分类：建筑论文 时间：2022-02-12 热度：727
摘要: 在三峡水库试验性蓄水后的 2010 年 3 - 12 月，对其支流小江沿岸的水质进行了监测，分析了总氮、总磷、化学需氧量和叶绿素 a 等水质因子的时空变化规律以及叶绿素 a 与水质因子之间的相关关系，评价了水体营养状态。结果表明，总氮、总磷、化学需氧量和叶绿素 a 含量分别为( 1. 980 ± 0. 119) mg /L、( 0. 114 ± 0. 018) mg /L、 ( 9. 520 ± 1. 748) mg /L 和( 23. 342 ± 8. 810) mg /L，小江沿岸水质达到中度富营养化水平。各水质因子在不同月份存在较大的差异，随沿程采样站点也有所不同，说明沿岸带水质变化不仅仅受时间的影响，与沿岸土壤对营养盐的吸附和析出也存在较为密切的关系; 叶绿素 a 含量与温度、pH、溶解氧、亚硝酸氮和化学需氧量极显著正相关( P < 0. 01) ，与总氮、总磷不具有显著相关性，说明小江沿岸水体有机质的含量是影响水体叶绿素 a 含量的主要因子。
关键词: 三峡水库; 小江; 沿岸水质; 富营养化
三峡工程是世界上最大的水利枢纽工程，在 2003 年和 2006 年分别实现了 135 m 和 156 m 水位的初期蓄水目标，2008 年开始试验性蓄水，先后于 2008 年汛后将坝前水位蓄至 172. 8 m，2009 年蓄至 171. 4 m，2010 年 10 月蓄至 175. 0 m。受水库调度运行影响，一年中的水库水位在坝前蓄水位175. 0 m 和防洪限制水位 145. 0 m 之间变化，形成落差30 m 的逆自然洪枯节律的消落带。消落带是水域生态系统和陆生生态系统交互过渡的地带，也是生态环境十分脆弱的地带，具有拦截库区泥沙、有机物、化肥和农药进入水库的功能( Gregory et al，1991; 刁承泰和黄京鸿，1999; 冯大兰等，2006) 。水位反复周期性涨落，导致消落带生态系统结构和功能发生极大变化，对三峡水库水质具有潜在的威胁。
小江又名澎溪河，是三峡水库长江北岸的一级支流( 30°49' ～ 31°41' N; 107°56' ～ 108°54' E) ，发源于重庆市开县白泉乡钟鼓村，在云阳县双江镇汇入长江; 流域面积5 172. 5 km2 ，干流全长182. 4 km，其中库区部分长 117. 5 km; 消落区面积 47. 59 km2 ，占三峡水库消落区总面积的 16% ，是库区消落区面积最大的支流。消落带出露期生长的植被在滞留、吸收和转化面源污染方面起到了重要作用，但在淹没期植物死亡或茎叶腐烂，污染物重新释放到水体，对水库水质造成累积性的二次污染，影响三峡水库的水环境安全。为探索三峡水库消落带的反复出露淹没对其水质的影响，项目组以小江流域沿岸水质为研究对象，于 2010 年 3 - 12 月监测了总氮( TN) 、总磷( TP) 、化学需氧量( COD) 和浮游植物叶绿素 a ( Chl. a) 含量等指标，分析了 Chl. a 与水质之间的相关关系，探讨了小江沿岸水质状况以及富营养化成因，以期为三峡水库的水质保护提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 采样点设置
为保证水质监测结果能够准确反映小江沿岸的水质状况，根据其形状特征、水文特征和沿岸分布的人口、农田利用等情况，从上游至下游共设置 5 个站点，分别位于渠口( Ⅰ) 、养鹿( Ⅱ) 、高阳( Ⅲ) 、黄石 ( Ⅳ) 、双江( Ⅴ) ，具体位置如图 1。
1. 2 样品采集与水质指标测定
采样时间为 2010 年 3 - 12 月，每月采样 1 次，共 10 次。水样采集严格按照《水质采样技术指导》 ( GB12998-91) 的相关技术规定规范操作。水 温 ( WT) 、pH、溶解氧( DO) 用便携式水质分析仪现场测定; 总氮( TN) 、总磷( TP) 、亚硝酸盐氮( NO - 2 -N) 、硝酸盐氮( NO - 3 -N) 、氨氮( NH3-N) 、可溶性磷酸盐 ( PO3 - 4 -P) 、化学需氧量( COD) 以及水体中浮游植物叶绿素 a( Chl. a) 等按照国家环境保护总局( 2002) 编制的《水和废水监测分析方法》的要求，现场处理分析后带回实验室分析测定。
1. 3 数据统计与分析
根据郑丙辉等( 2006) 提出的三峡水库库区营养状态评价标准，选择总磷、总氮、叶绿素 a 等指标来评价小江沿岸水体营养状态。利用 SPSS 17. 0 软件进行聚类分析，考虑到监测项目的单位有所不同，为了消除量纲的影响，对原始数据进行标准化处理。用 SPSS 17. 0 软件 Pearson 相关分析叶绿素 a 含量与水质因子的相关关系，取 P < 0. 05 为显著性标准。
2 结果与分析
2. 1 水质总体情况
对小江沿岸水体 2010 年 3 - 12 月水质因子的实测值进行综合统计，其结果见表 1。分析各水质因子的变异系数，不同的水质因子变异系数存在较大差 异，其中以叶绿素含量变异系数最大，达 到 37. 74% ，pH 变异系数最小，仅为 1. 82% 。
2. 2 水质因子的季节变化
2. 2. 1 理化因子 小江沿岸水体 2010 年 3 - 12 月的理化因子监测结果如图 2。从图 2 可以看出，WT 总体上呈现先上升、再下降的趋势，7 月达到最高值 31℃ ; pH 的变化不大，在均值 8. 00 左右; DO 呈上升、下降、再上升的锯齿型变化趋势，其中 7 月最高值达到 11. 15 mg /L，最低值出现在 10 月，仅 5. 44 mg /L; COD 总体呈现升高后再下降的变化趋势，至 9 月达到最高值 15. 6 mg /L，随之开始下降，12 月达到最低值 5. 0 mg /L; TN 总体上呈现下降趋势，最高值出现在 3 月( 4. 03 mg /L) ，最低值在 10 月( 1. 32 mg /L) ，其中 NO - 2 -N 和 TN 的变化趋势相同，均呈现下降 趋 势，但 最 低 值 出 现 在 12 月; 而 NO - 3 -N 和 NH3-N 的变化没有规律，NO - 3 -N 最低值在 10 月， NH3-N 最低值在 4 月; TP 与 TN 一样，最高值均出现在 3 月( 0. 27 mg /L) ，但变化趋势与 TN 有差异，至 7 月一直呈现下降的趋势，8 月稍有上升，随之又开始下降，11 月达到最低值( 0. 04 mg /L) 。PO3 - 4 -P 除最高值出现在 4 月外，总体变化趋势与 TP 相类似。 2. 2. 2 叶绿素 a 从图 3 中可以看出，Chl. a 含量总体呈现先上升、再下降的变化趋势。4 月稍有升高后，5 月出现明显下降过程，但 6 月又显著升高，达到最高值 43. 73 mg /L，接着开始下降，至 9 月再次出现一个小高峰后迅速下降，直至 12 月达到最低值，仅为 2. 60 mg /L。
以上分析表明，TN 在 3 月最高，而后其他各月变化均不显著，可见温度以及水库水位变化引起的水体和土壤氮元素的交换对 TN 的影响不大; TP 也是在 3 月最高，直至 7 月都在逐月下降，后期有一定的回升，表明 TP 受土壤与水体中磷元素的交换影响较大，在水库泄水过程中，TP 是逐渐降低，而在蓄水过程中则有一定程度的升高。沿岸水体 COD 在夏季水库低水位时浓度较高，而在春、冬季高水位时浓度较低，这可能与高水位时淹没土壤吸收一部分水体有机质有关。叶绿素的变化则与水温较为一致，与水位的变化关系不大。综上可以看出，沿岸带水体营养盐变化不仅仅受季节变化的影响，与沿岸土壤对营养盐的吸附和析出有着较为密切的关系。
2. 3 水质因子的沿程变化
2. 3. 1 理化因子 从图 4 中可以看出，2010 年小江沿岸水体中各水质因子从上游( 渠口) 至下游( 双江) 采样站点的不同，其浓度发生了相应 的 变 化。 WT 在 5 个站点中除双江略低于其他站点外，其它站点的差别不明显，在 20. 99 ～ 23. 43℃之间变化;pH 与 WT 的变化类似，也是双江略低于其他站点，均值在 8. 00 ～ 8. 41; DO 最低值出现在双江，最高值出现在黄石，在 6. 801 ～ 8. 387 mg /L 之间变化; COD 总体上呈现由上游向下游递减的趋势，渠口最高 ( 11. 80 mg /L) ，双江最低( 7. 10 mg /L) ; TN 在 5 个站点的变化不是很明显，除渠口略高于其它站点外，其它站点的含量相差不大，在 0. 508 ～ 1. 248mg /L 之间变化，其中 NO - 2 -N、NO - 3 -N、NH3-N 变化范围分别为 0. 020 ～ 0. 031 mg /L、0. 893 ～ 1. 252 mg /L、 0. 191 ～ 0. 262 mg /L，NO - 2 -N 呈现由下游向上游递增、NO - 3 -N 则由下游向上游递减、NH3-N 呈现上下游高、中 间 低 的 趋 势; TP 各个站点略有差异，在0. 097 ～ 0. 141 mg /L 之间变化，总体呈现上游低、下游高的变化趋势，其中黄石最高，其次为双江，养鹿最低; 而 PO3 - 4 -P 变化趋势与 TP 相同，在 0. 039 ～ 0. 070 mg /L之间变化。
2. 3. 2 叶绿素 a 图 5 为小江沿岸水体叶绿素 a 含量在不同采样站点的变化。从图 5 可以看出，Chl. a 含量总体上呈现由上游向下游递减的趋势，在 13. 596 ～ 35. 819 mg /L 之间变化，其中最高值出现在渠口，最低值在双江。
2. 4 聚类分析
对小江沿岸各采样点的 TN、TP、COD 和 Chl. a 进行聚类分析( 图 6) 。由此可以看出，高阳和养鹿首先聚为一支，黄石、双江和渠口各单独为一支。高阳和养鹿位于小江中游，消落带受自然因素和人为因素的干扰较小，消落带上缘农耕用地开垦程度类似，临近水域的环境特征非常接近，且监测结果显示高阳、养鹿的 TN、TP、COD 在各站点中处于较低的水平，因而聚为一支。双江处于小江河口，受长江干流顶托作用最为明显，水文条件相对其他站点更为特殊，营养盐和污染输入受水文影响较大，因而单独聚为一支。黄石处于小江的下游，界于高阳和双江之间，其特征与两者有一定联系但也有明显差异，因而聚为一支。渠口位于小江上游，距开县县城和渠口镇较近，人口密集，监测表明该站点的 TN、COD 较高，这与沿岸水体受上游来水、人为干扰如生活污水和农药化肥的影响较大有关，明显单独聚为一支。
3 讨论
3. 1 叶绿素 a 含量与水质因子的相关性分析
小江沿岸水体 Chl. a 含量与水质因子的 Pearson 相关性分析结果见表 2。可见沿岸水体浮游植物 Chl. a 含量与 WT、pH、DO、NO - 2 -N 和 COD 呈现极显著正相关( P < 0. 01) ，而与 TN、TP 并不具有显著相关性。
叶绿素 a 浓度通常被用于表征水中藻类总体含量的高低，在水体富营养状况评价中起关键性作用，是湖沼学、水环境科学中的关键水环境参数( 王飞儿，2001; 郭劲松等，2011) 。浮游植物的生长受多种环境因子的影响和制约，而叶绿素 a 的现存量则在一定程度上反映其生长状况( 吴阿娜等，2011) 。研究浮游植物中叶绿素 a 含量与水质因子之间的相关性，能够对水华的发生提供生态预警( 卢柳，2011) 。
本研究中，小江沿岸水体浮游植物 Chl. a 含量与 WT、pH、DO、NO - 2 -N 和 COD 呈现极显著正相关 ( P < 0. 01) ，而与 TN、TP 并不具有显著相关性，这说明小江沿岸水体 Chl. a 含量与总营养盐的相关性不大，主要与水体所含的有机质浓度有关。WT 是 Chl. a 含量变化的关键因子，pH、DO 是 Chl. a 含量变化的被动因子。研究表明，小江回水区浮游藻类以蓝藻、绿藻、甲藻为主，其适宜生长在温暖的水体中，因此水温成为藻类生物量增加的限制因子( 郭劲松等，2011) 。pH 与藻类生长密切相关，不同藻类对 pH 都有一定的适应范围，pH 是影响藻类组成的重要因子，游亮等( 2007) 研究也表明 pH 与藻类生长状况有显著相关性。Chl. a 含量与 DO 呈明显的正相关关系，是因为浮游植物在进行光合作用中释放 O2，可使水体中 DO 浓度显著增加。有机污染物 ( COD) 成为水质污染的主要因素，这一结果与杨钢 ( 2004) 的研究一致; 而 Chl. a 含量并没有象李哲等 ( 2009a; 2009b) 研究结果一样，与 TN、TP 具有相关性; 但毕京博等( 2012) 研究表明，Chl. a 与 N、P 等营养盐存在正相关、负相关和无相关形式。
3. 2 小江沿岸水体富营养化评价及消落带的影响
从营养盐单因子考虑，国际上公认为当水体中 TP 和 TN 的浓度分别达到 0. 025 mg /L 和 0. 2 mg /L 时为富营养化，有可能发生“水华”现象( 黄玉瑶， 2001; 张晟等，2004) ; 由此可见，小江沿岸水体已完全达到重度富营养化水平。
郑丙辉等( 2006) 提出的三峡库区营养状态评价标准( 表 3) ，不仅能够表现出营养状态对浮游植物数量的影响规律，而且能够反映出库区水体营养状态的时空变化特征，更适用于三峡水库富营养化的科学管理和预警，因此本文主要采用该标准进行评价。由水质监测结果可知，小江沿岸水体总氮、总磷和叶绿素 a 浓度分别为 1. 980 mg /L、0. 114 mg /L 和 23. 342 mg /L。据此评价标准，小江沿岸水体已呈中度富营养化，仅就氮指标而言，也达到重度富营养化 水 平 标 准。陈 小 娟 等( 2012) 对 小 江 回 水 区 2008 - 2010 年水环境状况的研究表明，回水区总体呈现轻度富营养化状态。结论的差异可能是因为小江沿岸实际是三峡水库消落带，受水域与陆域的双 重影响，高水位时上游和两岸排入的污染物随水位的下降逐步滞留在消落带，低水位时两岸生活污水流经消落带时部分沉积在消落带，当淹没时滞留在消落带的污染物溶出，导致小江沿岸水体富营养化水平升高; 这种结果进一步说明，三峡水库消落带的生态环境状况对三峡水质的影响巨大。
郑志伟等( 2011) 通过消落带土壤中 TN、TP 和有机质( COD) 的浓度变化来分析水质受消落带的影响，结果表明，小江沿岸水体中 TP、COD 的变化趋势与土壤消落带基本一致，自上游至下游 TP 呈现递增趋势，COD 呈现递减趋势，而消落带土壤 TN 呈上游高下游低的变化趋势，水体中 TN 呈现上游和下游高、中游低。一般而言，水库水质对消落带土壤的影响主要是通过土壤的机械吸收、阻留、理化吸附、沉淀和生物吸收等过程将水体中的污染物质富集到土壤中，使土壤的成分、结构、性质和功能发生变化，造成土壤污染; 反之，当库水淹没时，富集在消落带土壤中的污染物质溶出而转移到水体中，增加水体中污染物的浓度，引起水库水质下降。据冯孝杰( 2005) 、范小华等( 2006) 对消落区水、土环境的研究，土壤中 N、P、COD 和重金属是主要的溶出因子，其溶解释放量主要与库水量和淹没陆地两者的相对比例有关，其次与土壤性质有关。当淹没的土地多，流经被淹没土地的水量大，水质受影响相应也大; 淹水条件下 TN、TP 以旱土释放量最高，COD 以柑橘土释放量最高; 说明消落带水、土环境中污染物质的转换是一个复杂的动力学过程，主要受溶解和吸附过程的控制。当消落带土壤 N、P、COD 浓度高于水体时，土壤的溶出作用大于吸附、吸收作用，导致 N、P 和 COD 溶出水体，使水体中 N、P 和 COD 含量相应增加; 而当水体中污染物质浓度高于土壤时，又会通过吸附与吸收作用，重新渗入到土壤，直到水、土环境营养物浓度达到平衡。鉴于消落带水、土双向互动，加速了污染物质向水、陆生态系统的转移; 因此，除减少污染物来源外，应加强消落带生态环境保护与治理，促进消落带植被恢复，发挥其生态屏障功能，从而达到保护三峡水质的目的。——论文作者：胡 莲，邹 曦，郑志伟，张志永，潘晓洁，冯 坤，万成炎
文章名称：三峡水库试验性蓄水后小江沿岸水质研究
