南水北調(diào)中線工程調(diào)水前后漢江中下游干流水質(zhì)變化特征

張怡雅，袁 飛，張利敏，謝子琪

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

南水北調(diào)中線工程的正式運(yùn)行有效緩解了我國北方地區(qū)水資源短缺問題，但可能惡化漢江中下游區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量[1]。調(diào)水后丹江口水庫下泄總水量減少，水體自凈能力和水環(huán)境容量降低，可能加重水質(zhì)污染。漢江中下游自1992年第一次暴發(fā)水華至今已發(fā)生10多次水華現(xiàn)象[2-4]。近年來國內(nèi)學(xué)者針對漢江中下游區(qū)的水質(zhì)開展了評價，目前水質(zhì)評價方法主要包括污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評價法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[5-8]。馬京久等[9]采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析了漢江中下游2001—2014年5個監(jiān)測斷面5項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)漢江中下游水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢，但石剅斷面水質(zhì)呈變差趨勢。謝平等[10]采用單項(xiàng)指標(biāo)法計(jì)算了調(diào)水前后漢江中下游區(qū)豐、平、枯水期的水質(zhì)超標(biāo)率，發(fā)現(xiàn)南水北調(diào)中線工程運(yùn)行可能導(dǎo)致漢江中下游的水質(zhì)明顯惡化，且對枯水期的水質(zhì)影響最為顯著。肖嬋等[11]基于斷面水質(zhì)序列，推算了調(diào)水后斷面水質(zhì)并評價其水質(zhì)類別，發(fā)現(xiàn)調(diào)水工程明顯影響漢江中下游水質(zhì)，且對枯水期水質(zhì)影響較為顯著。高永年等[12]構(gòu)建了南水北調(diào)中線工程對漢江中下游流域生態(tài)環(huán)境影響的綜合評價指標(biāo)體系，發(fā)現(xiàn)調(diào)水工程會對漢江中下游區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。竇明等[13]從生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，重點(diǎn)評價了南水北調(diào)中線工程對漢江中下游水環(huán)境容量的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)水后漢江中下游水環(huán)境容量降低，水體自凈能力也隨之降低。張勝等[14]采用綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價了漢江中下游豐、枯水期水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)漢江中下游大多數(shù)斷面豐水期污染程度大于枯水期。

目前多數(shù)相關(guān)研究主要基于南水北調(diào)東線工程調(diào)水前的水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法預(yù)測調(diào)水后漢江中下游區(qū)的水質(zhì)情勢，較少通過對比調(diào)水前后的實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)來評價南水北調(diào)東線工程調(diào)水前后漢江中下游區(qū)的水環(huán)境變化特征，且目前關(guān)于調(diào)水后漢江中下游區(qū)水質(zhì)的研究較少。本文收集了南水北調(diào)中線工程調(diào)水前后(2013—2020年)漢江中下游11個監(jiān)測斷面長時間序列水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法以及水污染指數(shù)法，綜合分析調(diào)水前后漢江中下游區(qū)水質(zhì)變化特征及其成因，為漢江水資源合理開發(fā)利用和水資源保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

漢江發(fā)源于陜西秦嶺南麓，全長1 570 km，干流流經(jīng)陜西、湖北，為長江最大的支流，流域面積15.9萬km2，年徑流量為577億m3。本文選取漢江中下游干流河道為研究區(qū)。隨著漢江流域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，漢江中下游水體有機(jī)污染不斷加重，水環(huán)境水生態(tài)壓力加大，枯季暴發(fā)了多次水華事件[15-16]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)主要來源于：①中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的漢江中下游干流11個水質(zhì)監(jiān)測斷面2013年1月至2019年1月的CODMn和NH3-N月序列數(shù)據(jù)。11個監(jiān)測斷面為沈?yàn)?、白家灣、余家湖、轉(zhuǎn)斗、皇莊、羅漢閘、岳口、石剅、小河、宗關(guān)(圖1)，均屬于國控斷面，具有一定的代表性；②中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的漢江中下游干流9個水質(zhì)監(jiān)測斷面(石剅和宗關(guān)斷面缺測)2019年1月1日0時至2020年7月26日7時CODMn、NH3-N、TP和TN數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)觀測間隔時間為4 h；③漢江中下游區(qū)黃家港、皇莊、仙桃水文站1987—2019年的日流量數(shù)據(jù)以及2011—2019年《湖北省水資源公報》中漢江中下游沿線各地市的入河排污量數(shù)據(jù)。

圖1 漢江中下游干流河道水質(zhì)監(jiān)測斷面和水文站點(diǎn)

2.2 研究方法

采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法以及水污染指數(shù)法分析調(diào)水前(2013年1月至2014年12月)和調(diào)水后(2015年1月至2019年1月)漢江中下游典型斷面水質(zhì)指標(biāo)的變化特征。其中單因子指數(shù)法[16]針對特定水質(zhì)評價因子進(jìn)行評價，識別其水質(zhì)類別，但側(cè)重評價單一指標(biāo)的影響；綜合污染指數(shù)法[17]綜合考慮了多種水質(zhì)評價因子的影響，并劃分出不同的水質(zhì)等級；水污染指數(shù)法[18]在以上2種方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識別水體主要污染指標(biāo)，剖析調(diào)水前后水質(zhì)指標(biāo)的變化特征。3種方法定性和定量評價相結(jié)合，綜合評價南水北調(diào)中線工程對漢江中下游區(qū)水質(zhì)的影響。

2.2.1單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是一種簡單的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法。該方法根據(jù)水體各評價因子的監(jiān)測結(jié)果對照該項(xiàng)目的分類標(biāo)準(zhǔn)，確定其水質(zhì)類別，對各水質(zhì)因子進(jìn)行單獨(dú)評價。單因子指數(shù)法對影響水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測指標(biāo)實(shí)行“一票否決”，其計(jì)算公式為

(1)

式中：Pi為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的單因子污染指數(shù)；Ci為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測值；Coi為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2.2綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是在單因子污染指數(shù)的基礎(chǔ)上對水質(zhì)狀況進(jìn)行分級評價，綜合考慮了多種水質(zhì)評價因子的影響，克服了單因子指數(shù)法的局限性，使評價結(jié)果更為全面。本文采用均值綜合污染指數(shù):

(2)

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pi為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的單因子污染指數(shù)；n為水質(zhì)指標(biāo)總數(shù)。表1為均值綜合污染指數(shù)水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[19]。

表1 均值綜合污染指數(shù)水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3水污染指數(shù)法

水污染指數(shù)法基于各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)分別計(jì)算水污染指數(shù)I，并選取各斷面水質(zhì)指標(biāo)水污染指數(shù)的最大值作為該斷面的I值。

對于Ⅰ～Ⅴ類水質(zhì)，I采用下式計(jì)算：

(3)

式中：Ii為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水污染指數(shù)；Ci、CiL、CiU分別為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測濃度值、水質(zhì)項(xiàng)目所在類別標(biāo)準(zhǔn)下限濃度值和上限濃度值；IiL、IiU分別為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)的下限濃度值和上限濃度值對應(yīng)的I值。

超過Ⅴ類水質(zhì)時，I采用下式計(jì)算：

(4)

式中Ci5為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)濃度上限值。

將各斷面水污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果與GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ類水質(zhì)對應(yīng)的I值分別為：≤20、(20,40]、(40,60]、(60,80]、(80,100]和>100)對比，判別該斷面的水質(zhì)類別，并依據(jù)水污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果對水體主要污染指標(biāo)進(jìn)行識別。針對水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類的斷面，不篩選主要污染指標(biāo)；針對劣于Ⅲ類的斷面，取水污染指數(shù)最大值對應(yīng)的指標(biāo)作為該斷面的主要污染指標(biāo)。

采用超標(biāo)率η[20]分析漢江中下游關(guān)鍵斷面水質(zhì)的變化情勢：

(5)

式中：m為斷面水質(zhì)劣于目標(biāo)水質(zhì)的樣本數(shù)；M為研究時段水質(zhì)數(shù)據(jù)的樣本數(shù)。根據(jù)湖北省地表水水質(zhì)月報選用的水質(zhì)達(dá)標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，選取地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)水質(zhì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于月尺度的污染物指數(shù)評價

3.1.1單因子指數(shù)法評價結(jié)果

采用單因子法評價了2013年1月至2019年1月期間調(diào)水前后漢江中下游11個監(jiān)測斷面的CODMn和NH3-N污染情況(圖2)。調(diào)水后除宗關(guān)以外10個斷面的CODMn單因子污染指數(shù)和除石剅以外10個斷面的NH3-N單因子污染指數(shù)均較調(diào)水前呈不同程度的增大，其中羅漢閘、新溝閘的CODMn和NH3-N的單因子污染指數(shù)均大于1，水質(zhì)污染最為嚴(yán)重。羅漢閘位于竹皮河下游，為荊州市主要納污河流，目前已喪失水資源利用價值，水質(zhì)劣于Ⅴ類；新溝閘緊鄰東荊河[21]，調(diào)水后河流水量減少，氣溫持續(xù)升高，加之沿江城鎮(zhèn)排放的工業(yè)、生活廢水富含氮、磷等營養(yǎng)物，使水質(zhì)富營養(yǎng)化，導(dǎo)致小環(huán)藻暴發(fā)，水質(zhì)受到了污染。

圖2 調(diào)水前后漢江中下游各斷面單因子污染指數(shù)

3.1.2綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

基于調(diào)水前后漢江中下游11個監(jiān)測斷面各監(jiān)測指標(biāo)的單因子污染指數(shù)，計(jì)算其均值綜合污染指數(shù)，對比分析調(diào)水后綜合污染指數(shù)的變化情勢，對水質(zhì)狀況進(jìn)行分級評價。如圖3所示，漢江中下游11個斷面的綜合污染指數(shù)在調(diào)水前為0.37～0.55，調(diào)水后為0.50～2.64，其中輕度污染斷面占81.8%，重度污染和嚴(yán)重污染斷面各占9.1%，整體上各斷面(除石剅)綜合污染指數(shù)高于調(diào)水前，其中新溝閘綜合污染指數(shù)為2.64，較調(diào)水前增大2.09，屬于嚴(yán)重污染斷面；羅漢閘綜合污染指數(shù)為1.31，較調(diào)水前增大0.86，屬于重度污染斷面。由此可見，調(diào)水后漢江中下游水質(zhì)污染加重。

圖3 調(diào)水前后漢江中下游各斷面綜合污染指數(shù)

3.1.3水污染指數(shù)法評價結(jié)果

圖4為調(diào)水前后漢江中下游11個監(jiān)測斷面水污染指數(shù)的變化情況。由圖4可知：調(diào)水前除新溝閘和宗關(guān)斷面水質(zhì)為Ⅲ類以外，其他斷面水污染指數(shù)均維持在20～40，水質(zhì)為Ⅱ類；調(diào)水后，沈?yàn)?、白家灣、余家湖、轉(zhuǎn)斗、皇莊、岳口和石剅斷面水污染指數(shù)維持在20～40，水質(zhì)為Ⅱ類；小河和宗關(guān)斷面水污染指數(shù)值維持在40～60，水質(zhì)為Ⅲ類；羅漢閘和新溝閘屬于污染嚴(yán)重斷面，其水污染指數(shù)值分別為84和168，水質(zhì)類別分別為Ⅳ類和劣Ⅴ類。根據(jù)水污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果識別水體主要污染指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)羅漢閘和新溝閘的主要污染物為NH3-N，其主要來源于農(nóng)產(chǎn)區(qū)的化肥等面源污染物以及城市生活污水任意排放[21]。

圖4 調(diào)水前后漢江中下游各斷面水污染指數(shù)

依據(jù)水污染指數(shù)計(jì)算各水質(zhì)類別斷面的占比如圖5所示。由圖5可知：調(diào)水前各斷面以Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì)為主，新溝閘和宗關(guān)為Ⅲ類水質(zhì)，表明調(diào)水前漢江中下游水環(huán)境質(zhì)量總體較優(yōu)；調(diào)水后，Ⅲ類水質(zhì)新增了羅漢閘和小河斷面，新溝閘出現(xiàn)Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ類水質(zhì)，表明南水北調(diào)中線工程對漢江中下游水質(zhì)產(chǎn)生了一定影響。除了受調(diào)水工程影響外，水質(zhì)惡化還可能受沿岸城鎮(zhèn)、工廠等污水排放的影響[22]。

圖5 調(diào)水前后漢江中下游各水質(zhì)類別斷面占比

3.2 關(guān)鍵斷面2019—2020年水質(zhì)狀況分析

由于中國環(huán)境監(jiān)測總站僅發(fā)布了2019年以來漢江中下游典型斷面短時間尺度(4 h)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，為剖析漢江中下游2019—2020年短時間尺度的水質(zhì)情勢，本文統(tǒng)計(jì)了2019年1月1日0時至2020年7月26日7時漢江中下游9個監(jiān)測斷面CODMn、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)指標(biāo)的超標(biāo)次數(shù)及超標(biāo)率(表2)，發(fā)現(xiàn)：TN是漢江中下游各監(jiān)測斷面的主要污染物，超標(biāo)率在65.5%～99.95%之間，自中游至下游水質(zhì)污染未呈現(xiàn)明顯的增大或減小趨勢，其中余家湖和岳口斷面污染最為嚴(yán)重，超標(biāo)率均在99%以上；CODMn污染嚴(yán)重程度次之，TP的超標(biāo)率最低；TP、CODMn和NH3-N自中游到下游沿途水質(zhì)污染呈上升趨勢，下游新溝閘斷面污染最為嚴(yán)重。據(jù)此建議漢江中下游區(qū)應(yīng)實(shí)施嚴(yán)格的TN排放控制。

圖6為2019年1月至2020年6月間CODMn、NH3-N、TN、TP在各月的超標(biāo)率。由圖6可知：TN為漢江中下游區(qū)各時間段的主要污染物，其中2019年11月至2020年4月污染情況最為嚴(yán)重，平均超標(biāo)率均在95%以上；CODMn的污染程度次之，其污染時段較為分散；NH3-N污染較為嚴(yán)重時段主要集中在2019年1月、3月和4月，平均超標(biāo)率在60%以上；TP污染程度較低，除2019年3月外其余月份超標(biāo)率均在5%以下。

圖6 漢江中下游CODMn、NH3-N、TN和TP超標(biāo)率

3.3 水質(zhì)變化原因分析

a.水利樞紐的影響。南水北調(diào)中線工程調(diào)水后，丹江口水庫下泄總水量減少，漢江中下游水體輸送污染物的能力降低，水資源承載力減弱，水環(huán)境質(zhì)量趨于惡化。根據(jù)2011—2019年黃家港、皇莊和仙桃站流量資料，繪制年平均流量過程線(圖7)，發(fā)現(xiàn)黃家港、皇莊、仙桃站年均流量年際變化波動較大，調(diào)水后總體呈下降趨勢，其均值由調(diào)水前的1 178.1 m3/s、971.6 m3/s和982.4 m3/s分別降為1 058.9 m3/s、770.6 m3/s和957.6 m3/s。此外，流域內(nèi)己建成王甫洲、崔家營和興隆梯級水利樞紐[15]。受水庫群調(diào)蓄作用影響，漢江中下游多年平均下泄流量減少，污染物的擴(kuò)散和分解能力降低，再加上水流速度的減小，導(dǎo)致水環(huán)境容量減小，污染物濃度增大。

圖7 漢江中下游區(qū)典型水文站年平均流量過程線

b.漢江中下游干流入河排污量的影響。漢江中下游干流流經(jīng)襄陽、十堰等7個主要城市，其中襄陽、荊門和孝感市污染源分布密集。表3為2011—2019年湖北省漢江中下游涉及行政區(qū)的入河排污量，可以看出：調(diào)水后，漢江中下游流經(jīng)的多數(shù)城市入河排污量均高于調(diào)水前，其均值由調(diào)水前的115 903萬t/a增加到129 588萬t/a，且主要集中在襄陽、荊門和孝感市，其中襄陽市入河排污量最多，且2013—2018年逐年增加，天門市入河排污量較少。

表3 2011—2019年湖北省有關(guān)城市入河排污量 單位:萬t/a

4 結(jié) 語

2014年南水北調(diào)中線工程調(diào)水后，漢江中下游區(qū)11個典型斷面的月尺度污染指數(shù)均有不同程度的增大，水體污染程度加重；TN是漢江中下游各監(jiān)測斷面的主要污染物，超標(biāo)率在65.5%～99.95%，且2019年11月至2020年4月水質(zhì)污染情況最為嚴(yán)重，平均超標(biāo)率均在95%以上；TP、CODMn和NH3-N自中游到下游沿途水質(zhì)污染呈上升趨勢，下游新溝閘斷面污染最為嚴(yán)重。

漢江中下游區(qū)水環(huán)境數(shù)據(jù)獲取難度較大，可能存在統(tǒng)計(jì)樣本代表性欠缺的問題。今后將持續(xù)收集水環(huán)境數(shù)據(jù)，延長資料序列長度，以提高樣本的代表性。此外水質(zhì)的變化還受到營養(yǎng)鹽、點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染等因素的影響，今后需綜合考慮這些因素對漢江中下游區(qū)水質(zhì)的影響作用。

漢江中下游干流河道水質(zhì)除了受調(diào)水工程和水庫群調(diào)度影響外，還受沿岸城鎮(zhèn)、工廠等污水排放以及支流匯入的影響。為提升漢江中下游干流河道水環(huán)境質(zhì)量，建議加強(qiáng)漢江中下游沿岸的減排控制措施，如優(yōu)化漢江中下游排污口[23]，減少污染物排放量，以降低水質(zhì)污染濃度。