三峡库区典型支流水质污染现状及水生态承载力分析

2024-04-29 12:16芦秀青,刘伟,马志刚,陈莎莎,吴晓
水利水电快报 2024年3期
关键词:生态承载力生态足迹三峡水库

芦秀青,刘伟,马志刚,陈莎莎,吴晓

摘要:为探究三峡库区典型支流水质污染现状和水资源生态承载力,以童庄河、神农溪、大宁河、汉丰湖和草堂河为对象,于2020年9月(蓄水前)和10月(蓄水后)进行水样采集和分析,并通过综合水质标识指数法进行水质评价。同时依据流域所在区县2020年的统计年鉴、水资源公报和生态环境统计公报对流域水资源生态足迹和生态承载力进行分析。结果表明:三峡库区典型支流9月份水质评价结果为Ⅱ类和Ⅲ类水,而在10月份其评价结果为Ⅲ类和Ⅳ类水,两个月份均以大宁河水质最佳。5个典型支流均为生态盈余状态,其中大宁河的生态盈余最大(796.42万hm2),其余依次为神农溪(774.08万hm2)、草堂河(724.26万hm2)、汉丰湖(384.90万hm2)和童庄河(352.17万hm2)。草堂河和汉丰湖水资源负载系数分别为2.739和4.383,等级为Ⅲ级,水资源利用程度和开发程度均为中等,而其余3个典型支流的负载系数对应等级为Ⅱ级,水资源利用程度较低,水资源开发较容易。研究结果可为三峡库区典型支流水资源的开发和管理提供基础数据,支撑流域保护的重大战略。

关键词:典型支流; 水质评价; 生态足迹; 生态承载力; 三峡水库

中图法分类号:X171.1                          文献标志码:A                      DOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.016

文章编号:1006-0081(2024)03-0096-08

0引言

自2010年10月三峡水库试验性蓄水成功达到正常蓄水位175 m以来,库区的支流由天然河流变为水库型河流,水体自净过程受阻,支流富营养化现象频发[1-2]。水体富营养化的主要原因是营养物质的过量输入,从而导致水体碳、氮、磷元素超标,引起浮游藻类的过度生长。此外,变成水库型河流后,水体更新周期变长,自净作用减弱,水生态系统稳定性变差,极易受到水污染的影响。因而,分别于丰水期和蓄水期对三峡库区支流的水质现状进行评价,有利于对其富营养化的预警和预防。

水质参数评价是水污染状况评估的基础,研究者们开发了一系列方法来进行水质评估[3-6],包括单因素评估法(SF)、综合污染指数法(CPI)、水质指数(WQI)和综合水质标识指数法(CWQII)。在这些方法中,CWQII不仅可以对被评估水体进行分类,还可对同一类别水体的水质进行定量比较[4]。此外,CWQII主要依据GB 3838-2002《国家地表水水质标准》进行分类。因此,该方法可在时空尺度上对水质进行比较。

已有研究主要集中在三峡库区支流的水环境状况、营养状态时空变化和水质污染影响因素分析[7-9],而少有研究关注三峡库区典型支流的水资源生态足迹和生态承载力的大小。许典子等[10]研究了三峡库区2002~2016年的水资源生态足迹的时空变化趋势。通过水资源生态足迹模型可分析重要经济区域和流域的水资源生态状况[11-13],从而为重要的水利工程如三峡工程和南水北调工程提供数据支撑。此外,水资源生态足迹还可作为引江济淮工程水源地生态补偿标准的重要参考[14]。水资源生态足迹和生态承载力研究可为水利战略规划和方案提供参考,因而有必要对三峡库区支流的生态承载力进行研究,从而为流域保护、修复和管理提供支撑。

1研究区概况

1.1典型支流选取

根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》,2011~2020年发生水华的支流维持在12条左右,其中包括童庄河、神农溪、大宁河、草堂河等典型湖盆型流域[15]。此外,巴东县神农溪为国家5A级旅游景区、引江补汉工程的比选源头之一,开州区汉丰湖是三峡库区最大的库中湖,也是开州区三峡库区移民安置重点区域。

综合考虑治理紧迫性(水华发生频率)、功能重要性(自然保护区、重要水源地)和利益相关性(重要移民安置区)等方面,本次选取秭归县童庄河、巴东县神农溪(平阳坝湿地)、巫山县大宁河(大昌湖)、奉节县草堂河(草堂湖)、开州区汉丰湖等5条典型湖盆型流域为对象,开展流域水质现状调查和水资源生态承载力分析。

1.2典型支流概况

童庄河流域位于秭归县南部、长江西陵峡南岸、三峡工程坝上库首,童庄河发源于郭家坝镇云台荒北麓罗家坪村桃树埫,河道全长36.9 km,流域面积248 km2。流域属亚热带季风气候区,雨量充沛。

神农溪流域位于巴东县正北侧,为長江左岸的一级支流,发源于神农架林区南麓下谷坪的石门洞,干流全长60.6 km,流域面积1 047 km2[8]。流域属亚热带大陆性季风湿润气候区,具有明显的垂直分布差异,多年平均降雨量1 400 mm。

大宁河为长江左岸一级支流,发源于大巴山东段南麓巫溪与城口交界的光头山一带,流域全长181 km,总面积4 366 km2。流域属亚热带暖湿季风气候区,多年平均降雨量1 124 mm[16]。

草堂河属长江一级支流,发源于奉节与巫溪二县交界处山冈,干流全长33.3 km,流域面积394.8 km2[17]。流域属亚热带湿润季风气候区,多年平均气温和年降雨量分别为19.1 ℃和1 151.2 mm。

汉丰湖位于开州区小江乌杨桥水位调节坝以上,是三峡水库蓄水后形成的人工湖,流域面积2 534.70 km2[9]。流域属亚热带湿润季风气候区,年平均降雨量1 385 mm[18-19]。

2研究方法

2.1污染现状分析和评价

2.1.1样品采集和分析

分别于2020年9月(丰水期)和10月(蓄水期)对童庄河、神农溪、大宁河、草堂河和汉丰湖进行表层水样采集,其中,草堂河流域设置5个采样点,其余4个流域均设置4个采样点,采样点的位置和分布如图1所示。将采集好的水样保存于100 mL的塑料瓶中,然后立即带回实验室进行分析。分析的水质指标包括水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素a(Chla)、总氮(TN)、总磷(TP)和氨氮(NH+4-N)。其中,WT、pH和DO通过水质多参数YSI Professional Plus水质分析仪测量。水样CODMn通过GB 11892-1989《水质高锰酸盐指数的测定》酸式滴定管(50 mL)滴定的方法测定。水样Chla(SL 88-2012《丙酮提取-分光光度法》)、TN(HJ 636-2017《碱性过硫酸钾消化-紫外分光光度法》)、NH+4-N(HJ 535-2009《纳氏试剂分光光度法》)、TP(GB 11893-1989《钼锑抗分光光度法》)的浓度经过标准方法预处理后用紫外-可见光分光光度计测定。

2.1.2污染现状评价

本研究采用综合水质标识指数法[20-21]对水质指标进行评价,评价标准为GB 3838-2002《地表水环境质量标准》,评价指标为综合水质标识指数(P),其分级标准参照顾晓昀等[22]的研究,即当1.0≤P≤2.0时为Ⅰ类水,2.07.0为劣Ⅴ类且黑臭。

2.2水资源生态足迹和生态承载力分析

2.2.1分析方法

2.2.1.1水资源生态足迹

水资源生态足迹反映了在特定时间内人类生存发展对水资源的消耗量,通过将其转化为生产性土地面积来量化,一般可分为水污染生态足迹和淡水生态足迹两个部分。其中,淡水生态足迹可分为生产用水、生活用水和生态用水3个部分,计算公式参照黄林楠等[23]的研究。水污染生态足迹包括对COD、NH+4-N和TP降解所需的水资源量,取其最大值,计算参照洪辉等[24]和刘子刚等[25]的研究。其中,COD的综合降解系数取0.01 d-1,NH+4-N和TP的综合降解系数均取0.008 d-1[26-27],COD、NH+4-N和TP的目标浓度分别为20,1.0和0.2 mg/L(湖库0.05 mg/L)。

2.2.1.2生态承载力

水资源生态承载力反映了在特定时间特定区域内水资源量供当地人口、经济和社会可持续发展的承载能力,根据相关研究,其占水资源量的上限为40%[23,28]。

2.2.1.3生态盈亏

通过生态盈亏即生态承载力与生态足迹的差值,反映流域水资源利用状况[10]。正值表明生态承载力大于生态足迹,为生态盈余,水资源可持续利用;负值表明生态足迹大于生态承载力,为生态赤字,水资源短缺,发展不可持续。

2.2.1.4万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹为水资源生态足迹与GDP的比值[13],主要用于衡量水资源利用效率,其数值越大,表明当地水资源利用效率越低;反之,则表明当地水资源利用效率越高。

2.2.1.5水资源负载系数

水资源负载系数综合考虑了地区的水资源总量、降水、人口和经济生产总值,其值可反映当地的水资源利用状况,并能对未来的水资源开发难易程度进行评价,其计算公式参照岳晨等[11]和贾诗琪等[12]的研究。

2.2.2数据来源

水资源生态足迹和生态承载力评价所用的数据均来源于童庄河、神农溪、大宁河、汉丰湖和草堂河流域流经的重庆、恩施、宜昌3个城市2020年的统计年鉴、水资源公报和生态环境统计年报,采用内插法和平均法来补全个别缺失的数据。

3结果与讨论

3.1水质状况和评价

3.1.1水质状况

各典型流域不同月份的水质指标如图2所示,各流域的透明度范围为20~130 cm,10月份的透明度均高于9月份,其中神农溪和草堂河透明度提升明显,分别提高了81.25 cm和49 cm,其余3个流域则在两个月份均保持较高的透明度。各流域的水温范围为21.2~33 ℃,9月份水温则均高于10月,其平均温差为6.4 ℃。5个流域的pH范围为7.6~8.9,水质均呈弱碱性,其9~10月的pH变化无明显规律。各流域的DO范围为5.2~8.9 mg/L,DO均处于较高值,且有的位点甚至达到DO过饱和状态;10月份的DO值相对于9月份有所波动,但均不超过0.6 mg/L。各流域的Chla浓度范围为4.2~12.7 μg/L,9月份各流域的平均Chla浓度均高于10月份。各流域CODMn浓度范围为1.1~18.8 mg/L,9月份和10月份的CODMn浓度相差不大,其变化量均小于0.9 mg/L。各流域TN、TP和NH+4-N的变化范围分别为0.36~3.36 mg/L,0.01~0.88 mg/L和0.04~1.5 mg/L,各指标9月份的浓度均小于10月份,其中神农溪TN浓度增长幅度最大,平均增加了0.92 mg/L。对于TP和NH+4-N浓度,童庄河9月到10月的增长幅度较大,其平均值分别增加了0.57 mg/L和0.23 mg/L。

相比于9月份,10月份透明度明显提升,而Chla浓度明显下降,表明透明度的提升部分依赖于藻类的减少。此外,随着温度的下降,饱和DO呈现出上升的趋势,而本研究中,10月份相对于9月份其DO出现波动而无明显变化规律,表明DO不仅受到温度影响,还与其他因素有关。当地表水COD浓度较高时,其自净降解需要消耗更多的溶氧,因而CODMn浓度的变化一般与DO相反,在本研究中,除童庄河流域外,其余流域均呈现出此种趋势,表明地表水DO也受到CODMn浓度影响。各流域NH+4-N浓度在TN中的占比在9月份和10月份分别为16.32%和16.96%,表明地表水中NH+4-N占比较低。9,10月份NH+4-N占比最低的分别为童庄河(9.26%)、神农溪(5.08%)。此外,从9月到10月,TN和TP濃度的升高还可能与Chla浓度的下降相关,藻类的降解会直接导致地表水中TN和TP浓度的升高。

通过不同水质指标的相关性分析(图3),可以发现水温与透明度呈显著的负相关关系(-0.454,P=0.003),这可能是由于较高的水温适宜于浮游动植物生存,从而导致透明度的下降,然而水温与Chla的相关关系不显著(P=0.238)。Chla与TP(-0.433,P=0.004)和NH+4-N(-0.371,P=0.016)呈显著的负相关,这主要是由于浮游藻类降解后,N,P释放到水体中,从而提高了地表水TP和NH+4-N含量。此外,水温与TN(-0.455,P=0.002)和TP(-0.638,P<0.01)呈显著的负相关关系,这主要因为较高温度下,水生植物生长旺盛,营养盐消耗较高,微生物的降解作用也较强,促进了营养盐在生物体内的循环;而在温度较低时,营养盐消耗较慢,此时水体中的微生物降解作用也减弱,导致此时TN,TP浓度较高。

3.1.2水质评价

根据综合水质标识指数法,各流域9月和10月的评估结果如图4所示。其中,9月份各流域的综合水质标识指数变化范围为2.35~3.30,主要为Ⅱ类和Ⅲ类水,其中大宁河水质最佳。10月份,各流域的综合水质标识指数变化范围为3.06~4.32,分别为Ⅲ类和Ⅳ类水,其中以大宁河水质最佳,其次为神农溪,汉丰湖,童庄河和草堂河。相比于9月份,10月份各流域水质恶化一个级别。

根据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》,9月份各流域评价为Ⅳ类水及其以下级别的点位占76.19%,其中评价为Ⅴ类水的点位占23.81%,评价为劣Ⅴ类水的点位占19.05%。10月份各流域评价为Ⅳ类水以及其以下级别的点位占100%,其中评价为Ⅴ类水的点位占19.05%,评价为劣Ⅴ类水的点位占71.43%,且主要污染指标为TN,TP。对于综合水质标识指数,9月评价为Ⅲ类水及其以上级别的点位占95.24%,其中评价为Ⅱ类水的点位占61.90%,评价为Ⅰ类水的点位占4.76%。10月份评价为Ⅲ类水及其以上级别的点位占61.90%,其中评价为Ⅲ类水的点位占38.10%,评价为Ⅱ类水的点位占23.81%。9月和10月的平均水质级别分别为Ⅱ类(2.85)和Ⅲ类(3.76)。由此可见,单一的水质指标评价与综合水质标识指数法的评价结果相差甚远。相比于单一的水质评价指标,综合水质标识指数综合考虑了多项指标的权重,且能在不同流域间进行定量比较,因而其评价结果优于单一的指标评价。面对日益复杂的流域环境,水质综合评价逐渐成为优先选择[29-30]。

3.2水资源生态足迹和生态承载力分析

3.2.1水资源生态足迹分析

三峡库区典型支流的生态足迹如表1所示,在淡水生态足迹中,生产用水生态足迹最高(占比59.12%~76.60%),其次为生活用水(占比21.67%~39.78%)和生态用水(占比1.10%~1.76%)。水资源生态足迹中,以水污染生态足迹为主,其占比为68.91%~87.14%。在各个典型流域中,汉丰湖的水资源生态足迹最大(310.12万hm2),其次为草堂河(58.93万hm2)和大宁河(35.77万hm2),神农溪的水资源生态足迹最小(23.45万hm2)。淡水和水污染生态足迹在流域间的变化趋势与水资源生态足迹一致,即汉丰湖的淡水和水污染生态足迹最大,分别为39.88万hm2和270.24万hm2,其次为草堂河(16.70万hm2和42.23万hm2)、大宁河(10.45万hm2和25.32万hm2)、童庄河(9.98万hm2和22.90万hm2)和神农溪(7.29万hm2和16.16万hm2)。

对比湖北省水生态足迹[12],其水资源生态足迹以淡水生态足迹为主,其淡水生态足迹甚至比水污染生态足迹高100倍,这主要与其较高的生产用水量和较大的污染物综合降解系数相关。本研究中的5个流域均位于三峡库区,工业生产较为薄弱,因而生产用水较少。此外,受到三峡蓄水的影响,其污染物綜合降解系数也受到较大削减[27],从而导致本研究中水资源生态足迹以水污染生态足迹为主。许典子等[10]的研究也发现三峡库区各县区2002~2016的淡水生态足迹以生产用水生态足迹为主,然而其淡水生态足迹却高于水污染生态足迹,这与其相对较高的COD综合降解系数取值(0.1 d-1)相关,而在小江和汉丰湖的相关研究中其取值分别为0.007~0.016 d-1和0.004 d-1[26-27]。本研究综合考虑三峡水库蓄水的影响,COD综合降解系数取值为0.01 d-1,因而导致其与本研究中淡水和水污染生态足迹数量关系呈相反的趋势。

水资源生态足迹在流域间的变化趋势与县区的GDP变化相一致,同时其人口在流域间的变化趋势也与淡水生态足迹较一致,仅童庄河和神农溪的变化趋势相反,表明淡水生态足迹与流域人口和经济社会发展有密切关系。汉丰湖流域人口最多,GDP最高,且为湖泊型流域,因而其TP目标浓度更低,所需的稀释水量最大,水污染生态足迹最高。同时重庆库区流域的水资源生态足迹均高于湖北库区流域,这与重庆的人口和经济社会发展水平相关。此外,本研究中计算水污染生态足迹时选取的污染物指标包括COD、NH4+-N和TP,综合考虑了有机物和营养盐的稀释降解情况,其结果更具有科学意义和价值。

3.2.2水资源生态承载力和生态盈亏分析

根据水资源总量和产水模数,得到典型流域的水资源生态承载力(表2),其中大宁河的水资源生态承载力最高(832.19万hm2),其次为神农溪(797.53万hm2),草堂河(783.19万hm2)和汉丰湖(695.02万hm2),童庄河的水资源生态承载力最小(385.05万hm2),由于除童庄河外,各流域的水资源总量相差不大,因而水资源生态承载力的变化趋势主要与产水模数密切相关,流域间产水模数的变化趋势为大宁河(11 560 m3/hm2)>神农溪(10 850 m3/hm2)>草堂河(9 540 m3/hm2)>汉丰湖(9 131 m3/hm2)>童庄河(8 690 m3/hm2)。对5个流域进行水资源生态盈亏分析发现均为生态盈余状态,这与许典子等[10]的研究结果一致。对湖北省水资源的生态盈亏分析发现,其从2005~2018年均处于生态盈余的状态[12],表明三峡库区水资源生态承载力较大,水资源丰富。

3.2.3万元GDP水资源生态足迹和水资源负载系数分析

典型支流的万元GDP水资源生态足迹如表2所示,汉丰湖的万元GDP水资源生态足迹最大(0.579 hm2),而草堂河的万元GDP水资源生态足迹最低(0.182 hm2),表明汉丰湖流域水资源利用效率最低,而草堂河的水资源利用效率最高。对于水资源负载系数,草堂河和汉丰湖负载系数分别为2.739和4.383,等级为Ⅲ级,水资源利用程度和开发程度均为中等,而其余3个典型流域的负载系数对应等级为Ⅱ级,水资源利用程度较低,水资源开发较容易,表明大宁河、神农溪和童庄河水资源丰富,具备较大的开发潜力,应加大对其水资源的开发和利用。

4结论

(1) 三峡库区典型支流的Chla浓度范围为4.2~12.7 μg/L,CODMn浓度范围为1.1~18.8 mg/L,TN、TP和NH+4-N的变化范围分别为0.36~3.36 mg/L,0.01~0.88 mg/L和0.04~1.5 mg/L。

(2) 三峡库区典型支流9月份综合水质标识指数变化范围为2.35~3.30,评价结果为Ⅱ类和Ⅲ类水,而在10月份,各流域的综合水质标识指数变化范围为3.06~4.32,评价结果为Ⅲ类和Ⅳ类水,两个月份均以大宁河水质最佳。

(3) 三峡库区典型支流水资源生态足迹以水污染生态足迹为主(68.91%~87.14%)。从支流分布上看,汉丰湖的水资源生态足迹最大(310.12万hm2),神农溪的水资源生态足迹最小(23.45万hm2);而大宁河的水资源生态承载力最高(832.19万hm2),童庄河的水资源生态承载力最小(385.05万hm2)。

(4) 对于万元GDP水资源生态足迹,汉丰湖的万元GDP生态足迹最大(0.579 hm2),而草堂河的万元GDP生态足迹最低(0.182 hm2)。对于水资源负载系数,草堂河和汉丰湖负载系数对应等级为Ⅲ级,水资源利用程度和开发程度均为中等,而其余3个典型流域的负载系数对应等级为Ⅱ级,水资源利用程度较低,水资源开发较容易。

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(编辑:李晗)

Water pollution status and ecological capacity of typical tributaries in Three Gorges Reservoir area

LU Xiuqing,LIU Wei,MA Zhigang,CHEN Shasha,WU Xiao

(ChangJiang Ecology (Hubei) Technology Development Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China)

Abstract: To explore the water pollution status and ecological capacity of typical tributaries in Three Gorges Reservoir area,water samples from Tongzhuang River,Shennong River,Daning River,Hanfeng Lake and Caotang River in September (wet season) and October (impoundment season) in 2020 were collected and analyzed.The water quality was evaluated by comprehensive water quality identification index method.The ecological footprint and ecological capacity of the basin were analyzed according to the 2020 yearbook,water resources bulletin,ecological environment statistical bulletin of the county near the basin was located.The results showed that the water quality of typical tributaries in the Three Gorges Reservoir area were Class Ⅱ and Class Ⅲ in September,and Class Ⅲ and Class Ⅳ in October.The water quality of Daning River was the best.All the five river basins had ecological surplus,among which Daning River had the largest ecological surplus of 7.96 million hectares,followed by Shennong River (7.74 million hectares),Caotang River (7.24 million hectares),Hanfeng Lake (3.85 million hectares) and Tongzhuang River (3.52 million hectares).Among the five typical tributaries,the water resources load index of Caotang River and Hanfeng Lake were 2.739 and 4.383,respectively,the grades were classified as Class Ⅲ,and the degree of water resources utilization and development was medium,while the other three typical tributaries have load indexes corresponding to class Ⅱ which indicated low degree of water resources utilization degree and easy water resources development.The results can provide basic data for the development and management of typical tributaries in Three Gorges Reservoir area,and support the major strategy of watershed protection.

Key words: typical tributaries; water quality assessment; ecological footprint; ecological capacity; Three Gorges Reservoir

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