接影响到干流水质,且许多二级支流流域面积小,自净能力差,汛期大量降水会使得二级支流污染严重,进一步污染干流水质[49]。相反,非汛期时期三峡水库蓄水后川江水位上升,大量的主流回水灌入支流,稀释了干、支流中的污染物浓度[52],反而使得非汛期水质好于汛期,这一现象与上述研究结果表述一致。而乌江流域在汛期、非汛期两个时段水质状况差别不大,超标污染项目都为磷,可见汛期降雨对乌江流域影响较小,主要原因为乌江上游磷矿冲刷以及磷化工厂污水排放导致。
3 结论及建议
(1) 重庆市主要河流及流域水体质量情况整体上较好,11 a间所有监测断面的Ⅰ~Ⅲ类水质比例范围在77.3%~100.0%之间,水质评价为优或良好。从2014年开始Ⅰ~Ⅲ类水质比例逐渐上升并趋于稳定,并且水质状况评价都为优。
(2) 汛期与非汛期主要河流和流域Ⅳ~Ⅴ类水质变化趋势大致相同,但总体上非汛期的水质更好。主要原因为汛期大量降雨会携带各种污染物进入河流。
(3) 不同流域水质状况存在细微差异,整体较好,其中嘉陵江流域>涪江流域>川江流域>乌江流域(“>”表示“水质好于”),除此之外,长江干流流域下游水质明显好于上游。大部分超标断面的主要超标项目都为总磷,其中一些断面也偶有氨氮、锰和铁等超标项。
(4) 川江流域、嘉陵江流域和涪江流域在汛期的水质状况与非汛期相比较差,且变化不稳定,而乌江流域在汛期、非汛期两时段水质状况差异变化较小。除此之外,川江流域的水质变化也受到其他支流流域影响。
近几年重庆市政府颁布了《重庆市水污染防治条例》《重庆市长江流域总磷污染控制方案》等相关保护文件,从法律、经济等方面构成监督、治理体系。但为更进一步保护重庆市河流水质安全,需根据各流域污染指标的时空差异性,因地制宜对不同流域进行有针对性治理,结合本文分析,建议相关政府部门还应采取以下措施:① 在汛期强降雨季节,加强农业面源污染防控,限制河流两侧化肥农药使用,以防残留污染物随雨水进入河道;② 加强城镇的基础设施建设,完善雨污分流、污水净化等基础设施;③ 对磷、氨氮等超标河流严格控制其沿岸工厂数量,严格控制废水排放量及强制污水净化达标率;④ 不断推动库区内生态修复,加强湿地和植被的保护,提高河流水体自净能力;⑤ 提高沿岸居民和单位的水质保护意识,鼓励居民主动参与水质监测和环保行动;⑥ 与各入市河流上游城市制定相关河流保护协议,以提升入市河流的水质基础等级。
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(编辑:刘 媛)
Water quality spatial and temporal variation characteristics in major rivers in Chongqing Municipality,2011~2021
FAN Jiazhen1,2,LI Rongrong1,2,XI Ningzhe1,2,ZHAO Wenyan1,2,ZHANG Tao1,2,PU Junbing1,2
(1.Chongqing Key Laboratory of Carbon Cycle and Carbon Regulation of Mountain Ecosystems,Chongqing Normal University,Chongqing 401331,China;
2.School of Geography and Tourism,Chongqing Normal University,Chongqing 401331,China)
Abstract:
Chongqing Municipality is located in the Three Gorges Reservoir area,an important ecological barrier area in the upper reaches of the Changjiang River.It is important to reveal the surface water quality variation characteristics in Chongqing for assessing the ecological and environmental changes in the Changjiang River.However,the analysis of surface water quality characteristics on a large scale and long time scale is still lacking.Based on the historical data from 2011 to 2021,the 11-year water quality data of 44 river monitoring sections in the main 18 river basins of Chongqing were analyzed by single factor analysis and water quality category ratio method.The results showed that:① The overall water quality of rivers in Chongqing was good,with the proportion of Class Ⅰ~Ⅲ water quality sections gradually increasing and stabilizing since 2012.The evaluation of water quality conditions was excellent.② The temporal variation trend of the water quality between the flood and non-flood seasons was roughly the same.However,the proportion of Class Ⅳ to inferior Class Ⅴ water quality sections in the non-flood season was lower than that in the flood season,and the overall water quality was better during the non-flood season.③ The water quality in the lower reaches of the Chongqing section of the Changjiang River Basin was significantly better than that in the upper reaches.Overall,since the Three Gorges Reservoir reached the storage level of 175.00 m in 2010,the water quality in the Chongqing section of the Changjiang River Basin has maintained a better state,with water quality categories mostly maintained in Class Ⅱ,achieving the national target.④ There were some differences in water quality between different basins.The best situation was in the Jialing River Basin,followed by the Fujiang River Basin,the Chongqing section of the Changjiang River Basin,and the Wujiang River Basin.⑤ The water quality of the Chongqing section of the Changjiang River Basin,Jialing River Basin,and Fujiang River Basin was worse in the flood season compared with the non-flooded season.Water quality conditions in the Wujiang River Basin varied similarly between the two time periods.By evaluating the water quality of surface rivers in Chongqing over a long period,this study can provide a reference for the protection of river water resources,sustainable management,water quality improvement in the city,and promotion of city sustainable development.
Key words:
river water quality; temporal and spatial variation; single factor analysis method; water quality category scale method; influencing factors; Chongqing Municipality