李 昆，李兆華，陳紅兵，李艷薔，余曉妹，王 玲，梅 新

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062)

河流水質(zhì)系統(tǒng)是自然與社會系統(tǒng)綜合作用的復(fù)合系統(tǒng)，是反應(yīng)水體質(zhì)量狀況的指標(biāo)，其內(nèi)容包括各種水體中的天然本底值、河流攜帶的懸浮物、水中污染物等的含量和成分及其變化.水質(zhì)變化不僅反映了各種自然因素如氣象水文特征、流域特征、地質(zhì)狀況等在河流中形態(tài)表征的變化，同時也體現(xiàn)了流域范圍內(nèi)社會經(jīng)濟、人類活動對河流水系作用的響應(yīng)[1].隨著水環(huán)境污染問題日益嚴重，從水環(huán)境變化與人類社會發(fā)展相互作用和耦合的角度出發(fā)，河流水質(zhì)變化的研究已成為世界各國眾多學(xué)者關(guān)注的熱點問題[2].1990s 后隨著經(jīng)濟的發(fā)展，全球水體污染變得越來越嚴重，水質(zhì)研究的方法和模式呈現(xiàn)多元化，出現(xiàn)了各種數(shù)學(xué)方法和模型來分析水質(zhì)問題和預(yù)測未來水質(zhì)的演化趨勢，對全球水質(zhì)的研究給予了巨大的貢獻[3-4].我國水質(zhì)分析的研究方向主要集中在大江、大河、湖泊和地下水方面，研究中重視的是天然水離子的變化，污染指標(biāo)方面的研究較少或不夠全面[5]，對于波動性大、穩(wěn)定性差、分異性強的小流域水質(zhì)空間變異性的研究尚不多見[6].

丹江口水庫是亞洲最大的人工淡水湖，是國內(nèi)水質(zhì)最好的大型水庫之一，按地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)綜合評估，庫區(qū)水質(zhì)達到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，是南水北調(diào)中線的理想水源地[7]，對其研究基本集中在丹江口庫區(qū)水質(zhì)及其下游徑流的特性等方面[8-10]，但是對其上游的武當(dāng)山境內(nèi)由社會經(jīng)濟發(fā)展和人口變化造成庫區(qū)上游河流逐漸加重的污染狀況卻研究較少.隨著武當(dāng)山城區(qū)的發(fā)展，作為唯一流經(jīng)城區(qū)的劍河成為納污水體，污染嚴重，水質(zhì)惡化，成為旅游景觀的一大詬病，沿岸人民生活受到影響，同時對丹江口庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生污染，使南水北調(diào)中線工程得不到水源保障.本文依據(jù)劍河45 個監(jiān)測斷面的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)、劍河流域內(nèi)各污染源的排放量和排污口的情況，以對劍河流域的水質(zhì)空間差異、富營養(yǎng)化程度和污染原因等方面進行較詳盡和全面的分析，克服了以往逐點評價水體的片面性，揭示了流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和人類活動對水質(zhì)的影響，為今后制定水資源可持續(xù)開發(fā)利用規(guī)劃、流域水污染控制和水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)，以改善城區(qū)水生態(tài)環(huán)境，消除對南水北調(diào)水源地的污染，實現(xiàn)“清水入庫、清水北送”的目標(biāo).

1 研究區(qū)概況

劍河(32°23' ～32°35'N，110°55' ～111°14'E)位于丹江口水庫上游的武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)內(nèi)，流域面積47.2 km2，河道狹窄，陡坡水流湍急，屬山溪性河流，主河道長度為26.5 km，流域內(nèi)多年平均降雨量為885.7 mm，降水總量為4129.5×104m3.由龍?zhí)犊谔庍M入城區(qū)至喬家院橋處出城流入太極湖河段，最后順流而下匯入丹江口水庫.依據(jù)國務(wù)院《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持規(guī)劃》(國函[2006]10 號)、《湖北省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》(鄂政辦發(fā)〔2000〕10 號)和十堰市環(huán)境保護局的實際要求將其分為4 段:上游劍河水庫河段(發(fā)源于武當(dāng)山東麓倒開門，止于劍河水庫水壩)全長17 km，管理目標(biāo)Ⅱ類水質(zhì);中游自然河段(劍河水庫水壩至龍?zhí)犊?全長1 km，管理目標(biāo)Ⅲ類水質(zhì);下游城區(qū)河段(龍?zhí)犊谥羻碳以簶蛱?全長5 km，中間布有5 個橡皮壩，管理目標(biāo)Ⅳ類水質(zhì);太極湖河段(喬家院橋至太極湖生態(tài)截污閘)全長3.5 km，管理目標(biāo)Ⅲ類水質(zhì).劍河于2011年納入丹江口庫區(qū)上游河流監(jiān)測范圍，流域內(nèi)總?cè)丝?.85 萬，其中城鎮(zhèn)人口2 萬，流動的旅游人口每年210 萬，有5 家規(guī)模以上的工業(yè)企業(yè)是以劍河為受納水體，其中有一家位于太極湖左岸，污水未經(jīng)處理直接排入太極湖.劍河兩岸鋪設(shè)污水收集管道，左岸污水進入太極湖右岸的污水處理廠，右岸污水因管道的缺失在喬家院處排入劍河，但是以暗管形式進行排污的排污管道共有38 個，全部分布在下游地區(qū).

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)檢測和分析數(shù)據(jù)來自實地調(diào)查和實驗室分析;排污口數(shù)量及排污類型來源于實地調(diào)查;劍河流域內(nèi)各污染源的排放量數(shù)據(jù)來源于武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)污染普查生活源檔案、武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)污染普查工業(yè)污染源檔案、武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年報、武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)環(huán)境質(zhì)量年報及其它相關(guān)報表.

2.2 研究方法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3838-2002)為參照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合劍河的基礎(chǔ)資料，運用GPS 對劍河流域的監(jiān)測斷面進行定位.因上游地區(qū)自然河床內(nèi)的河水清澈，僅在劍河水庫處布設(shè)2 個監(jiān)測斷面;中游地區(qū)水質(zhì)較好，在此布設(shè)1 個監(jiān)測斷面;下游地區(qū)流經(jīng)城區(qū)，水質(zhì)污染嚴重，兩岸分布大量小型排污口，在龍?zhí)犊谔幉荚O(shè)第1 個監(jiān)測斷面，隨后每隔150 m 左右布置下一個斷面，另外在每一個暗管排污口處增加1 個監(jiān)測斷面，共設(shè)28 個監(jiān)測斷面;太極湖河段水面寬廣，排污口較少，小區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)變化平緩，故每隔300 m 左右布設(shè)1 個監(jiān)測斷面，共設(shè)14 個監(jiān)測斷面至太極湖生態(tài)截污閘處結(jié)束(圖1).于2011年11月在上述監(jiān)測斷面采集瞬時水樣，水樣的保存與運輸、采樣體積及使用容器、洗滌方法嚴格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行[11].化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)分別采用酸性重鉻酸鉀法(GB/T 11914-1989)、堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法(GB/T 11894-1989)、鉬銻抗分光光度法(GB/T 11893-1989)和納氏試劑分光光度法(GB/T 7479-1987)測定，所有樣品均設(shè)置2 個平行樣，測量分析的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均保持在5%以內(nèi).同時運用統(tǒng)計學(xué)的理論和方法，結(jié)合研究區(qū)河流的人為用途、水域生態(tài)保護及生物多樣性的要求，對河流水質(zhì)的空間變異性進行研究，從而實現(xiàn)對污染物可能的變化趨勢進行分析.

圖1 劍河水體監(jiān)測斷面布設(shè)Fig.1 Distribution of monitoring sections in Jianhe River

3 結(jié)果

3.1 總氮

TN 在劍河流域內(nèi)均為劣Ⅴ類水質(zhì)，沒有達到管理目標(biāo)，污染非常嚴重，最大值為31#斷面的13.51 mg/L，最小值為2.27 mg/L，平均值為6.29 mg/L，龍?zhí)犊诟浇乃|(zhì)TN 含量相對較低，整個下游呈增加的趨勢，太極湖河段總體呈下降的趨勢，在喬家院橋處的30#、31#斷面和污水處理廠出水口處的37#監(jiān)測斷面的TN濃度顯著增加(圖2).

3.2 氨氮

NH3-N 空間變異趨勢與TN 具有極其相似的規(guī)律，但是其在上游和中游分別達到地表水Ⅱ類和Ⅲ類管理目標(biāo)，下游河段NH3-N 濃度逐漸增大，合格率僅為18%，太極湖河段全部不合格但總體呈下降趨勢;最大值為31#斷面的13.31 mg/L，最小值為0.25 mg/L，平均值為3.85 mg/L，從第一號橡膠壩前400 m 左右的14#點往后大部分屬于劣Ⅴ類水，在30#、31#和37#斷面變化較大(圖2).

3.3 化學(xué)需氧量

CODCr在上游和中游合格，在下游和太極湖河段的合格率為64%和29%.最大值出現(xiàn)在19#監(jiān)測斷面，為95.5 mg/L，最小值出現(xiàn)在24#斷面，為7 mg/L，平均值為34.43 mg/L.龍?zhí)犊诟浇腃ODCr含量較低，15#～23#斷面間的濃度處于較高水平，30#、36#、37#斷面的濃度急劇加大.在第一號橡膠壩前200 m 左右的15#斷面至第三號橡膠壩附近的23#斷面之間的CODCr含量全部超過地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn).流域內(nèi)沿程變化呈先升后降趨勢，但是波動較大，在太極湖生態(tài)截污閘前達到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖2).

3.4 總磷

圖2 劍河水質(zhì)參數(shù)變化趨勢Fig.2 Change trend of water quality parameters along Jianhe River

TP 的空間變異趨勢是在上游和中游分別達到地表水Ⅱ類和Ⅲ類管理要求，下游河段TP 含量逐漸增大，達到Ⅳ類水管理目標(biāo)的有18 個，合格率為64%;太極湖河段TP 含量相對較低，大部分達到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，合格率為71%;最大值出現(xiàn)在30#監(jiān)測斷面，為0.79 mg/L，最小值出現(xiàn)在4#斷面，為0.01 mg/L，平均值為0.24 mg/L，總體變化較為平緩(圖2).

4 討論

根據(jù)水質(zhì)綜合評價[12]，劍河水質(zhì)全部為劣Ⅴ類，水質(zhì)空間變異的根本原因是人類活動造成營養(yǎng)物質(zhì)的大量輸入和河流的自凈能力有限.營養(yǎng)物質(zhì)的來源有城鄉(xiāng)生活污水、旅游污水和工業(yè)污水;農(nóng)業(yè)土壤中流失的肥料;畜禽養(yǎng)殖業(yè)中排出的畜禽糞便;沉積物中氮和磷的釋放等.

1)劍河上游的劍河水庫監(jiān)測斷面只有TN 超標(biāo)，呈劣Ⅴ類，污染比較嚴重，但是其NH3-N 含量很低，初步斷定是劍河水庫存在不合理的投肥養(yǎng)魚行為造成TN 暫時性超標(biāo)現(xiàn)象[13-14]，同時其生態(tài)結(jié)構(gòu)單一而薄弱，水生生物生長區(qū)域小、水體透明度小，大量的沉水植物和其他水生生物的生長受到限制，從而在投肥后影響劍河水庫的生態(tài)系統(tǒng)，減弱其物質(zhì)的循環(huán)和交換，使其水體自凈能力下降，難以完全降解和消化氮元素，導(dǎo)致水質(zhì)惡化.

2)中游河段的水質(zhì)空間變化平穩(wěn)，污染物濃度較上游有所下降，除TN 受上游水質(zhì)影響未達標(biāo)外，其余各污染因子均達到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于中游河段為自然河堤，沿岸為山谷，沒有各種工業(yè)和農(nóng)業(yè)等因素的干擾，通過水體的自然降解使污染物含量逐漸降低.

3)下游河段是資源類產(chǎn)業(yè)和人口集聚密集的流域，分布有2 萬左右的城鎮(zhèn)人口、每年近210 萬人次的游客和流域內(nèi)的大部分工礦企業(yè)，在工業(yè)廢水、生活用水排放量急劇加大和流域天然來水量較少的情況下，一方面水體的自身凈化能力下降，另一方面流域污水處理措施未能改善，導(dǎo)致下游的污染日益加重和流域內(nèi)水質(zhì)類別急劇上升.8#～12#監(jiān)測斷面之間的居民區(qū)以暗管形式排放的生活污水受河水的紊流作用影響，在流動中逐漸與河水混合、擴散，導(dǎo)致該段區(qū)域的污染物濃度顯著上升和后段水質(zhì)相對下降，但根本原因是區(qū)域缺乏污水處理設(shè)施和城市排水管網(wǎng)不健全導(dǎo)致的雨污分流不徹底以及暴雨期間大量生活污水溢流入河，因生活污水中的有機物含量高，15#～23#斷面間的 CODCr濃度處于較高水平.TN、TP、CODCr和 NH3-N 的濃度隨沿途排污口數(shù)量的增加而逐漸上升，在喬家院橋處的30#、31#斷面直線增加，主要原因是截污管道未接入污水處理廠，造成大量工業(yè)廢水和生活污水不經(jīng)任何處理直接集中排入劍河，此處生活污水排放量與水體氮、磷含量呈顯著正相關(guān)，氮、磷等營養(yǎng)元素污染的水期變化特征與生活污水排放的季節(jié)變化規(guī)律有較強的同步性，接近排污口處的水體水質(zhì)各項指標(biāo)的濃度極高.下游河段的水質(zhì)空間變異基本反映出流域人口分布、產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟發(fā)展對水環(huán)境的重大影響.

4)太極湖河段的污染物總體上都呈現(xiàn)下降的趨勢，水質(zhì)盡管通過水體的凈化作用較下游有所改善，但仍然不能達到管理要求的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).37#監(jiān)測斷面的各污染物指標(biāo)急劇增大，造成這種現(xiàn)象的原因是位于該監(jiān)測斷面的日處理能力7000 t 的污水處理廠出水僅達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18918-2002)一級B 標(biāo)準(zhǔn)，處理率低，污水處理量小于污水排放量，仍有部分污水未經(jīng)處理隨尾水一起排入劍河，對該斷面的水質(zhì)產(chǎn)生嚴重的污染.太極湖水體無徑流補給量，整個水體基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，水力交換極其緩慢，加上河體不規(guī)則，易形成死角，導(dǎo)致污染物分布不均，難以稀釋、擴散，使局部水域水質(zhì)惡化，加劇水體富營養(yǎng)化水平，整體處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，氮、磷等主要營養(yǎng)物質(zhì)含量甚至超過丹江口庫區(qū)的 5 ～7 倍[15].

劍河流域水環(huán)境問題與人為經(jīng)濟活動和生產(chǎn)生活方式密切相關(guān)，流域營養(yǎng)鹽污染結(jié)構(gòu)已悄然發(fā)生變化，并已經(jīng)顯現(xiàn)環(huán)境生態(tài)效應(yīng)(富營養(yǎng)化).TN、TP 一定程度呈上升趨勢，說明流域水質(zhì)的硬度日趨增高.CODCr污染相對較輕表明該流域的水環(huán)境條件適合水中無機和有機污染物的分解，使水體的無機和有機污染物含量下降[16].水質(zhì)在下游河段總體上升和太極湖河段總體下降的趨勢反映了劍河污染中點源污染的貢獻率大于面源污染，在點源污染的眾多因素中，城鎮(zhèn)生活污水是主導(dǎo)因素，流域內(nèi)的城鎮(zhèn)人口和工業(yè)設(shè)施基本集中在下游區(qū)域，而農(nóng)田、林地等主要分布于太極湖的周邊區(qū)域，所以隨雨水、滲透等而來的面源污染物對劍河的污染相對較輕.污染如果不加以控制，到2020年TN 排放量將達到環(huán)境容量的215.15%，CODCr、NH3-N 和TP 到2020年的排放量分別為環(huán)境容量的235.38%、175.33%和133.21%[17].針對目前的污染現(xiàn)狀和原因可以采取以下治理措施來達到水質(zhì)管理要求，在上游劍河水庫處堅決禁止投肥養(yǎng)魚行為以杜絕氮元素的污染;對下游城區(qū)段的排污口和缺損的污水管道實施截污納管工程進行改造，讓污水進入污水處理廠處理，同時在河道中安裝曝氣復(fù)氧裝置以提高水體溶解氧，消除水體黑臭現(xiàn)象[18];太極湖河段的污水處理廠在提高污水出水標(biāo)準(zhǔn)的同時其尾水可通過人工濕地的深度處理以達標(biāo)排放，太極湖河段的水面可以通過生物浮島工程對水質(zhì)進行凈化.

本研究將流域內(nèi)不同河段區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、資源條件和經(jīng)濟社會發(fā)展水平等客觀差異合理劃分出多種主體功能區(qū)，通過比較流域內(nèi)不同河段分區(qū)的功能與水質(zhì)之間的關(guān)系，可以進一步認識流域水資能區(qū)的空間差異性、水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間分區(qū)特征以及各項生態(tài)服務(wù)功能重要性的總體分異規(guī)律，使流域水質(zhì)變化與人類社會之間關(guān)系的探究更為簡易;同時劍河流域與丹江口水庫之間存在著緊密的物質(zhì)、能量交換和生態(tài)聯(lián)系，其流域內(nèi)的污染信息將直接反映丹江口庫區(qū)的水體污染水平，掌握該區(qū)域水體氮、磷等污染物的空間變異特征及其營養(yǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)，以期為劍河流域水污染防治及丹江口庫區(qū)水資源保護提供理論基礎(chǔ).但是劍河流域2011年才進入丹江口庫區(qū)上游河流的監(jiān)測范圍，本次監(jiān)測為劍河水質(zhì)第一次詳細監(jiān)測，同時隨著流域人口增加、畜禽養(yǎng)殖、化肥施用、工礦企業(yè)等眾多經(jīng)濟開發(fā)活動以及氣候變化的疊加影響，劍河水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的變動趨于復(fù)雜化，目前的水環(huán)境監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率和評價體系還無法滿足對水環(huán)境的動態(tài)監(jiān)控和水質(zhì)管理的要求，如果能將此工作延續(xù)，找出空間差異在時間上的變異規(guī)律，從而可以準(zhǔn)確地預(yù)測出下一階段河流水質(zhì)的空間分布特征，這將對研究區(qū)河流水環(huán)境的保護與治理有重要的意義.

5 結(jié)論與建議

1)受不同河段自身條件的差異、不同區(qū)域污染來源的差異和河水流動性的差異等因素的影響，研究區(qū)河流水質(zhì)參數(shù)呈現(xiàn)出不同的空間變異特征.主要污染源集中在下游和太極湖河段，喬家院橋處斷裂的污水管道和污水處理廠是污染物濃度的明顯轉(zhuǎn)折點，暗管排污口對水質(zhì)也造成了嚴重的影響，污染整體呈現(xiàn)下游河段＞太極湖河段＞上游河段＞中游河段的空間差異性，點源中的城鎮(zhèn)生活污水為主要污染源.

2)各水質(zhì)參數(shù)污染均相當(dāng)嚴重，尤以富營養(yǎng)化指標(biāo)氮最為顯著，其中總氮的平均值已達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3838-2002)中Ⅴ類水質(zhì)的3 倍，是下一步污染控制的重點，其次為NH3-N、CODCr和TP的污染，各污染物濃度總體呈先升后降趨勢.

3)針對目前劍河流域水質(zhì)差異性特點，治理的重點是對上游的劍河水庫禁止投肥養(yǎng)魚;下游地區(qū)的暗管排污口和斷裂的截污管道實施截污納管和曝氣復(fù)氧;太極湖河段的污水處理廠提高其出水標(biāo)準(zhǔn)，同時可以運用人工濕地等工藝對尾水進行深度處理，這樣才能有效地發(fā)揮其防護和凈化水質(zhì)的功能作用，徹底改善劍河流域的生態(tài)環(huán)境.

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