三峽水庫蓄水前后長江枝城至沙市段水質評價

王叢丹 冷 陽 嚴林浩 曾 濤

(長江委水文局荊江水環境監測中心，湖北 荊州 434020)

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三峽水庫蓄水前后長江枝城至沙市段水質評價

王叢丹 冷 陽 嚴林浩 曾 濤

(長江委水文局荊江水環境監測中心，湖北 荊州 434020)

為探討三峽水庫蓄水以來長江枝城至沙市河段的水質變化情況，利用這一河段3個斷面水質實測資料，通過模糊評價方法與權重值分析，對1998～2011年水質狀況進行了分析評價。結果表明，枝城至沙市河段水質尚好，鉛為對沙市河段水質影響最大的污染因子。對比了三峽水庫蓄水前后的水質評價結果，表明水質狀況未受明顯影響，分析成果可為相關機構管理該河段的水資源提供參考。

模糊綜合評價；水質評價；權重值分析；三峽水利樞紐

荊江河段過去關注的重點是其水量及河床演變。然而隨著工業經濟的發展，有限的淡水資源受污染面積擴大，水質型缺水問題更加突出。一直以來，從未中斷過對長江水環境的監測，然而不同時期的監測數據可比性較差，因此本文將基于三峽水庫蓄水前后1998～2011年期間監測技術和參數相對固定條件下的原始監測數據，以及國家水質標準的有關規定選取水質評價參數，并采用模糊綜合評價法對枝城至沙市河段的水質進行綜合評價。

1 監測斷面

枝城至沙市河段共設5個斷面，為了保證數據的完整性，文中選擇了分別位于枝城、沙市、江陵的3個斷面，即荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)和荊51(江陵觀音寺)近10 a的監測數據進行分析。3個斷面周圍的主要污染源是城市生活污水和工業廢水，主要污染物包括氨氮、化學需氧量等。

2 數據來源及參數選擇

數據采用的是1998～2011年共14 a的常規監測成果，為了凸顯年際變化規律，每個斷面取年均值作為分析用數據，根據《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)[1]，考慮到生產任務的不斷變化，選取1998～2011年不間斷監測的氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘作為評價指標。對于長江干流的斷面，總氮不作監測要求，總磷從蓄水后才開始監測。因此，從2003年起，對于蓄水后的監測數據，將加入總磷作為評價指標進行對比分析。

3 水質評價方法

采用模糊綜合評價法對枝城至沙市段的水質狀況進行評價。

3.1 建立因子集

根據國家水質標準的有關規定，先選擇氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘作為評價項目，即因子集為：u={NH4-N，CODMn，BOD5，DO，Cu，Pb，Cd，TP}。從2003年開始監測總磷后，將總磷加入評價項目，即因子集為：u={NH4-N，CODMn，BOD5，DO，Cu，Pb，Cd，TP}。

3.2 建立評價集

基于《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)，河流分為5級。因此，評價集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

3.3 建立隸屬函數

水質污染的程度是一個模糊概念，水質分級標準也是模糊的，所以用隸屬度來刻畫分級界線較為合理。參考文獻[2]與[3]，溶解氧針對5個類別的隸屬度函數如下：

DO-Ⅰ級水

DO-Ⅱ級水

DO-Ⅲ級水

DO-Ⅳ級水

DO-Ⅴ級水

類似地，分別作出NH4-N、CODMn、BOD5、Cu、Pb、Cd、TP的隸屬函數。

3.4 建立模糊關系矩陣

將實際監測值帶入相應的隸屬函數，計算其隸屬度，由此得到評價因子對各水質類別隸屬度的模糊關系矩陣R。以1998年荊3(枝城)的監測數據為例，其矩陣為

其中，第1行因子集u中的一個因子NH4-N對5個類別的隸屬度，即水質就NH4-N而言，屬于Ⅰ類水的程度為0.56；第1列表示u中7個因子分別對于Ⅰ類水的隸屬度。

3.5 建立權重集

由于不同的污染物對水質的影響程度不同，綜合考慮時就要對它們賦予不同的權重Ii。

(1)

對于溶解氧而言，其含量越高，表明水質越好，所以其權重計算公式為

(2)

將監測數據代入，為了進行模糊復合運算，各單因子權重必須歸一化，即：

(3)

應用上述方法確定權重集A為： (0.304,1.8,0.55,8.36,1.011 9,0,0)。

3.6 模糊綜合評價

本文采用先取積，后求和的計算方式：

B=A。R

式中，“。”為扎德算子。對于河流水質的模糊綜合評價只是集合V上的模糊子集，矩陣中各元素是對應于集合V上的各項的隸屬度。以1998年荊3(枝城)的監測數據為例，則

B=(0.304，1.8，0.55，8.36，0.011 9，0，0) 。

(0.876,0.123,0,0,0)

對于水質模糊綜合評價只是集合V上的模糊子集，矩陣中各元素是對應于集合V上的各項的隸屬度，即對Ⅰ類水的隸屬度為0.876，由于對Ⅰ類水隸屬度最大，故該斷面水質處于Ⅰ類。

4 結果與分析

4.1 水質監測數據

3個斷面水質監測數據見圖1。

圖1 3個斷面水質監測數據

4.2 水質模糊綜合評價結果

通過模糊綜合評價方法計算，得出3個斷面的隸屬度值，見圖2。

圖2 1998 ～2011 年水質綜合評價類別隸屬度

在得出模糊綜合評價的不同等級隸屬度值后，采用最大隸屬度原則(此方法直觀、簡便)，即選取隸屬度值最大的類別為水質等級來對各斷面水質進行綜合評價。根據國家水資源規劃，荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)均要求達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體的要求。

綜合評價結果表明，1998～ 2002年，采用氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘作為評價因子時，自上游斷面荊3(枝城)到荊47(五七碼頭)，到下游的荊51(江陵觀音寺)，其水質均能達標。自2003年起，采用氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量、溶解氧、銅、鉛、鎘、總磷作為評價因子后，水質類別仍符合規劃要求。

5 討 論

5.1 水質監測數據變化分析

經分析得出了3個斷面的監測數據的變化規律。

5.1.1 懸浮物與重金屬濃度變化

從圖1(a)和圖1(h)可以看出，自2003年三峽水庫蓄水后，3個斷面的懸浮物、金屬Cu的濃度均降至較低的范圍，懸浮物濃度范圍10.5～121.78 mg/L，金屬Cu的濃度范圍 0.003～0.008 mg/L，均明顯低于蓄水前(懸浮物為185.24～436.5 mg/L，金屬Cu為 0.009～0.024 mg/L)。同時，對觀測數據進行分析，懸浮物濃度與金屬Cu濃度呈現較為明顯的正相關關系。這說明，金屬Cu的遷移轉化與泥沙的吸附作用密切相關[4]。

由圖1(f)，(g)和(h)可知，金屬Pb與金屬Cd的濃度變化則與懸浮物濃度變化無明顯相關性，金屬Pb的年平均值不超過Ⅲ類水質標準；金屬Cd的年平均值、月平均值均不超過Ⅲ類水質標準。3個斷面的金屬Pb濃度均在2002年達到峰值，之后一直維持較高濃度，1998～2001年間，金屬Pb月平均值超標率為0%；2002～2011年間，荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)斷面金屬Pb月平均值超標率分別為4.2%，5.8%，5.0%，超標月份集中在7，8，9月。

5.1.2 氧平衡因子變化

在本文中，氧平衡因子主要討論DO、BOD5、CODMn。在2003～2005年三峽水庫持續蓄水期間，DO濃度有所提升。在蓄水完成后，有明顯的下降，之后達到新的平衡，與蓄水完成前無明顯差異(見圖1(d))。

BOD5濃度在2003年后有明顯提升，從0.39～0.81 mg/L提升到0.73～1.44 mg/L。但在2006年與2011年又降至蓄水后的低值(見圖1(c))，這可能是由于這2 a為枯水年，其水量減少，流速變緩，懸浮物含量下降，因此水中泥沙吸附的易生物降解的有機物減少，隨泥沙沉入底泥，從而導致其BOD5有所下降。

在2003年三峽水庫蓄水前，CODMn的濃度與懸浮物的濃度呈現一定的正相關關系；在2003年后，CODMn濃度較蓄水前并無明顯變化(見圖1(b))。

5.1.3 營養鹽因子變化

營養鹽因子主要指能為水中藻類等水生植物提供營養的N、P，反映了水中的營養狀況。在本文中，考慮到沒有TN的監測數據，主要討論水中NH4-N、蓄水后TP的變化。蓄水后，NH4-N濃度下降，在2005～2006年達到最低值，之后，呈上升趨勢，但3個斷面均未達到蓄水前的最高值。2005～2007年，NH4-N濃度呈現先下降，后上升的趨勢(見圖1(a))。2003～2006年，總磷的含量均呈現振蕩上升趨勢，2006～2011年，總磷的含量則表現為直線上升，升至0.14～0.18 mg/L(見圖1(i))，已接近Ⅲ類水的限值，應引起重視。

查閱水文資料可知，2005，2007，2010年和2012年為豐水年，2006與2011年為枯水年。從理論上講，水體質量與水量的關系應為：水量越大，水質越好，污染物濃度越小。很顯然，這與監測到的實際情況有所差異。這可能是由于在豐水年降雨較多，如在取樣前剛好有過強降雨，那么在降雨后，雨水形成地表徑流，大量的面源污染物，如農田撒過的農藥等，就會隨著地表徑流匯流到長江，其中氮、磷污染物較多。因此，就長江而言，營養鹽因子的變化與水量之間沒有必然的聯系。

5.1.4 權重因子

對于荊3(枝城)斷面，2002～2007年間，溶解氧和鉛是確定該斷面水質類別的最重要的控制因子；而2008～2011年間，總磷的含量成為確定該斷面水質類別的最重要的控制因子。

對于荊47(五七碼頭)斷面，2002～2004年間鉛為確定該斷面水質類別的最重要的控制因子；而2008～2011年間(除2006年外)，總磷的含量成為確定該斷面水質類別的最重要的控制因子。

對于荊51(江陵觀音寺)斷面，2002～2006年間鉛為確定該斷面水質類別的最重要的控制因子；而2007～2011年間，總磷的含量成為確定該斷面水質類別的最重要的控制因子。

就所分析的評價因子而言，對3個斷面水質類別影響較大的因子是溶解氧、總磷、鉛。

5.2 評價結果討論

由表1結果可知，對于荊3(枝城)、荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)3個斷面，1998～2001年，用模糊綜合評價法評價其年平均值，評價結果表明其符合和達到Ⅲ類水質類別的比例均為100%。由此可知，2003年三峽水庫蓄水對長江沙市到枝城段的水質并無明顯影響。

分析圖2隸屬度值曲線得出，從2001年起，荊3(枝城)斷面水質類別雖然沒有發生改變，但其Ⅱ、Ⅲ類隸屬值開始提高。下游的荊47(五七碼頭)、荊51(江陵觀音寺)斷面變化較為滯后，從2002年起，在Ⅱ類隸屬值不變的情況下，Ⅲ類隸屬度值突然提高。這說明，對于這3個斷面，實際水質狀況已經開始惡化，只是尚未超過Ⅲ類水質標準，但應引起重視，這可能是由上游枝江、宜昌企業排污引起。

根據生產任務的要求，長江干流沒有進行總氮的監測工作，總磷的監測也是始于蓄水后，但從權重因子可以看出，從2007～2008年開始，總磷的污染問題日益凸顯，逐漸成為控制因素。因此，有必要加強長江干流營養鹽因子的監測工作。

分析權重因子可知，3個斷面的主要污染因子為鉛、總磷，這與朱葉華提出的鉛、糞大腸菌群、總磷為沙市江段主要污染因子的結論比較一致[5]。重金屬污染主要來源于化工、采礦、金屬冶煉及加工、電鍍、輪船制造等行業，以及農用殺蟲劑和生活污水[6]。根據徐小清等研究報告[7-8]，三峽庫區江段沉積物中重金屬元素含量主要受上游泥沙以及沿江城市和工廠三廢排放的影響，已受到不同程度的污染。而總磷的污染主要有以下兩方面：工業污水中食品加工、發酵、洗滌劑生產等工廠的廢水；生活污水中含磷合成洗滌劑。因此，控制工業污染關鍵在于主要污染因子。

最后，根據2005～2009年間尤永祥等采用的模糊綜合評價法評價結果可知[9]，長江下游貴池河段的水質級別總體上滿足Ⅲ類水體的要求，與本文基于的模糊綜合評價的評價結果具有相關性、連續性。

6 結 語

模糊綜合評價法是一種不確定性的綜合評價方法，體現了水環境的模糊、可變性，評價符合客觀規律，評價結果也比較全面、有效[10]。根據模糊綜合評價法可知，三峽水庫蓄水對長江枝城到沙市段的水質沒有明顯影響。但考慮2002～2011年間所選3個斷面隸屬值的變化，以及金屬Pb的月平均值有超標的現象，應及早采取如下措施。

(1)加強水資源的合理規劃與管理。采用法律、法規和經濟手段，合理安排長江周邊的設施，控制周邊生活污水、生產廢水的排放，加強執法和監督力度，保障法律、行政和經濟措施的實施。

(2)建立污染治理系統。將周圍各大工業園的廢水和開發區內居民的生活污水全部送入污水處理廠進行集中處理，做好截污工程，嚴禁各種廢水、污水不經處理進入河湖內。有關部門應加大監管力度，不斷進行技術革新，切實保障污染治理系統有效運行。

[1] 國家環境保護總局.地表水環境質量標準 GB3838-2002[S].2002.

[2] 奚旦立,孫裕生,劉秀英.環境監測[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3] 李惠君,李淑芳,劉雪飛.水資源模糊綜合評價模型優化[J] .計算機仿真,2010,27(7):187-189.

[4] 蘭峰.三峽工程蓄水前后庫區河流水質變化分析[J].人民長江,2008,39(1):7-8.[5] 朱葉華,曾濤,楊軍,等.綜合水質指數法對長江沙市江段的水質評價[J] .南水北調與水利科技,2010,8(5):122-124.

[6] 刁維萍,倪吾鐘,倪天華,等.水環境重金屬污染的現狀及其評價[J].廣東微量元素科學,2004,11(3):1-5.

[7] 徐小清,鄧冠強.長江三峽庫區江段沉積物的重金屬污染特征[J].水生生物學報,1999,23(1):1-9.

[8] 徐小清,丘昌強.三峽庫區汞污染的化學生態效應[J].水生生物學報,1999,23(3):197-203.

[9] 尤永祥,曹貫中,肖仲凱,等.模糊綜合評價法在長江下游貴池河段水質評價中的應用[J].水利科技與經濟,2012,18(4):54-56.

[10]王海峰,柴春嶺,李春燕.基于模糊可變模型的水環境質量評價方法[J]．人民黃河,2011,33(5):66-68.

(編輯：朱曉紅)

2016-09-05

王叢丹，女，長江委水文局荊江水環境監測中心，助理工程師.

1006-0081(2016)11-0023-05

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