珠江中下游表层水体CODMn时空分布特征及水环境评价

杨婉玲，赖子尼，曾艳艺 ，帅方敏，李海燕，王超

中国水产科学研究院珠江水产研究所，广东 广州 510380

珠江中下游表层水体CODMn时空分布特征及水环境评价

杨婉玲，赖子尼，曾艳艺 ，帅方敏，李海燕，王超*

中国水产科学研究院珠江水产研究所，广东 广州 510380

为了解珠江中下游表层水体中CODMn的时空特征及影响因素，2015年对该水域进行了季节调查，并对其水环境质量进行了初步分析与评价。调查期间，CODMn质量浓度范围为1.14~15.8 mg·L-1，平均值为3.93 mg·L-1。从季节变化角度看，枯水期（3月和12月）的CODMn质量浓度明显高于丰水期（6月和9月）。从空间分布特征看，调查区域的CODMn质量浓度分为3个层次，对应着3个聚群。其中，聚群1代表了西江干流沿线站位，聚群2代表了邻近广州市区的站位，聚群3代表了珠江珠三角河网中部站位。聚群2的CODMn质量浓度最高，聚群1的质量浓度最低，聚群3介于聚群1和聚群2之间。与其他理化因子的相关分析表明，CODMn与盐度、电导率及DO呈极显著负相关；与总氮、总磷、硅酸盐及叶绿素a呈极显著正相关。基于CODMn质量浓度的水环境评价的季节特征显示，丰水期综合水质评价为I类到Ⅱ类水质，而枯水期37.6%的站位未达到Ⅲ类水质标准，总体上丰水期水质优于枯水期。空间特征显示，不同区域的水环境质量存在较大的差别。其中，西江干流沿线的Pi均值为0.47，水体受污染少，全年水质保持在I类到Ⅲ类；广州市区附近的Pi均值为1.21，受污染较重，不符合Ⅲ类水质标准的站位占42.7%；河网中部水域的Pi均值为0.60，仅12.5%调查站位为Ⅳ类水质，其余站位均达到Ⅲ类水质以上。分析认为，径流是影响珠江中下游表层水体CODMn季节变动的主要因素；人类活动引起的生产和生活排污是影响该水域CODMn空间分布的重要因素。

珠江；表层水体；CODMn质量浓度；时空特征；水环境评价

化学耗氧量（CODMn），是反映水体中有机及无机可氧化物质污染的常用指标，不仅可以体现水体受还原性物质的污染程度（陈家厚等，2010），也可作为有机物污染的指标之一（王鹤扬，2011）。此外，化学耗氧量也是衡量水环境的重要指标，化学耗氧量越高，说明水体受污染程度越大；相反则说明水体受污染程度越小（杨美兰等，2005；AL-Omari et al，2013）。因此，研究CODMn的分布特征对了解水体有机污染程度有很大的参考价值。

珠江水系是我国南方最大的水系，其流量在中国排名第二，全长2129 km，发源于云南沾益县马熊山。本研究以珠江中下游为调查水域，包括西江干流，珠江三角洲河网、北江思贤滘以下和东江石龙以下水道。珠江中下游水文环境复杂多变，河道交织成网，近年来随着社会经济的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，工农业生产和人民生活污水排放加剧，水质不断恶化。水利部珠江水利委员会发布的《珠江片水资源公报2011》显示，珠江三角洲地区近1/4河段水质为劣V类，是珠江水资源水质最差的河段（王超等，2014）。当水域受污染后，会消耗水体中氧，破坏水体中氧的平衡，使水质进一步恶化，造成鱼类及其他水生生物的死亡。此外，微生物群落结构与CODMn也有着显著相关性（宋崇富等，2014），各类群生物量的增减与CODMn呈正相关关系（王超等，2016；张运林等，2008；Lee et al.，2016），故研究CODMn污染状况对了解微生物群落结构也有一定的帮助。本课题组于2015年对该水域进行了季节性调查，重点对CODMn的质量浓度分布特征及水环境状况进行初步评价，为该水域的生态环境保护提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究小组在珠江中下游布设16个采样站位，基本形成伞状布局，具体布设如图1所示。自上游而下，包括封开（FK）、德庆（DQ）、肇庆（ZQ）、青岐（QQ）、左滩（ZT）、外海（WH）、新围（XW）、小榄（XL）、小塘（XT）、北滘（BJ）、榄核（LH）、横沥（HL）、陈村（CC）、市桥（SQ）、莲花山（LHS）和珠江桥（ZJQ）。其中，封开、德庆、肇庆、青岐、左滩、外海和新围位于西江干流沿线，小榄、小塘、北滘、榄核、横沥、陈村和市桥位于纵横交错的珠三角河网中部，珠江桥和莲花山位于广州市周边（图1）。采样时的站位定位采用GPS全球卫星定位系统。调查时间分别为2015年的3月、6月、9月和12月，其中3月和12月代表枯水季节，6月和9月代表丰水季节，每个季度的采样工作均在一周内完成。

1.2 样品处理

利用采水器采集表层水面下50 cm水样500 mL，装入棕色玻璃瓶中，所采集的水样均加酸至pH<2，固定后于4 ℃冷藏保存，带回实验室测定。所有样品的处理及分析均按照中国水质监测分析方法标准规定操作，水体化学耗氧量（CODMn）采用酸性高锰酸钾法（国家标准GB11892-89）测定。

1.3 数据分析

采用SPSS14.0 for Windows 进行单因素方差分析，Matlab和R软件进行作图。根据地表水水域环境功能和保护目标，参照中国《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）三类标准CODMn≤6 mg·L-1的要求进行评价，采用目前国内常用的水质评价方法，同时采用水体单因子污染指数评价法（中国环境学会环境质量评价专业委员会，1982；王小云等，2013）及水质标识指数法，对水体环境质量状况进行评价。

2 结果与讨论

2.1 珠江中下游水体中CODMn的质量浓度

2.1.1 季节变化

图2 珠江下游表层水体中CODMn质量浓度的季节变化Fig. 2 Seasonal variations of CODMnmass concentration in surface waters of the downstream of the Pearl River

图1 站位布设图Fig. 1 The map of sampling sites

调查期间，CODMn质量浓度范围为1.14~15.8 mg·L-1，平均值为3.93 mg·L-1。由图2可知，枯水期（3月和12月）CODMn质量浓度明显高于丰水期（6月和9月）且差异显著（P0.01=27.142，r<0.001）。高径流量对水体中CODMn具有稀释作用，所以丰水期CODMn质量浓度明显偏低。具体以西江干流为例，3月、6月、9月和12月的径流量均值分别为2712、13962、11151和7573 m3·s-1，丰水期明显高于枯水期。但是，径流量与对应的CODMn质量浓度（3.81、2.36、2.32和7.22 mg·L-1）并未呈现出明显的倍数稀释关系，这说明径流引起的稀释作用并非其单一影响因素。分析原因在于，丰水期沿江区域的CODMn在汇入干流顺江而下的过程中发生了累积效应，再加上调查沿线的污染物排放在一定程度上对径流的稀释产生了抵消作用，因此3月、6月、9月的CODMn质量浓度并未呈现明显的倍数关系。此外，12月份的径流量意外地高于3月份，主要是由于水利部门进行水文调度压咸造成的结果。而12月份CODMn质量浓度明显偏高，很可能是因为径流所引起的CODMn质量浓度的累加效应明显大于稀释作用。因此，径流在一定范围内的增长会导致水体中CODMn质量浓度的升高，持续增长超过阈值则导致CODMn质量浓度下降。一般而言，枯水期的CODMn质量浓度高于丰水期。相关研究也表明，雨季温度适宜微生物生长，微生物活动频繁有利于有机物分解，故CODMn值会降低（钱小华，2014）。在降水较少的月份即枯水期，河流出现断流，而排入河中的污水没有减少，CODMn得不到较快的迁移而聚集，加上这个时期温度低，微生物活动弱（王小龙等，2015），有机质分解率低，故CODMn质量浓度较高。

2.1.2 空间分布

根据CODMn质量浓度的相似性，采样站位首先被分成两个聚群，进而被分成3个聚群（图3a）。聚群1代表了西江沿线站位（封开至新围），聚群2代表了邻近广州市的站位（市桥、莲花山和珠江桥），聚群3代表了珠三角河网中部站位。尽管聚群3处于下游江段，比其他两个聚群相对闭塞，但是其CODMn质量浓度与聚群1很接近，而聚群2却明显偏高（图4）。这说明人类活动引起的生产和生活排污是影响珠江中下游水域CODMn质量浓度偏高的重要因素。

图4 自组织特征映射模型中各聚群的CODMn质量浓度Fig. 4 CODMnmass concentration of each cluster on the SOM map

2.2 珠江中下游水体中CODMn质量浓度与其他环境因子的关系

与其他环境因子进行相关分析（表1），结果表明：CODMn与盐度、电导率及DO呈极显著负相关；与总氮、总磷、硅酸盐及叶绿素a呈极显著正相关。魏鹏等（2009）、周家飞等（2014）、潘向忠等（2011）和王庄等（2010）等对珠江口广州海域、香溪河库湾、钱塘江杭州段及济阳河（长沙段落）调查均得出CODMn与DO呈极显著负相关关系。分析原因是由于水体中存在的还原性物质能消耗水中的氧（王绿洲等，2011；黄震等，2005），因此COD值越高，DO值越低。一般盐度越高，电导率越大，CODMn与盐度、电导率的负相关也说明了靠近陆源排污口盐度低而CODMn高，可见珠江中下游CODMn分布特征主要受陆源污水排放的影响。该结果与张艳等（2016）和杨斌等（2014）对渤海中部海区和钦州湾水域研究的结果一致。

图3 基于CODMn质量浓度相似性的空间分布模式Fig. 3 Spatial pattern based on CODMnsimilarities

表1 CODMn和其它环境因子之间的相关性矩阵Table 1 Matrix of correlations between COD and environmental variable

藻类繁殖造成的浮游植物色素量是水体CODMn激增的基础（Kawabe，1997）。水体中叶绿素a的水平反映了浮游植物生物量的高低。浮游植物是水体中的生产者，通过光合作用将无机物转化为有机物，并产生氧气为水体增加溶解氧。靠近陆源排污的水体中硅酸盐、氮、磷质量浓度偏高，为浮游植物的生长提供了大量的营养，有助于藻类迅速繁殖，藻类在充分的光照和适宜的温度下产生大量有机物，对CODMn的贡献显著，这进一步说明CODMn分布特征主要受到陆源污水排放的影响。

2.3 水环境质量评价

2.3.1 水质污染状况评价

调查结果采用单因子评价指数法（郦桂芬，1989；张戈等，2009；陆卫军等，2009）来评价水体CODMn污染程度。该评价方法表示单项污染物对水质污染影响的程度（时文静等，2011；韩彦霞，2008），计算公式为：Pi=Ci/Si。式中，Pi为单项污染指标的污染指数；Ci为单项污染指标的实测质量浓度；Si为2002年国家公布的《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中高锰酸盐指数的Ⅲ类水标准限制值（6 mg·L-1）。高锰酸盐指数的单因子评价分级如表2所示，各聚群分级见表3。

珠江中下游调查的16个站位水体CODMn污染指数（Pi）范围在0.19~2.63之间，超标率为15.6%。比较各聚群污染结果发现，聚群1水域污染程度最轻，Pi均值为0.47，仅在12月达到警戒限水平，其他月份均处于无污染水平，聚群1的站位是在西江的上游，受径流量的影响较大，而且这些河段为人口不密集的乡村，生活污水排放量少，故水质较好；另外聚群1的左滩、外海、新围等几个站位周边的生态环境较好，水生植物生长非常茂盛，有利于水体中有机污染物的分解，因此CODMn较低。聚群2水域污染最严重，Pi均值为1.21，达到轻度污染水平，表明聚群2的站位水质受到污染，其原因是此河段处于下游江段人口密集的城区，生活污水排放量陡增，由此产生的污染来不及自净（晋春虹等，2016），加上有不少排污企业分布于此河段，加重了污染。聚群3的Pi均值为0.60，聚群3中的站位离河口很近，与外海海水交换能力强（黄东仁等，2014；张丽等，2015），受陆源污水影响较少，CODMn质量浓度也较低。研究发现，CODMn在不同季节的变化表现为枯水期（3月和12月）的污染程度明显大于丰水期（6月和9月），尤以聚群2最为显著，其水域在3月和12月分别达到轻度污染和中度污染水平。聚群3水域在6月和9月均处于无污染水平，3月污染达警戒限水平，12月为轻度污染。

表2 CODMn污染评价指标分级Table 2 Pollution evaluation of each index CODMnclassification

表3 珠江中下游CODMn污染指数评价结果Table 3 The Pollution Indices and evaluation results of CODMn

表4 珠江中下游CODMn水质标识指数Table 4 Thewater quality identification index and levels based on CODMn

2.3.2 水质等级评价

水质标识指数法是近年来提出的一种全新的水质评价方法（徐祖信，2005；朱静平，2002），不仅能够完整表达单因子的水质类别，还可以定性、定量地评价综合水质状况，已被广泛应用于城市河道等水体的水质评价（胡成等，2011；范志锋等，2009；杨柳等，2015）。采用单因子水质标识指数法，以高锰酸钾指数（COD）为评价指标，对珠江中下游水质进行功能划分，评价结果见表4。结果表明，聚群1全年水质保持在I类到Ⅲ类水质标准，水质受污染少；聚群3水域有12.5%站位为Ⅳ类水质，其余均达到Ⅲ类水质标准以上；聚群2水域不符合Ⅲ类水质标准的站位占42.7%，受污染最重。另外，对每个站位进行了水质类别的评价，丰水期6—9月综合水质评价为I类到Ⅱ类水质。9月珠江中下游水体仅6.2%为Ⅳ类水质，其余均达到I类到Ⅲ类水质标准。6月珠江中下游全部站位水质为I类到Ⅲ类水质标准，非常适合鱼类的洄游、产卵及生长，这也是国家实行禁渔制度的月份，说明禁渔对珠江中下游水质具有一定的保护作用。在枯水期，有37.6%水域不符合Ⅲ类水质标准，处于Ⅳ类和Ⅴ类水质类别的点位占有18.8%，水质较差；12月珠江桥站位甚至出现劣Ⅴ类水质，但无黑臭水质。

综合以上两种评价方法，珠江中下游不同区域的水环境差异存在较大的差别。聚群1水质受污染较少，水质较好；聚群2因邻近大城市，受污染较重；聚群3介于以上两者之间。在季节上，由于径流引起的水文差异导致珠江中下游丰水期（6月和9月）水质状况明显优于枯水期（3月和12月）。

3 结论

（1）珠江中下游CODMn质量浓度的季节变化显示，枯水期CODMn质量浓度明显高于丰水期，径流导致的稀释作用是其主要影响因素。

（2）根据CODMn质量浓度的相似性，对珠江中下游CODMn进行聚类分析，空间分布可分为3个聚群，聚群1代表了西江沿线站位，聚群2代表了邻近广州市的站位，聚群3代表了珠三角河网中部站位。

（3）对珠江中下游CODMn质量浓度与其他环境因子进行相关分析发现，CODMn与盐度、电导率及DO呈极显著负相关；与总氮、总磷、硅酸盐及叶绿素a呈极显著正相关。

（4）以CODMn为评价指标，对珠江中下游水质状况及污染情况进行评价，聚群1水域全年水质保持在I类到Ⅲ类水质，水域受污染少；聚群2水域受污染最严重，达到Ⅲ类水质标准的站位约占一半；聚群3水域介于以上两者之间。在季节上，珠江中下游丰水期水质优于枯水期水质。

CODMn作为反映水体有机污染状况的综合指标，也是环境管理部门衡量水体污染减排的主要因子。导致珠江中下游CODMn质量浓度较高的原因很多，但控制非点源污染和生活生产废弃物的随意丢弃及无节制排放应是控制CODMn质量浓度较好的方法。

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YANG Wanling, LAI Zini, ZENG Yanyi, SHUAI Fangmin, LI Haiyan, WANG Chao.

Spatio-temporal Characteristics of CODMnin Surface Waters of Middle and Downstream of the Pearl River and Water Environment Evaluations

YANG Wanling, LAI Zini, ZENG Yanyi, SHUAI Fangmin, LI Haiyan, WANG Chao*
Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Guangzhou 510380, China

In order to understand the spatio-temporal pattern of CODMnand impacting factors in the surface water of the middle and downstream of the Pearl River, seasonal investigations were carried out in 2015. During the investigation, the mass concentration of CODMnwas in the range of 1.14~15.8 mg·L-1, with an average of 3.93 mg·L-1. For seasonal characteristics, CODMnof the dry season (March and December) was significantly higher than that of the flood period (June and September). Runoff is the main factor affecting the seasonal variation. As for the spatial distribution pattern, the content of CODMnin the studied area could be divided into three levels, represented by three clusters. Among them, cluster 1 represents the sites along the West River, cluster 2 represents the adjacent sites of Guangzhou city, and cluster 3 represents the central Pearl River Delta. The highest content of CODMnwas found in cluster 2, followed by that in cluster 3 and the lowest in cluster 1. Correlation analysis with other physical and chemical factors showed that CODMnhad a significant negative correlation with salinity, conductivity and DO, and was significantly positively correlated with total nitrogen, total phosphorus, silicate and chlorophyll a. Pollution conditions and water quality levels based on CODMnwas also analyzed. The seasonal results showed that water quality during flood periods was between class I and II, while 37.6% sites showed worse than class III. It was obviously water quality in flood periods was better than that in dry sesons. There is a big difference in water quality in different regions. Among them, mean value of Pialong the West River was 0.47, less polluted, and the annual water quality maintained between class I and class III. The mean value of Pinearing Guangzhou city was 1.21, heavily polluted, and 42.7% sites did not meet the class III water quality standards. The mean value of Piin central Pearl River Delta was 0.6, only 12.5% sites were worse than class IV water quality, most were better than class III. Above all, runoff is the main factor affecting the seasonal variation of CODMnin the surface water of the middle and downstream of the Pearl River; production and living pollution caused by human activities is an important factor affecting the spatial distribution of CODMncontent in the studied regions. Our results are helpful for understanding pollution conditions and environmental protection in the studied area.

Pearl River; surface water; CODMncontent; spatio-temporal pattern; water quality evaluation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.014

X522

A

1674-5906（2017）04-0643-06

杨婉玲, 赖子尼, 曾艳艺 , 帅方敏, 李海燕, 王超. 2017. 珠江中下游表层水体CODMn时空分布特征及水环境评价[J]. 生态环境学报, 26(4): 643-648.

中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（2016RC-LX01）；国家自然科学基金青年基金项目（41403071）

杨婉玲（1974年生），女，高级实验师，主要从事环境保护的研究。E-mail: 86411138@qq.com

*通信作者：王超（1980年生），男，副研究员，博士，主要从事水环境保护方面的研究。E-mail: chaowang80@163.com

2017-02-03