钱塘江河口环境要素空间分布特征的初步研究

刘冬雪，刘丽敏，曾燕燕

(浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

钱塘江水系是浙江省最大的水系，发源于安徽省休宁县境内，自上而下分别称为新安江、富春江和钱塘江，干流从西向东贯穿皖南和浙北，汇入东海。在浙江省境内干流全长583km，流域面积56960km2，多年平均径流量达373亿m3，水量充沛，是杭州的母亲河，也是杭州的重要命脉。然而，随着社会经济的快速发展，钱塘江流域水资源水环境安全受到严重威胁:流域污染严重，水质下降;承担着巨大的人口压力;水资源短缺;水土流失现象仍比较严重等。正由于作为杭州水源地的钱塘江水质状况不容乐观，水体富营养化比较严重，加之河口段咸潮入侵，严重威胁着杭州市民的饮用水安全，因此对其进行监测研究具有重要的现实意义［1-3］。同时，由于受径流、潮流、采砂及治江围垦等诸多自然和人为因素的影响，钱塘江的水文条件与生态环境特征也发生了变化。

为加强钱塘江流域水资源水环境的保护与利用，近年来，浙江省开展了钱塘江河口水环境及水质生态监测公益性项目，研究范围覆盖整个钱塘江河口 (富春江大坝下游至芦潮港—镇海断面)，长约282km，两岸分布有杭州、嘉兴、绍兴、宁波等城市群和富饶的杭嘉湖、萧绍宁平原。对钱塘江流域进行大面积全面的水资源水环境监测和研究，对饮用水源的安全性评价、水生态环境保护以及河口治理都具有重要意义。因此，本文通过研究了解钱塘江河口环境要素的空间分布特征，不仅对透明度、DO及pH进行了现场监测，还对盐度及表层沉积物粒度进行了实验室分析，为钱塘江河口水文水环境研究提供科学依据。

2 监测范围及测线布置

本次监测范围为钱塘江河口，从富春江大坝下游至芦潮港—镇海一线，共布设25条断面54个测点及采样点。根据断面的宽度不同合理布置测点，其中从桐庐至乍浦断面，每个断面布设2个测点;金山和伏龙山断面各布设3个测点;金山以下断面布设4个测点 (见图1)。外业监测时间选取钱塘江河口丰水期，于2011年05月16日开始，至05月25日结束。

图1 钱塘江河口各断面及测点布置图

3 样品采集及监测方法

3.1 样品采集方法

本次监测对象为平均水体和表层沉积物。其中，采集平均水体样品用积深法，即由面层开始匀速向下至底层，随即由底层匀速向上至水面。每次取样量不大于采样器容积值，如遇溢出，须重新采集水样。现场测定项目完成后，将所采水样充分混合均匀后按照相关标准的要求进行分装保存，以备实验室测定。表层沉积物样品用抓斗式采样器采集，所采表层沉积物不少于500g，装入规定容器，以备测定。

3.2 监测仪器及方法

主要针对钱塘江河口的6项基本环境要素进行监测，包括水体透明度、溶解氧DO值、pH值、盐度、表层沉积物粒度及悬浮泥沙含量，对前5项环境要素的空间分布特征进行分析研究。透明度、DO值、pH值分别采用赛克盘(Secchi disc)、便携式溶解氧仪及便携式酸度计进行现场监测;对水体盐度及表层沉积物粒度进行实验室分析。水体盐度用SYA2-2型盐度计和硝酸银滴定法结合测定，每个样品重复测2次取平均值。盐度高于2‰的样品用盐度计测定，低于2‰的样品用硝酸银滴定法测定。悬浮泥沙含量采用重量法测定。

表层沉积物用激光粒度仪测定。取适量表层沉积物样品于烧杯中，加入10mL浓度为10%的H2O2去除样品中的有机质，加热后静置24h，然后加入10mL浓度为10%的盐酸去除碳酸钙，再加入10mL浓度为0.05mol/L的分散剂 ［NaPO3］6，用超声波振荡对样品进行分散处理，最后用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪进行测试。该仪器粒径测量范围为0.02～2000.00μm，粒级分辨率为0.01Φ (Φ=-log2d，式中d为用mm表示的粒径大小)，重复测量相对误差＜2%。根据国际上应用较广的伍登-温特华斯的粒度分级方案 (2的几何级数制，即:砂 (2.000～0.063mm)、粉砂 (0.0630～0.0039mm)和黏土(＜0.0039mm))对钱塘江河口表层沉积物进行粒度分析。

4 结果分析

4.1 钱塘江河口水体透明度的空间分布特征

水体透明度是水体能见程度的一个量度，也是评价水体富营养化的重要指标。相关研究表明，非生物悬浮颗粒、浮游植物和溶解性有机物是影响水体透明度的主要因子，而对于不同水体，各因子影响程度不同［4-5］。钱塘江河口水体透明度和悬浮泥沙含量的空间分布特征见图2。结果显示，测区水体透明度在0.1～1.4m，中、下游水体透明度低于上游水体，这是由于中、下游水体悬浮泥沙含量明显高于上游水体，尤其是涨落潮时刻，水流紊动强度大，使泥沙快速上扬，水体悬浮泥沙含量也随之迅速增大，从而导致透明度下降。因此，对于钱塘江河口各段水体，其透明度主要受非生物悬浮颗粒的影响，即悬浮物中泥沙等无机颗粒是其主要影响因素。此外，由图2还可知，在上游段中富阳断面2个测点的透明度值明显低于附近其他测点值，这主要是由于上游水体悬浮泥沙含量低，而在悬浮物浓度很低时，悬浮物 (主要指无机颗粒物)对透明度的影响不显著，此时，浮游植物和溶解性有机物是影响水体透明度的主要因素，其影响程度还需要结合叶绿素a、总氮及总磷等其他水质指标进行后续的监测分析。

图2 钱塘江河口水体透明度和悬浮泥沙含量空间分布图

4.2 钱塘江河口溶解氧 (DO)的空间分布特征

由钱塘江河口溶解氧的空间分布特征见图3。从图3中可知，钱塘江河口不同区段水体中，其溶解氧含量不同。其中，桐庐断面至闻堰段面，DO值为2.0～6.4mg/L;闻堰断面至浦沿断面，DO值从6.4mg/L骤然上升至7.8mg/L;浦沿断面至镇海断面，DO值为7.4～8.9mg/L。由此可见，钱塘江河口中、下游水体溶解氧值大于上游水体。溶解氧的低值区多集中在富阳至浦阳江一段，其中富阳断面2个测点DO值最低，分别为1.9mg/L和2.0mg/L，远低于保障大多数鱼类生存所需溶解氧的最低浓度 (4.0mg/L)，不利于钱塘江水生态及水环境的保护。此外，若以OS表示饱和溶解氧、O表示当前溶解氧，则其氧亏D计算公式:

式中:饱和溶解氧OS是水温T的函数，计算公式［6］:

式中:T以℃计。由式 (1)、(2)计算得出，富阳断面的氧亏值最大，约为9.0mg/L。研究表明，富阳段造纸企业中大量高浓度有机物污水排入富含溶解氧的钱塘江后，有机物必定快速降解，从而大量消耗水体中的溶解氧，加之下游水质较差的浦阳江汇入，更加剧了溶解氧的消耗。由此可见，输入的有机物耗氧是形成富阳断面低溶解氧现象的主要原因之一。另外，富阳造纸业主要为废纸再生造纸，造纸废水中不仅含有大量的BOD，还含有一种无机的耗氧物质—亚硫酸盐 (SO3-)，亚硫酸盐进入水体后立刻与水中的溶解氧产生化学反应，从而消耗水体中的溶解氧。总体而言，富阳断面的低溶解氧除了受有机耗氧物质的影响，还受无机耗氧物质亚硫酸盐等的影响［7］。

图3 钱塘江河口溶解氧空间分布图

4.3 钱塘江河口pH值的空间分布特征

pH值体现了水体的酸碱性，不仅影响水体的化学和生物变化，还影响水体的自净能力。在渔业水质标准中，当pH值在6.50～8.50内，水体具有抗酸碱的缓冲能力，大多数鱼类和其它水生生物可以正常生长，当pH值偏离正常范围较大时，水质就会逐渐恶化。钱塘江河口pH值的空间分布见图4。图4结果显示，中、下游水体的pH值大于7.00，偏弱碱性;上游水体的pH值相对偏小，在7.00左右，接近中性;各测点pH值在6.91～8.11，均处于正常范围，整个测区平均pH值为7.49，适合鱼类和水生生物生长。

图4 钱塘江河口pH值空间分布图

4.4 钱塘江河口盐度的空间分布特征

钱塘江河口盐度的空间分布见图5。从整个测区的盐度分布来看，其中上游段 (桐庐断面至七堡断面)盐度变化范围为0.050‰～1.199‰，中游段 (顺坝断面至澉浦断面)盐度变化范围为4.660‰～14.854‰，下游段 (场前断面至镇海断面)盐度变化范围为13.305‰～24.673‰。盐度变化总体上呈从上游、中游至下游逐渐增大的特征。这是由于钱塘江河口是连系河流与海洋水体的过渡地带，下泄淡水径流与随潮上溯的咸水在此交汇混合，从而形成河口水体盐度的沿程变化特征。其中，测区水体最高盐度出现在镇海南测点为28.240‰，这是因为芦潮港—镇海断面地处杭州湾口，盐度分布较大程度地受浙江沿海高温高盐的台湾暖流影响。与钱塘江历史盐度测定结果相比较，此次盐度测定结果中，钱塘江河口中、下游水体盐度普遍比往年的盐度偏大，个别区段甚至高出常年均值的1倍以上，这与观测前期整个测区降雨偏少，钱塘江、长江流域径流减弱密切相关。此外，空间分布曲线的变化趋势显示，水体盐度在七堡断面后骤然上升，并存在2个突越点:其一为七堡断面到顺坝断面，水体平均盐度值从1.199‰突越至4.976‰;其二为奉贤断面到镇海断面，水体盐度平均值从20.927‰突越至24.673‰。这是由于钱塘江河口为强混合型河口，径流与潮流共同作用下形成其特定的环流结构，上游较淡水体流向海洋、下游较咸水体流向内陆［8］。七堡断面处于钱塘江河口的弯道处，镇海断面处于杭州湾入海口处，此2处断面易受盐水入侵的影响，从而形成盐度突越。

图5 钱塘江河口盐度空间分布图

4.5 钱塘江河口表层沉积物粒度组分分布特征

钱塘江河口表层沉积物粒度组分分布特征见图6。其中，由于桐庐及窄溪区域1#、3#、4#断面的江底表层多为卵石，除1#断面桐庐北测点外，其他5个测点在现场多次采集均未采到表层沉积物样品。据粒级划分结果显示，钱塘江上游 (桐庐断面至七堡断面)以及下游 (乍浦断面至镇海断面)的表层沉积物主要成分为粉砂，并含少量的黏土和砂，主要因为上游段以径流作用为主，下游及口外海滨段以潮流作用为主，二者水动力条件较弱，搬运介质的扰动强度也较小，河床相对稳定，故表层沉积物的主成分单一而稳定。钱塘江流域中间段表层沉积物主要成分为粉砂和砂，且二者质量分数相近，而黏土含量极少，甚至为零，主要因为中间段受径流与潮流共同作用，水动力条件变化较大，河床冲淤剧烈，沉积环境不稳定，故沉积物主成分并不单一。

小于0.063mm粒级部分代表了水体颗粒物中的粉砂和黏土部分，代表了水体沉积物中可被再悬浮的部分，也是水体悬浮物的主要成分［9］。总体而言，钱塘江河口表层沉积物中小于0.063mm的组分所占比例依次为:下游＞上游＞中游，这表明钱塘江河口中游表层沉积物中粗颗粒物质较多，其原因可能与近20a来近口段和河口段上游段的大规模采沙有关［10］。可见，在钱塘江河口不同水域中，表层沉积物中粒径小于0.063mm的组分存在分布不均匀的现象，因此，在进行钱塘江沉积物污染研究时，需考虑不同水域沉积物粒度组成的差异对污染物分布的影响。

图6 钱塘江河口表层沉积物粒度组分空间分布图

4.6 钱塘江河口环境要素的相关性分析

主要选取透明度、DO和pH值3项环境要素进行相关性分析，结果见表1。结果显示，钱塘江河口平均水体中透明度、DO和pH值存在显著相关性。其中，DO与pH值呈显著正相关 (P=0.718)，这可能与水体中浮游植物的生长相关。朱广伟等［11］认为浮游植物活动对水体溶解氧的变化有较大影响，浮游植物大量生长时，会提高水体pH值，同步因植物光合作用而释放氧气［12］，从而增加水体中的溶解氧。此外，相关性结果显示钱塘江河口平均水体的透明度与DO和pH值均呈现显著负相关，这可能是因为水体中浮游植物的大量生长，在提高水体pH值和DO的同时还会导致透明度的下降［10］。

表1 钱塘江河口各环境要素的相关性分析表

5 结语

通过对钱塘江河口5项基本环境要素的空间分布特征进行分析，主要得出以下几个结论:

(1)水体透明度在0.1～1.4m，中、下游水体透明度低于上游水体，上游富阳断面2个测点的透明度值明显低于附近其他测点值;(2)中、下游水体DO值大于上游水体，低值区多集中在富阳至浦阳江一段，其中富阳断面DO值最低 (2.0mg/L)，主要受当地造纸业的污水排放和浦阳江的生化耗氧物质的影响;(3)pH值在6.91～8.11，均处正常范围，整个测区平均值为7.49;(4)盐度变化总体上呈现从上游、中游至下游逐渐增大的特征，变化范围为0.050‰～28.240‰。其中，从七堡断面到顺坝断面以及从奉贤断面到镇海断面，水体盐度值有2个明显突越;(5)上游和下游表层沉积物主要成分为粉砂，中间段主要成分为粉砂和砂。表层沉积物中小于0.063mm的组分所占比例为:下游＞上游＞中游，中游段表层沉积物中粗颗粒物质较多;(6)钱塘江河口平均水体透明度、DO和pH值这3项环境要素之间均存在显著相关性。

综上所述，通过对上述5项环境要素的监测与研究，不仅可以了解各要素在钱塘江河口的空间分布特征，还对钱塘江饮用水源的安全性评价、水生态环境保护以及河口治理都具有重要意义。

［1］潘向忠，高玉蓉，李佳，等.钱塘江杭州段水体中溶解氧现状及其影响因素［J］.环境保护科学，2011，37(4):13-16.

［2］董志勇，王硕硕，辜勇，等.钱塘江河口区水生生态监测研究［J］.水利发电学报，2013，32(3):87-92.

［3］钱水苗，范莉.钱塘江流域生态补偿机制构想 ［C］ //中国法学会环境资源法学研究会:水资源可持续利用与水生态环境保护的法律问题研究——2008年全国环境资源法学研讨会论文集.南京:中国法学会环境资源法学研究会，279-282.

［4］刘健康.高级水生生物学［M］.北京:科学出版社，2000:9-10.

［5］李一平，逄勇，徐秋霞，等.动水条件下太湖水体透明度及其影响因子模拟［J］.河海大学学报:自然科学版，2009，37(6):625-630.

［6］董志勇.环境水力学［M］.北京:科学出版社，2006.

［7］李若华，曲璐，高亮，等.钱塘江河口低溶解氧现象及形成机理初探［J］.人民长江，2013，44(21):100-103.

［8］许丹，孙志林，祝丽丽，等.钱塘江河口盐度数值模拟 ［J］.海洋与湖沼，2013，44(4):829-836.

［9］侯俊，王超.太湖表层沉积物粒度组成时空分布特征及分类命名［J］.河海大学学报:自然科学版，2013，41(2):114-119.

［10］潘存鸿，曾剑，唐子文，等.钱塘江河口泥沙特性及河床冲淤研究［J］.水利水运工程学报，2013(1):1-7.

［11］ ZHU G，WANG F，ZHANG Y，et al.Hypoxia and it's environmental influences in large，shallow，and eutrophic Lake Taihu，China ［J］.Verh Internat Verein Limnol，2008，30(30):361-365.

［12］曾春芬，黄文钰，王伟霞，等.天目湖溶解氧分布特征及环境影响因子 ［J］.长江流域资源与环境，2010，19(4):445-451.