李 昆，李兆華，陳紅兵，李艷薔，余曉妹，王 玲，梅 新

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062)

河流水質(zhì)系統(tǒng)是自然與社會(huì)系統(tǒng)綜合作用的復(fù)合系統(tǒng)，是反應(yīng)水體質(zhì)量狀況的指標(biāo)，其內(nèi)容包括各種水體中的天然本底值、河流攜帶的懸浮物、水中污染物等的含量和成分及其變化.水質(zhì)變化不僅反映了各種自然因素如氣象水文特征、流域特征、地質(zhì)狀況等在河流中形態(tài)表征的變化，同時(shí)也體現(xiàn)了流域范圍內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)對(duì)河流水系作用的響應(yīng)[1].隨著水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，從水環(huán)境變化與人類社會(huì)發(fā)展相互作用和耦合的角度出發(fā)，河流水質(zhì)變化的研究已成為世界各國眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題[2].1990s 后隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球水體污染變得越來越嚴(yán)重，水質(zhì)研究的方法和模式呈現(xiàn)多元化，出現(xiàn)了各種數(shù)學(xué)方法和模型來分析水質(zhì)問題和預(yù)測(cè)未來水質(zhì)的演化趨勢(shì)，對(duì)全球水質(zhì)的研究給予了巨大的貢獻(xiàn)[3-4].我國水質(zhì)分析的研究方向主要集中在大江、大河、湖泊和地下水方面，研究中重視的是天然水離子的變化，污染指標(biāo)方面的研究較少或不夠全面[5]，對(duì)于波動(dòng)性大、穩(wěn)定性差、分異性強(qiáng)的小流域水質(zhì)空間變異性的研究尚不多見[6].

丹江口水庫是亞洲最大的人工淡水湖，是國內(nèi)水質(zhì)最好的大型水庫之一，按地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)估，庫區(qū)水質(zhì)達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，是南水北調(diào)中線的理想水源地[7]，對(duì)其研究基本集中在丹江口庫區(qū)水質(zhì)及其下游徑流的特性等方面[8-10]，但是對(duì)其上游的武當(dāng)山境內(nèi)由社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口變化造成庫區(qū)上游河流逐漸加重的污染狀況卻研究較少.隨著武當(dāng)山城區(qū)的發(fā)展，作為唯一流經(jīng)城區(qū)的劍河成為納污水體，污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化，成為旅游景觀的一大詬病，沿岸人民生活受到影響，同時(shí)對(duì)丹江口庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生污染，使南水北調(diào)中線工程得不到水源保障.本文依據(jù)劍河45 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)、劍河流域內(nèi)各污染源的排放量和排污口的情況，以對(duì)劍河流域的水質(zhì)空間差異、富營養(yǎng)化程度和污染原因等方面進(jìn)行較詳盡和全面的分析，克服了以往逐點(diǎn)評(píng)價(jià)水體的片面性，揭示了流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的影響，為今后制定水資源可持續(xù)開發(fā)利用規(guī)劃、流域水污染控制和水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)，以改善城區(qū)水生態(tài)環(huán)境，消除對(duì)南水北調(diào)水源地的污染，實(shí)現(xiàn)“清水入庫、清水北送”的目標(biāo).

1 研究區(qū)概況

劍河(32°23' ～32°35'N，110°55' ～111°14'E)位于丹江口水庫上游的武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)內(nèi)，流域面積47.2 km2，河道狹窄，陡坡水流湍急，屬山溪性河流，主河道長(zhǎng)度為26.5 km，流域內(nèi)多年平均降雨量為885.7 mm，降水總量為4129.5×104m3.由龍?zhí)犊谔庍M(jìn)入城區(qū)至喬家院橋處出城流入太極湖河段，最后順流而下匯入丹江口水庫.依據(jù)國務(wù)院《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持規(guī)劃》(國函[2006]10 號(hào))、《湖北省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》(鄂政辦發(fā)〔2000〕10 號(hào))和十堰市環(huán)境保護(hù)局的實(shí)際要求將其分為4 段:上游劍河水庫河段(發(fā)源于武當(dāng)山東麓倒開門，止于劍河水庫水壩)全長(zhǎng)17 km，管理目標(biāo)Ⅱ類水質(zhì);中游自然河段(劍河水庫水壩至龍?zhí)犊?全長(zhǎng)1 km，管理目標(biāo)Ⅲ類水質(zhì);下游城區(qū)河段(龍?zhí)犊谥羻碳以簶蛱?全長(zhǎng)5 km，中間布有5 個(gè)橡皮壩，管理目標(biāo)Ⅳ類水質(zhì);太極湖河段(喬家院橋至太極湖生態(tài)截污閘)全長(zhǎng)3.5 km，管理目標(biāo)Ⅲ類水質(zhì).劍河于2011年納入丹江口庫區(qū)上游河流監(jiān)測(cè)范圍，流域內(nèi)總?cè)丝?.85 萬，其中城鎮(zhèn)人口2 萬，流動(dòng)的旅游人口每年210 萬，有5 家規(guī)模以上的工業(yè)企業(yè)是以劍河為受納水體，其中有一家位于太極湖左岸，污水未經(jīng)處理直接排入太極湖.劍河兩岸鋪設(shè)污水收集管道，左岸污水進(jìn)入太極湖右岸的污水處理廠，右岸污水因管道的缺失在喬家院處排入劍河，但是以暗管形式進(jìn)行排污的排污管道共有38 個(gè)，全部分布在下游地區(qū).

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)檢測(cè)和分析數(shù)據(jù)來自實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室分析;排污口數(shù)量及排污類型來源于實(shí)地調(diào)查;劍河流域內(nèi)各污染源的排放量數(shù)據(jù)來源于武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)污染普查生活源檔案、武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)污染普查工業(yè)污染源檔案、武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年報(bào)、武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)環(huán)境質(zhì)量年報(bào)及其它相關(guān)報(bào)表.

2.2 研究方法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3838-2002)為參照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合劍河的基礎(chǔ)資料，運(yùn)用GPS 對(duì)劍河流域的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行定位.因上游地區(qū)自然河床內(nèi)的河水清澈，僅在劍河水庫處布設(shè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面;中游地區(qū)水質(zhì)較好，在此布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面;下游地區(qū)流經(jīng)城區(qū)，水質(zhì)污染嚴(yán)重，兩岸分布大量小型排污口，在龍?zhí)犊谔幉荚O(shè)第1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，隨后每隔150 m 左右布置下一個(gè)斷面，另外在每一個(gè)暗管排污口處增加1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共設(shè)28 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面;太極湖河段水面寬廣，排污口較少，小區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)變化平緩，故每隔300 m 左右布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共設(shè)14 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面至太極湖生態(tài)截污閘處結(jié)束(圖1).于2011年11月在上述監(jiān)測(cè)斷面采集瞬時(shí)水樣，水樣的保存與運(yùn)輸、采樣體積及使用容器、洗滌方法嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行[11].化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)分別采用酸性重鉻酸鉀法(GB/T 11914-1989)、堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計(jì)法(GB/T 11894-1989)、鉬銻抗分光光度法(GB/T 11893-1989)和納氏試劑分光光度法(GB/T 7479-1987)測(cè)定，所有樣品均設(shè)置2 個(gè)平行樣，測(cè)量分析的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均保持在5%以內(nèi).同時(shí)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論和方法，結(jié)合研究區(qū)河流的人為用途、水域生態(tài)保護(hù)及生物多樣性的要求，對(duì)河流水質(zhì)的空間變異性進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物可能的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析.

圖1 劍河水體監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)Fig.1 Distribution of monitoring sections in Jianhe River

3 結(jié)果

3.1 總氮

TN 在劍河流域內(nèi)均為劣Ⅴ類水質(zhì)，沒有達(dá)到管理目標(biāo)，污染非常嚴(yán)重，最大值為31#斷面的13.51 mg/L，最小值為2.27 mg/L，平均值為6.29 mg/L，龍?zhí)犊诟浇乃|(zhì)TN 含量相對(duì)較低，整個(gè)下游呈增加的趨勢(shì)，太極湖河段總體呈下降的趨勢(shì)，在喬家院橋處的30#、31#斷面和污水處理廠出水口處的37#監(jiān)測(cè)斷面的TN濃度顯著增加(圖2).

3.2 氨氮

NH3-N 空間變異趨勢(shì)與TN 具有極其相似的規(guī)律，但是其在上游和中游分別達(dá)到地表水Ⅱ類和Ⅲ類管理目標(biāo)，下游河段NH3-N 濃度逐漸增大，合格率僅為18%，太極湖河段全部不合格但總體呈下降趨勢(shì);最大值為31#斷面的13.31 mg/L，最小值為0.25 mg/L，平均值為3.85 mg/L，從第一號(hào)橡膠壩前400 m 左右的14#點(diǎn)往后大部分屬于劣Ⅴ類水，在30#、31#和37#斷面變化較大(圖2).

3.3 化學(xué)需氧量

CODCr在上游和中游合格，在下游和太極湖河段的合格率為64%和29%.最大值出現(xiàn)在19#監(jiān)測(cè)斷面，為95.5 mg/L，最小值出現(xiàn)在24#斷面，為7 mg/L，平均值為34.43 mg/L.龍?zhí)犊诟浇腃ODCr含量較低，15#～23#斷面間的濃度處于較高水平，30#、36#、37#斷面的濃度急劇加大.在第一號(hào)橡膠壩前200 m 左右的15#斷面至第三號(hào)橡膠壩附近的23#斷面之間的CODCr含量全部超過地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn).流域內(nèi)沿程變化呈先升后降趨勢(shì)，但是波動(dòng)較大，在太極湖生態(tài)截污閘前達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖2).

3.4 總磷

圖2 劍河水質(zhì)參數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of water quality parameters along Jianhe River

TP 的空間變異趨勢(shì)是在上游和中游分別達(dá)到地表水Ⅱ類和Ⅲ類管理要求，下游河段TP 含量逐漸增大，達(dá)到Ⅳ類水管理目標(biāo)的有18 個(gè)，合格率為64%;太極湖河段TP 含量相對(duì)較低，大部分達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，合格率為71%;最大值出現(xiàn)在30#監(jiān)測(cè)斷面，為0.79 mg/L，最小值出現(xiàn)在4#斷面，為0.01 mg/L，平均值為0.24 mg/L，總體變化較為平緩(圖2).

4 討論

根據(jù)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)[12]，劍河水質(zhì)全部為劣Ⅴ類，水質(zhì)空間變異的根本原因是人類活動(dòng)造成營養(yǎng)物質(zhì)的大量輸入和河流的自凈能力有限.營養(yǎng)物質(zhì)的來源有城鄉(xiāng)生活污水、旅游污水和工業(yè)污水;農(nóng)業(yè)土壤中流失的肥料;畜禽養(yǎng)殖業(yè)中排出的畜禽糞便;沉積物中氮和磷的釋放等.

1)劍河上游的劍河水庫監(jiān)測(cè)斷面只有TN 超標(biāo)，呈劣Ⅴ類，污染比較嚴(yán)重，但是其NH3-N 含量很低，初步斷定是劍河水庫存在不合理的投肥養(yǎng)魚行為造成TN 暫時(shí)性超標(biāo)現(xiàn)象[13-14]，同時(shí)其生態(tài)結(jié)構(gòu)單一而薄弱，水生生物生長(zhǎng)區(qū)域小、水體透明度小，大量的沉水植物和其他水生生物的生長(zhǎng)受到限制，從而在投肥后影響劍河水庫的生態(tài)系統(tǒng)，減弱其物質(zhì)的循環(huán)和交換，使其水體自凈能力下降，難以完全降解和消化氮元素，導(dǎo)致水質(zhì)惡化.

2)中游河段的水質(zhì)空間變化平穩(wěn)，污染物濃度較上游有所下降，除TN 受上游水質(zhì)影響未達(dá)標(biāo)外，其余各污染因子均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于中游河段為自然河堤，沿岸為山谷，沒有各種工業(yè)和農(nóng)業(yè)等因素的干擾，通過水體的自然降解使污染物含量逐漸降低.

3)下游河段是資源類產(chǎn)業(yè)和人口集聚密集的流域，分布有2 萬左右的城鎮(zhèn)人口、每年近210 萬人次的游客和流域內(nèi)的大部分工礦企業(yè)，在工業(yè)廢水、生活用水排放量急劇加大和流域天然來水量較少的情況下，一方面水體的自身凈化能力下降，另一方面流域污水處理措施未能改善，導(dǎo)致下游的污染日益加重和流域內(nèi)水質(zhì)類別急劇上升.8#～12#監(jiān)測(cè)斷面之間的居民區(qū)以暗管形式排放的生活污水受河水的紊流作用影響，在流動(dòng)中逐漸與河水混合、擴(kuò)散，導(dǎo)致該段區(qū)域的污染物濃度顯著上升和后段水質(zhì)相對(duì)下降，但根本原因是區(qū)域缺乏污水處理設(shè)施和城市排水管網(wǎng)不健全導(dǎo)致的雨污分流不徹底以及暴雨期間大量生活污水溢流入河，因生活污水中的有機(jī)物含量高，15#～23#斷面間的 CODCr濃度處于較高水平.TN、TP、CODCr和 NH3-N 的濃度隨沿途排污口數(shù)量的增加而逐漸上升，在喬家院橋處的30#、31#斷面直線增加，主要原因是截污管道未接入污水處理廠，造成大量工業(yè)廢水和生活污水不經(jīng)任何處理直接集中排入劍河，此處生活污水排放量與水體氮、磷含量呈顯著正相關(guān)，氮、磷等營養(yǎng)元素污染的水期變化特征與生活污水排放的季節(jié)變化規(guī)律有較強(qiáng)的同步性，接近排污口處的水體水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的濃度極高.下游河段的水質(zhì)空間變異基本反映出流域人口分布、產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水環(huán)境的重大影響.

4)太極湖河段的污染物總體上都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，水質(zhì)盡管通過水體的凈化作用較下游有所改善，但仍然不能達(dá)到管理要求的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).37#監(jiān)測(cè)斷面的各污染物指標(biāo)急劇增大，造成這種現(xiàn)象的原因是位于該監(jiān)測(cè)斷面的日處理能力7000 t 的污水處理廠出水僅達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18918-2002)一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)，處理率低，污水處理量小于污水排放量，仍有部分污水未經(jīng)處理隨尾水一起排入劍河，對(duì)該斷面的水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染.太極湖水體無徑流補(bǔ)給量，整個(gè)水體基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，水力交換極其緩慢，加上河體不規(guī)則，易形成死角，導(dǎo)致污染物分布不均，難以稀釋、擴(kuò)散，使局部水域水質(zhì)惡化，加劇水體富營養(yǎng)化水平，整體處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，氮、磷等主要營養(yǎng)物質(zhì)含量甚至超過丹江口庫區(qū)的 5 ～7 倍[15].

劍河流域水環(huán)境問題與人為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生產(chǎn)生活方式密切相關(guān)，流域營養(yǎng)鹽污染結(jié)構(gòu)已悄然發(fā)生變化，并已經(jīng)顯現(xiàn)環(huán)境生態(tài)效應(yīng)(富營養(yǎng)化).TN、TP 一定程度呈上升趨勢(shì)，說明流域水質(zhì)的硬度日趨增高.CODCr污染相對(duì)較輕表明該流域的水環(huán)境條件適合水中無機(jī)和有機(jī)污染物的分解，使水體的無機(jī)和有機(jī)污染物含量下降[16].水質(zhì)在下游河段總體上升和太極湖河段總體下降的趨勢(shì)反映了劍河污染中點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)率大于面源污染，在點(diǎn)源污染的眾多因素中，城鎮(zhèn)生活污水是主導(dǎo)因素，流域內(nèi)的城鎮(zhèn)人口和工業(yè)設(shè)施基本集中在下游區(qū)域，而農(nóng)田、林地等主要分布于太極湖的周邊區(qū)域，所以隨雨水、滲透等而來的面源污染物對(duì)劍河的污染相對(duì)較輕.污染如果不加以控制，到2020年TN 排放量將達(dá)到環(huán)境容量的215.15%，CODCr、NH3-N 和TP 到2020年的排放量分別為環(huán)境容量的235.38%、175.33%和133.21%[17].針對(duì)目前的污染現(xiàn)狀和原因可以采取以下治理措施來達(dá)到水質(zhì)管理要求，在上游劍河水庫處堅(jiān)決禁止投肥養(yǎng)魚行為以杜絕氮元素的污染;對(duì)下游城區(qū)段的排污口和缺損的污水管道實(shí)施截污納管工程進(jìn)行改造，讓污水進(jìn)入污水處理廠處理，同時(shí)在河道中安裝曝氣復(fù)氧裝置以提高水體溶解氧，消除水體黑臭現(xiàn)象[18];太極湖河段的污水處理廠在提高污水出水標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)其尾水可通過人工濕地的深度處理以達(dá)標(biāo)排放，太極湖河段的水面可以通過生物浮島工程對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化.

本研究將流域內(nèi)不同河段區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、資源條件和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平等客觀差異合理劃分出多種主體功能區(qū)，通過比較流域內(nèi)不同河段分區(qū)的功能與水質(zhì)之間的關(guān)系，可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)流域水資能區(qū)的空間差異性、水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間分區(qū)特征以及各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能重要性的總體分異規(guī)律，使流域水質(zhì)變化與人類社會(huì)之間關(guān)系的探究更為簡(jiǎn)易;同時(shí)劍河流域與丹江口水庫之間存在著緊密的物質(zhì)、能量交換和生態(tài)聯(lián)系，其流域內(nèi)的污染信息將直接反映丹江口庫區(qū)的水體污染水平，掌握該區(qū)域水體氮、磷等污染物的空間變異特征及其營養(yǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)，以期為劍河流域水污染防治及丹江口庫區(qū)水資源保護(hù)提供理論基礎(chǔ).但是劍河流域2011年才進(jìn)入丹江口庫區(qū)上游河流的監(jiān)測(cè)范圍，本次監(jiān)測(cè)為劍河水質(zhì)第一次詳細(xì)監(jiān)測(cè)，同時(shí)隨著流域人口增加、畜禽養(yǎng)殖、化肥施用、工礦企業(yè)等眾多經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)以及氣候變化的疊加影響，劍河水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的變動(dòng)趨于復(fù)雜化，目前的水環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)頻率和評(píng)價(jià)體系還無法滿足對(duì)水環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和水質(zhì)管理的要求，如果能將此工作延續(xù)，找出空間差異在時(shí)間上的變異規(guī)律，從而可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出下一階段河流水質(zhì)的空間分布特征，這將對(duì)研究區(qū)河流水環(huán)境的保護(hù)與治理有重要的意義.

5 結(jié)論與建議

1)受不同河段自身?xiàng)l件的差異、不同區(qū)域污染來源的差異和河水流動(dòng)性的差異等因素的影響，研究區(qū)河流水質(zhì)參數(shù)呈現(xiàn)出不同的空間變異特征.主要污染源集中在下游和太極湖河段，喬家院橋處斷裂的污水管道和污水處理廠是污染物濃度的明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，暗管排污口對(duì)水質(zhì)也造成了嚴(yán)重的影響，污染整體呈現(xiàn)下游河段＞太極湖河段＞上游河段＞中游河段的空間差異性，點(diǎn)源中的城鎮(zhèn)生活污水為主要污染源.

2)各水質(zhì)參數(shù)污染均相當(dāng)嚴(yán)重，尤以富營養(yǎng)化指標(biāo)氮最為顯著，其中總氮的平均值已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3838-2002)中Ⅴ類水質(zhì)的3 倍，是下一步污染控制的重點(diǎn)，其次為NH3-N、CODCr和TP的污染，各污染物濃度總體呈先升后降趨勢(shì).

3)針對(duì)目前劍河流域水質(zhì)差異性特點(diǎn)，治理的重點(diǎn)是對(duì)上游的劍河水庫禁止投肥養(yǎng)魚;下游地區(qū)的暗管排污口和斷裂的截污管道實(shí)施截污納管和曝氣復(fù)氧;太極湖河段的污水處理廠提高其出水標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可以運(yùn)用人工濕地等工藝對(duì)尾水進(jìn)行深度處理，這樣才能有效地發(fā)揮其防護(hù)和凈化水質(zhì)的功能作用，徹底改善劍河流域的生態(tài)環(huán)境.

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