丹江口水库近十年水质变化趋势分析

2016-12-15王文静高鹏程周裕红

水利水电快报 2016年11期

关键词：丹江口丹江口水库大肠菌群

王文静高鹏程周明周裕红

(长江委水文局汉江水环境监测中心，湖北襄阳 441022)

丹江口水库近十年水质变化趋势分析

王文静高鹏程周明周裕红

(长江委水文局汉江水环境监测中心，湖北襄阳 441022)

为了解丹江口水库水质变化趋势，对2004～2013年丹江口水库水质监测结果进行分析。选取典型断面，采用污染率分担法、季节性Kendall检验法和综合营养状态指数法，对水库主要污染因子的演变趋势和水库富营养化等状况进行分析研究。结果表明，丹江口坝上、陶岔和浪河口下总氮污染分担率均超过50%；张湾断面主要污染物为粪大肠菌群。整体来看，张湾断面污染治理有所收效，水质趋于稳定；白河断面主要污染物为总氮和粪大肠菌群。丹江口坝上、陶岔、浪河口下和白河的总氮基本保持Ⅳ类稳定，需进一步加强治理。陶岔和浪河口下两断面均为中营养状态。建议加强对水质逐步恶化项目的治理，加强防护与控制管理。

水库水质；水质污染；富营养化；丹江口水利枢纽

1 概述

南水北调工程是我国南北水资源优化配置和调度的一项利国利民的重大工程，丹江口水库作为全国最大的饮用水源保护区，得到了社会各界的高度关注[1-4]，确保“一江清水向北流”是南水北调中线工程成功的关键。多年连续监测资料表明，目前，丹江口水库水质总体良好，保持在地表水Ⅰ～Ⅱ类，能够满足工程调水水质要求。了解水资源的质量状况，并有针对性地对污染物的排放实施控制，对保证当地和调水区的人民健康、生态平衡、经济快速稳定发展具有重要的理论和现实意义。

本文采用污染率分担法、季节性Kendall检验法和综合营养状态指数法对丹江口水库近10 a的监测资料进行了统计计算，分析水库水质变化趋势，供南水北调中线工程水源地水质监测及水环境质量保护的科学决策参考。

2 断面选择与统计评价方法

2.1 断面选择

为了更好地反映丹江口水库的整体水质情况，本文选取了丹江口坝上、陶岔、浪河口下、张湾和白河5个典型断面进行分析。其中，丹江口坝上、陶岔、浪河口下3个断面位于丹江口水库库中，反映库区水质状况；张湾位于入库支流老灌河上，反映入库支流的水质状况；白河位于入库干流上，同时是陕西-湖北的省界断面，来水量大，反映入库干流的水质状况。每年按月对水质进行常规监测，监测项目有pH值、悬浮物、总硬度、电导率、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、挥发酚、氰化物、氟化物、硫酸盐、氯化物、六价铬、砷、镉、铅、铜、总磷、总氮、粪大肠菌群等30余项。

2.2 污染分担率法

丹江口水库水质评价采用污染分担率法(也称单因子评价法)，通过比较各项指标的污染指数Pi，确定水质污染程度。若Pi<1，表明该项指标未超标，若Pi>1，则表明该项指标超标，而且Pi值越大，表示该项指标污染越严重。根据各项污染指标的污染分担率大小来确定主要污染指标[5]。将污染指标的分担率按由大到小的顺序排列，取分担率之和占60%以上的前若干项污染指标作为该河流或水系的主要污染指标。污染分担率：

Ki=Pi/P×100%

(1)

式中，Ki表示某水体第i项污染物所占的分担率，%；Pi表示单项污染指数，Pi=Ci/C0(Ci表示该断面第i项污染指标的年平均值，C0表示第i项污染指标的评价标准值)，为该项目实测值与评价标准值之比；P表示各单项污染指数之和，P=∑Pi。

溶解氧污染指数：

(2)表1 污染分担率计算结果

2.3 季节性Kendall检验方法原理

季节性Kendall检验是Mann-Kendall检验的一种推广，1982年由Hirsch等人提出[6]，同年由Smith、Hirsch和Slack做了进一步的修正。该检验方法的思路是利用多年收集的数据，分别计算各季节的Mann-Kendall检验统计量S及方差Var(S)，再把各季节的统计量相加，计算总统计量。如果季节数和年数足够大，那么可以通过比较总统计与标准正态表来进行统计显著性趋势检验。季节性Kendall方法的最大优点就是可检验出可用资料系列存在漏测值、未检出值的情况，同时可考虑季节变化对水质的影响。

季节性Kendall检验的原理是将历年相同月(季)的水质资料进行比较，如果后面的值(时间上)高于前面的值记为“+”号，否则记作“-”号。如果“+”居多，则可能为上升趋势，反之，则可能为下降趋势，如果相等则为无趋势。

2.4 水库富营养化评价等级

根据中国环境监测总站推荐使用的综合营养状态指数[TLI(Σ)]法对水库富营养比进行评价[7]。采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级：TLI(Σ)<30为贫营养；30≤TLI(Σ)≤50为中营养；TLI(Σ)>50为富营养；5070为重度富营养。

3 结果与讨论

3.1 主要污染物

对选取的丹江口坝上、陶岔、浪河口下、张湾和白河5个断面数据进行统计分析。以2013年监测数据为例，执行GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准，计算了各污染物分担率，见表1。

由表1可知，丹江口坝上、陶岔、浪河口下3个断面的统计项目中，总氮的污染分担率均超过50%，超标严重，其他统计项目则可达到Ⅰ类水质标准。张湾断面的高锰酸盐指数、氨氮和总磷3个项目统计值超过Ⅱ类水质标准但仍满足Ⅲ类水质标准，粪大肠菌群超标严重，为Ⅴ类水，且污染分担率达到73.97%。白河断面总氮和粪大肠菌群超标，两者污染分担率之和超过70%，其他统计项目则均可达到Ⅰ类水质标准。综上，丹江口坝上、陶岔、浪河口下3个断面的主要污染物为总氮，张湾断面的主要污染物为粪大肠菌群，白河断面的主要污染物为总氮和粪大肠菌群。

3.2 主要污染物演变趋势分析

对主要污染物，采用季节性Kendall检验方法进行水质变化趋势分析，并采用水质变化趋势分析软件PWQ Trend进行分算。计算数据为2004～2013年丹江口水库水质监测月均值数据，采用季节性Kendall检验方法计算，结果见表2。

表2 丹江口水库部分断面主要污染物变化趋势分析成果(2004～2013年)

注：“-”表示该项目未参评；“+ +”表示高度显著上升趋势；“+”表示显著上升趋势；“0”表示无趋势；“--”表示高度显著下降趋势；“-”表示显著下降趋势。

由表2可知，丹江口坝上、陶岔和浪河口下3个断面的变化趋势基本保持一致，总氮和总磷均呈高度显著上升趋势，高锰酸盐指数呈高度显著上升趋势或显著上升趋势。结合表1，3个断面的高锰酸盐指数污染分担率均低于10%，且近年来保持在Ⅰ～Ⅱ类，因此，高锰酸盐指数的Kendall变化趋势尚未对水质变化产生影响。总磷在污染分担率计算结果中占第2位，3个断面均为15%左右。在月均值中，总磷偶有超过Ⅱ类标准，达到Ⅲ类的情况。这一变化应当引起相关部门的重视。

丹江口库区总氮超标一直是社会各界关注的焦点。丹江口坝上、陶岔和浪河口下3个断面的总氮均呈现高度显著上升趋势，基本稳定为Ⅳ类。2004～2013年，丹江口坝上断面总氮年均值最低为1.12 mg/L，最高为1.51 mg/L。陶岔断面总氮年均值最低为1.11 mg/L，最高为1.50 mg/L。浪河口断面总氮年均值最低为1.15 mg/L，最高为1.50 mg/L。3个断面年均最大值均达到地表水Ⅳ类限值(1.5 mg/L)。多年监测资料表明，丹江口库区总氮的主要来源为硝酸盐氮，其含量远低于GB3838—2002中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值(10 mg/L)。由此看来，并不能因总氮超标而否定丹江口水库作为饮用水源的合理性。

张湾断面的粪大肠菌群和总磷均呈显著下降趋势，高锰酸盐指数无明显趋势。2004～2007年张湾断面的水质评价一直为劣Ⅴ类。近年来，水质评价基本保持在Ⅴ类。总体来看，老灌河作为汉江和丹江的一级支流中环境容量最小的河流，近年来对老灌河的治理措施逐步取得成效，污染有所控制。白河作为来水量最大的入库干流，总氮、总磷和高锰酸盐指数3个指标与丹江口坝上、陶岔和浪河口下3个断面基本保持一致，均呈显著上升趋势；粪大肠菌群指标则呈显著下降趋势。

为了更好地分析总氮呈现高度显著上升的原因，对2004～2013年近10 a的数据资料作进一步统计分析。如图1所示，丹江口坝上、陶岔、浪河口下和白河4个断面的总氮指标近10 a整体变化趋势基本保持一致，说明从上游白河、浪河口下到坝上再到陶岔这一段总氮未发现明显变化，这与丹江口水库呈现出汉库水体补给丹库水体的水流运动规律，以及坝前断面的水质变化趋势基本与汉库水质相似的规律保持一致。

图1 丹江口坝上、陶岔、浪河口下、白河4个断面总氮年均值统计

3.3 富营养化趋势分析

随着南水北调中线工程的不断推进，保证“一库清水”成为重中之重，水库富营养化也越来越引起社会各界的重视。总氮作为综合营养状态指数法中的重要参数均有显著上升趋势，且自2010年浓度明显升高，为了更好地剖析水质变化趋势及其影响，为相关部门决策提出更可靠的依据，本文进一步对陶岔和浪河口下两个水功能区断面近几年富营养化趋势进行了分析，详见表3。

从表3可以看出，陶岔和浪河口下断面均为中营养，近4 a的TLI(∑)变化浮动较小，基本保持稳定；富营养化的主要控制因素为总氮指标，氮源的累积对水库富营养化产生潜在风险。近几年，随着库区污染防治加强，库区总氮浓度基本保持为Ⅳ类，但进一步下降的趋势不明显。丹江口水库总氮偏高与上游水土流失、农业面源污染、工业和城镇生活污染有关。建议进一步加强污染综合防治，针对不同类型河流污染特征，综合考虑入库河流水质、水量，统筹实施点源和面源污染防治。同时，应加快城镇污水处理厂建设步伐，提高脱氮要求[7-8]。

表3 陶岔和浪河口下断面富营养化评价结果(2010～2013年)

4 结论

本文选取丹江口库区5个典型断面，即丹江口坝上、陶岔、浪河口下、张湾和白河进行分析，得出如下结论。

(1) 由污染率分担法计算得知，库区总体水质良好，部分断面个别项目超标，丹江口坝上、陶岔、浪河口下主要污染物为总氮，张湾断面主要污染物为粪大肠菌群，白河主要污染物为总氮和粪大肠菌群。

(2) 用季节性Kendall检验法对主要污染物进行趋势分析得出，丹江口坝上、陶岔、浪河口下和白河断面总氮均呈高度显著上升趋势，总氮超标严重，需加强治理；张湾和白河断面的粪大肠菌群则呈高度显著下降趋势。

(3) 用综合营养状态指数法对陶岔和浪河口下两个水功能区断面进行的水质评价得出，该断面均为中营养状态，应加强水生态监测和水华预警监测。

目前，丹江口水库水质可以满足南水北调工程调水水质要求。但对于水质逐步恶化项目的治理，应引起高度重视。丹江口水库库区多为山地，通过降雨汇流易将有机物及氮磷营养物质带入水库水体，因此，要保证丹江口水库水质长期稳定，必须加强库区生态监测，改善农业种植结构，切实保护植被，减少面源污染。此外，还须加强对库周点源污染的监测力度，只有坚决做到工业污水及生活污水达标排放，才能从根本上保证“一库清水向北流”。

[1] 尹炜，史志华，雷阿林．丹江口水库水环境问题分析研究[J]．人民长江，2011，42(13):90-94．

[2] 徐志仿，徐铜，蒲前超．丹江口库区及上游水资源保护与管理[J]．人民长江，2011，42(2):16-20．

[3] 辛小康，尹炜，杨芳．基于肯德尔法的丹江口水库水质演变趋势研究[J]．人民长江，2012，43(13) :91-94．

[4] 李思悦，张全发．运用水质指数法评价南水北调中线水源地丹江口水库水质[J]．环境科学研究，2008，21 (3):61-68．

[5] 环境保护部．地表水环境质量评价办法(试行)[S]．2011．

[6] Hirsch R M, Slack J R, Smith R A．Techniques of trend analysis for monthly water quality data[J]．Water Research, 1982，18(1) : 107-121．

[7] 余德辉，金相灿．中国湖泊富营养化及其防治研究[M]．北京: 中国环境科学出版社，2001.

[8] 宋国强，张卫东，殷明，等．丹江口水库总氮监测与综合分析[J]．环境科学与技术，2009，32(11) :140-142．

(编辑：朱晓红)