三峡水库蓄水前后长江枝城至沙市段水质评价

2016-12-15王丛丹严林浩

水利水电快报 2016年11期

关键词：蓄水监测数据类别

王丛丹冷阳严林浩曾涛

(长江委水文局荆江水环境监测中心，湖北荆州 434020)

三峡水库蓄水前后长江枝城至沙市段水质评价

王丛丹冷阳严林浩曾涛

(长江委水文局荆江水环境监测中心，湖北荆州 434020)

为探讨三峡水库蓄水以来长江枝城至沙市河段的水质变化情况，利用这一河段3个断面水质实测资料，通过模糊评价方法与权重值分析，对1998～2011年水质状况进行了分析评价。结果表明，枝城至沙市河段水质尚好，铅为对沙市河段水质影响最大的污染因子。对比了三峡水库蓄水前后的水质评价结果，表明水质状况未受明显影响，分析成果可为相关机构管理该河段的水资源提供参考。

模糊综合评价；水质评价；权重值分析；三峡水利枢纽

荆江河段过去关注的重点是其水量及河床演变。然而随着工业经济的发展，有限的淡水资源受污染面积扩大，水质型缺水问题更加突出。一直以来，从未中断过对长江水环境的监测，然而不同时期的监测数据可比性较差，因此本文将基于三峡水库蓄水前后1998～2011年期间监测技术和参数相对固定条件下的原始监测数据，以及国家水质标准的有关规定选取水质评价参数，并采用模糊综合评价法对枝城至沙市河段的水质进行综合评价。

1 监测断面

枝城至沙市河段共设5个断面，为了保证数据的完整性，文中选择了分别位于枝城、沙市、江陵的3个断面，即荆3(枝城)、荆47(五七码头)和荆51(江陵观音寺)近10 a的监测数据进行分析。3个断面周围的主要污染源是城市生活污水和工业废水，主要污染物包括氨氮、化学需氧量等。

2 数据来源及参数选择

数据采用的是1998～2011年共14 a的常规监测成果，为了凸显年际变化规律，每个断面取年均值作为分析用数据，根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[1]，考虑到生产任务的不断变化，选取1998～2011年不间断监测的氨氮、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、铜、铅、镉作为评价指标。对于长江干流的断面，总氮不作监测要求，总磷从蓄水后才开始监测。因此，从2003年起，对于蓄水后的监测数据，将加入总磷作为评价指标进行对比分析。

3 水质评价方法

采用模糊综合评价法对枝城至沙市段的水质状况进行评价。

3.1 建立因子集

根据国家水质标准的有关规定，先选择氨氮、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、铜、铅、镉作为评价项目，即因子集为：u={NH4-N，CODMn，BOD5，DO，Cu，Pb，Cd，TP}。从2003年开始监测总磷后，将总磷加入评价项目，即因子集为：u={NH4-N，CODMn，BOD5，DO，Cu，Pb，Cd，TP}。

3.2 建立评价集

基于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，河流分为5级。因此，评价集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

3.3 建立隶属函数

水质污染的程度是一个模糊概念，水质分级标准也是模糊的，所以用隶属度来刻画分级界线较为合理。参考文献[2]与[3]，溶解氧针对5个类别的隶属度函数如下：

DO-Ⅰ级水

DO-Ⅱ级水

DO-Ⅲ级水

DO-Ⅳ级水

DO-Ⅴ级水

类似地，分别作出NH4-N、CODMn、BOD5、Cu、Pb、Cd、TP的隶属函数。

3.4 建立模糊关系矩阵

将实际监测值带入相应的隶属函数，计算其隶属度，由此得到评价因子对各水质类别隶属度的模糊关系矩阵R。以1998年荆3(枝城)的监测数据为例，其矩阵为

其中，第1行因子集u中的一个因子NH4-N对5个类别的隶属度，即水质就NH4-N而言，属于Ⅰ类水的程度为0.56；第1列表示u中7个因子分别对于Ⅰ类水的隶属度。

3.5 建立权重集

由于不同的污染物对水质的影响程度不同，综合考虑时就要对它们赋予不同的权重Ii。

(1)

对于溶解氧而言，其含量越高，表明水质越好，所以其权重计算公式为

(2)

将监测数据代入，为了进行模糊复合运算，各单因子权重必须归一化，即：

(3)

应用上述方法确定权重集A为： (0.304,1.8,0.55,8.36,1.011 9,0,0)。

3.6 模糊综合评价

本文采用先取积，后求和的计算方式：

B=A。R

式中，“。”为扎德算子。对于河流水质的模糊综合评价只是集合V上的模糊子集，矩阵中各元素是对应于集合V上的各项的隶属度。以1998年荆3(枝城)的监测数据为例，则

B=(0.304，1.8，0.55，8.36，0.011 9，0，0) 。

(0.876,0.123,0,0,0)

对于水质模糊综合评价只是集合V上的模糊子集，矩阵中各元素是对应于集合V上的各项的隶属度，即对Ⅰ类水的隶属度为0.876，由于对Ⅰ类水隶属度最大，故该断面水质处于Ⅰ类。

4 结果与分析

4.1 水质监测数据

3个断面水质监测数据见图1。

图1 3个断面水质监测数据

4.2 水质模糊综合评价结果

通过模糊综合评价方法计算，得出3个断面的隶属度值，见图2。

图2 1998 ～2011 年水质综合评价类别隶属度

在得出模糊综合评价的不同等级隶属度值后，采用最大隶属度原则(此方法直观、简便)，即选取隶属度值最大的类别为水质等级来对各断面水质进行综合评价。根据国家水资源规划，荆3(枝城)、荆47(五七码头)、荆51(江陵观音寺)均要求达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水体的要求。

综合评价结果表明，1998～ 2002年，采用氨氮、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、铜、铅、镉作为评价因子时，自上游断面荆3(枝城)到荆47(五七码头)，到下游的荆51(江陵观音寺)，其水质均能达标。自2003年起，采用氨氮、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、铜、铅、镉、总磷作为评价因子后，水质类别仍符合规划要求。

5 讨论

5.1 水质监测数据变化分析

经分析得出了3个断面的监测数据的变化规律。

5.1.1 悬浮物与重金属浓度变化

从图1(a)和图1(h)可以看出，自2003年三峡水库蓄水后，3个断面的悬浮物、金属Cu的浓度均降至较低的范围，悬浮物浓度范围10.5～121.78 mg/L，金属Cu的浓度范围 0.003～0.008 mg/L，均明显低于蓄水前(悬浮物为185.24～436.5 mg/L，金属Cu为 0.009～0.024 mg/L)。同时，对观测数据进行分析，悬浮物浓度与金属Cu浓度呈现较为明显的正相关关系。这说明，金属Cu的迁移转化与泥沙的吸附作用密切相关[4]。

由图1(f)，(g)和(h)可知，金属Pb与金属Cd的浓度变化则与悬浮物浓度变化无明显相关性，金属Pb的年平均值不超过Ⅲ类水质标准；金属Cd的年平均值、月平均值均不超过Ⅲ类水质标准。3个断面的金属Pb浓度均在2002年达到峰值，之后一直维持较高浓度，1998～2001年间，金属Pb月平均值超标率为0%；2002～2011年间，荆3(枝城)、荆47(五七码头)、荆51(江陵观音寺)断面金属Pb月平均值超标率分别为4.2%，5.8%，5.0%，超标月份集中在7，8，9月。

5.1.2 氧平衡因子变化

在本文中，氧平衡因子主要讨论DO、BOD5、CODMn。在2003～2005年三峡水库持续蓄水期间，DO浓度有所提升。在蓄水完成后，有明显的下降，之后达到新的平衡，与蓄水完成前无明显差异(见图1(d))。

BOD5浓度在2003年后有明显提升，从0.39～0.81 mg/L提升到0.73～1.44 mg/L。但在2006年与2011年又降至蓄水后的低值(见图1(c))，这可能是由于这2 a为枯水年，其水量减少，流速变缓，悬浮物含量下降，因此水中泥沙吸附的易生物降解的有机物减少，随泥沙沉入底泥，从而导致其BOD5有所下降。

在2003年三峡水库蓄水前，CODMn的浓度与悬浮物的浓度呈现一定的正相关关系；在2003年后，CODMn浓度较蓄水前并无明显变化(见图1(b))。

5.1.3 营养盐因子变化

营养盐因子主要指能为水中藻类等水生植物提供营养的N、P，反映了水中的营养状况。在本文中，考虑到没有TN的监测数据，主要讨论水中NH4-N、蓄水后TP的变化。蓄水后，NH4-N浓度下降，在2005～2006年达到最低值，之后，呈上升趋势，但3个断面均未达到蓄水前的最高值。2005～2007年，NH4-N浓度呈现先下降，后上升的趋势(见图1(a))。2003～2006年，总磷的含量均呈现振荡上升趋势，2006～2011年，总磷的含量则表现为直线上升，升至0.14～0.18 mg/L(见图1(i))，已接近Ⅲ类水的限值，应引起重视。

查阅水文资料可知，2005，2007，2010年和2012年为丰水年，2006与2011年为枯水年。从理论上讲，水体质量与水量的关系应为：水量越大，水质越好，污染物浓度越小。很显然，这与监测到的实际情况有所差异。这可能是由于在丰水年降雨较多，如在取样前刚好有过强降雨，那么在降雨后，雨水形成地表径流，大量的面源污染物，如农田撒过的农药等，就会随着地表径流汇流到长江，其中氮、磷污染物较多。因此，就长江而言，营养盐因子的变化与水量之间没有必然的联系。

5.1.4 权重因子

对于荆3(枝城)断面，2002～2007年间，溶解氧和铅是确定该断面水质类别的最重要的控制因子；而2008～2011年间，总磷的含量成为确定该断面水质类别的最重要的控制因子。

对于荆47(五七码头)断面，2002～2004年间铅为确定该断面水质类别的最重要的控制因子；而2008～2011年间(除2006年外)，总磷的含量成为确定该断面水质类别的最重要的控制因子。

对于荆51(江陵观音寺)断面，2002～2006年间铅为确定该断面水质类别的最重要的控制因子；而2007～2011年间，总磷的含量成为确定该断面水质类别的最重要的控制因子。

就所分析的评价因子而言，对3个断面水质类别影响较大的因子是溶解氧、总磷、铅。

5.2 评价结果讨论

由表1结果可知，对于荆3(枝城)、荆47(五七码头)、荆51(江陵观音寺)3个断面，1998～2001年，用模糊综合评价法评价其年平均值，评价结果表明其符合和达到Ⅲ类水质类别的比例均为100%。由此可知，2003年三峡水库蓄水对长江沙市到枝城段的水质并无明显影响。

分析图2隶属度值曲线得出，从2001年起，荆3(枝城)断面水质类别虽然没有发生改变，但其Ⅱ、Ⅲ类隶属值开始提高。下游的荆47(五七码头)、荆51(江陵观音寺)断面变化较为滞后，从2002年起，在Ⅱ类隶属值不变的情况下，Ⅲ类隶属度值突然提高。这说明，对于这3个断面，实际水质状况已经开始恶化，只是尚未超过Ⅲ类水质标准，但应引起重视，这可能是由上游枝江、宜昌企业排污引起。

根据生产任务的要求，长江干流没有进行总氮的监测工作，总磷的监测也是始于蓄水后，但从权重因子可以看出，从2007～2008年开始，总磷的污染问题日益凸显，逐渐成为控制因素。因此，有必要加强长江干流营养盐因子的监测工作。

分析权重因子可知，3个断面的主要污染因子为铅、总磷，这与朱叶华提出的铅、粪大肠菌群、总磷为沙市江段主要污染因子的结论比较一致[5]。重金属污染主要来源于化工、采矿、金属冶炼及加工、电镀、轮船制造等行业，以及农用杀虫剂和生活污水[6]。根据徐小清等研究报告[7-8]，三峡库区江段沉积物中重金属元素含量主要受上游泥沙以及沿江城市和工厂三废排放的影响，已受到不同程度的污染。而总磷的污染主要有以下两方面：工业污水中食品加工、发酵、洗涤剂生产等工厂的废水；生活污水中含磷合成洗涤剂。因此，控制工业污染关键在于主要污染因子。

最后，根据2005～2009年间尤永祥等采用的模糊综合评价法评价结果可知[9]，长江下游贵池河段的水质级别总体上满足Ⅲ类水体的要求，与本文基于的模糊综合评价的评价结果具有相关性、连续性。

6 结语

模糊综合评价法是一种不确定性的综合评价方法，体现了水环境的模糊、可变性，评价符合客观规律，评价结果也比较全面、有效[10]。根据模糊综合评价法可知，三峡水库蓄水对长江枝城到沙市段的水质没有明显影响。但考虑2002～2011年间所选3个断面隶属值的变化，以及金属Pb的月平均值有超标的现象，应及早采取如下措施。

(1)加强水资源的合理规划与管理。采用法律、法规和经济手段，合理安排长江周边的设施，控制周边生活污水、生产废水的排放，加强执法和监督力度，保障法律、行政和经济措施的实施。

(2)建立污染治理系统。将周围各大工业园的废水和开发区内居民的生活污水全部送入污水处理厂进行集中处理，做好截污工程，严禁各种废水、污水不经处理进入河湖内。有关部门应加大监管力度，不断进行技术革新，切实保障污染治理系统有效运行。

[1] 国家环境保护总局.地表水环境质量标准 GB3838-2002[S].2002.

[2] 奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3] 李惠君,李淑芳,刘雪飞.水资源模糊综合评价模型优化[J] .计算机仿真,2010,27(7):187-189.

[4] 兰峰.三峡工程蓄水前后库区河流水质变化分析[J].人民长江,2008,39(1):7-8.[5] 朱叶华,曾涛,杨军,等.综合水质指数法对长江沙市江段的水质评价[J] .南水北调与水利科技,2010,8(5):122-124.

[6] 刁维萍,倪吾钟,倪天华,等.水环境重金属污染的现状及其评价[J].广东微量元素科学,2004,11(3):1-5.

[7] 徐小清,邓冠强.长江三峡库区江段沉积物的重金属污染特征[J].水生生物学报,1999,23(1):1-9.

[8] 徐小清,丘昌强.三峡库区汞污染的化学生态效应[J].水生生物学报,1999,23(3):197-203.

[9] 尤永祥,曹贯中,肖仲凯,等.模糊综合评价法在长江下游贵池河段水质评价中的应用[J].水利科技与经济,2012,18(4):54-56.

[10]王海峰,柴春岭,李春燕.基于模糊可变模型的水环境质量评价方法[J]．人民黄河,2011,33(5):66-68.

(编辑：朱晓红)