張 勝，林 莉，王 珍，潘 雄，劉 敏，董 磊，陶晶祥

(1.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

漢江中下游流域是湖北省乃至全國的重要糧倉，是漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，而漢江是區(qū)域內(nèi)的重要水源地，同時也是最大的納污水體[1]。已有研究表明，漢江中下游水質(zhì)保持地表水Ⅱ類水平，但整體呈下降趨勢，1992年至今發(fā)生的10次硅藻水華事件中，有5次發(fā)生在近10 a[2]。當(dāng)前有關(guān)漢江中下游水質(zhì)的研究主要有梯級水庫作用下的水質(zhì)評價[3]、富營養(yǎng)化[4]、水質(zhì)模擬[5]等，且集中于部分河段[6-7]，而對于中下游全河段豐、枯水期水質(zhì)時空變化特征的研究較少。由于豐枯水期河流流量變化大，水體污染物的來源及分布特征不同，研究豐枯水期背景下水質(zhì)時空變化特征具有重要意義。

本文以漢江中下游為研究對象，通過2019年6月豐水期和2020年1月枯水期2次野外調(diào)查采樣，采用綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法進(jìn)行水質(zhì)評價，探討豐、枯水期的水質(zhì)時空差異，分析主要污染因子及其變化特征，結(jié)合流域自然及人文因素分析污染原因，旨在掌握不同時期漢江中下游的水質(zhì)時空變化特征，從而為漢江中下游水資源保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

漢江中下游流域位于湖北省境內(nèi)，在111°E —115°E，30°N—33°N之間，干流范圍為丹江口大壩至武漢龍王廟，主要流經(jīng)丹江口市、老河口市、襄陽市、鐘祥市、荊門市、潛江市、仙桃市、漢川市、武漢市等，長度為652 km，流域總面積約為63 800 km2，鐘祥市為中下游分界[8]。其間主要有王甫洲、崔家營、興隆閘和引江濟(jì)漢等水利樞紐，以及清河、唐白河、竹皮河等支流[3],研究區(qū)域見圖1。該流域受亞熱帶季風(fēng)的影響，年平均氣溫為15～17 ℃，年降水量范圍為700～1 200 mm，是湖北省乃至全國的重要糧倉，主要產(chǎn)業(yè)是小麥、水稻、棉花、石油、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖[9]。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Middle-lower Hanjiang River and distribution of sampling sites

2.2 樣品采集與處理

根據(jù)漢江中下游流域特點(diǎn)及采樣點(diǎn)布設(shè)一般要求，共設(shè)置18個干流采樣斷面及唐白河、竹皮河2個典型支流采樣斷面，各斷面情況如表1所示，分布如圖1所示。分別于2019年6月(豐水期)和2020年1月(枯水期)進(jìn)行兩次采樣，在每個斷面中泓處采集500 mL的表層水(深度為水下0.5 m左右)，所有采集的樣品當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室并于4 ℃保存。選取總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)和葉綠素a(Chl-a)共計(jì)5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[10]進(jìn)行測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

2.3.1 水質(zhì)評價

根據(jù)已檢測的各斷面污染因子濃度值，本文采用綜合污染指數(shù)法(Comprehensive Pollution Index, CPI)對漢江中下游各斷面豐、枯水期的污染情況進(jìn)行

表1 各采樣斷面情況Table 1 Conditions of sampling sections

評價，該方法優(yōu)點(diǎn)是可以在同類別水質(zhì)中比較污染狀況，并得出超標(biāo)因子及倍數(shù)，具體計(jì)算公式為[11]

(1)

式中:Pi為第i項(xiàng)污染因子的污染分指數(shù),Pi=Ci/Si；Ci為第i項(xiàng)污染因子的實(shí)測值；Si為第i項(xiàng)污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值，因漢江中下游水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)總體為保持地表水Ⅱ類水平(部分江段為Ⅲ類)，此處統(tǒng)一以地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來評價，標(biāo)準(zhǔn)限值詳見《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[12];P為綜合污染指數(shù)，其值越大說明污染越嚴(yán)重；n為參加評價的污染因子個數(shù)。綜合污染指數(shù)評價分級如表2所示。

表2 綜合污染指數(shù)評價分級Table 2 Rating of overall pollution index

2.3.2 營養(yǎng)狀態(tài)評價

選取綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(Comprehensive Trophic Level Index, TLI)對漢江中下游各斷面豐、枯水期的污染情況進(jìn)行評價，該方法由于具有簡單方便、評價結(jié)果較為準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，計(jì)算公式為[13]

(2)

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

以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為

(3)

式中：rij為第j種參數(shù)和基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)，如表3所示；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

表3 部分參數(shù)與Chl-a的相關(guān)系數(shù)和Wj值Table 3 Values of and Wj representing the correlation between Chl-a and other parameters

各參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算方式為

(4)

式中CChl-a、CTP、CTN、CSD、CCOD分別為Chl-a、TP、TN、SD、COD的濃度。CChl-a單位為mg/m3，CSD單位為m；其他指標(biāo)單位均為mg/L。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)可分級為：TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)；30≤TLI(∑)<50為中營養(yǎng)；50≤TLI(∑)<60為輕度富營養(yǎng)；60≤TLI(∑)<70為中度富營養(yǎng)；TLI(∑)≥70為重度富營養(yǎng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 豐、枯水期水質(zhì)時間差異分析

采用綜合污染指數(shù)法(CPI)對漢江中下游各斷面豐、枯水期水質(zhì)進(jìn)行評價，結(jié)果如表4所示。由表4可知，漢江中下游干流18個斷面的綜合污染指數(shù)P值在豐、枯水期范圍分別為0.80～2.51、0.88～1.85，平均綜合污染指數(shù)分別為1.30和1.17。采用非參數(shù)顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為0.05，表明整體上豐、枯水期P值無顯著性差異。但從各斷面豐、枯水期P值比較，除H2、H3、H7、H11、H12斷面以外，其余斷面均為豐水期污染程度大于枯水期。從評價等級看，豐、枯水期18個斷面水質(zhì)達(dá)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的比例為33%，整體處于污染級別。已有研究表明[14]，2012—2015年漢江中下游干流水質(zhì)較好，17個監(jiān)測斷面的水質(zhì)均符合 Ⅱ 類水標(biāo)準(zhǔn)，由此可知近些年漢江中下游

表4 各采樣斷面豐枯水期水質(zhì)評價Table 4 Result of water quality evaluation of each sampling section in wet season and dry season

干流水質(zhì)有一定惡化趨勢。另外，從表中超標(biāo)因子及超標(biāo)倍數(shù)可知，干流豐、枯水期各斷面TN均超過II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TP含量在H5、H6、H15、H16、H17、H18等6個斷面超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N含量在H17斷面豐水期存在超標(biāo)現(xiàn)象。其他監(jiān)測因子在各監(jiān)測斷面綜合污染指數(shù)<1，均在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。因此可以看出TN、TP、NH3-N是漢江中下游的主要污染因子。

3.2 豐、枯水期水質(zhì)空間差異分析

豐、枯水期漢江中下游干流各斷面沿程變化如圖2所示。由圖2可知，綜合污染指數(shù)在空間上具有差異性，波動幅度較大，豐、枯水期整體上沿程變化趨勢相似。從丹江口壩下(H1)至清河匯入口下游(H4)斷面綜合污染指數(shù)整體上呈現(xiàn)增加趨勢，隨后經(jīng)崔家營庫區(qū)(H6)、皇莊水文站(H8)、沙洋水文站(H11)及興隆閘(H12)等斷面呈下降趨勢，水質(zhì)狀況變好，最后經(jīng)漢川和武漢城區(qū)又呈增加的趨勢，水質(zhì)逐漸惡化。根據(jù)各斷面豐、枯水期綜合污染指數(shù)平均值可知，其范圍在0.88～1.97之間，18個斷面中均值在基本合格范圍內(nèi)僅占16.7%，其余斷面均存在污染風(fēng)險，尤其是襄陽、漢川及武漢河段水質(zhì)發(fā)生較大的變化。

圖2 綜合污染指數(shù)空間變化Fig.2 Spatial variation of overall pollution index

圖3 總氮、總磷、氨氮時空變化Fig.3 Spatio-temporal variation of TN,TP,and NH3-N concentration

3.3 主要污染因子時空變化分析

根據(jù)綜合污染指數(shù)超標(biāo)因子分析結(jié)果，漢江中下游水體主要污染因子為TN、TP、NH3-N，其豐、枯水期各采樣斷面濃度值時空變化如圖3。由圖3可以看出，3種主要污染因子均呈現(xiàn)出較大的時空差異性，并在不同水期有明顯的變化特征。TN濃度在豐、枯水期均遠(yuǎn)超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，其濃度值有66.7%(12個)的斷面在豐水期明顯大于枯水期，范圍分別為0.95～2.85 mg/L和0.99～2.62 mg/L，均值為1.67 mg/L和1.43 mg/L。TP濃度和TN具有基本相同的變化趨勢，同樣表現(xiàn)為豐水期濃度多數(shù)大于枯水期，范圍分別為0.01～0.14 mg/L和0.03～0.16 mg/L，均值為0.09 mg/L和0.07 mg/L，大于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值的超標(biāo)率為27.8%。NH3-N濃度波動幅度比TN和TP要小，在枯水期NH3-N濃度均低于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，僅在豐水期H4和H17斷面超出標(biāo)準(zhǔn)，83.3%(15個)的斷面豐水期濃度值明顯大于枯水期，豐、枯水期濃度范圍分別為0.05～1.26 mg/L和0.10～0.33 mg/L，均值分別為0.32 mg/L和0.15 mg/L。與前期研究結(jié)果比較，TN濃度與2007年(2.33 mg/L)及2017年(2 mg/L)相比有所下降，TP濃度相近，維持在0.1 mg/L左右[2,4]。從TN、TP、NH3-N濃度值看，污染較大的河段均表現(xiàn)在襄陽及武漢河段，與綜合污染指數(shù)分析結(jié)果一致。

3.4 綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)在各斷面豐枯水期變化如圖4所示。從整體看，沿程各采樣斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈遞增趨勢，范圍在38～58之間，處于中營養(yǎng)到輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。從時間看，同樣采用非參數(shù)顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為0.05，結(jié)果表明整體上豐、枯水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI值沒有顯著性差異，但枯水期沿程波動更大。從空間分布看，豐枯水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最低值出現(xiàn)在丹江口河段，較高值出現(xiàn)在襄陽、鐘祥、荊門、潛江及武漢河段，下游主要表現(xiàn)為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。本研究結(jié)果與已有報道相符[15-16]，漢江中下游歷次水華的發(fā)生主要在1—3月冬春季節(jié)的枯水期，硅藻為優(yōu)勢種群，該時期水位較低、流速緩慢、光照條件良好和氣溫較低是硅藻水華發(fā)生的有利條件，另外水華爆發(fā)范圍擴(kuò)大，之前主要集中在潛江以下江段，近些年有向上游蔓延趨勢，2018年已延伸到鐘祥沙洋河段，從綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析，襄陽河段也存在水華發(fā)生風(fēng)險。

圖4 各斷面豐枯水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價Fig.4 Evaluation result of overall trophic level index in various sections in wet season and dry season

4 水質(zhì)變化原因分析

4.1 點(diǎn)源及非點(diǎn)源污染

由綜合污染指數(shù)和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)得知，漢江中下游主要污染河段為襄陽、漢川和武漢段，從污染源分布特征看，污染物來源可分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染。點(diǎn)源污染主要有城鎮(zhèn)居民生活污水和工業(yè)廢水排放，如居民洗衣及廚房等生活污水中含有較高濃度的氮磷元素，河流沿線城市管網(wǎng)建設(shè)不完善，會導(dǎo)致部分污水未經(jīng)處理直接排入地表水體；另外據(jù)調(diào)查，流域內(nèi)污染嚴(yán)重的企業(yè)，經(jīng)處理后的廢水中污染物的排放量仍然較大，這些污染物排入漢江后勢必影響水質(zhì)[8]。

多數(shù)斷面豐水期水質(zhì)狀況比枯水期略差，可能是因?yàn)榭菟邳c(diǎn)源污染相對容易監(jiān)測與控制，而豐水期農(nóng)業(yè)活動、畜禽養(yǎng)殖等帶來的非點(diǎn)源污染涉及范圍廣，管理難度大，已成為豐水期漢江中下游流域水環(huán)境污染的主要來源。其中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染更是全球性問題，漢江中下游流域是湖北省乃至全國的重要糧倉，主要農(nóng)作物是小麥、水稻、棉花等，區(qū)域內(nèi)的大米和棉花產(chǎn)量約占全省的40%和65%[17]。

此外，據(jù)估算漢江中下游兩岸的河漫灘面積在74～256 km2之間波動，目前河流兩岸的河漫灘有大面積的蔬菜種植[18]。由于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中不合理使用化肥農(nóng)藥，當(dāng)豐水期雨季來臨時，殘留在土壤中的大量氮磷營養(yǎng)鹽隨地表徑流進(jìn)入漢江水體，從而表現(xiàn)出非點(diǎn)源污染物的輸入大于水量增加的自凈作用。

4.2 支流匯入污染

根據(jù)監(jiān)測獲得的豐、枯水期唐白河匯入口上游(Z1)、竹皮河匯入口上游(Z2)兩支流斷面水質(zhì)因子與漢江中下游干流均值對比，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，兩條支流的TN、TP、NH3-N以及綜合污染指數(shù)P和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI值均顯著大于干流平均值，說明漢江中下游支流水質(zhì)比干流差。其中兩條支流的TN在豐、枯水期均超出地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，竹皮河斷面更是嚴(yán)重超標(biāo)，豐、枯水期均為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值的4倍左右；竹皮河豐水期TP濃度也超出地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，為0.46 mg/L；支流NH3-N濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干流均值，約為干流的10～66倍，最大值出現(xiàn)在竹皮河(豐水期)，為5.91 mg/L，約為地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值的3倍；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI表現(xiàn)出較大的差異，唐白河斷面達(dá)到輕度富營養(yǎng)，竹皮河為中度富營養(yǎng)，而干流均值為中營養(yǎng)等級。經(jīng)過兩支流匯入口上下游斷面水質(zhì)比較，可以發(fā)現(xiàn)在匯入口下游斷面水質(zhì)發(fā)生明顯變化，其中唐白河對干流水質(zhì)影響較大，如圖2—圖4所示，唐白河匯入口上游(Z1)位于H4和H5斷面之間，竹皮河匯入口上游(Z2)位于H9和H10斷面之間。已有研究表明，唐白河水質(zhì)總體以Ⅳ類水為主，Ⅴ類及劣五類水比例有所增加；竹皮河常年以劣Ⅴ類水為主，屬于重度污染[19]。漢江干流水體雖有一定的自凈能力，但是支流中高濃度的污染物匯入對干流水質(zhì)會造成負(fù)面影響。

圖5 漢江中下游干流與支流水質(zhì)狀況對比Fig.5 Comparison of water quality between mainstream and tributaries of Hanjiang River

4.3 水利樞紐影響

從前面可知，漢江中下游干流水質(zhì)在豐、枯水期均有超出地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值的風(fēng)險，具備水華發(fā)生的條件，一定程度上與南水北調(diào)工程及流域內(nèi)梯級水電開發(fā)有關(guān)。南水北調(diào)中線工程從丹江口水庫陶岔引水，用于緩解河南、河北、北京、天津四省(市)水資源緊張問題，工程規(guī)劃分兩期完成，一期工程已于2014年正式通水運(yùn)行，年均調(diào)水量為95億m3，遠(yuǎn)期規(guī)劃調(diào)水130億m3[20]。南水北調(diào)中線一期工程調(diào)水后，漢江中下游多年平均下泄流量減少，河道水位不同程度降低。另外，流域內(nèi)已建成的王甫洲、崔家營和興隆梯級水利樞紐運(yùn)行后，污染物的擴(kuò)散和降解受到影響，水體自凈能力下降，最終導(dǎo)致水環(huán)境容量減小，污染物濃度增加，水環(huán)境質(zhì)量惡化，水資源承載力減弱。

在豐枯水期TN、TP含量均已超過水體營養(yǎng)化始發(fā)濃度(TN為0.2 mg/L、TP為0.02 mg/L)，謝平等學(xué)者曾指出氮磷營養(yǎng)鹽不是導(dǎo)致漢江中下游藻類爆發(fā)的關(guān)鍵因素，而是梯級水利樞紐運(yùn)行下流量、流速和水位變化所引起的[21]。隨著南水北調(diào)中線工程及鄂北調(diào)水等調(diào)水工程的投入運(yùn)行，以及漢江中下游王甫洲、崔家營和興隆梯級水利樞紐的調(diào)度運(yùn)行，水利樞紐對漢江中下游水質(zhì)造成的影響不容忽視。

5 結(jié)論與建議

利用豐、枯水期野外調(diào)查實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，對2019—2020年漢江中下游水質(zhì)時空變化特征進(jìn)行評價分析，結(jié)論如下：

(1)漢江中下游干流綜合污染指數(shù)在豐、枯水期整體表現(xiàn)為無顯著性差異，但從各斷面比較，大多數(shù)斷面均在豐水期污染程度略大，豐、枯水期綜合污染指數(shù)范圍分別為0.80～2.51、0.88～1.85，平均綜合污染指數(shù)為1.30和1.17；空間上豐、枯水期沿程各斷面變化趨勢相似，污染較大的斷面分布在襄陽、漢川和武漢段。

(2)漢江中下游水體主要污染因子是TN、TP、NH3-N，其中TN濃度在豐、枯水期均遠(yuǎn)超過地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，且豐水期顯著大于枯水期，濃度范圍分別為0.95～2.85 mg/L、0.99～2.62 mg/L，均值分別為1.67 mg/L和1.43 mg/L；TP濃度和TN在各斷面具有基本相同的變化趨勢，同樣表現(xiàn)為豐水期濃度值多數(shù)斷面大于枯水期，超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值斷面的比例為27.8%，NH3-N濃度波動幅度比TN和TP更小，在枯水期均在Ⅱ類水限值內(nèi)，僅在豐水期個別斷面出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

(3)通過綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價，從整體看，漢江中下游干流水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)范圍在38～58之間，處于中營養(yǎng)到輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，各采樣斷面呈沿程遞增趨勢。從時間看，整體表現(xiàn)為豐、枯水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI值沒有顯著性差異，但枯水期沿程波動更大；從空間分布看，豐、枯水期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最低值出現(xiàn)在丹江口河段，較高值出現(xiàn)在襄陽、鐘祥、荊門、潛江及武漢河段，下游主要表現(xiàn)為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。

(4)從污染原因上分析，漢江中下游水質(zhì)主要受點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染、支流匯入，以及水利樞紐工程的影響。為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，針對該區(qū)域水質(zhì)污染特征提出如下建議：堅(jiān)持預(yù)防為主，防治結(jié)合，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測與管理，從源頭進(jìn)行治理；對梯級水利樞紐進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，增加河流年徑流量，提高水體自凈能力；提高全民環(huán)保意識，積極引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)合理使用化肥農(nóng)藥；完善城市網(wǎng)管建設(shè)，提高污水收集與處理能力；加大支流治理力度，定期清理河道垃圾。