三峡水库支流营养状态评价方法

许秋瑾,郑丙辉*,朱延忠,李 涵,蒋丽佳 (.中国环境科学研究院湖泊创新基地,北京 000；.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 00083)

三峡水库的建成将对整个长江、长江口及沿海水域的环境产生巨大的影响.研究表明[1],进入蓄水阶段后,由于库区水体的总磷(TP)、总氮(TN)浓度主要来自上游来水、农田径流和城镇生活污水,水体污染目前尚未有得到完全控制,蓄水后的干流断面TP浓度高达0.1～0.5mg/L,TN浓度为0.8～1.5mg/L[2],同时,库区的水文条件也发生了剧烈变化,蓄水造成水流变缓,坝前深水区断面平均流速只有 0.07～0.09m/s,比天然河道断面平均流速减小近5～10倍,尤其是在一些库湾以及长期处于回水淹没区的支流,受干流顶托作用,局部水体的水流运动变得十分缓慢,如香溪河、大宁河等.这些支流常年TP、TN浓度均已接近或超过国际上公认的发生富营养化的浓度水平(TP为 0.025,TN为 0.2mg/L),具备发生富营养化的条件[3-5].富营养化防治已成为三峡水库水环境治理与管理的重点,而营养盐控制标准的制订以及水体富营养化评价方法是防治和管理的基础.本研究综合应用国内外湖库营养控制标准的制订方法以及富营养化的评价方法[6-12],提出了改进的综合营养状态指数法,并对三峡库区支流进行了富营养化评价,以期为三峡水库的富营养化防治及水环境管理提供依据.

1 研究方法

1.1 研究区域的自然概况

三峡水库(106°～111°50′E,28°30′～31°50′N),东起湖北省宜昌,西至重庆巴县,涉及重庆市和湖北省的19个县市,库区面积5.4万km2.库区属于湿润亚热带季风气候,年平均气温 17～19℃,1月平均温度3.6～7.3℃,气候条件有利于藻类的生长.水库为典型的河道型水库,长 660km,水面宽为700～1700m,平均水深 90m,面积约 1084km2[13].水库建成后正常蓄水位 175m,汛期防洪限制水位145m,枯季消落最低水位155m.水库总库容和防洪库容分别为393,221.5亿m3.入库多年平均径流量 2692亿 m3,出库多年平均径流量 4292亿

m3,79%的径流量集中在汛期 6～10月份.库区支流丰富,仅在重庆市域流域面积大于 100km2的支流就有207条.

1.2 采样及分析方法

三峡水库入库河流主要有大宁河、香溪河、梅溪河等31条支流,依据回水长度布设了50个监测样点,其中苎溪河布设了5个监测样点,草堂河、梅溪河、汤溪河及朱衣河各布设了3个监测样点,长滩河、磨刀溪、渠溪河和神龙溪各布设了2个监测点,其余支流布设1个监测点.从2005～2007年,共进行了3年的连续监测分析,采样频率为一年6次或12次,共获取有效监测数据600余组.

叶绿素 a(chla)的测定采用丙酮萃取分光光度法测定;透明度采用塞氏盘法测定;总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;总磷采用钼酸铵分光光度法测定,COD采用高锰酸盐指数法测定[14].

1.3 评价方法

选取叶绿素a、总磷、总氮、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)5个单项指标的浓度值[10,12-13,15],分别计算三峡库区支流单项指标的营养状态指数(TLI).

式中:TLI(∑)为综合营养状态指数;TLI(j)为第 j种参数的营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重.

可由一些评价参数作为基准参数,对其他评价参数进行相关分析后,对相关系数归一化得出相关的权重.

式中: rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数;m为评价参数的个数.

采用 0～100的一系列连续数值对水体营养状态进行分级(表1).

表1 水体营养状态分级Table 1 Classification of water nutritional status

2 结果与讨论

2.1 营养盐控制指标的权重计算

参考国际惯例[7],chla取 1.6,10.0,26.0,60.0, 160.0mg/m3分别为贫营养、中营养、轻富营养、中富营养、重富营养的上限表征值,分别将chla、TN、TP、SD和CODMn在各个营养级的50%特征值(能比较好地代表水体的总体状况)和国际惯例规定的chla的特征值取自然对数,并按照营养状态指数TLI上限在贫营养、中营养、轻富营养、中富营养、重富营养和异常富营养分别赋值为:30,50,60,70,80,得出如下关系:

通过对所有支流的监测数据进行分析,叶绿素与TN、TP、SD和CODMn的相关系数分别为: r12= 0.346, r13= 0.478, r14= -0.112,r15= 0.554.故其权重分别为:

2.2 三峡库区支流和我国部分湖泊的比较

将本研究改进的综合营养状态指数法获得的营养指数关系式与“七五”期间调查的26个湖泊[16]得出的湖库富营养化评价方法及分级技术规定的方法的关系式进行比较,发现两者存在差异(表2).原因是三峡水库有其自身的水环境特征,与 26个湖泊存在较大的差异,如研究表明水力条件是影响三峡水库富营养特征的主要因素[17-19].由于本研究得出的公式是针对三峡库区支流的数据,通过统计方法得出的,因此更有针对性,更能真实反映库区富营养化的状况.

表2 三峡库区支流和我国部分湖泊参数的营养状态指数比较Table 2 Nutrient status index compared tributaries of Three Gorges Reservoir with several lakes

由表3可见,三峡库区支流和我国26个湖泊的参数[16]与chla的相关关系rij及权重存在较大差异,26个湖泊chla和TN、TP、CODMn的相关系数都在0.8以上,而三峡水库支流chla与SD的相关系数只有0.11.从权重分析,三峡水库支流的TP和CODMn的权重比TN和SD大,分别达到0.137和0.184.

表3 三峡库区支流和我国部分湖泊的参数与Chla的相关关系rij及权重的比较Table 3 Correlation and weighting coefficient Compared tributaries of Three Gorges Reservoir with several lakes

2.3 应用改进的综合营养状态指数法进行富营养化评价

利用改进的综合营养状态指数关系式对三峡库区2005～2007年31条支流共600余组有效数据进行综合营养状态指数计算,在统计的有效数据中,数据达到富营养化水平的有331组,占总数据的55.17%,达到贫营养水平的数据43组,占总数据的7.17%.调查期间各支流主要处于中-富营养水平,支流富营养化趋势明显加剧.

利用本文得出的改进的综合营养状态指数评价的关系式,进行支流营养状态月变化趋势分析,表明各支流在4～9月的平均综合营养状态指数值较大(图1),均达到富营养化水平,其中在8月份出现最大值为 55.43,达到富营养化水平,显示春夏季节库区支流发生富营养化的风险较高.与4～9月份的高风险水平相比,1～3月份和10月份综合营养状态指数相对较低,由此可见,4～9月份应为控制库区富营养化发生的敏感时期.

应用改进的综合营养状态指数法以及湖库富营养化评价方法及分级技术规定的方法对库区各支流在富营养风险较高的 4～9月份数据进行评价分析.由图 2可见,利用湖泊(水库)富营养化评价方法[16]进行评价,库区所有支流均发生富营养化,且平均营养水平达中-重富营养化程度,此结果与库区支流真实的营养盐水平不符.而利用本文改进的综合营养状态指数法进行评价,30条支流中,有19条支流的平均营养状态指数处于富营养化水平,11条支流的平均营养状态指数处于中营养水平,结果更真实可靠.

图1 应用改进的综合营养状态指数法所得库区支流营养状态指数月变化趋势Fig.1 Nutrient index trend of tributaries of Three Gorges Reservoir applied method of improved comprehensive nutrient status index

图2 峡库区各支流4～9月份综合营养状态指数变化Fig.2 Variety of comprehensive nutrient status index from April to September in tributaries of Three Gorges Reservoir

3 结论

3.1 针对三峡水库支流的富营养化控制与治理,提出了改进的综合指数营养状态指数法,并对三峡库区支流进行了富营养化综合评价,评价结果显示库区支流主要处于中营养水平,支流富营养化有明显加剧的趋势,库区支流在4～9月的平均综合营养状态指数值较大,4～9月份应为控制库区支流富营养化发生的敏感时期.

3.2 与目前国内传统的由“七五”期间调查的26个湖泊总结得出的“湖库富营养化评价方法及分级技术规定”[16]的评价方法相比,改进的综合营养状态指数校验法更适合三峡水库支流富营养化的评价,更具有针对性,这应是三峡水库作为河流型水库,由其自身特有的水环境特点决定的.

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