环境科学学报  2021, Vol. 41 Issue (6): 2182-2191
引用本文
田盼, 王丽婧, 宋林旭, 等. 2021. 三峡水库典型支流不同时期的水质污染特征及其影响因素[J]. 环境科学学报, 41(6): 2182-2191.
Tian P, Wang L J, Song L X, et al. 2021. Water pollution characteristics and influencing factors of typical tributaries of Three Gorges Reservoir in different periods[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 41(6): 2182-2191.
三峡水库典型支流不同时期的水质污染特征及其影响因素    [PDF全文]
田盼1,2, 王丽婧2, 宋林旭1, 纪道斌1, 李亚莉1, 李虹2, 李莹杰2, 赵星星1, 成再强1, 杨凡1,2    
1. 三峡大学水利与环境学院, 宜昌 443002;
2. 中国环境科学研究院国家长江生态环境保护修复联合研究中心, 北京 100012
收稿日期: 2021-02-09; 修回日期: 2021-03-10; 录用日期: 2021-03-10
基金项目: 国家重点研发计划（No.2017YFC0404702）；国家自然科学基金（No.51909135，51779128）
作者简介: 田盼(1992-), 男, E-mail: 734180939@qq.com
通讯作者（责任作者）: 王丽婧, 女, 博士, 研究员, 研究领域为流域水环境安全评估、预警与保障技术.E-mail: wanglj@craes.org.cn
宋林旭, 女, 博士, 副教授, 研究领域为流域点面源污染识别.E-mail: lxsong1980@163.com
摘要：为探究三峡水库特殊调度运行模式下支流水质分布特征及其主要影响因素，以库区一级支流香溪河和神农溪为例，于2018年7月（汛期）和10月（蓄水期）现场采样分析，利用水质指数（WQI）法进行水质评估和水质特征分析，并综合三维水动力观测资料、干支流水量交换分析识别水质变化的驱动因素.结果表明：①影响香溪河和神农溪WQI的主要参数为TN、NH4+-N，且两支流WQI在7月为63~69，水质一般；10月为74~82，水质良好.水质在10月显著好于7月（p < 0.01），两支流间的WQI无显著差异（p>0.05）；另外，WQI在中间段要大于近河口和近上游段.②长江干流倒灌水体对支流水质的好坏起主导作用.汛期倒灌强度小但倒灌水体营养盐浓度较大，会增加支流营养盐浓度；蓄水期倒灌强度大但倒灌水体营养盐浓度较小，会稀释支流营养盐浓度.③支流流域面源污染协同加剧支流水质污染.汛期降雨驱动了面源污染的增加，在多因素共同作用下支流库湾TN、NH4+-N在7月的累积量高于10月.研究结果可为当地水环境管理和治理提供方向，丰富大型河道型水库水环境演变相关科学认识.
关键词：三峡水库    香溪河    神农溪    水质指数(WQI)    水质评估    水体倒灌    
Water pollution characteristics and influencing factors of typical tributaries of Three Gorges Reservoir in different periods
TIAN Pan1,2, WANG Lijing2, SONG Linxu1, JI Daobin1, LI Yali1, LI Hong2, LI Yingjie2, ZHAO Xingxing1, CHENG Zaiqiang1, YANG Fan1,2    
1. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002;
2. National Joint Research Center for Yangtze River Conservation, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012
Received 9 February 2021; received in revised from 10 March 2021; accepted 10 March 2021
Abstract: To explore the water quality distribution characteristics and main influencing factors of tributaries under the special operation mode of the Three Gorges reservoir, this study took Xiangxi River and Shennong River, the primary tributaries of the Three Gorges Reservoir area, as an example to conduct on-site sampling and analysis in July (flood season) and October (impoundment period) of 2018. The WQI (water quality index) method was used for water quality assessment and water quality characteristics analysis. Then, the driving factors of water quality change were identified by combining the three-dimensional hydrodynamic observation data and flow exchange analysis of main and branch. The results indicated that: ①The main indexes affecting the WQI of Xiangxi River and Shennong River were TN and NH4-N, respectively. The WQI of the two tributaries was in the range of 63~69 in July and in the range of 74~82 in October, and the water quality was general and good in the above two months, respectively. The water quality in October was significantly better than that in July (p < 0.01), and there was no significant difference in WQI between the two tributaries (p>0.05), and the WQI of middle section was larger than that near the estuary and upstream.②The backflow of the main stream of the Yangtze River played a leading role in the water quality variation of the tributaries. In flood season, the backflow intensity was low and the nutrient concentration of the backflow water was high, the backflow of water increased the nutrient concentration of tributaries.In impoundment period, the backflow intensity was high and the nutrient concentration of the backflow water was low, a amount of backflow water diluted the nutrient concentration of tributaries. ③The non-point source pollution in tributary watershed synergistically aggravated the water quality pollution in tributaries, which was increased by rainfall driving during the flood season.Resulting from combined effect of several factors, the accumulation of TN and NH4-N in July was higher than that in October in tributary bays. The research results can provide direction for local water environment management and governance, and enrich the scientific understanding of water environment evolution of large river reservoirs.
Keywords: Three Gorges Reservoir    Xiangxi River    Shennong River    water quality index(WQI)    water quality assessment    water body backflow    
1 引言(Introduction)

河流水质是流域的重要特征, 研究水体的物理化学变化, 可以获取水文、气象等自然因素在河流中表征的信息, 体现流域范围内人类活动与河流水系相互作用的关系(李昆等, 2013).通过水质评价可以明确水体主要污染因子, 探析污染物来源, 这是水资源可持续利用的基础, 也是生态管理与治理决策制定的依据(Mercadogarcia et al., 2019; Ighalo et al., 2020).目前, 常用的水质评价方法主要有水质指数法(WQI) (Tomas et al., 2017)、贝叶斯公式(袁振辉等, 2019)、单因子评价法(孙悦等, 2020)、模糊综合评价法(Yang et al., 2018)、主成分分析法等(Wang et al., 2019).其中, 水质指数(WQI)法是一种简单的、从大量样本和大量参数中评估整体水质的方法, 可避免单一评价的不准确性(Nihalani et al., 2020), 能有效地将许多物理和化学参数转换为反映水质水平的单一值, 并能直观地从多种指标中明确主要污染因子, 目前已在国内外水环境领域得到广泛应用(Fulazzaky et al., 2009；刘叶叶等, 2019).如Patricia等(2014)、Silvia等(2000)、Wu等(2017)、Hou等(2016)采用WQI法从多项指标中明确了不同水体的主要水质污染因子, 为当地的水环境管理和治理提供了方向.

三峡水库是国家重要战略淡水资源库(王丽婧等, 2020), 库区自2003年蓄水以来, 产生了巨大的经济社会效益；同时由于干流倒灌等水文因素和人为因素的影响, 加重了支流富营养化问题, 导致部分支流水华暴发频繁, 从而严重影响着库区水质安全(Liu et al., 2012; 李健等, 2014；Zou et al., 2017；田盼等, 2020).库区支流水质因子在不同调度时期也呈现出不同的变化特征(张馨月等, 2019).目前对三峡库区水质的研究主要集中在对干流及其出入库水质变化分析上(Zhao et al., 2013; 刘雁慧等, 2019；黄玥等, 2019), 一些学者也对库区汉丰湖、大宁河、笋溪河等支流水质进行了分析(陈昭明等, 2020；郑永林等, 2020).而香溪河在水库蓄水后已多次暴发水华, 成为研究的焦点(Cai et al., 2006)；神农溪作为南水北调“引江补汉”工程的源头, 其水环境状况的好坏具有重要的社会效益(胡莲等, 2020).叶麟等(2003)利用主成分分析法研究了香溪河的水质特征, 发现不同河段主要影响因子存在差异；冉桂花等(2013)运用多元统计方法分析了香溪河上游支流水质, 结果表明水质与土地利用类型相关联；周淑婵等(2006)采用轮虫多样性指数分析得出, 香溪河水质处于中度污染水平；朱爱民等(2013)通过浮游植物Shannon-Wiener指数分析了库区枯水期干支流水质, 表明香溪河和神农溪水质处于中或重污染水平.另外, 科研人员还分析了干流倒灌对香溪河、神农溪库湾营养盐的贡献率(张宇等, 2012；吕垚等, 2015).但联系不同的支流, 在库区不同调度时期干流倒灌和支流流域污染的共同作用下, 分析水质特征及其主要影响因素的研究鲜有报道.

基于此, 本文以香溪河和神农溪为研究对象, 采用水质指数(WQI)评估两支流在7月(汛期)、10月(蓄水期)的水质状况, 并分析识别造成水质变化的驱动因素.以期明确香溪河和神农溪的水质特征, 一方面为当地水环境管理和改善提供依据, 另一方面总结两支流在三峡调度大背景下的水环境共性特征, 从而更清晰地认识三峡库区的水环境演变, 为库区水环境改善和管理提供参考.

2 研究区域和方法(Area and methods) 2.1 研究区域

香溪河(XX)流域位于湖北宜昌兴山区段, 为三峡库区的典型一级支流, 河口距离三峡大坝约34.5 km, 流域总面积约为3099 km2, 河流全长约为94 km.神农溪(SN)流域位于湖北西边巴东区段, 起源于神农架, 为三峡库区的典型一级支流, 从河口到三峡大坝距离约69.9 km, 河流全长约60.6 km, 流域总面积约1047 km2.两支流均受到较大的长江干流倒灌的影响, 支流中段多为山谷, 而两支流上游均有村镇, 有较多人口, 农业发达(图 1).

图 1 研究区域和样点 Fig. 1 Study area and sample points
2.2 样品采集与分析

三峡水库7月水位相对稳定, 水库水体环境变化相对较小, 10月为蓄水变动期, 水库水体环境变化大.因此, 本研究分别于2018年7月(汛期)、10月(蓄水期)在神农溪和香溪河各布设6个采样点, 在长江干流支流河口处各布设1个采样点, 进行水样监测, 测定溶解氧(DO)、总氮(TN)、硝氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、高锰酸钾指数(CODMn)、浊度(Turb)、pH值、流速等指标.其中, DO、Turb、pH值采用YSI-EXO多参数水质分析仪(美国)对各监测点进行现场监测.流速使用ADV点式流速仪进行垂向测定.用2.5 L采水器采集水面0~0.5 m处水样, 放入350 mL水样瓶冷冻保存, 带回实验室测定, 水样测定均设置3组平行样, 取均值进行分析.TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定, NO3--N采用紫外分光光度法测定, NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定, TP采用钼锑抗分光光度计法测定, CODMn采用氧化还原滴定法测定.

2.3 数据分析

通过单因素方差分析(ANOVA)比较不同水质指标在不同时期的差异, 用SPSS进行相关性分析.对于所有参数, 用水质评价指数(WQI)评估不同水体和不同时期的整体水质, 其计算公式如下(Takic et al., 2012; Zhao et al., 2020):

(1)

式中, n为所选参数总数；WQI的参数归一化值(Ci)和分配的权重(Pi)根据水生生物保护的建议值, 即由水生生物转化过程中各参数的重要性决定(Zhao et al., 2020), 数字越大越重要；k为主观常数, 一般k=1；WQI为水质指数, 可分为5个范围: 0~25为非常差, 26~50为差, 51~70为一般, 71~90为良好, 91~100为优秀(表 1)(Flores, 2002；李衍庆等, 2020).其中, TN、NO3--N、NH4+-N、TP用于反映水体营养状况, DO用于反映氧化条件, pH值用于反映水体酸碱状态(Sanchez et al., 2012), CODMn用于反映水体有机污染程度(刘健康, 1995).

表 1 WQI计算中使用的参数、每个参数的相对权重(Pi)及归一化值(Ci) Table 1 Parameters used in WQI calculation, relative weight (Pi) and normalized value (Ci) of each parameter
3 结果(Results) 3.1 水质参数特征

如图 2所示, 香溪河库湾TN浓度, 7月为2.01~4.45 mg·L-1, 未达到Ⅴ类标准(国家环保局, 2002), 10月为1.24~2.14 mg·L-1, 未达到Ⅲ类标准；神农溪库湾TN浓度, 7月为2.50~3.56 mg·L-1, 未达到Ⅴ类标准, 10月为1.51~1.71 mg·L-1, 达到Ⅴ类标准.两支流7月TN浓度均显著高于10月(p < 0.01).

图 2 影响香溪河、神农溪不同时期水质指数的主要参数特征 Fig. 2 The main influence parameter characteristics of Xiangxi River and Shennong River water quality index in different periods

香溪河库湾NH4+-N浓度, 7月为0.58~1.42 mg·L-1, 10月为0.12~0.31 mg·L-1；神农溪库湾NH4+-N浓度, 7月为0.46~0.75 mg·L-1, 10月为0.09~0.34 mg·L-1.两支流7月NH4+-N浓度均显著高于10月(p < 0.01).7月, 香溪河和神农溪TN浓度差异不显著(p>0.05)；10月, 香溪河和神农溪NH4+-N浓度差异不显著(p>0.05).

香溪河库湾CODMn, 7月为1.35~3.21 mg·L-1, 10月为1.77~2.11 mg·L-1；神农溪库湾CODMn, 7月为2.92~3.96 mg·L-1, 10月为1.35~3.54 mg·L-1.两支流7月CODMn均显著高于10月(p < 0.05), 但均小于4 mg·L-1, 表明水体未受到有机污染, 且属于Ⅰ类水质标准.

香溪河库湾pH值, 7月为8.27~9.03, 10月为7.94~8.13；神农溪库湾pH值, 7月为8.55~8.87, 10月为8.10~8.46.两支流7月pH值均显著高于10月(p < 0.05).水体呈偏碱性状态, 与刘德富等(2013)的研究结论一致.

香溪河和神农溪DO浓度均高于8 mg·L-1, 7月浓度高于10月, 各时期均处于过度饱和状态(杨凡等, 2020).TP各时期无显著差异(p>0.05).

3.2 各参数的归一化值

香溪河、神农溪各参数在不同时期的归一化值中, TN、NH4+-N明显较小, NO3--N、DO、Turb等归一化值均在90以上(图 3).

图 3 香溪河和神农溪各指标的归一化值Ci Fig. 3 The normalized value Ci of each index of Xiangxi River and Shennong River
3.3 支流水质指数

如图 4所示, 香溪河WQI 7月为64~69, 水质一般, 10月为76~81, 水质良好；神农溪WQI 7月为63~69, 水质一般, 10月为74~82, 水质良好.香溪河和神农溪的水质均为10月显著好于7月(p < 0.01), 但香溪河与神农溪之间的WQI无显著差异(p>0.05).

图 4 香溪河和神农溪不同时期的WQI Fig. 4 WQI of Xiangxi River and Shennong River in different periods

7月, 香溪河和神农溪的WQI特征一致, 在A段(XX01、XX02、SN01、SN02)水质指数较小, B段(XX03、XX04、SN03、SN04)水质指数达到最大, C段(XX05、XX06、SN05、SN06)水质指数中等, 即整体上香溪河和神农溪的WQI均呈B段>C>段A段.10月, 香溪河和神农溪的WQI特征也较一致, 在A段水质指数中等, B段水质指数较大, C段水质指数较小, 即整体上香溪河和神农溪的WQI均呈B段>A段>C段.

4 讨论(Discussion) 4.1 影响WQI的主要因子

香溪河、神农溪各水质参数在不同时期的归一化值中, TN、NH4+-N的归一化值明显较小, 而NO3--N、DO、Turb等参数的归一化值均在90以上(图 3).相关性分析也表明(表 2), 香溪河WQI值与TN、NH4+-N归一化值显著正相关, 相关系数分别为0.826和0.972；神农溪WQI值与TN、NH4+-N归一化值显著正相关, 相关系数分别为0.884和0.937.综上可知, TN、NH4+-N浓度是影响香溪河和神农溪WQI值的主要因子.

表 2 各支流WQI与归一化值的相关性分析 Table 2 Correlation analysis between WQI water quality index and normalized value of tributaries
4.2 库区干流水体倒灌对WQI分布特征的影响

从时间特性来看, 不同时期长江干流水体均存在倒灌进入支流库湾并与支流水体发生物质交换的现象(图 5), 这与纪道斌等(2010)、李媛等(2012)和Ma等(2015)的研究结果一致.研究表明, 库区支流库湾水体中的营养盐主要源于长江干流的倒灌(徐雅倩等, 2018), 无论是蓄水期还是泄水期, 长江干流对支流库湾营养盐均存在逆向影响(苏妍妹等, 2008；吉小盼等, 2010).

图 5 香溪河和神农溪库湾流速沿程纵剖面 Fig. 5 Longitudinal section of the flow velocity along the Xiangxi River and Shennong River Bay

根据本研究得出的库容曲线和收集的实测流量数据(图 6), 采用水量平衡方程(韩超南等, 2020)计算得到香溪河和神农溪在7月(汛期)库湾水体交换以库湾流出为主, 水体交换量为负值；10月(蓄水期)因蓄水作用, 水体交换以干流倒灌为主, 水体交换量为正值(图 6).

图 6 支流库湾库容曲线、支流上游流入量、干支流交换水量逐月变化 Fig. 6 A tributary of reservoir bay capacity, tributaries upstream inflow, exchange water change from month to month

由图 7可知, 7月长江干流水体的TN、NH4+-N浓度均大于10月, 而此时神农溪和香溪河支流水量大量流出库湾, 库湾库容和水位均处于较底水平(图 6), 含有高浓度污染物的干流水体倒灌进入支流库湾, 逐渐占据库湾, 从而提升了库湾水体的营养盐水平.10月, 干支流交换水量增大(图 6), 但长江干流水体的TN、NH4+-N浓度较7月要小(图 7), 含有较低浓度营养盐的干流水体大量进入支流库湾, 其水量对营养盐浓度起到稀释作用(梁培瑜等, 2013；蒋定国等, 2013).因此, 长江干流倒灌在7月汛期对支流TN、NH4+-N浓度的影响要大于10月蓄水期.

图 7 河口处干流营养盐浓度 Fig. 7 Nutrient concentration in the main stream at the estuary
4.3 库区支流流域污染排放行为对WQI分布特征的影响

兴山县位于香溪河上游, 人口密度较大, 农业也较发达, 耕地面积为19.51×103 hm2, 其秋收粮食面积占总粮食面积的99.6%, 即施肥期集中在春、夏两季(宜昌市统计局, 2018).李重荣等(2003)指出, 上游兴山县的面污染源是影响香溪河水质的关键因素之一.巴东县囊括了神农溪, 耕地面积为43.54×103 hm2, 氮肥和复合肥使用量占80.4%, 秋收粮食面积占总粮食面积的70.3%, 即施肥期集中在春、夏两季(恩施州统计局, 2018).汛期降雨量较大, 是库湾非点源污染的驱动力(宋林旭等, 2016), 在降雨的驱动下, 农业面源污染增大, 加重了支流库湾营养盐的水平.在干流倒灌和上游农业面源污染的共同作用下, 导致支流库湾7月的TN、NH4+-N浓度显著高于10月(图 2).根据Zhao等(2013)设置的黑箱方程, 结合图 6中的干支流交换水量估算出不同时期香溪河和神农溪TN、NH4+-N月总累积量(表 3).可知香溪河和神农溪TN、NH4+-N的月累积量7月均为正值, 10月除香溪TN月累积量为正值外, 其余均为负值, 7月TN、NH4+-N月累积量明显大于10月, 佐证了上述结果.周淑婵等(2006)采用生物评价法分析表明, 香溪河蓄水期水质要好于汛期, 且中游水质好于上、下游, 本研究结论与之一致.孙徐阳等(2021)采用健康评价研究表明, 支流库湾夏季营养状态相较于秋、冬季要高, 是水华暴发的敏感时期, 对水环境质量有较大影响, 且冬季香溪群落营养结构相对均衡, 水生生物完整性较夏季要高, 本研究结果与之类似.

表 3 支流库湾水体特定污染物月总累积量 Table 3 The branch library bay water on specific pollutants total cumulant  

从空间特征来看, 支流库湾下游受到干流倒灌的影响, 但越往上游, 干流倒灌对支流库湾营养盐的补给作用逐渐减小(陈媛媛等, 2013).另外, 研究表明香溪河营养盐输入值的大小主要与耕地面积、人口密度和工业有关(李晓虹等, 2019；张天鹏等, 2020), 洪超等(2014)、杨莎莎等(2013)研究也表明, 河流水质与土地利用的相关性显著.香溪河XX05~XX06河段在兴山县内, XX06河段之后有古夫、昭君等镇, 人口密度较大, 耕地面积广.上游径流输入在XX05~XX06河段TN总量中占主导地位, 沿程对支流下游的影响逐渐减小(陈媛媛等, 2013).神农溪SN01~SN02河段处于巴东县城区内, 人口密集, 生活污染源较大, 且受干流倒灌影响, SN06河段近沿渡河镇, 人口密度较大, 农业种植多, 故农业面源污染突出, SN03~SN04水域峡谷陡峭高深, 两岸的农作物种植较少, 人口密度也小(杨凡等, 2019).总体上, 近河口段水质主要受倒灌影响；近上游段河岸人口密度大, 大量生活污水排入河流, 以及由于河岸土地的开垦, 导致水土流失, 另有工矿企业排放的废水等从而导致对水环境质量影响增加(Withers et al., 2002)；而中间段虽然受到两者的共同影响, 但影响均较小, 故WQI值整体上为中间段大于河口和上游段(图 4), 这与周淑婵等(2006)的研究结果一致.

5 结论(Conclusions)

1) 香溪河和神农溪在汛期(7月)整体水质一般, 在蓄水期(10月)整体水质良好, 其中, TN、NH4+-N是影像水体水质指数(WQI)的主要因子.

2) 两支流水质主要受长江干流倒灌的影响, 协同支流面源污染的影响, 导致TN、NH4+-N等在库湾内累积.但不同时期, 因三峡库区的调度作用, 改变了干支流水体的交换特征和强度, 从而影响了支流库湾的水质特征.汛期(7月), 干支流水体交换以支流水体流出库湾为主, 较高浓度的干流水体占据库湾, 导致库湾水体营养盐浓度增加, 并协同支流上游的面源污染, 从而降低了库湾水质；而蓄水期因蓄水影响, 干流水体大量倒灌入支流库湾, 稀释了库湾营养盐, 对水质具有改善作用.

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