許秋瑾,鄭丙輝*,朱延忠,李 涵,蔣麗佳 (.中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊創(chuàng)新基地,北京 000；.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 00083)

三峽水庫的建成將對整個(gè)長江、長江口及沿海水域的環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響.研究表明[1],進(jìn)入蓄水階段后,由于庫區(qū)水體的總磷(TP)、總氮(TN)濃度主要來自上游來水、農(nóng)田徑流和城鎮(zhèn)生活污水,水體污染目前尚未有得到完全控制,蓄水后的干流斷面TP濃度高達(dá)0.1～0.5mg/L,TN濃度為0.8～1.5mg/L[2],同時(shí),庫區(qū)的水文條件也發(fā)生了劇烈變化,蓄水造成水流變緩,壩前深水區(qū)斷面平均流速只有 0.07～0.09m/s,比天然河道斷面平均流速減小近5～10倍,尤其是在一些庫灣以及長期處于回水淹沒區(qū)的支流,受干流頂托作用,局部水體的水流運(yùn)動(dòng)變得十分緩慢,如香溪河、大寧河等.這些支流常年TP、TN濃度均已接近或超過國際上公認(rèn)的發(fā)生富營養(yǎng)化的濃度水平(TP為 0.025,TN為 0.2mg/L),具備發(fā)生富營養(yǎng)化的條件[3-5].富營養(yǎng)化防治已成為三峽水庫水環(huán)境治理與管理的重點(diǎn),而營養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)的制訂以及水體富營養(yǎng)化評價(jià)方法是防治和管理的基礎(chǔ).本研究綜合應(yīng)用國內(nèi)外湖庫營養(yǎng)控制標(biāo)準(zhǔn)的制訂方法以及富營養(yǎng)化的評價(jià)方法[6-12],提出了改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法,并對三峽庫區(qū)支流進(jìn)行了富營養(yǎng)化評價(jià),以期為三峽水庫的富營養(yǎng)化防治及水環(huán)境管理提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域的自然概況

三峽水庫(106°～111°50′E,28°30′～31°50′N),東起湖北省宜昌,西至重慶巴縣,涉及重慶市和湖北省的19個(gè)縣市,庫區(qū)面積5.4萬km2.庫區(qū)屬于濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫 17～19℃,1月平均溫度3.6～7.3℃,氣候條件有利于藻類的生長.水庫為典型的河道型水庫,長 660km,水面寬為700～1700m,平均水深 90m,面積約 1084km2[13].水庫建成后正常蓄水位 175m,汛期防洪限制水位145m,枯季消落最低水位155m.水庫總庫容和防洪庫容分別為393,221.5億m3.入庫多年平均徑流量 2692億 m3,出庫多年平均徑流量 4292億

m3,79%的徑流量集中在汛期 6～10月份.庫區(qū)支流豐富,僅在重慶市域流域面積大于 100km2的支流就有207條.

1.2 采樣及分析方法

三峽水庫入庫河流主要有大寧河、香溪河、梅溪河等31條支流,依據(jù)回水長度布設(shè)了50個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn),其中苧溪河布設(shè)了5個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn),草堂河、梅溪河、湯溪河及朱衣河各布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn),長灘河、磨刀溪、渠溪河和神龍溪各布設(shè)了2個(gè)監(jiān)測點(diǎn),其余支流布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn).從2005～2007年,共進(jìn)行了3年的連續(xù)監(jiān)測分析,采樣頻率為一年6次或12次,共獲取有效監(jiān)測數(shù)據(jù)600余組.

葉綠素 a(chla)的測定采用丙酮萃取分光光度法測定;透明度采用塞氏盤法測定;總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;總磷采用鉬酸銨分光光度法測定,COD采用高錳酸鹽指數(shù)法測定[14].

1.3 評價(jià)方法

選取葉綠素a、總磷、總氮、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的濃度值[10,12-13,15],分別計(jì)算三峽庫區(qū)支流單項(xiàng)指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI).

式中:TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)為第 j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重.

可由一些評價(jià)參數(shù)作為基準(zhǔn)參數(shù),對其他評價(jià)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析后,對相關(guān)系數(shù)歸一化得出相關(guān)的權(quán)重.

式中: rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù);m為評價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù).

采用 0～100的一系列連續(xù)數(shù)值對水體營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(表1).

表1 水體營養(yǎng)狀態(tài)分級Table 1 Classification of water nutritional status

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽控制指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

參考國際慣例[7],chla取 1.6,10.0,26.0,60.0, 160.0mg/m3分別為貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、中富營養(yǎng)、重富營養(yǎng)的上限表征值,分別將chla、TN、TP、SD和CODMn在各個(gè)營養(yǎng)級的50%特征值(能比較好地代表水體的總體狀況)和國際慣例規(guī)定的chla的特征值取自然對數(shù),并按照營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI上限在貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、中富營養(yǎng)、重富營養(yǎng)和異常富營養(yǎng)分別賦值為:30,50,60,70,80,得出如下關(guān)系:

通過對所有支流的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,葉綠素與TN、TP、SD和CODMn的相關(guān)系數(shù)分別為: r12= 0.346, r13= 0.478, r14= -0.112,r15= 0.554.故其權(quán)重分別為:

2.2 三峽庫區(qū)支流和我國部分湖泊的比較

將本研究改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法獲得的營養(yǎng)指數(shù)關(guān)系式與“七五”期間調(diào)查的26個(gè)湖泊[16]得出的湖庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定的方法的關(guān)系式進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者存在差異(表2).原因是三峽水庫有其自身的水環(huán)境特征,與 26個(gè)湖泊存在較大的差異,如研究表明水力條件是影響三峽水庫富營養(yǎng)特征的主要因素[17-19].由于本研究得出的公式是針對三峽庫區(qū)支流的數(shù)據(jù),通過統(tǒng)計(jì)方法得出的,因此更有針對性,更能真實(shí)反映庫區(qū)富營養(yǎng)化的狀況.

表2 三峽庫區(qū)支流和我國部分湖泊參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)比較Table 2 Nutrient status index compared tributaries of Three Gorges Reservoir with several lakes

由表3可見,三峽庫區(qū)支流和我國26個(gè)湖泊的參數(shù)[16]與chla的相關(guān)關(guān)系rij及權(quán)重存在較大差異,26個(gè)湖泊chla和TN、TP、CODMn的相關(guān)系數(shù)都在0.8以上,而三峽水庫支流chla與SD的相關(guān)系數(shù)只有0.11.從權(quán)重分析,三峽水庫支流的TP和CODMn的權(quán)重比TN和SD大,分別達(dá)到0.137和0.184.

表3 三峽庫區(qū)支流和我國部分湖泊的參數(shù)與Chla的相關(guān)關(guān)系rij及權(quán)重的比較Table 3 Correlation and weighting coefficient Compared tributaries of Three Gorges Reservoir with several lakes

2.3 應(yīng)用改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)

利用改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)關(guān)系式對三峽庫區(qū)2005～2007年31條支流共600余組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算,在統(tǒng)計(jì)的有效數(shù)據(jù)中,數(shù)據(jù)達(dá)到富營養(yǎng)化水平的有331組,占總數(shù)據(jù)的55.17%,達(dá)到貧營養(yǎng)水平的數(shù)據(jù)43組,占總數(shù)據(jù)的7.17%.調(diào)查期間各支流主要處于中-富營養(yǎng)水平,支流富營養(yǎng)化趨勢明顯加劇.

利用本文得出的改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)的關(guān)系式,進(jìn)行支流營養(yǎng)狀態(tài)月變化趨勢分析,表明各支流在4～9月的平均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值較大(圖1),均達(dá)到富營養(yǎng)化水平,其中在8月份出現(xiàn)最大值為 55.43,達(dá)到富營養(yǎng)化水平,顯示春夏季節(jié)庫區(qū)支流發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)較高.與4～9月份的高風(fēng)險(xiǎn)水平相比,1～3月份和10月份綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相對較低,由此可見,4～9月份應(yīng)為控制庫區(qū)富營養(yǎng)化發(fā)生的敏感時(shí)期.

應(yīng)用改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法以及湖庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定的方法對庫區(qū)各支流在富營養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)較高的 4～9月份數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)分析.由圖 2可見,利用湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價(jià)方法[16]進(jìn)行評價(jià),庫區(qū)所有支流均發(fā)生富營養(yǎng)化,且平均營養(yǎng)水平達(dá)中-重富營養(yǎng)化程度,此結(jié)果與庫區(qū)支流真實(shí)的營養(yǎng)鹽水平不符.而利用本文改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行評價(jià),30條支流中,有19條支流的平均營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)處于富營養(yǎng)化水平,11條支流的平均營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)處于中營養(yǎng)水平,結(jié)果更真實(shí)可靠.

圖1 應(yīng)用改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法所得庫區(qū)支流營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)月變化趨勢Fig.1 Nutrient index trend of tributaries of Three Gorges Reservoir applied method of improved comprehensive nutrient status index

圖2 峽庫區(qū)各支流4～9月份綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化Fig.2 Variety of comprehensive nutrient status index from April to September in tributaries of Three Gorges Reservoir

3 結(jié)論

3.1 針對三峽水庫支流的富營養(yǎng)化控制與治理,提出了改進(jìn)的綜合指數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法,并對三峽庫區(qū)支流進(jìn)行了富營養(yǎng)化綜合評價(jià),評價(jià)結(jié)果顯示庫區(qū)支流主要處于中營養(yǎng)水平,支流富營養(yǎng)化有明顯加劇的趨勢,庫區(qū)支流在4～9月的平均綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值較大,4～9月份應(yīng)為控制庫區(qū)支流富營養(yǎng)化發(fā)生的敏感時(shí)期.

3.2 與目前國內(nèi)傳統(tǒng)的由“七五”期間調(diào)查的26個(gè)湖泊總結(jié)得出的“湖庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定”[16]的評價(jià)方法相比,改進(jìn)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)校驗(yàn)法更適合三峽水庫支流富營養(yǎng)化的評價(jià),更具有針對性,這應(yīng)是三峽水庫作為河流型水庫,由其自身特有的水環(huán)境特點(diǎn)決定的.

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