三峽水庫支流營養狀態評價方法

許秋瑾,鄭丙輝*,朱延忠,李 涵,蔣麗佳 (.中國環境科學研究院湖泊創新基地,北京 000；.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 00083)

三峽水庫的建成將對整個長江、長江口及沿海水域的環境產生巨大的影響.研究表明[1],進入蓄水階段后,由于庫區水體的總磷(TP)、總氮(TN)濃度主要來自上游來水、農田徑流和城鎮生活污水,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0.1～0.5mg/L,TN濃度為0.8～1.5mg/L[2],同時,庫區的水文條件也發生了劇烈變化,蓄水造成水流變緩,壩前深水區斷面平均流速只有 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的支流,受干流頂托作用,局部水體的水流運動變得十分緩慢,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的發生富營養化的濃度水平(TP為 0.025,TN為 0.2mg/L),具備發生富營養化的條件[3-5].富營養化防治已成為三峽水庫水環境治理與管理的重點,而營養鹽控制標準的制訂以及水體富營養化評價方法是防治和管理的基礎.本研究綜合應用國內外湖庫營養控制標準的制訂方法以及富營養化的評價方法[6-12],提出了改進的綜合營養狀態指數法,并對三峽庫區支流進行了富營養化評價,以期為三峽水庫的富營養化防治及水環境管理提供依據.

1 研究方法

1.1 研究區域的自然概況

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個縣市,庫區面積5.4萬km2.庫區屬于濕潤亞熱帶季風氣候,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,依據回水長度布設了50個監測樣點,其中苧溪河布設了5個監測樣點,草堂河、梅溪河、湯溪河及朱衣河各布設了3個監測樣點,長灘河、磨刀溪、渠溪河和神龍溪各布設了2個監測點,其余支流布設1個監測點.從2005～2007年,共進行了3年的連續監測分析,采樣頻率為一年6次或12次,共獲取有效監測數據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采用高錳酸鹽指數法測定[14].

1.3 評價方法

選取葉綠素a、總磷、總氮、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(CODMn)5個單項指標的濃度值[10,12-13,15],分別計算三峽庫區支流單項指標的營養狀態指數(TLI).

式中:TLI(∑)為綜合營養狀態指數;TLI(j)為第 j種參數的營養狀態指數;Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重.

可由一些評價參數作為基準參數,對其他評價參數進行相關分析后,對相關系數歸一化得出相關的權重.

式中: rij為第j種參數與基準參數chla的相關系數;m為評價參數的個數.

采用 0～100的一系列連續數值對水體營養狀態進行分級(表1).

表1 水體營養狀態分級Table 1 Classification of water nutritional status

2 結果與討論

2.1 營養鹽控制指標的權重計算

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、中營養、輕富營養、中富營養、重富營養的上限表征值,分別將chla、TN、TP、SD和CODMn在各個營養級的50%特征值(能比較好地代表水體的總體狀況)和國際慣例規定的chla的特征值取自然對數,并按照營養狀態指數TLI上限在貧營養、中營養、輕富營養、中富營養、重富營養和異常富營養分別賦值為:30,50,60,70,80,得出如下關系:

通過對所有支流的監測數據進行分析,葉綠素與TN、TP、SD和CODMn的相關系數分別為: r12= 0.346, r13= 0.478, r14= -0.112,r15= 0.554.故其權重分別為:

2.2 三峽庫區支流和我國部分湖泊的比較

將本研究改進的綜合營養狀態指數法獲得的營養指數關系式與“七五”期間調查的26個湖泊[16]得出的湖庫富營養化評價方法及分級技術規定的方法的關系式進行比較,發現兩者存在差異(表2).原因是三峽水庫有其自身的水環境特征,與 26個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支流的數據,通過統計方法得出的,因此更有針對性,更能真實反映庫區富營養化的狀況.

表2 三峽庫區支流和我國部分湖泊參數的營養狀態指數比較Table 2 Nutrient status index compared tributaries of Three Gorges Reservoir with several lakes

由表3可見,三峽庫區支流和我國26個湖泊的參數[16]與chla的相關關系rij及權重存在較大差異,26個湖泊chla和TN、TP、CODMn的相關系數都在0.8以上,而三峽水庫支流chla與SD的相關系數只有0.11.從權重分析,三峽水庫支流的TP和CODMn的權重比TN和SD大,分別達到0.137和0.184.

表3 三峽庫區支流和我國部分湖泊的參數與Chla的相關關系rij及權重的比較Table 3 Correlation and weighting coefficient Compared tributaries of Three Gorges Reservoir with several lakes

2.3 應用改進的綜合營養狀態指數法進行富營養化評價

利用改進的綜合營養狀態指數關系式對三峽庫區2005～2007年31條支流共600余組有效數據進行綜合營養狀態指數計算,在統計的有效數據中,數據達到富營養化水平的有331組,占總數據的55.17%,達到貧營養水平的數據43組,占總數據的7.17%.調查期間各支流主要處于中-富營養水平,支流富營養化趨勢明顯加劇.

利用本文得出的改進的綜合營養狀態指數評價的關系式,進行支流營養狀態月變化趨勢分析,表明各支流在4～9月的平均綜合營養狀態指數值較大(圖1),均達到富營養化水平,其中在8月份出現最大值為 55.43,達到富營養化水平,顯示春夏季節庫區支流發生富營養化的風險較高.與4～9月份的高風險水平相比,1～3月份和10月份綜合營養狀態指數相對較低,由此可見,4～9月份應為控制庫區富營養化發生的敏感時期.

應用改進的綜合營養狀態指數法以及湖庫富營養化評價方法及分級技術規定的方法對庫區各支流在富營養風險較高的 4～9月份數據進行評價分析.由圖 2可見,利用湖泊(水庫)富營養化評價方法[16]進行評價,庫區所有支流均發生富營養化,且平均營養水平達中-重富營養化程度,此結果與庫區支流真實的營養鹽水平不符.而利用本文改進的綜合營養狀態指數法進行評價,30條支流中,有19條支流的平均營養狀態指數處于富營養化水平,11條支流的平均營養狀態指數處于中營養水平,結果更真實可靠.

圖1 應用改進的綜合營養狀態指數法所得庫區支流營養狀態指數月變化趨勢Fig.1 Nutrient index trend of tributaries of Three Gorges Reservoir applied method of improved comprehensive nutrient status index

圖2 峽庫區各支流4～9月份綜合營養狀態指數變化Fig.2 Variety of comprehensive nutrient status index from April to September in tributaries of Three Gorges Reservoir

3 結論

3.1 針對三峽水庫支流的富營養化控制與治理,提出了改進的綜合指數營養狀態指數法,并對三峽庫區支流進行了富營養化綜合評價,評價結果顯示庫區支流主要處于中營養水平,支流富營養化有明顯加劇的趨勢,庫區支流在4～9月的平均綜合營養狀態指數值較大,4～9月份應為控制庫區支流富營養化發生的敏感時期.

3.2 與目前國內傳統的由“七五”期間調查的26個湖泊總結得出的“湖庫富營養化評價方法及分級技術規定”[16]的評價方法相比,改進的綜合營養狀態指數校驗法更適合三峽水庫支流富營養化的評價,更具有針對性,這應是三峽水庫作為河流型水庫,由其自身特有的水環境特點決定的.

[1] Varis O, Vakkilainen P. China’s 8 challenges to water resources management in the first quarter of the 2lst Century [J]. Geomorphology, 2001,41:93-104.

[2] Chen X Q, Zong Y Q, Zhang E F, et al. Human impacts on the Changjiang (Yangtze) river basin,China,with special reference to the impacts on the dry season water discharges into the sea [J]. Geomorphology, 2001,41:111-113.

[3] 張 晟,李崇明,付永川,等.三峽水庫成庫后支流庫灣營養狀態及營養鹽輸出 [J]. 環境科學,2008,29(1):7-12.

[4] 龍天渝,劉臘美,郭蔚華,等.流量對三峽庫區嘉陵江重慶主城段藻類生長的影響 [J]. 環境科學研究,2008,21(4):104-108.

[5] 張 遠,鄭丙輝,劉鴻亮.三峽水庫蓄水后的浮游植物特征變化及影響因素 [J]. 長江流域資源與環境, 2006,15(2):551-555.

[6] 鄭丙輝,許秋瑾,周保華,等.水體營養物及其響應指標基準制定過程中建立參照狀態的方法——以典型淺水湖泊太湖為例[J]. 湖泊科學, 2009,21(1):21-26.

[7] 鄭丙輝,許秋瑾,朱延忠.湖泊營養鹽控制標準制定方法的初步研究 [J]. 環境科學, 2009,30(9):2497-2501.

[8] Gibson G, Carlson R, Simpson J, et al. Nutrient criteria technical guidance manual: Lakes and reservoirs [M]. Washington : Office of Water, Office of Science and Technology, 2000:71-85.

[9] US EPA. National strategy for the development of regional nutrient criteria (EPA-822-R-98002) [R]. Washington D C: US EPA, 1998.

[10] US EPA. Nutrient criteria technical guidance manual lakes and reservoirs (EPA-822-B00-001) [R]. Washington D C: US EPA, 2000.

[11] US EPA. Technical support document for water quality-based toxics control (EPA-505-2-90-001. PB91-127415) [R]. Washington D C: US EPA, 1991.

[12] US EPA. Ambient water quality criteria recommendations information supporting the development of state and tribal nutrient criteria lakes and reservoirs in nutrient ecoregion II (EPA-822-B00-007) [R]. Washington D C: US EPA, 2000:3.

[13] 長江水利委員會.三峽工程生態環境影響研究 [M]. 武漢:湖北科學技術出版社, 1997:30-38.

[14] 國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法 [M]. 4版.北京:中國環境出版社, 2002:201-205.

[15] 夏 青,陳艷卿,劉憲兵.水質基準與水質標準 [M]. 北京:中國標準出版社, 2004.

[16] 金相燦,劉鴻亮,屠清瑛,等.中國湖泊富營養化 [M]. 北京:中國環境出版社, 1995:133-134.

[17] 楊 鋼.三峽水庫水質污染及級河流富營養化潛勢研究[D]. 重慶:重慶大學, 2004.

[18] 劉永明,賈紹鳳,蔣良維,等.三峽水庫重慶段一級支流回水河段富營養化潛勢研究 [J]. 地理研究, 2003,22(1):67-72.

[19] 富 國.湖庫富營養化敏感分級概念及指標體系研究 [J]. 環境科學研究, 2005,18(6):75-79.