三峡库区香溪河回水区营养状态变化特征与驱动因子

叶许春，孟元可，张永生，蒋名亮，徐力刚

(1．西南大学地理科学学院，重庆 400715； 2．中国水利水电科学研究院，北京 100038；3．中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008； 4.中国科学院流域地理学重点实验室，江苏 南京 210008)

近几十年来，受到社会经济快速发展和人类活动干扰加剧的影响，众多地表水体面临着水环境恶化、富营养化加剧和服务功能减弱等重大生态环境问题[1-5]。自2003年6月三峡工程成功蓄水运行以来，库区水环境条件发生了巨大变化。伴随着库区水位提高、水流减缓，水体扩散能力减弱、污染物滞留时间延长，导致部分支流回水区域污染加重，水体富营养化频繁发生[2,6]。有关三峡工程运行后库区及其支流回水区营养盐的来源及时空分布特征一直是学者们研究的重点[6-10]。除此之外，不少研究开始关注库区水文水动力条件以及水温、光照等外在诱发因素对水体环境恶化以及藻类水华产生的影响[11-14]。这些研究对认识三峡库区水环境演变机制以及确定富营养化水域治理措施起到关键作用。

香溪河是三峡库区重要支流，其干流长度94 km，流域面积3 099 km2。三峡水库蓄水后，香溪河形成回水库湾。当水库蓄水至135 m时，香溪河库湾回水淹没范围长达26 km，当蓄水至175 m时回水范围可达40 km。由于水动力学条件的改变以及沿岸地区工农业及生活污水的大量排入，香溪河库湾水体营养程度增加，并多次发生藻类水华，对库区饮水安全造成严重威胁，引起了广泛关注[8，12,14]。然而，以往研究大多针对特定时段，缺少在完整水文年内较大尺度上的连续性研究报道。本研究自2015年7月以来对香溪河库湾水域进行了为期1年的连续监测，重点探讨香溪河库湾回水区营养状态的季节性变化特征以及污染来源，以期为三峡库区富营养化的研究和防治提供科学依据。

1 材料与方法

在香溪河回水区峡口大桥水域至香溪河河口，沿河道中泓线布设4个监测采样点，见图1。其中，X01位于峡口镇附近，代表香溪河回水区上游监测采样点；X02位于贾家店附近，代表中游监测采样点；X03位于楚家湾附近，代表下游监测采样点；X04位于香溪河与长江交汇处，代表河口监测采样点。监测工作集中在2015年7月24日至2016年6月30日期间完成，于每月下旬在所有监测采样点进行现场监测和水样采集(表层0.5 m以上)，水样带回中科院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室进行各种水化学测定。

图1 香溪河位置及监测采样点布置

主要监测指标包括水温(T)、溶解氧(DO)、pH值、浊度(Turb)、电导率(Cond)、透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)以及高锰酸盐指数(CODMn)等10项。其中水体SD采用Secchi盘测定，DO、T、pH、Cond等采用便携式YSI ProPlus多参数水质测定仪(产自USA)现场测得。其他指标如浊度(Turb)采用浊度计测定；Chl-a采用丙酮萃取分光光度法测定；CODMn采用高锰酸钾酸性法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定，具体方法可参考文献[15]。

依据《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》采用加权综合营养指数法[16]对香溪河回水区水体的营养现状进行评价。综合营养状态指数ITLI的计算公式为

(1)

式中：Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；ITLI，j代表第j种因子的营养状态指数；m为评价因子个数，本研究综合考虑Chl-a、CODMn、TN、TP和SD5种影响因子。采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级：ITLI<30为贫营养；30≤ITLI≤50为中营养；5070为重度富营养。

2 结果及讨论

2.1 回水区水体基本理化性状分析

表1 香溪河基本理化指标数据

(a) CODMn (b) TN

(c) TP (d) Chl-a

三峡水库蓄水之后，香溪河库湾水体基本处于准静止状态，除河口处受到长江影响存在一定的差异外，总体上空间差异不大。表1为监测期间香溪河回水区的主要物理化学参数。由表1可知，整个库湾水体pH范围在8.22～8.33，为弱碱性水体。DO质量浓度范围在7.31～9.48mg/L，河口处DO质量浓度相对较低。水体透明度就全年来看空间差异不大，在1.42～1.44 m之间，但存在较大的季节性差异。冬季水库处于枯水期，水体透明度为全年最高。夏季水体透明度全年最低，不仅与浮游植物生长有关，还易受降雨携带的泥沙及悬浮颗粒物等因素的影响。浊度的空间差异最显著，从库湾上游到河口处呈不断增大的趋势，特别是河口处水体浊度平均达到20.31 NTU，远远大于上游的5.50 NTU，这主要是由于受长江来水中携带的大量悬浮物的影响。电导率在528.13～564.89 μS/cm之间，7—10月的电导率明显高于其他月份，空间上差异并不十分明显。

2.2 营养参数的周年变化

CODMn作为有机污染物指标，当其质量浓度超过4 mg/L时，表示水体受到有机污染[17]。调查表明，香溪河回水区除2016年1月的下游、2016年3月的上游和下游受到有机污染外(图2(a))，其他季节CODMn质量浓度均低于4 mg/L，优于地表水Ⅱ类标准。总体来看，7—10月香溪河CODMn质量浓度较稳定(9月上游水域可能受局部污染)。11月CODMn质量浓度降到全年最低。冬季CODMn质量浓度明显上升，并且12月和1月呈现较大的空间差异。在之后的3月，香溪河库湾水体CODMn质量浓度达到全年最高，之后一直呈逐月降低趋势。CODMn质量浓度的这种特征除了与香溪河回水区局部的有机污染有关外，还与三峡水库的运行方式密切相关。冬季三峡水库蓄水维持较高水位，香溪河库湾水流平静水体扩散能力弱，导致CODMn质量浓度存在较大的空间差异。在随后的春季泄水过程中，随着库区水位的降低，库湾水动力条件加强，CODMn质量浓度呈现明显的下降趋势。香溪河回水区从上游到河口TN质量浓度在0.75～3.50 mg/L之间(图2(b))。除了2016年6月中、下游及河口处TN质量浓度偏低外，其他时间均大于1.5 mg/L，为地表水Ⅳ、Ⅴ类水质标准，表明香溪河库湾全年TN污染十分严重。空间上，香溪河回水区上下游TN质量浓度差异较小，仅上游河段在2016年6月异常偏大。另外，部分月份里河口区TN质量浓度反而高于其他河段。季节上看，TN质量浓度变化趋势不明显，但是2015年秋季TN质量浓度呈现降低的趋势，随后的冬春季节略有增加并维持在较高水平。秋季是三峡水库的蓄水季节，随着水库水位的逐渐升高，干流水体大量进入库湾，且以倒灌异重流的形式对库湾营养盐进行了稀释和再分配[18]，同时水库的高水位运行状态使颗粒态的营养盐得以沉降，营养盐浓度逐渐降低。冬季是浮游植物生物量较小的季节，对营养盐的消耗量较小，库湾中的营养盐浓度逐渐上升，营养盐开始累积。春季TN质量浓度略有增加，则可能更多地受区内农业耕作活动的影响。

香溪河TP质量浓度在0.03～0.54 mg/L之间(图2(c))，其中大多数时间里小于0.20 mg/L，达到Ⅲ类水质标准。但是在10月、1月以及次年4月，香溪河TP质量浓度异常偏高，局部河段TP质量浓度超过0.4 mg/L，达到劣Ⅴ类水质标准。时间上TP质量浓度表现出与TN不同的变化趋势。7—9月TP质量浓度偏低，主要是受浮游植物生长吸收的影响。其他时间里，TP质量浓度变化复杂，还可能受到库区水动力条件改变的影响，也与城镇生活污水排入和农村化肥过度施用有关。空间上，除了2—5月河口区TP质量浓度整体较低外，在大多数月份里TP质量浓度上游最高，下游最低，然后到河口区TP质量浓度又有所增高。这一特征在很大程度上受流域自然环境特征的影响。香溪河流域内磷矿资源丰富，上游磷矿资源的开采、库湾沿岸的非点源污染是水体中磷污染负荷的主要来源[19]，因此库湾上游磷营养盐质量浓度明显大于下游。河口区水体受长江干流影响，已有研究也表明，三峡库区大多数支流回水区的TN、TP质量浓度低于干流[20]。

Chl-a质量浓度可以在一定程度上表征水体浮游植物的现存量[21]。香溪河回水区Chl-a质量浓度年变化范围在0.07～15.07 mg/L之间，并且呈现出巨大的季节行波动特征。如图2(d)所示，香溪河回水区Chl-a质量浓度在2015年8月呈现出爆发式增加特点，在之后的9月份急剧减小，仅在下游水域仍保持在较高水平。香溪河回水区Chl-a质量浓度在11—12月达到最低值，在随后的1—6月质量浓度稳定且维持在较低水平。根据OECD富营养化单因子Chl-a评价标准(ρ(Chl-a)<3 mg/L为贫营养；3≤ρ(Chl-a)<11 mg/L为中营养；11≤ρ(Chl-a)<78 mg/L为富营养；ρ(Chl-a)≥78 mg/L为严重富营养)[14]，2015年8月整个库湾回水区均处于中营养状态，下游水域更是达到富营养状态。

2.3 营养状态的周年变化

调查时段内不同月份香溪河库湾水域营养状态评价结果见图3。整个回水区综合营养状态指数ITLI范围为30.30～52.31，水体营养程度较高，无贫营养状态。就各月份来看，除了在2015年8月香溪河回水区达到富营养状态外，其他月份均达到中营养状态。这一特点也与Chl-a质量浓度在8月呈现爆发式增加相对应。水体营养状态指数最低的是2015年11月，其次是12月，其他月份库湾水体的营养状态均维持在较高水平，差异并不突出。受三峡库区长江主流水体的影响，2—5月河口的营养状态总体要低于库湾，并且从上游到下游营养状态呈一定的梯度减小。这一特征与CODMn质量浓度变化特征相似，而与TN质量浓度变化情况不同。从季节变化来看，统计表明香溪河库湾水域营养状态从低到高顺序为秋季、冬季、春季、夏季。

图3 香溪河库湾水体综合营养状态指数变化

2.4 水体富营养化主要驱动因子分析

水体富营养化的发生所必需的条件主要有3个[22]：TN、TP等营养盐相对比较充足；缓慢的水流流态(流速、水深等)以及适宜的环境条件(水温、光照等)。根据单因子营养状态指数分析，香溪河回水区中CODMn、TN 、TP、Chl-a与SD的平均营养状态指数分别为25.17、65.61、60.67、21.78和47.56，表明TN质量浓度是影响水体富营养化程度最重要的指标，其次是TP、SD、CODMn和Chl-a。

一般认为，当水体中TN、TP 质量浓度分别达到0.20、0.02 mg/L以上时，水体存在发生富营养化的风险[7]。蓝藻水华的暴发是水体富营养化后的一种表现，其对破坏水体原有的生态系统平衡起着重要作用[23]。本研究中，调查时段内各月份香溪河库湾水体的TN、TP质量浓度均远高于限制值，表明水体为浮游藻类的生长提供了充足的营养盐，在一定的环境条件驱动下(合适的温度和光照)藻类水华风险较大。另外，研究表明N/P值对藻类的暴发性生长具有重要作用，当水体中N/P值小于7时，N将限制藻类的生长；N/P值在8～30之间为适应藻类生长范围；N/P值大于30时，P将成为藻类生长的限制因子[24-26]。本研究中香溪河库湾水域中N/P值在3.41～37.23之间，绝大多数时间里其比值在8～30之间，因此香溪河库湾水体N、P条件较适合藻类的生长，容易发生水体富营养化。

根据相关性分析(表2)可知，香溪河TN质量浓度与CODMn以及TP质量浓度呈负相关，表明其主要来源不同。香溪河流域是典型的农业耕作区，沿岸有较多的村镇分布，因而农村化肥过度施用和城镇生活污水排入应该是TN污染的主要来源。此外，CODMn与TP呈较强的正相关，特别是CODMn与TP质量浓度都具有从库湾上游向下游减小的趋势，流域上游磷矿资源开采的工业废水以及库湾沿岸的点源污染是水体中CODMn与TP污染负荷的主要来源。Chl-a质量浓度与主要营养盐之间均呈弱负相关关系，表明水体中Chl-a质量浓度受N、P等营养盐的限制较弱，可能更多地受到水温和光照等条件的影响。Chl-a与SD呈较强的负相关，表明回水区透明度除受浮游藻类影响外，还受水体中悬浮物的影响，这与该区域较强的人类活动有关。

表2 香溪河库湾水体各营养因子间相关系数

3 结 论

a. 香溪河回水区TN污染十分严重，为地表水Ⅳ、Ⅴ类水质标准，无明显季节变化趋势。TP污染在大多数时间里达到Ⅲ类水质标准，某些月份里局部水域可达到劣Ⅴ类水质标准。在调查时段内，各月份香溪河库湾水体的TN、TP质量浓度均远高于限制值，为浮游藻类生长提供了良好条件，易发生水体富营养化。

b. 香溪河回水区水体营养程度较高，所有月份均达到中营养状态，其中2015年8月更是达到富营养状态。就季节来看，水体营养状态从低到高顺序为秋季、冬季、春季、夏季。TN质量浓度是影响香溪河库湾水体富营养化程度最重要的指标，其次是TP、SD、CODMn和Chl-a。

c. 香溪河水体中的TN主要来自农业面源污染和城镇生活污水的排入，而流域上游的磷矿资源开采产生的工业废水以及库湾沿岸的点源污染是水体中CODMn与TP污染负荷的主要来源。水体中Chl-a质量浓度受N、P等营养盐的限制较弱，可能更多地受到水温和光照等条件的影响。水体透明度除受浮游藻类影响外，还受水体中悬浮物的影响，这与该区域较强的人类活动有关。

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