甬江干流水体主要理化因子的时空变化及水质评价

包薇红 ，杨国靖 ，滕丽华 ，商卫纯 ，包文辉 ，许银春，谭大鹏，黄平沙

(1 宁波市环境保护科学研究设计院，浙江 宁波 315012;2 浙江万里学院 生物与环境学院，浙江 宁波 315100;3 宁波市鄞州区环境监测站，浙江 宁波 315100)

作为重要的生态系统类型，河流生态系统是生物圈物质循环连接陆地与海洋的重要通道之一，很多营养盐及污染物在河流中得以迁移和降解［1-2］，并伴随着河水的下泄，大量多余的营养盐和污染物被带到海洋，进而对海洋特别是近海的海水造成生态危害.随着工业文明的迅速发展，人类对水资源的需求量与日俱增，很多河流因用水过度而面临断流或枯竭，此外，大量污染物的排入以及河岸缓冲带的乱砍乱伐严重影响了河流环境，其结构受到极大破坏，诸多生态功能也因人类活动的干扰而逐渐丧失［3-6］.因此，了解河流生态系统的健康状况和相关的生态系统内部组分的特点，对于维持河流生态系统正常的服务功能，修复受损河流生态系统，促进河流及其流域的经济、社会和环境的可持续发展具有极为重要的意义.

甬江水系是浙江省七大水系之一.奉化江和姚江分别是甬江的干流和主要支流［5］.甬江全长130.96 km，流域面积4 572.00 km2.姚江发源于四明山夏家岭，全长105 km，流域面积1 934 km2.奉化江发源于四明山东麓的秀尖山，干流长98 km，流域面积2 223 km2.奉化江有剡江、县江、东江和鄞江四大支流.奉化江流经奉化、鄞州和市区的海曙区、江东区，在宁波市三江口与源于上虞境内四明山的姚江汇合成甬江，并于宁波镇海口流入东海.甬江指姚江、奉化江汇合于宁波市区的三江口后至镇海大小游山出口段，全长26 km，流域面积361 km2.由于自1959年起，在姚江与奉化江汇合前筑有一大坝，该坝的阻隔使姚江实际上成为了一个相对静止的蓄水库.除汛期以外，姚江基本上呈闭闸或少量放流［7］.整个甬江水系的主要功能包括饮用水源、水产养殖、农业灌溉、船舶运输以及景观用水等多个方面.

本文以甬江干流(奉化江和甬江段)为研究主体，对水体主要理化因子进行了周年性的监测，以期对甬江干流水质现状做出客观评估，其结果对于甬江水系的可持续管理以及区域的生态环境建设具有非常重要的意义，同时也为决策者管理河流提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 采样点及样品分析

本研究的采样点设置在奉化江段和甬江段，共设置了13 个采样断面(图1)，其中断面9 位于姚江段与奉化江汇合之前.

图1 13 个采样点断面示意图Fig.1 Sketch of 13 sampling sections in Yongjiang River

现场采样自2011年3月至2012年2月，采样频率为每月1 次.采样方式及水样分析均参照国家有关标准进行［8-9］.测定的理化因子有水温、透明度、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)及盐度等.

1.2 甬江干流水环境质量的评价

除参照国标对甬江干流水环境质量进行评价外，本文还利用了模糊综合评价模型进行水质评价［10-11］.

2 结果与分析

2.1 各断面水质基本理化特点

各采样断面水的基本水质理化因子的变化范围见表1.从表1 可见，各采样断面间除了盐度和透明度有较大差异外，水温和水的pH 并没有明显差异.由于河口区域潮汐的作用，故近出海口附近的几个采样断面上盐度有一定幅度的变化.从各采样断面的透明度看，上游的透明度较下游的高很多.

表1 甬江水质基本理化因子Tab.1 The basic physical and chemical factors of water quality in Yongjiang River

2.2 各断面水质理化因子变化特点

参照国家有关标准，能够反映水质状况的主要理化因子有水中的DO、BOD5、CODCr、TP、TN 以及Chl-a 含量等.甬江干流各采样断面的有关理化因子年度变化范围见表2.

综合本研究所获得的甬江干流周年数据，可以看出该干流由上游到下游，DO 的变化呈现由高到低再有所升高的规律，这种变化规律与水中其他因子，特别是营养盐含量的增加有一定的关系，相关性分析显示:甬江干流中DO 含量与BOD5、CODCr、TN 和TN 呈显著负相关(P＜0.05)，其相关系数(r)分别是-0.869 3、-0.923 2、-0.922 6 和-0.639 2.

从国家标准衡量地表水质的几个重要指标看，甬江干流的不同断面间BOD5、CODCr、TN、TP 以及Chl-a 均呈现出上游较低，中游段(进入市区后)较高，下游段(近河口区域)又降低的变化规律.这种不同断面间的变化规律与我国其他流经城市的河流类似，它反映了城市经济发展和人口激增对水环境的直接影响.

表2 甬江反映水质状况的理化因子Tab.2 The physical and chemical factors reflecting water quality in Yongjiang River

在甬江干流的不同采样断面，虽然各重要理化因子存在着较大的差异，但就一个具体的采样断面讲，理化因子的季节性变化也是很明显的，基本上成单峰或双峰型变化规律.这种变化规律与甬江地处我国温带地区有直接关系.

环境状况的改变是多种因素综合作用的结果，从甬江干流的实际监测也有所反映.在Chl-a 质量浓度较高的断面(如断面9)和季节中，水中的ρ(TN)∶ρ(TP)均接近16，这一结果也验证了国内外学者所报道的N和P 作为环境限制因子，其对浮游植物的作用更多地是通过两者间的比例反映出来的观点［12］.

2.3 各断面水质理化因子季节性变化

甬江干流各断面水中DO 质量浓度的季节变化见图2a.由图2a 可见，在不同季节中，位于水库附近甬江源头的上游断面1 和2、下游断面13、12 和11以及姚江中断面9 的DO 质量浓度始终保持在一个较高的水平上;市中心的断面5、6、7、8 和10 的DO质量浓度由于受到城市生活的影响则较低.各断面的DO 质量浓度季节变化基本上保持一致的趋势，即在冬春季较高、夏秋季较低.

图2b 显示，不同季节甬江干流中的BOD5在各断面变化规律虽不明显，但上游断面1～3 的BOD5质量浓度较中下游的要低很多.下游断面11～13 明显表现出夏季最高，秋季最低，冬季又升高的双峰特点.同时市区中心各断面6～10(除9 号断面被大坝隔断)，都有高于上下游的BOD5质量浓度，最高值均发生在冬季.

图2c 显示，在甬江干流的中游段(市中心区断面8～10)中存在着CODCr的夏季高峰，而在其他断面上，CODCr虽然存在着一定程度的季节性波动，但升级的幅度还是较小的，且上游断面1 和2 以及下游断面11～13 的CODCr较低，均未超过15 mg/L.导致8月份断面10 的CODCr质量浓度远远高于其他断面的原因可能有以下几个方面的因素:一是该断面沿岸有众多的餐饮店、露天酒吧和居民社区，虽然该地区已经铺设了污水管道，但生活污水的无组织排放导致了该断面较多的营养物和较高的BOD5和CODCr;另外一个可能是与采样时间段的潮汐有关，8月份采样时，该断面的河水受潮汐上升顶推的作用，水流下泄受到影响，因而水的稀释作用没有反映出来.

图2 各断面理化因子的季节变化Fig.2 The seasonal changes of physical and chemical factors in different sections

在甬江干流上游，断面1 和2 的TP 一直很低，断面3 的TP 远远高于其他断面，特别是春季的峰值.断面3 沿河两岸都是乡镇企业，工业污染较为严重，企业管理不善，缺乏治理.断面4 受其上游断面3来水的影响，春季TP 也较高.其他断面的TP 在一个小范围内波动.TP 在市区段断面10 出现仅次于断面3 的高值，随后迅速降低，下游断面11～13 的TP 略高于断面1 和2(图2d).而断面9 的TP 低且波动性不明显，这与该断面的水交换缓慢有一定关系.

各季节中，上游断面1 和2 的TN 均维持较低水平，而下游断面11～13 的TN 则略高于断面1～2.断面3 和4 的TN 受当地工业影响水平较高，以上各断面均呈夏秋季的一个高峰;而断面5～9 的TN 全年均保持较高的质量浓度，季节变化很小，在夏季有个低谷，在春节和秋季则分别有一个小高峰，呈双峰型(图2e).

Chl-a 是反映水体初级生产力的重要指标之一，也在一定程度上反映了水体的富营养化状况.图2f显示了甬江干流各断面Chl-a 质量浓度的季节变化.由图2f 可以看出在断面1～8，Chl-a 质量浓度表现为单峰型，峰值出现在春季，且断面4、5 的Chl-a 质量浓度较高;断面10～13 的Chl-a 质量浓度虽然也呈单峰型，但高峰值出现在夏季，且下游断面Chl-a质量浓度低于中段.断面9 因为其特殊的位置，DO 质量浓度较高且污染程度较低，因此该点的Chl-a 质量浓度在全年大多数时间里均是所有断面中最高的.

2.4 各断面主要水质理化因子比较

将各采样断面水体中DO、BOD5、CODCr、TP、TN以及Chl-a 质量浓度等取年度平均，比较不同断面间的差异(图3).图3 表明，除断面9 以外，甬江干流自上游向下DO 质量浓度呈快速下降趋势，在宁波市区各断面降为低谷;随着河水离开城区，水中的DO 又呈上升趋势.

反映水中有机污染程度的BOD5和CODCr在甬江干流的上游段均较低，并呈逐渐增加的趋势，在宁波市区各断面达到峰值，其中断面6～8 越近市中心BOD5和CODCr越高(断面9 除外)，断面10 的BOD5和CODCr达到最高.随着河水离开城区，水中的BOD5和CODCr均呈下降趋势.特别需要指出的是断面9 位于姚江大闸的下游，此处的水流缓慢，与外面的水很少交换，该断面虽然在市中心，由于大坝阻隔，水流没有与来自于断面6～8 的汇合交流，BOD5较上述其他4 个断面低，而高于上下游其他断面.

图3 各断面水质理化因子的周年平均值Fig.3 The annual average of physical and chemical factors in different sections

应用模糊数学手段，对DO、CODCr、BOD5、TP 和TN 评价因子进行属度矩阵R 和权重矩阵复合计算得出水质模糊综合评价向量B;经加权平均又得出水质综合评价级别*B 值.依据文献［10］所划分的*B值，将地表水分为Ⅰ～Ⅴ类，甬江干流各断面水质综合评价结果见表3.

表3 的结果表明，断面1 的春、夏、秋、冬四季水质评价级别为:*B1={1.306 8、3.554 2、3.382 3 和1.230 2};其四季水质分别为:Ⅰ类水、Ⅳ类水、Ⅲ类水和Ⅰ类水.断面2 的水质评价级别为:*B2={2.586 6、4.534 1、4.242 7 和1.532 4};其四季的水质分别为:Ⅲ类水、Ⅴ类水、Ⅳ类水和Ⅱ类水.从断面3 到断面13，除断面9 冬季为Ⅳ类水外，其余均为Ⅴ类水，四季水质都非常差.整个干流不同断面的水质由优到劣依次为:断面1＞断面2＞断面13＞断面9＞断面11＞断面12＞断面5＞断面10＞断面8＞断面4＞断面7＞断面6＞断面3 号.

根据甬江干流水质评价级别*B 的最小值、最大值、平均值分析，甬江干流综合水体不同季度评价结果从优到劣依次为:冬季＞春季＞夏季＞秋季.

表3 各断面不同季度水质评价级别* B 值及水质类别Tab.3 Evaluation parameter * B and water quality level in different sections in different seasons

对照有关的国标，甬江干流的段面4～10 的水体BOD5和CODCr这2 个因子多表现为Ⅲ类水以下，个别断面处于Ⅳ类状态.各断面水中的TN 和TP 的质量浓度与BOD5和CODCr的变化类似.但需要注意的是断面3 的TP 质量浓度平均值为全部断面中最高的.这与该断面沿岸的工业企业有着直接关系.

随着水体中营养物和有机物含量的增加，水中Chl-a 质量浓度也明显上升，整个干流中表现出上游断面较低，进入市区前的段面中有较高Chl-a，之后再次呈现出逐渐下降并保持在一个较低的水平(断面9 除外).对于断面9 而言，由于ρ(TN)∶ρ(TP)值更接近于16，故该断面水中的浮游植物具有更加适合的营养盐供给，导致其Chl-a 质量浓度最高.需要指出的是:虽然甬江干流上游和下游的Chl-a 质量浓度均较低，但引起的原因是完全不同的.在甬江上游段，虽然上游水的透明度较大，但由于营养盐和有机物的量均较低，故使得藻类的数量较少，因此Chl-a质量浓度不高.在下游各断面，虽然营养盐和有机物含量都较高，但由于水中存在大量的悬浮物，导致水的透明度很低，水中的藻类不能有效地进行光合作用，故Chl-a质量浓度也较低.

3 结论

从水生生态学以及环境科学角度来看，虽然国内外对于河流水体的理化因子都给予了关注［1，13-17］，但完整地对一条河流不同断面理化因子的周年性监测的公开报道较少.本研究通过对甬江干流多个断面水环境理化因子周年性的采样测定，以及比较不同断面上理化因子的季节性变化，结合模糊数学手段分析，得出以下结论:反映水污染的各种理化因子均表现出上游小、中游(市区段)大、下游再次变小的趋势;甬江干流中DO 质量浓度与BOD5、CODCr、TN和TP 质量浓度呈负相关(P＜0.05);各断面上污染因子均表现出明显的单峰或双峰型季节性变化;模糊数学分析显示除少数上游断面外，大多数断面周年的水质均为Ⅴ类水，冬春季的水质好于夏秋季.

［1］KARR J R，CHU E W.Sustaining living rivers［J］.Hydrobiologia，2000，422/423:1-14.

［2］王佳宁，晏维金，陈能汪，等.我国河流N2O 饱和度与释放系数变化及其与河流氮水平的关系研究［J］.农业环境科学学报，2012，31(8):1576-1585.

［3］FORE L S，KARR J R，WISSEMAN R W.Assessing invertebrate responses to human activities:Evaluating alternative approaches［J］.J N Am Benthol Soc，1996，15(2):212-231.

［4］POFF N L.Landscape filters and species traits:Towards mechanistic understanding and prediction in stream ecology［J］.J N Am Benthol Soc，1997，16(2):391-409.

［5］罗扬，赵杭美，王金凤，等.苏州河东风港河岸缓冲带中草地生态功能研究［J］.生态科学，2007，26(1):1-5.

［6］王强，卢少勇，黄国忠，等.14 条环太湖河流水质与茭草、水花生氮磷含量［J］.农业环境科学学报，2012，31(6):1189-1194.

［7］冯利华，鲍毅新.甬江建闸的环境影响分析［J］.自然灾害学报，2004，13(6):88-91.

［8］魏复盛.水和废水监测分析方法［M］.4 版.北京:中国环境科学出版社，2002.

［9］美国公共卫生协会.水和废水标准检验法［M］.15 版.宋仁元，译.北京:中国建筑工业出版社，1985.

［10］章炎麟.模糊数学在水环境评价中的应用［J］.科学技术与工程，2005，5(15):1111-1113.

［11］裴廷权，王里奥，韩勇，等.三峡库区小江流域水体富营养化的模糊评价［J］.农业环境科学学报，2008，27(4):1427-1431.

［12］刘建康.高级水生生物学［M］.北京:科学出版社，1999.

［13］章予舒，王立新，张红旗，等.甘肃疏勒河流域环境因子变异对荒漠化态势的影响［J］.资源科学，2003，25(6):60-65.

［14］游文荪，许新发.生境因子对河流生态系统胁迫程度探讨［J］.中国农村水利水电，2011(12):43-45.

［15］李凤清，叶麟，刘瑞秋，等.香溪河流域水体环境因子研究［J］.生态科学，2007，26(3):199-207.

［16］胡雪峰，许世远，陈振楼，等.上海市郊中小河流水污染现状及对策［J］.农业环境保护，2002，21(3):204-207.

［17］张千千，王效科，郝丽岭，等.重庆市盘溪河水质不同季节日变化规律及水质评价［J］.环境科学，2012，33(7):2251-2258.