三峡库区澎溪河营养盐时空变化特征及富营养化评价

赵士波，郭 平，李斗果，郭喜丰，高 飞

(1.重庆市生态环境监测中心，重庆 401147;2.重庆市环境科学研究院，重庆 401147)

河流由于其流速大、含沙量大等特点，不利于藻类等浮游植物生长，然而随着城市化进程的加快，人类对河流的改造也在一定程度上改变了河流原有的水文水质特征。有研究表明，河流筑坝蓄水形成的“人造湖泊”，改变了河流原有的物质场、能量场、化学场和生物场，并显著影响河流中生源要素的生物地球化学行为[1]。三峡水库是举世瞩目的大型水利水电工程，其蓄水运行以后，长江干流与支流的水文条件发生显著变化，特别是受回水顶托的影响，支流水域流速减慢，污染日益加重，局部水域已出现富营养化现象[2～11]。澎溪河作为三峡水库北岸最大的支流之一，部分河段已逐步转化成为“湖泊型”河流，自2003年三峡水库蓄水以来，澎溪河多次暴发水华[4-5,12-13]。营养盐是水生态系统的主要生源物质，其输送、循环与更新是构成再生生命资源的物质与环境基础[14]，对水体中藻类的繁殖及富营养化水平有重要影响。因而，掌握“湖泊型”河流营养盐的时空变化规律，对于防治河流水华暴发具有重要意义。为此，本研究以澎溪河为研究对象，连续两年监测其不同断面营养盐的时空变化特征，并对不同断面水质的富营养化水平进行评价，为了解该水域内的营养水平提供数据支撑，也为今后库区水质污染防治措施提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

澎溪河(又名小江)发源于重庆市开县白泉乡钟鼓村，经重庆市云阳县双江镇汇入长江，流域面积5 173 km2，干流全长182 km，河口距三峡大坝约250 km。三峡水库蓄水后，澎溪河流域包含了峡谷、消落区以及湖库等各种特征的水域，是库区30余条支流中暴发水华最频繁的支流之一[15]。据统计，自2005年至今，澎溪河每年春季都会暴发水华[16]。

1.2 样品采集及分析方法

在澎溪河干流分别设置木桥、渠马渡口和高阳渡口3个断面(图1)。每个断面设置左、中、右3条垂线，于2013～2014年，每月采集一次样品。木桥断面位于开县境内，澎溪河上游，对了解澎溪河上游水质状况具有代表性，可作为背景断面；渠马渡口和高阳渡口2个断面位于典型的水华暴发区域，对澎溪河富营养化研究具有较强的代表性。

SD采用塞氏盘法现场测定。未经过滤的水样，经消解后用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定TN、用5%过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定TP、用酸性法测定CODMn，采用膜电极法测定DO。水样经0.45μm微孔滤膜过滤后，采用蒸馏中和滴定法测定NH3-N。Chla的测定采用丙酮-分光光度法。

图1 监测断面示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring sections

1.3 评价方法

水质评价采用单因子评价法，根据国家《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》(表1)，将断面水质指标的实测值与国家标准值进行比较，获得该指标的水质类别，然后以该样点指标反映的最低水质类别作为该断面的水质类别。采用DO、CODMn、NH3-N和TP 4个指标进行水质评价。

根据中国环境监测总站制定的《湖泊水库富营养化评价方法及分析技术规定》[17]，采用卡尔森指数法对澎溪河营养状态进行评价，评价指标包括Chla、TP、TN、SD、CODMn。

表1 《地表水环境质量标准》基本项目标准限值Tab.1 Limit value of basic indexes in surface water environment quality standard (mg/L)

1.4 数据处理

数据分析作图采用Excel 2007和Origin 8.0软件完成，相关性及差异性统计分析用SPSS17.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 营养状态因子

2.1.1 透明度和高锰酸盐指数

水体透明度能直观地反映水体清澈程度。浮游植物的大量繁殖会造成水体透明度的下降，反之水体透明度的下降会抑制浮游植物的大量生长。澎溪河各断面SD呈现明显的时空差异(图2)。时间尺度上，春秋季低于夏冬季，2014年整体低于2013年。空间尺度上，渠马渡口和高阳渡口无显著差异，上游木桥较其余两断面偏低。2013年各断面SD变化范围为20～300 cm，2014年各断面SD变化范围为40～210 cm。两年间SD变化趋势不同，2013年6～7月显著低于其他月份；2014年全年无显著性差异，然而5月SD明显偏低。根据现场观测结果，2013年5月和2014年5月澎溪河均暴发了水华，浮游植物的大量生长可能是造成2013年6～7月和2014年5月各断面SD急剧降低的主要原因。

CODMn反映了水体受到的有机污染状况。当CODMn浓度超过4 mg/L时，表示水体受到有机污染[18]。澎溪河各断面CODMn存在明显的时空差异(图2)。渠马渡口和高阳渡口变化趋势基本一致，表现为夏季高于其他三季，且多数月份高于4 mg/L。可见，夏季澎溪河部分断面水质较差。木桥断面无明显变化规律，整体低于前两断面，但个别月份浓度仍超出4 mg/L。两年间水质变化趋势可以看出，渠马渡口和高阳渡口较上年水质有所好转，而木桥断面水质较上年有变差的趋势。渠马渡口CODMn范围为3.10～5.85 mg/L，高阳渡口CODMn范围为3.00～5.85 mg/L，木桥断面CODMn范围为2.22～4.99 mg/L。可见，澎溪河部分断面存在一定的有机污染。

图2 SD、CODMn时空分布特征Fig.2 Temporal and spatial distribution of SD and CODMn

2.1.2 总氮和氨氮

氮是影响浮游植物生长的主要营养元素之一。澎溪河各断面之间TN变化规律基本一致，然而时间尺度上，两年间澎溪河TN浓度存在较大差异，但均远高于公认的富营养化阈值(0.2 mg/L)[4,19](图3)。2013年澎溪河各断面TN范围为0.79～1.42 mg/L，2014年TN浓度上升至0.819～2.12 mg/L，2014年5～10月份，各断面TN浓度均高于上年同期。造成澎溪河水体TN浓度上升的原因可能来自三方面：一是被淹没的消落带土壤、植被等释放氮进入水体；二是底泥中的氮通过水动力变化释放进入水体；三是通过雨水冲刷、生活污水、工业废水等途径的外源输入。胡正峰等的研究显示，2007～2009年澎溪河TN浓度为0.97～1.82 mg/L[20]，可见，从较长的时间尺度上看澎溪河TN浓度无明显变化。2013年澎溪河各断面TN整体呈现出春夏季略高于秋冬季；2014年TN浓度变化趋势表现为春夏秋三季高于冬季。可见，澎溪河冬季总氮浓度处于全年较低水平。胡正峰等对2007～2009年澎溪河TN的研究结果也显示，第四季度TN总体平均浓度低于其他季节[20]。可见，三峡库区周期性蓄水以后，TN呈现出明显的季节变化规律，造成这一结果的可能原因是由于三峡水库实行不同月份不同蓄水位变化调节，在每年的10～12月水位逐渐上升至175m，较深的水体使营养物质得到更多的稀释，且冬季降雨量少，沿岸农事活动较少，水流较为平缓，通过雨水冲刷作用将农田氮、磷带入水体的量较少。而春夏季雨量充足，径流冲刷作用将氮、磷等带入水体的量较多。高阳渡口TN浓度整体高于渠马渡口，这与高阳平湖附近居民众多，周边消落带土壤被当地农户利用种植农作物有关。

澎溪河各断面NH3-N存在一定的时空差异(图3)。渠马渡口和高阳渡口NH3-N变化趋势基本一致，全年无显著差异。木桥断面较其余两断面差异较大，相邻月份NH3-N浓度起伏较大。渠马渡口NH3-N变化范围为0.10～0.29 mg/L，高阳渡口NH3-N变化范围为0.09～0.36 mg/L，木桥断面NH3-N变化范围为0.05～0.66 mg/L。此外，上游木桥断面TN、NH3-N整体高于下游两断面，这可能是木桥断面受汉丰湖的影响所致。汉丰湖受人为干扰较重，枯水期沿岸农事活动、人工投放饲料以及生产生活污水的汇入造成该区域TN、NH3-N浓度较高，汉丰湖调节坝也在一定程度上影响了水流的下泄，故而出现上游木桥断面TN、NH3-N反而高于下游两断面的现象。

图3 TN、NH3-N时空分布特征Fig.3 Temporal and spatial distribution of TN and NH3-N

2.1.3 总磷和叶绿素a

磷被认为是大多数水体中藻类种群和密度的第一限制性营养元素[21]。2013年，澎溪河各断面TP范围为0.04～0.17 mg/L；2014年，澎溪河各断面TP范围为0.04～0.14 mg/L(图4)。可见，澎溪河各断面TP浓度已远超过国际公认的富营养化阈值(0.02 mg/L)[4,19]。与TN不同的是，2007～2009年澎溪河TP浓度为0.02～0.12 mg/L[20]，可见，澎溪河TP较2007～2009年有所上升。三峡大坝成库前的天然河流含有大量泥沙，筑坝之后周期性蓄水使得大量泥沙沉积，大部分磷随颗粒物进入底泥，而水库稳定运行后在水动力条件合适的情况下底泥中的磷会逐渐释放出来，这可能是造成水体TP上升的主要原因，但有关理论还需进一步研究证实。渠马渡口和高阳渡口TP浓度变化趋势均表现为某一月份(春季5月或夏季6月)浓度急剧升高，其余月份无较大差异。5、6月份库区雨水突然增多，径流冲刷作用使消落带的磷带入水体；另一方面，大量雨水汇入导致底泥泛起，部分底泥中的磷释放出来；这两方面可能是造成该时段TP浓度急剧升高的原因。木桥断面TP浓度无明显变化规律，但整体浓度低于前两断面。三断面TP浓度大小顺序为：高阳渡口>渠马渡口>木桥断面。

Chla含量与浮游植物光合作用水平具有较大的相关性，常被作为浮游植物生物量的指标，是反映富营养化水体水质的重要参数。澎溪河各断面Chla呈现明显的季节变化规律，且各断面分布存在一定差异(图4)。春秋季Chla明显高于夏冬季。渠马渡口和高阳渡口Chla变化规律相同，Chla浓度全年最大值均出现在5月份，浓度达到21 μg/L。与现场监测结果一致，2013年5月和2014年5月渠马渡口-高阳渡口段大面积暴发水华。木桥断面Chla最大浓度达到19 μg/L。两年间相同月份Chla浓度变化不大，2013年Chla范围为1.46～19.14 μg/L；2014年Chla范围为1.66～21.57 μg/L。

图4 TP、Chla时空分布特征Fig.4 Temporal and spatial distribution of TP and Chla

2.2 营养盐相关性分析

大量研究显示，湖泊、水库等缓流状态下，Chla与N、P间存在不同程度线性关系[22～26]。本文对Chla与SD、TN、TP、CODMn进行了相关性分析。结果显示，部分河段Chla与TN、TP存在显著相关性。高阳渡口Chla与TP呈极显著正相关(r=0.522，P<0.01)(表2)；然而，上游木桥断面和渠马渡口Chla与富营养化指标相关性不显著。澎溪河的上游和下游均属于峡谷型河道，河流流速差异大，Chla与富营养化指标的关系更复杂。河流中部在三峡水库蓄水后河道拓宽形成永久回水区，在水库低水位运行时期，滞缓水域增加、流速减缓，导致水体泥沙沉积、水质变清，形成了一段水库型河道。因此，澎溪河上游河段Chla与富营养化指标的线性相关性不显著，而中段高阳渡口Chla与TP存在显著的线性正相关性。

表2 富营养化指标相关性Tab.2 Correlation of eutrophication indexes

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

2.3 水质及营养状态评价

2013～2014年澎溪河各断面水质均为Ⅱ类或Ⅲ类(表3)。2013年，各断面水质评价结果存在明显差异，木桥断面总体以Ⅱ类水质为主，3月和8月为Ⅲ类水质；渠马和高阳渡口水质无明显差异，总体以Ⅲ类水质为主，12月份为Ⅱ类水质。可见，2013年澎溪河上游断面水质较好。2014年，各断面水质无明显差异，总体以Ⅱ类水质为主。同比上一年，澎溪河中下游断面水质有变好的趋势。

表3 单因子水质评价Tab.3 Results of single factor water quality assessment

根据富营养化评价标准，TLI<30为贫营养；30≤TLI≤50为中营养；TLI>50为富营养。澎溪河各断面水体综合营养状态TLI值变化范围为56～135(图5)。可见，澎溪河各断面水体均达到富营养状态，然而各断面富营养状态程度存在明显差异。春季3～5月和秋季10月，部分断面富营养化状态极高。木桥断面3月、4月、10月TLI指数极高，远远超过重度富营养状态；渠马渡口TLI指数全年无显著差异，处于中-重度富营养化；高阳渡口5月TLI指数极高，远远超过重度富营养状态。而澎溪河春季3～5月正是水华暴发的高峰期，2013年5月和2014年5月澎溪河高阳平湖均暴发了大面积蓝藻水华。

图5 营养状态评价Fig.5 Eutrophication assessment

3 结 论

三峡大坝蓄水以后，回水顶托使上游支流水文水质特征发生变化，本文分析了2013～2014年澎溪河不同断面营养盐时空分布特征和富营养化水平，得出以下结论。

3.1 澎溪河水域不同断面营养盐分布具有明显的时空分布差异。

SD呈现春秋季低于夏冬季，2014年较2013年有下降趋势，空间尺度上，上游断面较下游两断面偏低。

CODMn渠马渡口和高阳渡口变化趋势基本一致，夏季高于其他三季，且多数月份高于4 mg/L。木桥断面无明显变化规律，整体低于前两断面，但个别月份浓度仍超出4 mg/L。可见，夏季澎溪河下游河段水质较差，存在一定的有机污染。时间尺度上，渠马渡口和高阳渡口较上年水质有所好转，而木桥断面水质较上年有变差的趋势。

澎溪河各断面TN、TP浓度值已达到产生富营养化的营养盐浓度条件。TN 2014年较2013年有上升趋势，但在较长的时间尺度上看，澎溪河TN浓度无明显变化。澎溪河冬季TN浓度处于全年较低水平，这是由于冬季水位上升，较深的水体使营养物质得到更多的稀释，且冬季降雨量少，沿岸农事活动较少，通过雨水冲刷作用将农田氮带入水体的量较少。NH3-N渠马渡口和高阳渡口变化趋势基本一致，全年无显著差异。木桥断面较其余两断面差异较大，相邻月份NH3-N浓度起伏较大。澎溪河TP较2007～2009年有所上升。这可能与三峡水库稳定运行后，水动力条件改变使底泥中的磷释放有关。渠马渡口和高阳渡口TP浓度变化趋势呈现某一月份(5月或6月)浓度显著高于其余月份，考虑与雨水冲刷使消落带的磷带入水体有关，此外，大量雨水汇入导致底泥泛起，部分底泥中的磷释放出来，也可能对该时段TP浓度升高有所贡献。木桥断面TP浓度无明显变化规律，但整体浓度低于前两断面。三断面TP浓度大小顺序为：高阳渡口>渠马渡口>木桥断面。

Chla呈现春秋季明显高于夏冬季，2014年与2013年无明显差异。空间尺度上，渠马渡口和高阳渡口Chla变化规律相同，Chla浓度全年最大值均出现在5月份。与现场监测结果一致，2013年5月和2014年5月渠马渡口-高阳渡口段大面积暴发水华。木桥断面Chla最大值出现在4月和10月。

3.2 澎溪河上游河段Chla与SD、TN、TP、CODMn的线性相关性不显著，而中段高阳渡口Chla与TP呈极显著正相关。澎溪河中部在三峡水库蓄水后河道拓宽形成永久回水区，在水库低水位运行时期，水体泥沙沉积、水质变清，形成了一段水库型河道，因此澎溪河中段呈现出湖泊(水库)的性质—Chla与TP存在一定的线性关系。

3.3 2013年～2014年，澎溪河各断面水质均为Ⅱ类或Ⅲ类。同比上一年，澎溪河中下游断面水质有变好的趋势。各断面水体均达到富营养状态，然而各断面富营养化程度存在明显差异。春季3～5月和秋季10月，部分断面富营养化状态极高。

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