河道采砂对赣江中下游水生态环境的影响研究

(江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

砂石是河流生态系统的重要组成部分[1]，是河流生物附着生存的物理底基和重要生境要素[2]。沿江河道整治、公路桥梁建设、房地产开发等多方面的需求，使得河道采砂强度与规模与日俱增。河道砂石的开采会对水生态环境造成诸多不良影响[3]，例如水体透明大幅降低[4]、底泥污染物的二次释放[5-6]、河道形态发生变化[3]、生物多样性降低[7]等。

赣江是长江八大支流之一，鄱阳湖水系五大河流之首[8]，年径流量和输沙量丰富，流域多年平均悬移质含沙量0.165 kg/m3，多年平均输沙量908.6亿t[9]，是江西乃至长江中下游主要城市的重要砂源。自2001年长江中下游干流河道全线禁采江砂起，受经济利益驱使，大量采砂船涌入鄱阳湖和赣江，赣江等内河采砂规模迅速扩大，采砂能力严重过剩。不合理的采砂带来很多不利影响，但目前国内关于河道采砂的科学研究工作并不多见，尤其在采砂对水生态环境的影响研究方面更是少见报道，除采砂对悬浮物[10]、透明度[4]的影响有定量报道外，对其他水生态指标的影响大多停留在定性研究阶段[11-13],定量数据的缺失，给河道采砂科学管理带来诸多不便。针对这一研究空白，该研究分析赣江中下游河道采砂对水生态环境的影响，以期为赣江河道采砂管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样点设置

以南赣中13采区、丰3采区、金滩采区和栖龙Ⅱ采区作为研究对象，各采区情况详见表1。

水生态环境样品的采集视采砂现场对水体浊度的大致影响范围确定，采集采砂点及其上下游的水生态环境样品，其中南赣中13采区设NG1(上游1 000 m)、NG2(上游500 m)、NG3(采砂点)、NG4(下游500 m)、NG5(下游1 000 m)、NG6(下游2 000 m)、NG7(下游3 000 m)、NG8(下游5 000 m)和NG9(下游7 500 m)采样点，丰3采区设F1(上游100 m)、F2(采砂点)、F3(下游60 m)、F4(下游200 m)和F5(下游800 m)采样点，金滩采区设JT1(上游200 m)、JT2(上游20 m)、JT3(采砂点)、JT4(下游200 m)、JG5(下游1 000 m)和JT6(下游5 000 m)采样点，栖龙Ⅱ采区设QL1(上游500 m)、QL2(上游200 m)、QL3(采砂点)、QL4(下游500 m)、QL5(下游1 000 m)和QL6(下游2 000 m)采样点，各采区采样点位置详见图1。

图1 典型采区采样布点Fig.1 Sampling points of the typical mining areas

表1 研究区域情况Tab.1 Information of the study area

1.2 实验方法

除pH值、溶解氧(DO)和透明度(SD)现场测定外，悬浮物(SS)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3--N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO43--P)、高锰酸盐指数(CODMn)和叶绿素a(Chl.a)样品的采集和测定参考《水和废水监测分析方法(第四版)》[14]，浮游植物样品种类、数量的鉴定参照《淡水浮游生物研究方法》[15]。

差异显著性分析运用SPSS16.0软件进行。

2 各理化指标变化特征

2.1 采砂扰动下赣江中下游主要污染物

根据各采区所属水域水功能区类型，运用GB3838-2002《地表水环境质量标准》或GB11607-89《渔业水质标准》对各采区采砂点水生态环境指标进行评价。结果表明，采砂扰动下，赣江中下游特征污染物为SS、TN和TP，其中南赣中13采区主要污染物为SS和TN，丰3、栖龙Ⅱ采区主要污染物为TN和TP，金滩采区主要污染物为TP，各采区采砂点水质详见表2。

表2 采砂扰动下典型采区水质Tab.2 Water quality of typical mining areasunder the sand mining disturbance

注：指标DO，SS，TN，NH3-N，NO3--N，TP，CODMn的单位均为mg/L。

2.2 采砂扰动下主要污染物的空间分布

2.2.1SS的空间分布

图2为各采区SS沿水流方向的变化情况，由图2可以看出，采砂会导致水体SS浓度的增加，影响范围辐射采砂点上下游，受水流影响，下游影响范围明显大于上游。从各采区SS空间分布来看，南赣中13采区SS浓度最大值出现在上游500 m，为250.50 mg/L，最小值为下游5 km，25.50 mg/L，采砂对上游1 km的影响与对下游2～3 km的影响程度类似；丰3采区采砂点SS浓度最大值出现在下游60 m，14.50 mg/L，最小值出现在下游800 m，7.38 mg/L，该采区采砂对上游100 m的影响大于下游200 m。金滩、栖龙Ⅱ采区SS最大值均出现在采砂点，分别为2.39 mg/L和230.20 mg/L，金滩采区最小值出现在下游500 m，2.05 mg/L，栖龙Ⅱ采区最小值出现在上游500 m，10.75 mg/L。

图2 典型采区SS空间分布Fig.2 Spatial distribution of SS in typical mining areas

2.2.2TN的空间分布

图3为各采区TN沿水流方向的变化情况。由图3可以看出，采砂会导致水体TN的升高，影响范围辐射采砂点上下游。其中南赣中13采区采砂对上游1 km至下游500 m范围内水域的影响明显大于其他区域；丰3采区采砂对上游100 m的影响大于下游60 m；金滩采区采砂点TN浓度低于上下游监测点位，可能受流速和污染物扩散影响，各采区采砂点下游TN浓度呈先上升后下降的趋势。金滩采区采砂点上游200 m至下游1 km均受采砂影响，其中对下游500 m和上游200 m影响最大。栖龙Ⅱ采区上游水域TN浓度明显高于下游水域，受采砂影响明显。

图3 典型采区TN空间分布Fig.3 Spatial distribution of TN in typical mining areas

2.2.3TP的空间分布

图4为各采区TP沿水流方向的变化情况，由图可以看出，采砂会导致水体TP浓度的升高，影响范围辐射采砂点上下游。其中南赣中13采区TP浓度最大值出现在采砂点，其次是下游3，5 km和7.5 km。丰3采区TP浓度最大值出现在采砂上游100 m处，其次是下游60 m。金滩采区采砂点TP浓度明显高于其余样点，其次为下游200 m和上游200。栖龙Ⅱ采区TP浓度最大值也出现在采砂点，下游500 m和1 km处其次。

图4 典型采区TP空间分布Fig.4 Spatial distribution of TP in typical mining areas

2.2.4采砂对水生态环境的影响特征分析

若以各采区最上游点位作为背景点，分析采砂对水生态环境的影响大小和影响范围。从对各指标的影响大小来看，采砂对SS的影响最大，各采区SS的最大增量为0.14～220.00 mg/L；TN的最大增量为0～0.138 mg/L；TP的最大增量为0.037～0.289 mg/L，与采砂方式、采砂船数量和采砂船功率有关。从对水生态环境的影响范围(对主要污染物的最大影响范围)来看，南赣中13采区对下游的影响范围大于7 500 m，丰3采区影响范围大于100 m，小于200 m；金滩采区影响范围1 000 m；栖龙Ⅱ采区影响范围大于1 000 m(详见表3)。

表3 典型采区采砂对采砂点下游主要污染物的影响Tab.3 Effects on major pollutants under the sandmining disturbance of typical mining areas

3 浮游植物群落分布变化特征

3.1 种类组成

赣江中下游各采区共检出浮游植物55种，以绿藻和硅藻为主，其中绿藻门最多，23种，占浮游植物种类数的41.82%；其次为硅藻门，19种，占34.55%；蓝藻门第三，7种，占12.73%；隐藻门和甲藻门均为3种，均占浮游植物种类数的5.45%。

从各采区浮游植物种类空间分布来看(见图5)，南赣中13、丰3、金滩和栖龙Ⅱ采区浮游植物种类数波动范围分别为2～13，8～18，5～14，6～12种。各样点浮游植物种类数均较少，其中大个体藻类硅藻种类居多；除金滩采区外，各采区采砂点上游浮游植物种类数明显高于采砂点。

图5 典型采区浮游植物种类数空间分布Fig.5 Spatial distribution of the number of phytoplanktonspecies in typical mining areas

3.2 细胞密度

赣江中下游各采区浮游植物细胞密度波动范围为1.82×103～8.42×105cells/L，平均细胞密度为1.29×105cells/L，硅藻、隐藻为优势类群，其中硅藻平均细胞密度为5.85×104cells/L，占总细胞密度的45.21%，隐藻平均细胞密度为2.76×104cells/L，占总细胞密度的21.36%，甲藻、蓝藻、绿藻平均细胞密度分别为1.62×104，1.37×104，1.34×104cells/L，所占比例分别为12.50%，10.51%和10.37%。

从各采区浮游植物细胞密度空间分布来看(见图6)，南赣中13、丰3、金滩和栖龙Ⅱ采区浮游植物细胞密度波动范围分别为2.07×103～1.56×105，1.47×105～8.42×105，6.88×104～2.28×105cells/L和4.50×104～1.58×105cells/L，采砂点下游浮游植物细胞密度明显低于采砂点上游。部分采区采砂点上游和下游浮游植物最主要优势类群也存在差异，其中南赣中13采区采砂点上游以蓝藻为主，下游为隐藻、硅藻或甲藻；金滩采区采砂点上游浮游植物最主要优势类群为甲藻，下游为硅藻。另外，南赣中13采区采砂点及上游、栖龙Ⅱ采区采砂点等局部水域蓝藻所占比例较大，在47.06%～96.55%之间。

图6 典型采区浮游植物细胞密度空间分布Fig.6 Spatial distribution of phytoplanktondensities in typical mining areas

3.3 优势种

浮游植物优势种以相对丰富度(某种藻细胞密度占细胞总密度的比例)大于10%确定[16]，各采区优势种及其相对丰富度为：南赣中13采区优势种及其比例为球孢鱼腥藻(17.73%)、浮游蓝丝藻(16.70%)、和菱形藻(15.21%)、细鞘丝藻(11.72%)，丰3采区优势种及其比例为尖尾蓝隐藻(29.29%)变异直链藻(21.67%)、啮蚀隐藻(11.89%)，金滩采区优势种及其比例为裸甲藻(51.52%)，栖龙Ⅱ采区优势种及其比例为变异直链藻(24.00%)、浮游蓝丝藻(22.23%)、舟形藻(11.30%)、异极藻(11.30%)。

4 讨 论

4.1 对赣江中下游理化指标的影响

采砂会造成局部范围水体悬浮物浓度的增加[17]。从采样现场和实测监测数据来看，本研究中各采区SS浓度增加明显，南赣中13、丰3、金滩、栖龙Ⅱ采区采砂点SS浓度较上游背景点分别增加131，2.13，0.137 mg/L和219.45 mg/L，对于参照GB3838-2002《地表水环境质量标准》评价的水域，GB3838-2002对SS未作要求，但对于参照GB11607-89《渔业水质标准》评价的水域，采砂对SS的影响可能会超出GB11607-89中“SS增加量不超过10 mg/L”要求。本研究中，南赣中13采区为鱼类产卵场，现场监测SS增加量超出GB11607-89要求，结合《江西省河道采砂管理条例》，建议取消该采区现行可采规划。

采砂会造成吸附在泥沙中的物质释放，污染下游水体[18]，导致本研究中TN，TP等营养盐浓度不同程度的增加。通过分析采砂点下游各因子间的相关关系，得出SS与TN显著正相关(P=0.584)，这说明TN浓度的增加主要由采砂扰动引起，采砂对悬浮泥沙的搅动会使吸附在泥沙中的TN释放到水体中来。赣江中下游水体总氮含量较高，平均浓度超出Ⅳ类水标准要求[18]，采砂活动导致泥沙中TN的释放，会进一步加重赣江中下游水体氮营养盐污染，鉴于此，基于水生态环境保护和经济可持续发展需要，应加快加强赣江中下游氮营养盐污染控制。

采砂对水体理化指标的影响因采砂方式、采砂船数量、采砂船功率不同而不同。采砂方式、采砂船数量、采砂船功率与污染物排放源强有关，泵吸式采砂船对河床的扰动大于抓斗式，此外采砂船越多、采砂船功率越大，采砂强度则越大，对河床的扰动也越大，单位时间内悬浮的泥沙含量及释放的污染物量则越多。鉴于此，对于采砂造成的水质超标，可通过改变采砂方式、减少采砂船数量、降低采砂船功率等方式处理。此外，采砂对水体理化指标的影响还受水文情势、泥沙粒径等的影响，一般而言，水体流速越大，泥沙粒径越小，越有利于沉积物再悬浮，形成较高浓度分布[19-20]。赣江中游受峡江水利枢纽影响，流速相对较缓，根据《江西省赣江中下游干流河道采砂规划修编报告(2014～2018年)》，丰3采区砂石含泥量高于金滩采区，水体相对较大的流速和相对较小的泥沙粒径可能是丰3采区SS浓度高于金滩采区的原因之一。

4.2 对赣江中下游浮游植物群落的影响

浮游植物群落作为水生态系统的初级生产者，对水生态环境的变化比较敏感，其种类组成与动态变化受物理因子、化学因子、生物因子和水文因子的综合调控。计勇等[21]2010年对赣江中下游浮游植物的调查结果显示，赣江中下游浮游藻类共计38属102种，藻类细胞密度变动范围为18.7万～101.2万cells/L，藻类密度平均为63.9 万cells/L，绿藻门、硅藻门和蓝藻门为赣江中下游浮游藻类的优势类群。本研究共检出浮游植物55种，浮游植物细胞密度波动范围为1.82×103～8.42×105cells/L，平均细胞密度为1.29万cells/L，硅藻、隐藻为优势类群。与计勇等[21]的研究结果相比较，浮游植物种类、细胞密度明显减少，浮游植物优势类群也发生了明显改变。这可能与河道采砂对水生态环境的影响有关，河道采砂引起水体SS浓度增加，水体透明度降低，水体浊度增加，水体透光性降低，影响浮游植物的光合作用，降低生产量[22]。另外，采砂对水体水动力的干扰，使得适宜在稳定性较高水体中生长繁殖的小个体藻类生长繁殖受到限制，采砂点下游水域浮游植物种群以硅藻、隐藻、甲藻等大个体藻类为主。采砂扰动会使富营养化物质释放，引起局部水华等生态破坏现象[23]，本研究监测的浮游植物细胞密度虽然远远没达到水华时的藻类密度[24]，但在南赣中13、栖龙Ⅱ等采区局部水域，蓝藻所占比例较高，在合适条件下，南赣中13等微弯河道水域发生水华不是没有可能，应引起关注。

5 结 论

(1) 根据各采区所属水域水环境功能区划，参考GB3838-2002《地表水环境质量标准》或GB11607-89《渔业水质标准》，采砂作业时，赣江中下游主要污染物为SS,TN和TP。采砂对理化指标的影响因采砂方式、采砂船数量、采砂船功率不同而不同，泵吸式对水生态环境的影响大于抓斗式，此外采砂船越多、采砂船功率越大，影响也越大。

(2) 采砂扰动下，赣江中下游共检出浮游植物55种，浮游植物细胞密度波动范围为1.82×103～8.42×105cells/L，平均细胞密度为1.29×105cells/L，硅藻、隐藻为优势类群。采砂对浮游植物群落结构的影响主要表现为浮游植物种类和细胞密度的降低以及浮游植物优势类群和优势种的改变。