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珠江中下游表層水體CODMn時空分布特征及水環境評價

2017-06-15 15:28:56楊婉玲賴子尼曾艷藝帥方敏李海燕王超
生態環境學報 2017年4期
關鍵詞:水質污染評價

楊婉玲,賴子尼,曾艷藝 ,帥方敏,李海燕,王超

中國水產科學研究院珠江水產研究所,廣東 廣州 510380

珠江中下游表層水體CODMn時空分布特征及水環境評價

楊婉玲,賴子尼,曾艷藝 ,帥方敏,李海燕,王超*

中國水產科學研究院珠江水產研究所,廣東 廣州 510380

為了解珠江中下游表層水體中CODMn的時空特征及影響因素,2015年對該水域進行了季節調查,并對其水環境質量進行了初步分析與評價。調查期間,CODMn質量濃度范圍為1.14~15.8 mg·L-1,平均值為3.93 mg·L-1。從季節變化角度看,枯水期(3月和12月)的CODMn質量濃度明顯高于豐水期(6月和9月)。從空間分布特征看,調查區域的CODMn質量濃度分為3個層次,對應著3個聚群。其中,聚群1代表了西江干流沿線站位,聚群2代表了鄰近廣州市區的站位,聚群3代表了珠江珠三角河網中部站位。聚群2的CODMn質量濃度最高,聚群1的質量濃度最低,聚群3介于聚群1和聚群2之間。與其他理化因子的相關分析表明,CODMn與鹽度、電導率及DO呈極顯著負相關;與總氮、總磷、硅酸鹽及葉綠素a呈極顯著正相關。基于CODMn質量濃度的水環境評價的季節特征顯示,豐水期綜合水質評價為I類到Ⅱ類水質,而枯水期37.6%的站位未達到Ⅲ類水質標準,總體上豐水期水質優于枯水期。空間特征顯示,不同區域的水環境質量存在較大的差別。其中,西江干流沿線的Pi均值為0.47,水體受污染少,全年水質保持在I類到Ⅲ類;廣州市區附近的Pi均值為1.21,受污染較重,不符合Ⅲ類水質標準的站位占42.7%;河網中部水域的Pi均值為0.60,僅12.5%調查站位為Ⅳ類水質,其余站位均達到Ⅲ類水質以上。分析認為,徑流是影響珠江中下游表層水體CODMn季節變動的主要因素;人類活動引起的生產和生活排污是影響該水域CODMn空間分布的重要因素。

珠江;表層水體;CODMn質量濃度;時空特征;水環境評價

化學耗氧量(CODMn),是反映水體中有機及無機可氧化物質污染的常用指標,不僅可以體現水體受還原性物質的污染程度(陳家厚等,2010),也可作為有機物污染的指標之一(王鶴揚,2011)。此外,化學耗氧量也是衡量水環境的重要指標,化學耗氧量越高,說明水體受污染程度越大;相反則說明水體受污染程度越小(楊美蘭等,2005;AL-Omari et al,2013)。因此,研究CODMn的分布特征對了解水體有機污染程度有很大的參考價值。

珠江水系是我國南方最大的水系,其流量在中國排名第二,全長2129 km,發源于云南沾益縣馬熊山。本研究以珠江中下游為調查水域,包括西江干流,珠江三角洲河網、北江思賢滘以下和東江石龍以下水道。珠江中下游水文環境復雜多變,河道交織成網,近年來隨著社會經濟的迅猛發展和人民生活水平的日益提高,工農業生產和人民生活污水排放加劇,水質不斷惡化。水利部珠江水利委員會發布的《珠江片水資源公報2011》顯示,珠江三角洲地區近1/4河段水質為劣V類,是珠江水資源水質最差的河段(王超等,2014)。當水域受污染后,會消耗水體中氧,破壞水體中氧的平衡,使水質進一步惡化,造成魚類及其他水生生物的死亡。此外,微生物群落結構與CODMn也有著顯著相關性(宋崇富等,2014),各類群生物量的增減與CODMn呈正相關關系(王超等,2016;張運林等,2008;Lee et al.,2016),故研究CODMn污染狀況對了解微生物群落結構也有一定的幫助。本課題組于2015年對該水域進行了季節性調查,重點對CODMn的質量濃度分布特征及水環境狀況進行初步評價,為該水域的生態環境保護提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究小組在珠江中下游布設16個采樣站位,基本形成傘狀布局,具體布設如圖1所示。自上游而下,包括封開(FK)、德慶(DQ)、肇慶(ZQ)、青岐(QQ)、左灘(ZT)、外海(WH)、新圍(XW)、小欖(XL)、小塘(XT)、北滘(BJ)、欖核(LH)、橫瀝(HL)、陳村(CC)、市橋(SQ)、蓮花山(LHS)和珠江橋(ZJQ)。其中,封開、德慶、肇慶、青岐、左灘、外海和新圍位于西江干流沿線,小欖、小塘、北滘、欖核、橫瀝、陳村和市橋位于縱橫交錯的珠三角河網中部,珠江橋和蓮花山位于廣州市周邊(圖1)。采樣時的站位定位采用GPS全球衛星定位系統。調查時間分別為2015年的3月、6月、9月和12月,其中3月和12月代表枯水季節,6月和9月代表豐水季節,每個季度的采樣工作均在一周內完成。

1.2 樣品處理

利用采水器采集表層水面下50 cm水樣500 mL,裝入棕色玻璃瓶中,所采集的水樣均加酸至pH<2,固定后于4 ℃冷藏保存,帶回實驗室測定。所有樣品的處理及分析均按照中國水質監測分析方法標準規定操作,水體化學耗氧量(CODMn)采用酸性高錳酸鉀法(國家標準GB11892-89)測定。

1.3 數據分析

采用SPSS14.0 for Windows 進行單因素方差分析,Matlab和R軟件進行作圖。根據地表水水域環境功能和保護目標,參照中國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)三類標準CODMn≤6 mg·L-1的要求進行評價,采用目前國內常用的水質評價方法,同時采用水體單因子污染指數評價法(中國環境學會環境質量評價專業委員會,1982;王小云等,2013)及水質標識指數法,對水體環境質量狀況進行評價。

2 結果與討論

2.1 珠江中下游水體中CODMn的質量濃度

2.1.1 季節變化

圖2 珠江下游表層水體中CODMn質量濃度的季節變化Fig. 2 Seasonal variations of CODMnmass concentration in surface waters of the downstream of the Pearl River

圖1 站位布設圖Fig. 1 The map of sampling sites

調查期間,CODMn質量濃度范圍為1.14~15.8 mg·L-1,平均值為3.93 mg·L-1。由圖2可知,枯水期(3月和12月)CODMn質量濃度明顯高于豐水期(6月和9月)且差異顯著(P0.01=27.142,r<0.001)。高徑流量對水體中CODMn具有稀釋作用,所以豐水期CODMn質量濃度明顯偏低。具體以西江干流為例,3月、6月、9月和12月的徑流量均值分別為2712、13962、11151和7573 m3·s-1,豐水期明顯高于枯水期。但是,徑流量與對應的CODMn質量濃度(3.81、2.36、2.32和7.22 mg·L-1)并未呈現出明顯的倍數稀釋關系,這說明徑流引起的稀釋作用并非其單一影響因素。分析原因在于,豐水期沿江區域的CODMn在匯入干流順江而下的過程中發生了累積效應,再加上調查沿線的污染物排放在一定程度上對徑流的稀釋產生了抵消作用,因此3月、6月、9月的CODMn質量濃度并未呈現明顯的倍數關系。此外,12月份的徑流量意外地高于3月份,主要是由于水利部門進行水文調度壓咸造成的結果。而12月份CODMn質量濃度明顯偏高,很可能是因為徑流所引起的CODMn質量濃度的累加效應明顯大于稀釋作用。因此,徑流在一定范圍內的增長會導致水體中CODMn質量濃度的升高,持續增長超過閾值則導致CODMn質量濃度下降。一般而言,枯水期的CODMn質量濃度高于豐水期。相關研究也表明,雨季溫度適宜微生物生長,微生物活動頻繁有利于有機物分解,故CODMn值會降低(錢小華,2014)。在降水較少的月份即枯水期,河流出現斷流,而排入河中的污水沒有減少,CODMn得不到較快的遷移而聚集,加上這個時期溫度低,微生物活動弱(王小龍等,2015),有機質分解率低,故CODMn質量濃度較高。

2.1.2 空間分布

根據CODMn質量濃度的相似性,采樣站位首先被分成兩個聚群,進而被分成3個聚群(圖3a)。聚群1代表了西江沿線站位(封開至新圍),聚群2代表了鄰近廣州市的站位(市橋、蓮花山和珠江橋),聚群3代表了珠三角河網中部站位。盡管聚群3處于下游江段,比其他兩個聚群相對閉塞,但是其CODMn質量濃度與聚群1很接近,而聚群2卻明顯偏高(圖4)。這說明人類活動引起的生產和生活排污是影響珠江中下游水域CODMn質量濃度偏高的重要因素。

圖4 自組織特征映射模型中各聚群的CODMn質量濃度Fig. 4 CODMnmass concentration of each cluster on the SOM map

2.2 珠江中下游水體中CODMn質量濃度與其他環境因子的關系

與其他環境因子進行相關分析(表1),結果表明:CODMn與鹽度、電導率及DO呈極顯著負相關;與總氮、總磷、硅酸鹽及葉綠素a呈極顯著正相關。魏鵬等(2009)、周家飛等(2014)、潘向忠等(2011)和王莊等(2010)等對珠江口廣州海域、香溪河庫灣、錢塘江杭州段及濟陽河(長沙段落)調查均得出CODMn與DO呈極顯著負相關關系。分析原因是由于水體中存在的還原性物質能消耗水中的氧(王綠洲等,2011;黃震等,2005),因此COD值越高,DO值越低。一般鹽度越高,電導率越大,CODMn與鹽度、電導率的負相關也說明了靠近陸源排污口鹽度低而CODMn高,可見珠江中下游CODMn分布特征主要受陸源污水排放的影響。該結果與張艷等(2016)和楊斌等(2014)對渤海中部海區和欽州灣水域研究的結果一致。

圖3 基于CODMn質量濃度相似性的空間分布模式Fig. 3 Spatial pattern based on CODMnsimilarities

表1 CODMn和其它環境因子之間的相關性矩陣Table 1 Matrix of correlations between COD and environmental variable

藻類繁殖造成的浮游植物色素量是水體CODMn激增的基礎(Kawabe,1997)。水體中葉綠素a的水平反映了浮游植物生物量的高低。浮游植物是水體中的生產者,通過光合作用將無機物轉化為有機物,并產生氧氣為水體增加溶解氧。靠近陸源排污的水體中硅酸鹽、氮、磷質量濃度偏高,為浮游植物的生長提供了大量的營養,有助于藻類迅速繁殖,藻類在充分的光照和適宜的溫度下產生大量有機物,對CODMn的貢獻顯著,這進一步說明CODMn分布特征主要受到陸源污水排放的影響。

2.3 水環境質量評價

2.3.1 水質污染狀況評價

調查結果采用單因子評價指數法(酈桂芬,1989;張戈等,2009;陸衛軍等,2009)來評價水體CODMn污染程度。該評價方法表示單項污染物對水質污染影響的程度(時文靜等,2011;韓彥霞,2008),計算公式為:Pi=Ci/Si。式中,Pi為單項污染指標的污染指數;Ci為單項污染指標的實測質量濃度;Si為2002年國家公布的《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中高錳酸鹽指數的Ⅲ類水標準限制值(6 mg·L-1)。高錳酸鹽指數的單因子評價分級如表2所示,各聚群分級見表3。

珠江中下游調查的16個站位水體CODMn污染指數(Pi)范圍在0.19~2.63之間,超標率為15.6%。比較各聚群污染結果發現,聚群1水域污染程度最輕,Pi均值為0.47,僅在12月達到警戒限水平,其他月份均處于無污染水平,聚群1的站位是在西江的上游,受徑流量的影響較大,而且這些河段為人口不密集的鄉村,生活污水排放量少,故水質較好;另外聚群1的左灘、外海、新圍等幾個站位周邊的生態環境較好,水生植物生長非常茂盛,有利于水體中有機污染物的分解,因此CODMn較低。聚群2水域污染最嚴重,Pi均值為1.21,達到輕度污染水平,表明聚群2的站位水質受到污染,其原因是此河段處于下游江段人口密集的城區,生活污水排放量陡增,由此產生的污染來不及自凈(晉春虹等,2016),加上有不少排污企業分布于此河段,加重了污染。聚群3的Pi均值為0.60,聚群3中的站位離河口很近,與外海海水交換能力強(黃東仁等,2014;張麗等,2015),受陸源污水影響較少,CODMn質量濃度也較低。研究發現,CODMn在不同季節的變化表現為枯水期(3月和12月)的污染程度明顯大于豐水期(6月和9月),尤以聚群2最為顯著,其水域在3月和12月分別達到輕度污染和中度污染水平。聚群3水域在6月和9月均處于無污染水平,3月污染達警戒限水平,12月為輕度污染。

表2 CODMn污染評價指標分級Table 2 Pollution evaluation of each index CODMnclassification

表3 珠江中下游CODMn污染指數評價結果Table 3 The Pollution Indices and evaluation results of CODMn

表4 珠江中下游CODMn水質標識指數Table 4 Thewater quality identification index and levels based on CODMn

2.3.2 水質等級評價

水質標識指數法是近年來提出的一種全新的水質評價方法(徐祖信,2005;朱靜平,2002),不僅能夠完整表達單因子的水質類別,還可以定性、定量地評價綜合水質狀況,已被廣泛應用于城市河道等水體的水質評價(胡成等,2011;范志鋒等,2009;楊柳等,2015)。采用單因子水質標識指數法,以高錳酸鉀指數(COD)為評價指標,對珠江中下游水質進行功能劃分,評價結果見表4。結果表明,聚群1全年水質保持在I類到Ⅲ類水質標準,水質受污染少;聚群3水域有12.5%站位為Ⅳ類水質,其余均達到Ⅲ類水質標準以上;聚群2水域不符合Ⅲ類水質標準的站位占42.7%,受污染最重。另外,對每個站位進行了水質類別的評價,豐水期6—9月綜合水質評價為I類到Ⅱ類水質。9月珠江中下游水體僅6.2%為Ⅳ類水質,其余均達到I類到Ⅲ類水質標準。6月珠江中下游全部站位水質為I類到Ⅲ類水質標準,非常適合魚類的洄游、產卵及生長,這也是國家實行禁漁制度的月份,說明禁漁對珠江中下游水質具有一定的保護作用。在枯水期,有37.6%水域不符合Ⅲ類水質標準,處于Ⅳ類和Ⅴ類水質類別的點位占有18.8%,水質較差;12月珠江橋站位甚至出現劣Ⅴ類水質,但無黑臭水質。

綜合以上兩種評價方法,珠江中下游不同區域的水環境差異存在較大的差別。聚群1水質受污染較少,水質較好;聚群2因鄰近大城市,受污染較重;聚群3介于以上兩者之間。在季節上,由于徑流引起的水文差異導致珠江中下游豐水期(6月和9月)水質狀況明顯優于枯水期(3月和12月)。

3 結論

(1)珠江中下游CODMn質量濃度的季節變化顯示,枯水期CODMn質量濃度明顯高于豐水期,徑流導致的稀釋作用是其主要影響因素。

(2)根據CODMn質量濃度的相似性,對珠江中下游CODMn進行聚類分析,空間分布可分為3個聚群,聚群1代表了西江沿線站位,聚群2代表了鄰近廣州市的站位,聚群3代表了珠三角河網中部站位。

(3)對珠江中下游CODMn質量濃度與其他環境因子進行相關分析發現,CODMn與鹽度、電導率及DO呈極顯著負相關;與總氮、總磷、硅酸鹽及葉綠素a呈極顯著正相關。

(4)以CODMn為評價指標,對珠江中下游水質狀況及污染情況進行評價,聚群1水域全年水質保持在I類到Ⅲ類水質,水域受污染少;聚群2水域受污染最嚴重,達到Ⅲ類水質標準的站位約占一半;聚群3水域介于以上兩者之間。在季節上,珠江中下游豐水期水質優于枯水期水質。

CODMn作為反映水體有機污染狀況的綜合指標,也是環境管理部門衡量水體污染減排的主要因子。導致珠江中下游CODMn質量濃度較高的原因很多,但控制非點源污染和生活生產廢棄物的隨意丟棄及無節制排放應是控制CODMn質量濃度較好的方法。

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YANG Wanling, LAI Zini, ZENG Yanyi, SHUAI Fangmin, LI Haiyan, WANG Chao.

Spatio-temporal Characteristics of CODMnin Surface Waters of Middle and Downstream of the Pearl River and Water Environment Evaluations

YANG Wanling, LAI Zini, ZENG Yanyi, SHUAI Fangmin, LI Haiyan, WANG Chao*
Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Guangzhou 510380, China

In order to understand the spatio-temporal pattern of CODMnand impacting factors in the surface water of the middle and downstream of the Pearl River, seasonal investigations were carried out in 2015. During the investigation, the mass concentration of CODMnwas in the range of 1.14~15.8 mg·L-1, with an average of 3.93 mg·L-1. For seasonal characteristics, CODMnof the dry season (March and December) was significantly higher than that of the flood period (June and September). Runoff is the main factor affecting the seasonal variation. As for the spatial distribution pattern, the content of CODMnin the studied area could be divided into three levels, represented by three clusters. Among them, cluster 1 represents the sites along the West River, cluster 2 represents the adjacent sites of Guangzhou city, and cluster 3 represents the central Pearl River Delta. The highest content of CODMnwas found in cluster 2, followed by that in cluster 3 and the lowest in cluster 1. Correlation analysis with other physical and chemical factors showed that CODMnhad a significant negative correlation with salinity, conductivity and DO, and was significantly positively correlated with total nitrogen, total phosphorus, silicate and chlorophyll a. Pollution conditions and water quality levels based on CODMnwas also analyzed. The seasonal results showed that water quality during flood periods was between class I and II, while 37.6% sites showed worse than class III. It was obviously water quality in flood periods was better than that in dry sesons. There is a big difference in water quality in different regions. Among them, mean value of Pialong the West River was 0.47, less polluted, and the annual water quality maintained between class I and class III. The mean value of Pinearing Guangzhou city was 1.21, heavily polluted, and 42.7% sites did not meet the class III water quality standards. The mean value of Piin central Pearl River Delta was 0.6, only 12.5% sites were worse than class IV water quality, most were better than class III. Above all, runoff is the main factor affecting the seasonal variation of CODMnin the surface water of the middle and downstream of the Pearl River; production and living pollution caused by human activities is an important factor affecting the spatial distribution of CODMncontent in the studied regions. Our results are helpful for understanding pollution conditions and environmental protection in the studied area.

Pearl River; surface water; CODMncontent; spatio-temporal pattern; water quality evaluation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.014

X522

A

1674-5906(2017)04-0643-06

楊婉玲, 賴子尼, 曾艷藝 , 帥方敏, 李海燕, 王超. 2017. 珠江中下游表層水體CODMn時空分布特征及水環境評價[J]. 生態環境學報, 26(4): 643-648.

中國水產科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金(2016RC-LX01);國家自然科學基金青年基金項目(41403071)

楊婉玲(1974年生),女,高級實驗師,主要從事環境保護的研究。E-mail: 86411138@qq.com

*通信作者:王超(1980年生),男,副研究員,博士,主要從事水環境保護方面的研究。E-mail: chaowang80@163.com

2017-02-03

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