湘江水利樞紐工程蓄水后對工程上游水環(huán)境營養(yǎng)水平影響研究

張蕊琪，鐵柏清，胡曠成，周駿馳，袁　嘯，2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙　410128；2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州　510275)

· 水環(huán)境 ·

湘江水利樞紐工程蓄水后對工程上游水環(huán)境營養(yǎng)水平影響研究

張蕊琪1，鐵柏清1，胡曠成1，周駿馳1，袁嘯1，2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128；2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510275)

對湘江水利樞紐工程運(yùn)行后，湘江長沙境內(nèi)河段6個斷面進(jìn)行取樣分析研究。采用主成分分析和卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，分析長沙段內(nèi)湘江水體的營養(yǎng)狀態(tài)，對比了2011年和2014年水質(zhì)指標(biāo)，對水質(zhì)重要指標(biāo)變化的原因進(jìn)行了剖析。研究表明：湘江水利樞紐工程運(yùn)行后，對流域內(nèi)總氮及COD影響較大，湘江長沙段水體基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)。2014年總氮(TN)濃度比2011年的TN濃度增長了51.7%，總磷(TP)濃度下降26.6%，COD濃度在黑石鋪斷面以及杜甫江閣江段持續(xù)超出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

湘江；水質(zhì)監(jiān)測；富營養(yǎng)化；水利樞紐工程

1　前　言

湘江——長江的一級支流，以瀟水為源，干流全長844km，流域面積94660km2，是湖南省尤其是長沙市的最大水上交通樞紐和水源。為保障長株潭城市群快速建設(shè)發(fā)展的供水需求、航運(yùn)要求及防洪需要，湖南省政府于2010年10月在長沙市下游望城區(qū)境內(nèi)的蔡家洲開工建設(shè)湘江水利樞紐工程，2012年10月10日二期工程完工，成功實(shí)現(xiàn)蓄水、通航目標(biāo)，之后流經(jīng)株洲、湘潭、長沙三市的湘江水位將長期保持26m以上水位，由此導(dǎo)致湘江長沙市區(qū)段天然河道變寬、流速減緩，水體交換能力減弱，水質(zhì)變清，增強(qiáng)了浮游植物的光合作用，給水體富營養(yǎng)化的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件[1,2]。國內(nèi)三峽大壩[3,4]、番陽湖水利樞紐等工程[5]運(yùn)行后相關(guān)水域均出現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化。因此，分析研究湘江水利樞紐工程筑壩截流蓄水后對大壩上游湘江水環(huán)境的影響，能為克服該工程對水環(huán)境的不利影響，加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

目前，對水體富營養(yǎng)化的研究方法通常運(yùn)用單一參數(shù)法、綜合指數(shù)法等，但是這些方法難以科學(xué)、準(zhǔn)確評估水體富營養(yǎng)化程度，無法準(zhǔn)確的評估水體特性。本研究運(yùn)用主成分分析法對2014年水體營養(yǎng)化狀況進(jìn)行評價分析，找出其主導(dǎo)因子，克服因人為因素對權(quán)重的影響，科學(xué)客觀評估水體富營養(yǎng)程度。同時對2011年蓄水前[6]與2014年蓄水后同期湘江水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行對比，進(jìn)一步研究揭示湘江水利樞紐工程對湘江長沙段水質(zhì)的影響。

2　材料與方法

2.1采樣點(diǎn)確定方法

依據(jù)采樣目標(biāo)分類和采樣斷面設(shè)置的基本原則[7]，同時兼顧采樣的可行性及方便性，確定采樣斷面，本研究江段共設(shè)置六個斷面。如圖1所示，從北至南，分別是丁字鎮(zhèn)斷面、霞凝港斷面、三汊磯大橋斷面、杜甫江閣斷面、黑石鋪大橋斷面、坪塘斷面。根據(jù)長沙市水域功能區(qū)規(guī)劃，其中丁字鎮(zhèn)位于湘江水利樞紐工程壩前，屬于農(nóng)業(yè)用水區(qū)，三汊磯大橋以及霞凝港斷面屬于工業(yè)用水區(qū)，黑石鋪大橋及杜甫江閣屬于飲用水水源一級保護(hù)區(qū)，坪塘斷面屬于飲用水水源二級保護(hù)區(qū)[8,9]。依據(jù)該劃分，其中執(zhí)行Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的為黑石鋪斷面及杜甫江閣斷面，執(zhí)行Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的為坪塘斷面，執(zhí)行Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的為三汊磯斷面、霞凝港、丁字鎮(zhèn)斷面。

圖1　湘江水利樞紐工程及采樣斷面設(shè)置Fig.1　Xiangjiang Riverr conservancy projectand sampling sections setting

2.2水樣采集與測定方法

根據(jù)水體中富營養(yǎng)化藻類垂直分布特征，于斷面中垂線表層以下1m處采集水樣，采樣器為5L不銹鋼采水器。于2013年10月份開始,每個斷面取2 L水樣，放入聚乙烯瓶中保存，每15天一次，持續(xù)一年。在現(xiàn)場測定項(xiàng)目包括pH值、溶解氧(DO)、實(shí)驗(yàn)室測定指標(biāo)為濁度(Turb)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODcr)、葉綠素a(Chla)，均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[10]對上述指標(biāo)進(jìn)行水樣處理與檢測。

2.3數(shù)據(jù)分析

本文運(yùn)用spss17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析[11]，確定對長沙段湘江水域水體富營養(yǎng)化影響較大的因子，將分析得出的主因子與卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式相結(jié)合，計(jì)算該水域富營養(yǎng)化水平。

3　結(jié)果與討論

3.1大壩上游水體富營養(yǎng)化狀況評價

3.1.1水體富營養(yǎng)化的主要影響因子

選取與水體富營養(yǎng)化相關(guān)的7個指標(biāo)DO、COD、Chla、TN、TP、Turb、氨氮7項(xiàng)作為評價湘江長沙段水體富營養(yǎng)化的主導(dǎo)性因子，上述7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果見表1。

輸入spss17.0計(jì)算得出主成分分析結(jié)果見表2，由表2可以看出，前3個主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到75.554%。因此，可以考慮只取前面3個主成分，這樣既簡化了評價系統(tǒng)，也消除了原始信息間的交叉和冗余。3個主成分的因子負(fù)荷情況見表3。

從表2和表3中可看出，第一主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到35.304%，主要體現(xiàn)了Chla和TP的信息，說明湘江長沙段水體中Chla主要受TP和的影響；第二主成分貢獻(xiàn)率為22.608%，反應(yīng)了由DO和TN的信息，可見TN增加可能使得藻類增值，Chla增加，藻類經(jīng)過生長、繁殖、死亡一系列過程能導(dǎo)致DO的下降；第三主成分貢獻(xiàn)率為17.641%，反映了COD的信息，說明該水域中具有生活、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)活動帶來的點(diǎn)源、面源等污染特征。

主成份S1的負(fù)荷量最大因子為TP，因子負(fù)荷量為0.882，S2以及S3的負(fù)荷量最大因子分別為TN和COD，因子負(fù)荷量分別為0.687和0.746。因此，湘江長沙段水體富營養(yǎng)化程度的主導(dǎo)因子是TP、TN和COD。

表1　監(jiān)測斷面2013.11～2014.10每月監(jiān)測指標(biāo)結(jié)果

表2　主成分分析結(jié)果

3.1.2大壩上游湘江水體富營養(yǎng)化的水平分析

依據(jù)卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[12]對湘江長沙段水域進(jìn)行富營養(yǎng)化評價，計(jì)算公式為：

表3　主成分因子負(fù)荷值

(1)

式中：TLI(Σ)-綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj-第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)-代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。各參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)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)計(jì)算得到，其中rij以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，TN、TN、COD為評價因子，結(jié)合表1中實(shí)測數(shù)據(jù)，利用spss17.0計(jì)算評價因子與chla之間的相關(guān)系數(shù)得到，具體見表4。

(6)

式中：rij-第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；m-評價參數(shù)的個數(shù)。

表4　長沙段湘江水域chla與其相關(guān)因子之間的相關(guān)關(guān)系rij及

通過公式(6)和表4，得出各因子新的權(quán)值為

WChla=0.5685

WTP=0.4002

WTN=0.0028

WCOD=0.0285

通過卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式(1)以及新的權(quán)值對6個斷面進(jìn)行營養(yǎng)狀態(tài)評估，結(jié)果見表5。

表5　2013.11～2014.10年長沙段湘江水域各斷面營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)以及富營養(yǎng)化程度評價

根據(jù)表5數(shù)據(jù)表明，該水域富營養(yǎng)化程度除2013年11月和2014年6月處于貧營養(yǎng)狀態(tài)以外，其他均屬于中營養(yǎng)狀態(tài)。

3.22011年、2014年蓄水前后水體中總磷、總氮、化學(xué)需氧量含量對比分析

從表6可以看出，2014年3月至10月期間內(nèi)，長沙段內(nèi)湘江水域TN的平均濃度為2.30mg/L，達(dá)不到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中的Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)，與2011年同期1.51mg/L相比增加51.7%。時間分布上可以看出，各月TN含量均有穩(wěn)步上漲趨勢。受2014年8、9月降雨[13]及水位上升影響，土壤中化肥隨地表徑流進(jìn)入江中，2014年的8、9月TN含量分別達(dá)到2011年8、9月份TN含量的3.17及1.83倍[14]。

從表7中各斷面6個月總氮平均濃度對比可看出，從黑石鋪斷面開始總氮濃度大幅度上漲，霞凝港斷面上漲最為明顯，較2011年相比上漲67.61%，此斷面主要受生活污水排污及上游瀏陽河入水影響。各斷面總氮濃度均超過地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，均為超標(biāo)狀態(tài)。

表6　 2011年及2014年長沙段湘江水域各月TN、TP平均濃度

表7　2011年及2014年長沙段湘江水域各斷面TN、TP 3月～10月平均濃度

從表6中還可看出，2014年3月到10月長沙段內(nèi)湘江水域TP的平均濃度為0.094mg/L，可達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，與2011年同期0.128mg/L相比，下降26.6%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：天然水體中，泥沙對磷有吸附作用強(qiáng)，所以蓄水后因泥沙的大量沉降，致使與泥沙有高相關(guān)性的TP濃度下降[15]。同年里，斷面從南到北，TP平均濃度逐個遞增，丁字鎮(zhèn)TP濃度比坪塘上升了72.5%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于長沙市污水處理廠位于瀏陽河流域、湘江二橋的下游，同時瀏陽河入湘江河口也位于湘江二橋下游，三汊磯大橋的上游，從而使三汊磯及以下斷面磷含量高于上游斷面。因湘江長沙段周圍污水排放以及人類經(jīng)濟(jì)活動無明顯改動，因此TN含量上漲則主要受蓄水后，大量農(nóng)田淹沒，土壤中氮肥隨地表徑流流入湘江的影響。

經(jīng)計(jì)算，水樣中總氮磷比隨水位變化呈良好的相關(guān)性，枯水期3月時總氮磷比出現(xiàn)最大值101，進(jìn)入平水期后氮磷比較為平穩(wěn)，到8、9月份受降雨影響較大，氮磷比有增加趨勢。在2014年6月對水域中溶解性含量進(jìn)行調(diào)查，6個斷面氮磷的溶解態(tài)所在比例都很高，DTN/TN的平均值為70.2%，DTP/TP的平均值為63%，說明湘江水域中氮磷污染很大一部分是以溶解態(tài)方式流入江中，主要受內(nèi)源釋放以及水位上升淹沒農(nóng)田影響，非溶解態(tài)則主要由市區(qū)生活污水以及從瀏陽河的匯入中而來。

圖2　2011年及2014年長沙段湘江水域各斷面COD 3月～10月平均濃度Fig.2　Average concentration of COD in March to october of 2011 and 2014 at Changsha section of Xiangjiang River

從圖8中各斷面的COD數(shù)值變化來看，湘江水利樞紐工程對流域內(nèi)COD值有明顯影響，為明顯上升趨勢。經(jīng)分析，在2014年黑石鋪斷面興建了餐營業(yè)以及娛樂業(yè)，社會經(jīng)濟(jì)活動增加，杜甫江閣除興建餐飲業(yè)外，地處城市中心，有大量生活垃圾被隨意丟棄在岸邊。霞凝港的漲幅，主要因霞凝港斷面雖僅存在捕魚業(yè)，但人為經(jīng)濟(jì)活動并不少，即便河道較寬，加大了對污染物的運(yùn)輸能力，但蓄水后水體更換周期大，不利于COD的降解，從整體看，COD濃度整體呈現(xiàn)流向累積作用，致使丁字鎮(zhèn)斷面增長幅度最大[16]。

4　結(jié)　論

4.1通過對2013.11～2014.10湘江長沙段水域多個主成分指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)和卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析可知，湘江長沙段水體富營養(yǎng)化級別基本上屬于中營養(yǎng)。

4.2在監(jiān)測期間，長沙段內(nèi)湘江水域的TN超標(biāo)率為100%，而其他檢測指標(biāo)存在分時段超出規(guī)定范圍現(xiàn)象；與2011年蓄水前水質(zhì)狀況相比，污染物濃度均有不同程度上升，總氮含量與同期相比增長最多，達(dá)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

張蕊琪(1988-)，女，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)專業(yè)2013級在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗w富營養(yǎng)化及其變化。

鐵柏清，1033663271@qq.com。

X524

A

1001-3644(2015)06-0081-06