三峡水库水面漂浮物对近坝段水体重金属的影响初探

张馨月，向 娇，高千红

（长江水利委员会 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000）

重金属作为不能被微生物所分解的污染物，对人类存在潜在的危害[1]。有学者指出随着三峡水库蓄水运行，河流动力学条件改变，重金属随部分颗粒物沉降淤积库底，并可能引发二次污染[2]。三峡水库蓄水后，许多学者对库区水体重金属变化的特征进行研究，并已取得初步成果。张晟等[3]对三峡水库135 m蓄水后水体重金属环境健康风险进行研究，发现水体中各重金属的单因子污染指数增大。赵军等[4]对三峡水库156 m蓄水后典型库湾溶解态重金属分布进行研究，发现蓄水对区域痕量重金属的生物地球化学循环存在一定影响。王图锦等[5]对三峡水库172 m蓄水实现后干流水体溶解态重金属含量变化进行研究，发现三峡水库水环境因素的变化对重金属的分配有着重要作用。然而随着三峡工程蓄水运行，每年汛期（5—8月）受库区雨洪影响，蓄水期（9—10月）随着库区水位的抬升均会产生大量水面漂浮物。2018年连续洪水致使漂浮物骤增，坝前漂浮物最长滞留时间高达80多天。漂浮物浸泡在水中对近坝段水体水质存在的影响不容忽视，漂浮物成分复杂，对水体重金属是否产生了影响不得而知。三峡库区水面漂浮物主要由树根、树枝、秸秆等自然垃圾，泡沫、塑料等生活垃圾和工业垃圾以及灾害类漂浮物组成，三类漂浮物常混杂交织在一起[6]。根据三峡水库清漂监理部门的统计数据[7]，并结合本研究现场调查显示，2018年近坝段（坝前与秭归片区）水面漂浮物总量为49 303 t，汛期产漂量41 041 t，占总量83.24%，蓄水期7 547 t，占总量15.31%。汛期和蓄水期漂浮物均以农作物茎杆、树木根茎等自然垃圾为主，白色泡沫、塑料等生活垃圾次之，但蓄水期生活垃圾占比少于汛期。汛期漂浮物主要集中在坝前，河湾处较少，而蓄水期漂浮物主要集中在坝前和河湾。

本研究以三峡库区坝前及上游约12.7 km近坝段水域水体为研究对象，分析不同时期漂浮物对水体重金属的影响规律，根据实际监测与漂浮物浸泡实验结果，挑选出近坝段水域重金属指标与漂浮物打捞量（2014—2018年）进行相关性和回归分析，初步探讨水面漂浮物对水体重金属的影响机制，以期为三峡库区漂浮物治理提供数据基础和科学依据。

1 主要研究方法

1.1 研究河段概况

研究河段始于三峡大坝坝前，上至庙河水文断面（湖北省秭归县兰陵村），河段全长约12.7 km（图1）；河段顺直，河床左右两岸为砂质山体，河势稳定。自2003年6月试验性蓄水以来，该河段处于坝首回水区，受大坝调蓄影响明显，且每年汛期和蓄水期有大量漂浮物滞留于坝前机组和河湾处，对该河段的水环境产生了一定的影响。

1.2 样点布设与采集

在漂浮物常聚地坝前和河湾处设置了3个采样点，分别为坝前S1、S2和银杏沱河湾S3。在坝前和河湾采样点上游100 m没有漂浮物覆盖的水体分别设置坝前对照断面和河湾对照断面（图1）。

汛期于S1、S3采样点采集样品4次（7月12日、7月17日、7月22日、8月11日），蓄水期于S1、S2、S3采样点采样3次（10月19日、25日、31日）。采样点垂线按水面下0.5 m、1.0 m、2.0 m采集，对照断面分别在左岸、中泓、右岸取水面下0.5 m水样。庙河断面每月上旬采样1次，全年采样12次。采样方法参照《水环境监测规范》（SL 219—2013）。

图1 三峡水库近坝段采样点分布Fig.1 Location of sampling sites in the near-dam section of Three Gorges Reservoir

1.3 漂浮物分类浸泡实验设计

漂浮物分类浸泡实验于2018年蓄水期（10月19日）在银杏沱河湾S3号样点附近与蓄水期天然漂浮物覆盖水体监测同步进行。根据研究区域漂浮物组成均以植物类漂浮物为主的特点，实验选用2个400 L的塑料桶作为反应器，一个放入现场实际打捞的混杂自然垃圾和生活垃圾的综合类漂浮物；另一个放入树枝、杂草、秸秆、树兜、竹子、浮萍等植物类漂浮物。取250 L河湾对照断面长江水体浸泡15 d，漂浮物湿重均为25 kg，反应池漂浮物密度为0.1 t/m3。于第0、2、4、6、8、12、15 d采集反应器中水样，进行室内分析。

1.4 监测指标及方法

采样点与分类浸泡实验监测指标包括铜（Cu）、铁（Fe）、镉（Cd）、锰（Mn）、铅（Pb）、锌（Zn）的浓度及溶解氧（DO）；庙河断面监测指标包括铜（Cu）、铁（Fe）、镉（Cd）、铅（Pb）的浓度及流量（Q）和断面平均流速（V）。其中重金属指标采用电感耦合等离子体发射光谱法测定，流量、断面平均流速数据摘自庙河水文站整编数据，产漂量数据摘自水文三峡局《三峡水库水面漂浮物监测及清漂监理工作总结》（2014—2018年）[7]。

1.5 数据统计分析

垂向以水深为因子，水质因子为因变量，采用单因素方差分析识别不同水深水质状况的空间差异。由于庙河断面Cu、Cd、Pb在绝大部分月份常年处于未检出状态，故只挑选在天然漂浮物覆盖水体与浸泡实验中均有检出的Fe为代表与产漂量进行Pearson相关分析，初步分析漂浮物产量与重金属的相关程度。为进一步识别在水文因子的影响下，漂浮物产量与水质因子之间是否存在统计规律，在Pearson相关分析的基础上，以漂浮物产量、水文因子（流量、流速）为自变量，重金属指标（Fe）为因变量进行逐步多元回归分析。为消除自变量量纲不一样的影响，在回归分析前对自变量进行标准化处理[标准化数据=（原数据-均值）/标准差]。

为确保样本得到的回归方程能更真实地反映总体间的统计关系，对回归方程进行残差分析，采用正态曲线直方图和标准化残差的正态概率图（P-P图）进行残差的正态性检验。采用DW（Durbin-Watson）检验样本序列是否存在自相关，排除伪回归可能。采用方差膨胀因子（VIF）进行自变量间的多重共线性判断[8]。一般认为，DW越接近2越好。Durbin-Watson总结了DW统计量的下临界值dL和上临界值dU。如果dU≤d≤4-dU，说明原序列不存在自相关[9]。通过样本容量N和自变量个数k以及显著性水平（显著水平设为α=0.05）可在DW统计量临界值表中查得临界值，以确定回归模型的无自相关范围；VIF越大，多重共线性越强。当VIF大于或等于10时，说明存在严重的多重共线性。一般认为VIF＜5时自变量间不存在多重共线性。

随着清漂管理工作和清漂技术的日趋完善，漂浮物打捞量能较直观地反映进入水体的绝大部分漂浮物。本文视漂浮物打捞量近似于产漂量，对2014—2018年每年漂浮物主要聚集时期6—11月（2016年为5—11月数据）近坝段水面漂浮物打捞量数据进行统计分析。漂浮物打捞量为秭归和坝前区域的总和，湿重以t计。按6—9月为汛期，10—11月为蓄水期对不同时期漂浮物进行划分。上述所有分析均在SPSS 19.0和Origin 8.0下进行。

2 结果与分析

2.1 水面漂浮物对近坝段水体重金属浓度的影响

2.1.1 不同时期漂浮物对近坝段水体重金属浓度的影响

2018年汛期与蓄水期，近坝段漂浮物覆盖水体各采样点及对照断面检测的金属指标有Fe、Mn、Zn、Cu，于7月22日在坝前和河湾漂浮物覆盖水体处有检出，但均刚过检出限。Cd、Pb各采样点均未检出。Fe、Mn、Zn变化特征如表1所示。

可以看出，汛期S1采样点漂浮物覆盖水体各样点Fe、Mn、Zn含量较坝前对照断面均出现了增长，其增长率分别为7.4%、32.7%、16.7%。S3采样点相比河湾对照断面Fe与Zn分别增长了3.6%、29.6%，Mn相比对照断面却出现了下降。蓄水期漂浮物对坝前水体金属的影响主要表现在Fe和Zn两个指标，Mn在漂浮物产量相对较少的蓄水期并未表现出明显的变化。坝前S1、S2样点Fe相比坝前对照断面分别增长了50.0%、25.0%，Zn在坝前对照断面未检出，而在蓄水期漂浮物主要聚集地S2样点检测到了Zn的释放。除河湾漂浮物覆盖S3样点Zn含量较河湾对照断面略有增长外，其他金属并未发现有明显变化。综合而言，漂浮物对水体重金属的影响坝前要大于河湾，汛期大于蓄水期，汛期受漂浮物影响的指标为Fe、Mn、Zn，蓄水期坝前主要为Fe，河湾处存在Zn的释放。

表1 不同时期近坝段各样点重金属变化特征（均值±标准差）Table 1 Characteristics of heavy metals in different periods in near-dam section(mean±standard deviation)

2.1.2 漂浮物覆盖下水体重金属垂向变化特征

对汛期与蓄水期坝前S1和银杏沱河湾S3垂直方向水面下0.5 m、1.0 m、2.0 m各采样点重金属指标进行单因素方差分析。结果显示，坝前和河湾处垂直方向各样点重金属指标均不存在统计学意义的差异（P＞0.05）。说明漂浮物覆盖水体垂直方向2 m内重金属污染并未出现明显分层的现象，垂向扩散均匀。

2.2 漂浮物分类浸泡实验主要金属指标变化特征

在此次监测分析的重金属指标Cu、Cd、Fe、Mn、Pb、Zn中，综合类和植物类反应池均检出的指标是Fe、Zn、Mn，这与漂浮物覆盖的天然水体检出的金属项目一致。由图2可以看出，反应池中水体本底值Mn是未检出的，在综合类反应池中，Fe、Zn上升到第2 d后又开始下降，且在第12 d Fe、Mn开始大量释放。植物类反应器中Fe和Mn含量都呈上升趋势，在第6 d后出现陡增。Zn在两个反应池中总体表现均为先降后升的趋势。总体来说，植物类反应器水体金属含量要高于综合类，短期内Fe和Zn释放较Mn明显，Mn在前期释放是极少的，综合类反应器中直到实验结束时Mn才出现大幅增长。

图2 水体Fe、Zn、Mn的动态变化Fig.2 Dynamics of Fe,Zn,Mn in water

2.3 漂浮物产量与重金属关系

选取庙河断面水文因子流量、流速和重金属Fe与近坝段水面产漂量进行Pearson相关性分析，结果表明，产漂量与重金属Fe、水文因子流量、流速均存在极显著正相关（P＜0.01），Fe与水文因子流量、流速也存在极显著正相关（表2）。

表2 产漂量与环境因子之间的Pearson相关性分析（n=31）Table 2 Pearson correlation coefficients matrix between floating debris yield and water environmental factors

为进一步揭示在水文因子（流量和流速）影响下，漂浮物产量对重金属Fe是否有显著影响，选取产漂量、流量、流速为自变量，重金属Fe为因变量，进行逐步多元回归分析。由表3可知，通过逐步回归筛选出的自变量仅剩产漂量，说明相比水文因素（流量和流速），漂浮物产量对重金属Fe的影响更为显著，通过自变量标准化的回归系数可以看出，产漂量与Fe存在极显著正相关。

表3 逐步多元回归分析结果Table 3 Stepwise multiple regression analysis

3 讨论

天然漂浮物覆盖水体监测结果表明，漂浮物会提高其覆盖水体重金属Fe、Zn、Mn浓度。除汛期河湾处Mn含量出现下降，漂浮物覆盖水体重金属Fe、Zn、Mn浓度相比对照断面均出现不同程度的增长，且汛期较蓄水期明显，坝前较河湾明显。漂浮物覆盖水体重金属的时空变化规律与漂浮物的产量及空间分布有着直接的联系，汛期坝前漂浮物产量远大于蓄水期，汛期漂浮物主要集中在坝前，蓄水期坝前和河湾处均有漂浮物聚集现象，但河湾处聚集规模远不如坝前，且由于清漂工作开展，此次监测中蓄水期最后一次采样漂浮物基本已经被清理干净，这也是蓄水期漂浮物对重金属影响并不明显的原因之一。另有研究[5]表明，水体溶解态重金属与悬浮物有着显著的相关性，汛期水体悬浮物含量明显高于蓄水期，漂浮物浸泡在水中释放的重金属更容易被吸附，推测这也是导致汛期水体重金属受漂浮物影响更明显的原因。此次监测发现汛期河湾处Mn的含量相比对照断面出现下降，结合浸泡实验的结果推测是由于Mn在前期释放较Fe、Zn慢，且汛期河湾处漂浮物聚集量少，清理较快，聚集时间较坝前短，漂浮物在前期对Mn的吸附作用大于释放作用，从而出现下降。

比较植物类和综合类两种水面漂浮物的浸泡过程对水体重金属的影响发现，在15 d的监测期内，纯植物类漂浮物对水体重金属的危害更迅速和明显，随着浸泡时间的增加水体重金属浓度也会增加。Fe、Zn在漂浮物浸泡之初比Mn更容易从水中释放出来，这与在实际监测中，汛期漂浮物量大且长时间聚集时水体受Mn的影响显著，而在蓄水期漂浮物量较汛期少且漂浮物被逐步清理掉的情况下，漂浮物释放金属Mn的能力明显减弱的情况相符，漂浮物产量与聚集时长均会影响漂浮物覆盖水体Mn的含量。有研究[10-11]表明，大多水生植物对水体重金属有很好的富集能力，水生植物在腐解过程中会释放大量含有腐殖质的营养物质[12]，而腐殖质对重金属离子有着很强的吸附和螯合作用[13]，植物残体在水中浸泡腐解，富集的重金属重新被释放到水体从而产生二次污染[14]，故在此次实验中出现植物类金属浓度要高于综合类的现象。监测发现植物类水体Fe和Mn含量呈增长趋势，且在第6 d后出现陡增，姜欣等[15]研究指出，Fe和Mn是氧化还原的敏感元素，水体缺氧极易造成Fe和Mn释放，而在监测的第6 d水中DO达到了一个较低值，推测由于水体达到一个缺氧的状态，富集在植物残体的Fe和Mn被大量释放出来所致。综合类反应池Fe、Mn均出现短期增长再下降的现象，说明综合类反应池中漂浮物除了植物的腐解释放，综合类漂浮物对金属有着较明显的吸附作用，随着植物进一步腐解，且在极度缺氧环境催化下Fe、Mn开始大量释放。Zn在两个反应池中均表现为先降再升的趋势，表明植物碎屑、塑料泡沫等漂浮物对水体Zn在前期（6～8 d）均存在一定的物理吸附作用，随着浸泡时间的增长，又逐步从漂浮物中释放出来，且植物类漂浮物释放量要明显大于综合类漂浮物。在短期内植物类漂浮物对水体重金属的影响比生活垃圾影响更大，且漂浮物对水体重金属的释放量与漂浮物的聚集量及滞留时长有着密切的联系，因此，建议在短期内优先打捞植物类漂浮物，避免植物残体腐烂造成的二次污染，同时优化清漂方案，尽量避免漂浮物大面积聚集和长时间滞留。

虽然漂浮物对其覆盖水体的重金属影响会随着漂浮物的逐步清理而减弱，但逐步回归分析均表明，在水文因子流量、流速等水文水动力条件的影响下，产漂量与重金属Fe之间有着显著的正相关，侧面反映了在漂浮物主要聚集的6—11月近坝段水域，漂浮物对重金属Fe形成了规律性的影响，漂浮物产量的增加会提高近坝段水体金属Fe含量，这也应该引起今后监测工作的重视。

4 结论与展望

通过三峡水库水面漂浮物对近坝段水体重金属含量的影响研究，以及对2014—2018年的产漂量和近坝段水域相关重金属指标进行相关性与回归分析，得出以下结论：

1）漂浮物对水体重金属的影响主要表现在Fe、Zn、Mn，对重金属Cu、Cd、Pb并未表现出明显的影响。这一影响汛期较蓄水期明显，坝前区域较河湾明显。漂浮物覆盖水体重金属的时空变化规律与漂浮物的产量与空间分布有着直接的联系，随着漂浮物的逐步清理，影响逐渐减小。漂浮物覆盖水体垂直方向上2 m内重金属无明显分层的现象，垂向扩散均匀。

2）漂浮物浸泡实验发现，在15 d的监测期内，纯植物类漂浮物对水体重金属的影响更迅速和明显，随着浸泡时间的增加水体重金属浓度也会增加，Fe、Zn在漂浮物浸泡之初比Mn更容易从水中释放出来，漂浮物对水体重金属的释放量与浸泡时间有着直接的联系。漂浮物对水体释放重金属的同时，在前期也存在物理吸附作用，随着浸泡时间增长，植物类漂浮物进一步腐解，漂浮物中的重金属会大量释放。

3）相关性分析与回归分析表明，在水文因子流量、流速等水文水动力条件的影响下，产漂量与重金属Fe显著正相关，在漂浮物主要聚集的6—11月近坝段水域，漂浮物对重金属Fe形成了规律性的影响。

自然水体漂浮物浸泡过程对水体的影响较复杂，本研究以重金属为研究对象进行试点跟踪监测，并结合漂浮物浸泡实验得出了一定的结论，对同类水库漂浮物治理也有着一定的借鉴作用，为后续漂浮物的监测与开展奠定了一定的基础，在今后的工作中，进一步细致和精确量化漂浮物监测对水质的影响意义重大，在漂浮物形成聚集过程中，及时开展漂浮物清理工作的同时，如何更有效地跟踪监测漂浮物覆盖水体金属的变化情况，如何结合水库调度来减缓汛期漂浮物大量聚集、长时间滞留等问题带来的水质影响值得进一步思考，这还需要通过更多的跟踪监测和实验研究来逐渐完善。