丹江口水库湖北库区水质分区及长期变化趋势
2016-06-09程继雄姚志鹏
张 煦，熊 晶，程继雄，姚志鹏
1.湖北省环境监测中心站，湖北 武汉 430072
2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012
丹江口水库湖北库区水质分区及长期变化趋势
张 煦1，熊 晶1，程继雄1，姚志鹏2
1.湖北省环境监测中心站，湖北 武汉 430072
2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012
丹江口水库是南水北调中线工程水源地，准确地掌握丹江口水库水环境质量状况变化情况，对保障调水工程顺利进行有着极其重要的意义。基于水质理化指标将丹江口水库湖北库区水域划分为4个区，各分区的主要物理指标存在显著差异，化学指标较为均一；近10年水质历史监测数据显示，湖北库区除总氮指标外，其余监测指标水质类别均达到或优于Ⅱ类，总体水质保持优良；氨氮、总磷、总氮3项指标年均浓度从2007年起呈增加趋势，在2011年后均有所降低并趋于稳定。农业面源污染对丹江口水库水质影响较大。目前采取的各项环保措施对丹江口水库的水质产生了积极的影响，需继续加大各项治理措施的实施力度，完善水质监测系统，保障丹江口水库水质安全。
丹江口水库；水质分区；变化趋势；聚类分析
丹江口水库是南水北调中线工程水源地，水域横跨湖北、河南2个省，由湖北境内的汉江库区和河南境内的丹江库区组成。丹江口水库多年平均入库水量为395亿m3，水库多年平均面积超过700 km2[1]。2012年丹江口大坝加高后，水库正常蓄水位从157 m增至170 m，水域面积可达1 022.75 km2，蓄水量达290.5亿m3[2]。南水北调中线一期工程于2014年11月开始试调水，12月正式通水。丹江口水库水质状况不仅直接影响到调水区当地经济的发展，而且关系到用水区人民的健康和用水安全。因此，全面、准确地掌握丹江口水库水环境质量状况变化情况，对保障调水工程顺利进行具有极其重要的意义。
针对丹江口水库水质的研究集中在库区及入库支流的水质现状[3]、变化趋势及影响因素分析[4]、水遥感监测[5]及水质演变趋势研究[6]等方面，基于水质理化指标的库区分区及长时间尺度的水质变化趋势研究相对较少。2013年6月，笔者对丹江口水库湖北库区进行了大范围的水质监测，尝试对丹江口水库湖北库区进行水域分区，并比较不同库区的差别，同时对丹江口水库湖北库区近10年的水质变化进行了趋势研究。
1 实验部分
1.1 采样点设置和监测项目
2013年6月，对丹江口水库湖北库区采用网格布点法，综合考虑入库口、库湾、库体水质的差别，共布设21个监测点(图1)。监测项目为水温、pH、透明度、溶解氧、浊度、高锰酸盐指数、总磷、总氮、硝酸盐氮、叶绿素a共10项。其中，浊度、高锰酸盐指数、硝酸盐氮使用奥地利S::CAN型在线多参数监测系统现场测定，叶绿素a使用BBE FLUOROPROBE藻类野外现场分析仪(version 1.6 E1)现场测定，其余指标根据《水和废水监测分析方法》(第四版)测定。水质和营养状态评价依据《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办[2011]22号)执行。
1.2 数据分析及处理
对丹江口水库湖北库区监测点的水质指标进行聚类分析[7-8]，划分库区，并用单因素方差分析(One-way ANOVA)解析各库区各项监测指标的差异。如果单因素方差分析的组间差异显著，进一步进行多重比较；如果方差齐，就进行LSD检验；如果方差不齐，就选用Games-Howell检验。
图1 丹江口水库湖北库区监测点示意图
对近10年丹江口水库湖北库区溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、叶绿素a、透明度和营养状态指数共9项指标的年均浓度变化趋势用spearman秩相关系数进行分析。取显著性水平α=0.05，将秩相关系数rs的绝对值与spearman秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较。如果|rs|≥Wp，则表明变化趋势有显著意义，否则表明变化趋势无显著意义。如果rs为正值，则表明有上升趋势；如果rs为负值，则表明有下降趋势[9]。
数据分析使用SPSS 19.0软件。
2 结果与讨论
2.1 丹江口水库湖北库区监测点聚类分析
选取各采样点的透明度、溶解氧、浊度、高锰酸盐指数、总磷、总氮、硝酸盐氮、叶绿素a、营养状态指数9项指标，利用聚类分析的方法(图2)，将丹江口水库湖北库区的21个监测点划分为4个区(库区Ⅰ包括1#、2#、3#、4#、5#、6#，库区Ⅱ包括7#、8#、12#，库区Ⅲ包括13#、14#，库区Ⅳ包括9#、10#、11#、15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#)。
图2 丹江口水库湖北库区监测点聚类分析树状图
2.2 各区监测结果分析
单因素方差分析显示，透明度、溶解氧、浊度、叶绿素a、营养状态指数在湖北库区4个区存在显著差异(表1)。透明度在4个区呈现不同的特点，Ⅰ区、Ⅲ区及Ⅳ区各为一类，Ⅱ区兼具其他3个区的特性，其中Ⅰ区透明度最大，Ⅱ区、Ⅳ区次之，Ⅲ区透明度最小；溶解氧Ⅱ区和Ⅳ区可分为一类，与Ⅰ区和Ⅲ区均不相同，其中Ⅱ区和Ⅳ区溶解氧较大，Ⅰ区次之，Ⅲ区最小；浊度指标4个区各为一类，其中Ⅲ区浊度最大，Ⅳ区、Ⅱ区次之，Ⅰ区浊度最小；叶绿素a指标Ⅰ区和Ⅲ区可分为一类，与Ⅱ区和Ⅳ区均不相同，其中Ⅳ区叶绿素a最大，Ⅱ区次之，Ⅰ区和Ⅲ区较小，Ⅲ区叶绿素a最小；4个区的营养状态指数可分为2类，Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区营养状态指数较小，均处于中营养状态，Ⅳ区营养状态指数较大，个别监测点已达到轻度富营养状态，但该区均值仍在中营养状态范围内。
表1 丹江口水库湖北库区不同分区监测结果统计
注：数值为“平均值±标准误差”；字母不同的同一变量表明其存在显著差异(P<0.05)。
高锰酸盐指数、硝酸盐氮、总氮、总磷4项指标在4个区之间没有显著性差异。
高锰酸盐指数为1.26～2.85 mg/L，基本稳定在Ⅰ类；硝酸盐氮质量浓度为0.99～1.62 mg/L；总氮质量浓度为0.61～2.41 mg/L，大部分监测点为Ⅳ～Ⅴ类；总磷质量浓度为0.04～0.09 mg/L，基本稳定在Ⅲ类。
湖北库区东西方向分布范围较广，横跨东经111°03′～111°31′。库区Ⅰ位于丹江口水库坝前位置，水深较大，流速缓慢，水体相对稳定。库区Ⅱ为原汉江河道，形态狭长，连接湖北库区最大库湾与坝前库区。库区Ⅲ位于汉江入库口区域，为河流形态与水库形态的缓冲带，水体有一定流速，水最浅。库区Ⅳ是丹江口水库湖北库区的最大库湾。
总体来看，根据聚类分析结果进行的分区较为合理。丹江口水库湖北库区I区位于坝前位置，为典型的深水水库，透明度大，浊度小，水体相对稳定，叶绿素a和营养状态指数较小，该区域水质总体优良，发生水华的潜在风险较低；Ⅱ区为原汉江河道，形态狭长，连接湖北库区最大库湾与坝前库区，透明度、溶解氧和叶绿素a浓度较高，营养状态指数较小，总体水质优良，发生水华的潜在风险较低；Ⅲ区为汉江入库口区域，为河流形态与水库形态的缓冲带，水体有一定流速，水最浅，由于有上游带来的悬浮泥沙[5]，其透明度和溶解氧浓度最低，浊度最大，叶绿素a浓度最低，Ⅲ区总体水质较好，发生水华的潜在风险也较低；Ⅳ区透明度较低，溶解氧浓度和浊度较高，叶绿素a浓度最高，营养状态指数也较大，个别监测点已经处于轻度富营养状态，该区域为湖北库区最大库湾，水面面积大，水较深，流动性较差，在采样过程中水面多现围网养殖现象，渔业养殖投肥是影响Ⅳ区水质的重要原因，若不及时采取相关措施，该区域部分位置将有发生水华的风险。
2.3 水质变化趋势分析
spearman秩相关系数分析结果显示：溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、透明度和营养状态指数5项指标的|rs|
表2 2004—2013年丹江口水库湖北库区相关监测指标变化趋势
注：10年均值为“年均值±标准误差”。
2004—2013年丹江口水库湖北库区氨氮、总磷、总氮和叶绿素a共4项指标年际变化显示：氨氮质量浓度为0.033～0.155 mg/L，除2011年为Ⅱ类外其余年份均达到Ⅰ类标准，2007—2011年氨氮浓度呈增加趋势，2011年以后逐渐下降；总磷质量浓度为0.009～0.017 mg/L，大部分年份稳定在Ⅱ类水平，2007—2010年总磷质量浓度有所增加，2010年以后有所降低并趋于稳定；总氮质量浓度为1.082～1.435 mg/L，均符合Ⅳ类标准，2009—2011年总氮质量浓度逐渐增加，2011年以后逐渐降低；叶绿素a质量浓度为0.906～2.053 mg/m3，2004—2007年降低较快，其后趋于稳定(图3)。
2004—2013年丹江口水库湖北库区除总氮指标为Ⅳ类外，其余监测指标水质类别均达到或优于Ⅱ类，营养状态级别在贫营养和中营养之间波动，总体水质保持优良。氨氮、总磷、总氮3项指标年均浓度呈显著增加趋势，浓度增加的时间段主要集中在2007—2011年，2011年以后3项指标浓度均有所降低并趋于稳定。
图3 近10年丹江口水库湖北库区氨氮、总磷、总氮、叶绿素a年际变化
丹江口库区总磷、总氮主要来源于上游水土流失、农业面源污染、工业和城镇生活污染[10-13]，水源区面源污染在点源污染得到有效控制之后已成为影响库区水质的主要原因之一[14]。库区面源污染主要来自3个方面：大量使用农药和化肥、水土流失、养殖业及生活垃圾[15]。种植业源为湖北库区农业面源的主要污染源[16]。据统计，2008—2011年，丹江口水库湖北库区内丹江口市、郧县和郧西县的化肥施用量、农药施用量、耕地面积均呈总体上升趋势，2011年3个县市化肥施用总量较2008年上升3.7%，农药施用总量和耕地总面积分别上升13.6%和2.9%(图4～图6)。这与本研究中氨氮、总磷、总氮的变化趋势一致。
图4 2008—2011年丹江口市、郧县、郧西县化肥施用量变化
图5 2008—2011年丹江口市、郧县、郧西县农药施用量变化
图6 2008—2011年丹江口市、郧县、郧西县耕地面积变化
近10年间丹江口水库湖北库区叶绿素a浓度年均值变化呈3个阶段：2004—2007年逐渐下降；2007—2011年略有上升；2011年后波动趋稳。2004—2007年，由于2005年开始对丹江口大坝进行加高，筑坝施工及水文条件的变化对丹江口水库水质产生了一定影响，库区氨氮、总磷浓度波动较大，这些因素共同作用造成叶绿素a浓度降低。2007年以后，水库水体形成了新的稳态，叶绿素a浓度变化趋势与氮、磷浓度变化趋于一致，相关性较好[17]。
随着南水北调中线工程的立项实施，丹江口水库水源地的湿地保护被提上日程，库区周边的小水泥厂、小造纸厂、化工厂等被强行关闭。根据国务院《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十二五”规划》的要求，一批水污染防治项目和水土保持项目在“十二五”期间陆续建设完成，包括排污口整治、工业点源治理、面源污染治理、库周生态隔离带建设、清污分流管网建设、尾矿库治理等。从2011年以来的主要污染物浓度变化来看，以上水污染防治和水土保持措施对丹江口水库的水质产生了积极的影响。有关部门需进一步加强库区上游水土保持和农业面源污染防治工作，严格控制库区渔业养殖，彻底清理整顿点源污染，加快生活污水和生活垃圾处理设施规划与建设，健全库区水环境监测网络和预警预报系统，保障丹江口水库水质安全。
3 结论
丹江口水库湖北库区水质聚类分析表明，根据水质理化指标对丹江口水库湖北库区的分区较为合理：湖北库区可划分为4个区域，不同分区的透明度、溶解氧、浊度、叶绿素a、营养状态指数等主要物理指标存在显著差异，而化学指标较均一，这与实际地理状况的分析吻合。近10年历史监测数据显示，湖北库区除总氮指标为Ⅳ类外，其余监测指标水质类别均达到或优于Ⅱ类，总体水质保持优良；氨氮、总磷、总氮3项指标年均浓度呈显著上升趋势，浓度增加的时间段主要集中在2007—2011年，2011年后3项指标均有所下降并趋于稳定。农业面源污染影响了丹江口水库水质安全。目前政府各相关部门采取的水污染防治和水土保持措施对丹江口水库的水质产生了积极的影响，需继续加大各项治理措施的实施力度，进一步健全库区水环境监测网络和预警预报系统，确保一库清水送北京。
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The Spatial Distribution and Long-term Variation Trend of Water Quality of Danjiangkou Reservoir in Hubei Province
ZHANG Xu1, XIONG Jing1, CHENG Jixiong1, YAO Zhipeng2
1.Hubei Province Environmental Monitoring Centre, Wuhan 430072, China
2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China
Since Danjiangkou Reservoir is the water source for the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project, precisely monitoring the variations of water quality in Danjiangkou Reservoir is of great importance for ensuring the success of the water diversion project. In this study, the water area of Danjiangkou Reservoir in Hubei Province was divided into four districts based on the physical and chemical index of water quality, each of which differed significantly according to the main physical index, its chemical index, however, indicated no significant difference; it is demonstrated from the historical monitoring data of water quality in the recent decade that apart from the Total Nitrogen Index, the rest water quality monitoring indexes of Hubei Province all reached or better than the class II with the overall water quality remained at good level; the annual average concentrations of Ammonia Nitrogen, Total Phosphorus and Total Nitrogen Index showed an uptrend from 2007 and became gradually stable after a drop since 2011. Water quality of Danjiangkou Reservoir had been greatly influenced by agricultural non-point source pollution. Positive effects have been brought to it by various environmental protection measures adopted in these days, however, it is still required to keep strengthening the implementations of every preventing and controlling measures and perfecting water quality monitoring system, in order to ensure the safety of water quality in Danjiangkou Reservoir.
The Danjiangkou Reservoir; spatial distribution of water quality; variation trend; hierarchical cluster analysis
2015-02-10;
2015-06-21
国家科技支撑计划项目“南水北调中线工程水源地及沿线水质监测预警关键技术研究与示范”(2011BAC12B01-01，2011BAC12B02-01)
张 煦(1986-)，女，湖北孝感人，硕士，工程师。
姚志鹏
X824
A
1002-6002(2016)01- 0064- 06
