張怡雅，袁 飛，張利敏，謝子琪

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

南水北調中線工程的正式運行有效緩解了我國北方地區(qū)水資源短缺問題，但可能惡化漢江中下游區(qū)的水環(huán)境質量[1]。調水后丹江口水庫下泄總水量減少，水體自凈能力和水環(huán)境容量降低，可能加重水質污染。漢江中下游自1992年第一次暴發(fā)水華至今已發(fā)生10多次水華現(xiàn)象[2-4]。近年來國內(nèi)學者針對漢江中下游區(qū)的水質開展了評價，目前水質評價方法主要包括污染指數(shù)法、模糊數(shù)學評價法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等[5-8]。馬京久等[9]采用Spearman秩相關系數(shù)分析了漢江中下游2001—2014年5個監(jiān)測斷面5項主要水質指標的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)漢江中下游水質總體呈好轉趨勢，但石剅斷面水質呈變差趨勢。謝平等[10]采用單項指標法計算了調水前后漢江中下游區(qū)豐、平、枯水期的水質超標率，發(fā)現(xiàn)南水北調中線工程運行可能導致漢江中下游的水質明顯惡化，且對枯水期的水質影響最為顯著。肖嬋等[11]基于斷面水質序列，推算了調水后斷面水質并評價其水質類別，發(fā)現(xiàn)調水工程明顯影響漢江中下游水質，且對枯水期水質影響較為顯著。高永年等[12]構建了南水北調中線工程對漢江中下游流域生態(tài)環(huán)境影響的綜合評價指標體系，發(fā)現(xiàn)調水工程會對漢江中下游區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生明顯的負面影響。竇明等[13]從生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，重點評價了南水北調中線工程對漢江中下游水環(huán)境容量的影響，發(fā)現(xiàn)調水后漢江中下游水環(huán)境容量降低，水體自凈能力也隨之降低。張勝等[14]采用綜合污染指數(shù)法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價了漢江中下游豐、枯水期水質，發(fā)現(xiàn)漢江中下游大多數(shù)斷面豐水期污染程度大于枯水期。

目前多數(shù)相關研究主要基于南水北調東線工程調水前的水質數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬與統(tǒng)計學相結合的方法預測調水后漢江中下游區(qū)的水質情勢，較少通過對比調水前后的實測水質數(shù)據(jù)來評價南水北調東線工程調水前后漢江中下游區(qū)的水環(huán)境變化特征，且目前關于調水后漢江中下游區(qū)水質的研究較少。本文收集了南水北調中線工程調水前后(2013—2020年)漢江中下游11個監(jiān)測斷面長時間序列水質數(shù)據(jù)，采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法以及水污染指數(shù)法，綜合分析調水前后漢江中下游區(qū)水質變化特征及其成因，為漢江水資源合理開發(fā)利用和水資源保護提供參考。

1 研究區(qū)域概況

漢江發(fā)源于陜西秦嶺南麓，全長1 570 km，干流流經(jīng)陜西、湖北，為長江最大的支流，流域面積15.9萬km2，年徑流量為577億m3。本文選取漢江中下游干流河道為研究區(qū)。隨著漢江流域經(jīng)濟社會的發(fā)展，漢江中下游水體有機污染不斷加重，水環(huán)境水生態(tài)壓力加大，枯季暴發(fā)了多次水華事件[15-16]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)主要來源于：①中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的漢江中下游干流11個水質監(jiān)測斷面2013年1月至2019年1月的CODMn和NH3-N月序列數(shù)據(jù)。11個監(jiān)測斷面為沈灣、白家灣、余家湖、轉斗、皇莊、羅漢閘、岳口、石剅、小河、宗關(圖1)，均屬于國控斷面，具有一定的代表性；②中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的漢江中下游干流9個水質監(jiān)測斷面(石剅和宗關斷面缺測)2019年1月1日0時至2020年7月26日7時CODMn、NH3-N、TP和TN數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)觀測間隔時間為4 h；③漢江中下游區(qū)黃家港、皇莊、仙桃水文站1987—2019年的日流量數(shù)據(jù)以及2011—2019年《湖北省水資源公報》中漢江中下游沿線各地市的入河排污量數(shù)據(jù)。

圖1 漢江中下游干流河道水質監(jiān)測斷面和水文站點

2.2 研究方法

采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法以及水污染指數(shù)法分析調水前(2013年1月至2014年12月)和調水后(2015年1月至2019年1月)漢江中下游典型斷面水質指標的變化特征。其中單因子指數(shù)法[16]針對特定水質評價因子進行評價，識別其水質類別，但側重評價單一指標的影響；綜合污染指數(shù)法[17]綜合考慮了多種水質評價因子的影響，并劃分出不同的水質等級；水污染指數(shù)法[18]在以上2種方法的基礎上，進一步識別水體主要污染指標，剖析調水前后水質指標的變化特征。3種方法定性和定量評價相結合，綜合評價南水北調中線工程對漢江中下游區(qū)水質的影響。

2.2.1單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是一種簡單的環(huán)境質量指數(shù)計算方法。該方法根據(jù)水體各評價因子的監(jiān)測結果對照該項目的分類標準，確定其水質類別，對各水質因子進行單獨評價。單因子指數(shù)法對影響水環(huán)境質量的監(jiān)測指標實行“一票否決”，其計算公式為

(1)

式中：Pi為第i項水質指標的單因子污染指數(shù)；Ci為第i項水質指標的實測值；Coi為第i項水質指標的標準值。

2.2.2綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是在單因子污染指數(shù)的基礎上對水質狀況進行分級評價，綜合考慮了多種水質評價因子的影響，克服了單因子指數(shù)法的局限性，使評價結果更為全面。本文采用均值綜合污染指數(shù):

(2)

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pi為第i項水質指標的單因子污染指數(shù)；n為水質指標總數(shù)。表1為均值綜合污染指數(shù)水質分級標準[19]。

表1 均值綜合污染指數(shù)水質分級標準

2.2.3水污染指數(shù)法

水污染指數(shù)法基于各項水質指標分別計算水污染指數(shù)I，并選取各斷面水質指標水污染指數(shù)的最大值作為該斷面的I值。

對于Ⅰ～Ⅴ類水質，I采用下式計算：

(3)

式中：Ii為第i項水質指標的水污染指數(shù)；Ci、CiL、CiU分別為第i項水質指標的監(jiān)測濃度值、水質項目所在類別標準下限濃度值和上限濃度值；IiL、IiU分別為第i項水質指標所在水質類別標準的下限濃度值和上限濃度值對應的I值。

超過Ⅴ類水質時，I采用下式計算：

(4)

式中Ci5為第i項水質指標中Ⅴ類標準濃度上限值。

將各斷面水污染指數(shù)計算結果與GB3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ類水質對應的I值分別為：≤20、(20,40]、(40,60]、(60,80]、(80,100]和>100)對比，判別該斷面的水質類別，并依據(jù)水污染指數(shù)計算結果對水體主要污染指標進行識別。針對水質為Ⅰ～Ⅲ類的斷面，不篩選主要污染指標；針對劣于Ⅲ類的斷面，取水污染指數(shù)最大值對應的指標作為該斷面的主要污染指標。

采用超標率η[20]分析漢江中下游關鍵斷面水質的變化情勢：

(5)

式中：m為斷面水質劣于目標水質的樣本數(shù)；M為研究時段水質數(shù)據(jù)的樣本數(shù)。根據(jù)湖北省地表水水質月報選用的水質達標的評價標準，選取地表水環(huán)境質量Ⅲ類標準為目標水質。

3 結果與分析

3.1 基于月尺度的污染物指數(shù)評價

3.1.1單因子指數(shù)法評價結果

采用單因子法評價了2013年1月至2019年1月期間調水前后漢江中下游11個監(jiān)測斷面的CODMn和NH3-N污染情況(圖2)。調水后除宗關以外10個斷面的CODMn單因子污染指數(shù)和除石剅以外10個斷面的NH3-N單因子污染指數(shù)均較調水前呈不同程度的增大，其中羅漢閘、新溝閘的CODMn和NH3-N的單因子污染指數(shù)均大于1，水質污染最為嚴重。羅漢閘位于竹皮河下游，為荊州市主要納污河流，目前已喪失水資源利用價值，水質劣于Ⅴ類；新溝閘緊鄰東荊河[21]，調水后河流水量減少，氣溫持續(xù)升高，加之沿江城鎮(zhèn)排放的工業(yè)、生活廢水富含氮、磷等營養(yǎng)物，使水質富營養(yǎng)化，導致小環(huán)藻暴發(fā)，水質受到了污染。

圖2 調水前后漢江中下游各斷面單因子污染指數(shù)

3.1.2綜合污染指數(shù)法評價結果

基于調水前后漢江中下游11個監(jiān)測斷面各監(jiān)測指標的單因子污染指數(shù)，計算其均值綜合污染指數(shù)，對比分析調水后綜合污染指數(shù)的變化情勢，對水質狀況進行分級評價。如圖3所示，漢江中下游11個斷面的綜合污染指數(shù)在調水前為0.37～0.55，調水后為0.50～2.64，其中輕度污染斷面占81.8%，重度污染和嚴重污染斷面各占9.1%，整體上各斷面(除石剅)綜合污染指數(shù)高于調水前，其中新溝閘綜合污染指數(shù)為2.64，較調水前增大2.09，屬于嚴重污染斷面；羅漢閘綜合污染指數(shù)為1.31，較調水前增大0.86，屬于重度污染斷面。由此可見，調水后漢江中下游水質污染加重。

圖3 調水前后漢江中下游各斷面綜合污染指數(shù)

3.1.3水污染指數(shù)法評價結果

圖4為調水前后漢江中下游11個監(jiān)測斷面水污染指數(shù)的變化情況。由圖4可知：調水前除新溝閘和宗關斷面水質為Ⅲ類以外，其他斷面水污染指數(shù)均維持在20～40，水質為Ⅱ類；調水后，沈灣、白家灣、余家湖、轉斗、皇莊、岳口和石剅斷面水污染指數(shù)維持在20～40，水質為Ⅱ類；小河和宗關斷面水污染指數(shù)值維持在40～60，水質為Ⅲ類；羅漢閘和新溝閘屬于污染嚴重斷面，其水污染指數(shù)值分別為84和168，水質類別分別為Ⅳ類和劣Ⅴ類。根據(jù)水污染指數(shù)計算結果識別水體主要污染指標，發(fā)現(xiàn)羅漢閘和新溝閘的主要污染物為NH3-N，其主要來源于農(nóng)產(chǎn)區(qū)的化肥等面源污染物以及城市生活污水任意排放[21]。

圖4 調水前后漢江中下游各斷面水污染指數(shù)

依據(jù)水污染指數(shù)計算各水質類別斷面的占比如圖5所示。由圖5可知：調水前各斷面以Ⅰ類和Ⅱ類水質為主，新溝閘和宗關為Ⅲ類水質，表明調水前漢江中下游水環(huán)境質量總體較優(yōu)；調水后，Ⅲ類水質新增了羅漢閘和小河斷面，新溝閘出現(xiàn)Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ類水質，表明南水北調中線工程對漢江中下游水質產(chǎn)生了一定影響。除了受調水工程影響外，水質惡化還可能受沿岸城鎮(zhèn)、工廠等污水排放的影響[22]。

圖5 調水前后漢江中下游各水質類別斷面占比

3.2 關鍵斷面2019—2020年水質狀況分析

由于中國環(huán)境監(jiān)測總站僅發(fā)布了2019年以來漢江中下游典型斷面短時間尺度(4 h)的水質數(shù)據(jù)，為剖析漢江中下游2019—2020年短時間尺度的水質情勢，本文統(tǒng)計了2019年1月1日0時至2020年7月26日7時漢江中下游9個監(jiān)測斷面CODMn、NH3-N、TN、TP等水質指標的超標次數(shù)及超標率(表2)，發(fā)現(xiàn)：TN是漢江中下游各監(jiān)測斷面的主要污染物，超標率在65.5%～99.95%之間，自中游至下游水質污染未呈現(xiàn)明顯的增大或減小趨勢，其中余家湖和岳口斷面污染最為嚴重，超標率均在99%以上；CODMn污染嚴重程度次之，TP的超標率最低；TP、CODMn和NH3-N自中游到下游沿途水質污染呈上升趨勢，下游新溝閘斷面污染最為嚴重。據(jù)此建議漢江中下游區(qū)應實施嚴格的TN排放控制。

圖6為2019年1月至2020年6月間CODMn、NH3-N、TN、TP在各月的超標率。由圖6可知：TN為漢江中下游區(qū)各時間段的主要污染物，其中2019年11月至2020年4月污染情況最為嚴重，平均超標率均在95%以上；CODMn的污染程度次之，其污染時段較為分散；NH3-N污染較為嚴重時段主要集中在2019年1月、3月和4月，平均超標率在60%以上；TP污染程度較低，除2019年3月外其余月份超標率均在5%以下。

圖6 漢江中下游CODMn、NH3-N、TN和TP超標率

3.3 水質變化原因分析

a.水利樞紐的影響。南水北調中線工程調水后，丹江口水庫下泄總水量減少，漢江中下游水體輸送污染物的能力降低，水資源承載力減弱，水環(huán)境質量趨于惡化。根據(jù)2011—2019年黃家港、皇莊和仙桃站流量資料，繪制年平均流量過程線(圖7)，發(fā)現(xiàn)黃家港、皇莊、仙桃站年均流量年際變化波動較大，調水后總體呈下降趨勢，其均值由調水前的1 178.1 m3/s、971.6 m3/s和982.4 m3/s分別降為1 058.9 m3/s、770.6 m3/s和957.6 m3/s。此外，流域內(nèi)己建成王甫洲、崔家營和興隆梯級水利樞紐[15]。受水庫群調蓄作用影響，漢江中下游多年平均下泄流量減少，污染物的擴散和分解能力降低，再加上水流速度的減小，導致水環(huán)境容量減小，污染物濃度增大。

圖7 漢江中下游區(qū)典型水文站年平均流量過程線

b.漢江中下游干流入河排污量的影響。漢江中下游干流流經(jīng)襄陽、十堰等7個主要城市，其中襄陽、荊門和孝感市污染源分布密集。表3為2011—2019年湖北省漢江中下游涉及行政區(qū)的入河排污量，可以看出：調水后，漢江中下游流經(jīng)的多數(shù)城市入河排污量均高于調水前，其均值由調水前的115 903萬t/a增加到129 588萬t/a，且主要集中在襄陽、荊門和孝感市，其中襄陽市入河排污量最多，且2013—2018年逐年增加，天門市入河排污量較少。

表3 2011—2019年湖北省有關城市入河排污量 單位:萬t/a

4 結 語

2014年南水北調中線工程調水后，漢江中下游區(qū)11個典型斷面的月尺度污染指數(shù)均有不同程度的增大，水體污染程度加重；TN是漢江中下游各監(jiān)測斷面的主要污染物，超標率在65.5%～99.95%，且2019年11月至2020年4月水質污染情況最為嚴重，平均超標率均在95%以上；TP、CODMn和NH3-N自中游到下游沿途水質污染呈上升趨勢，下游新溝閘斷面污染最為嚴重。

漢江中下游區(qū)水環(huán)境數(shù)據(jù)獲取難度較大，可能存在統(tǒng)計樣本代表性欠缺的問題。今后將持續(xù)收集水環(huán)境數(shù)據(jù)，延長資料序列長度，以提高樣本的代表性。此外水質的變化還受到營養(yǎng)鹽、點源和非點源污染等因素的影響，今后需綜合考慮這些因素對漢江中下游區(qū)水質的影響作用。

漢江中下游干流河道水質除了受調水工程和水庫群調度影響外，還受沿岸城鎮(zhèn)、工廠等污水排放以及支流匯入的影響。為提升漢江中下游干流河道水環(huán)境質量，建議加強漢江中下游沿岸的減排控制措施，如優(yōu)化漢江中下游排污口[23]，減少污染物排放量，以降低水質污染濃度。