九龙江流域水质状况及富营养化特征分析

九龙江流域水质状况及富营养化特征分析

九龙河是福建省第二个大河流，流域面积约14241公里，占全省土地面积的12%。它是龙岩、漳州和厦门的主要饮用水。它也是该盆地工农业发展的支柱。近年来，九龙江流域工农业经济快速发展，污水排放不断增加。随着农业和家禽疫情的加剧和河流梯度的发展，九龙江流域水质发生了重大变化，局部水污染严重，影响了流域经济和社会发展。对九龙江流域水质特点进行分析评价，对保护流域水质和合理开发水资源具有重要的现实意义。1材料和方法1.1龙江北溪干流水系现状目前在九龙江流域共设有17个水质监测断面(北溪11个、西溪6个).为能从整体上了解九龙江流域的水质状况,分别在北溪上游、中游和下游以及西溪段末端各选择一个主要水质监测断面:北溪的雁石桥(北2,控制断面)、西陂(北7,控制交接)、江东桥(北11,控制交接)和西溪上坂断面(西6,控制交接)(图1).九龙江流域纬度较低,属于亚热带季风气候,水系属山区性河流,主要特点是水量丰富,径流的年际变化不大,季节性变化明显,河床比降大,水流急.雁石桥断面在北溪上游支流雁石溪的中部,位于新罗区城区下游,也处在九龙江的主要畜禽养殖区范围之内.根据《九龙江流域综合规划修编报告》统计,九龙江北溪干流河长约270km,水库和水电站多达70余座,干流梯级水电开发规划分漳平、华安河段,合计开发11个梯级电站.西陂和江东桥代表了九龙江北溪干流现状电站库区群形式,其中西陂位于漳平市区的下游,处于干流的中段;江东桥库区位于北溪末端,接纳了来自华安、长泰以及漳州市区的部分污染物,其是由北溪桥闸拦截而成.西溪河长较短,水文特征差异不明显,目前主要是上游地区的农业径流污染以及漳州芗城区的城市水污染,上坂断面是西溪的最后一个断面,能在整体上反映西溪水质.鉴于九龙江的水质状况特点,筛选出具有代表性体的4个参数指标:高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP),其中BOD5仅在雁石桥断面作年际变化特征分析.根据各断面污染物浓度值数据完整性程度选择性地采用了2000—2009年之间的单月监测数据,选取1月、11月代表枯水期,3月、9月代表平水期,5月、7月代表丰水期.1.2数据来源和处理根据所得数据的特征选择代数叠加的综合指数法、季节性Kendall检验方法以及富营养化评价方法,并结合Excel、SPSS统计软件对九龙江水质状况进行定性和定量分析.1)年内不同月份和水期的水质评价,采用代数叠加的综合指数法,即把所评价的因子的污染分指数代数叠加而成,以此来对河流水污染状况进行综合评述:I=Σj=14Σi=13IijIi=CiSiΙ=Σj=14Σi=13ΙijΙi=CiSi式中,i为污染物;j为监测断面;∑Ij为某断面的综合污染指数值;∑Ii为某类污染物的综合指数值;Ii为某类污染参数的污染分指数值;Ci为某类污染物的监测统计值;Si为某类污染物的Ⅲ类水质标准.数据选用2007年度水质监测统计数据,选择主要监测指标CODMn、NH3-N、TP分析九龙江的4个断面不同水期的水质变化.2)本研究选取季节性Kendall检验方法进行水质变化特征分析.Kendall检验是一种仅考虑数据相对排列的非参数检验方法,其主要优点是随机变量的基本概率分布并不居于重要地位.该检验可用于资料系列存在漏测值、未检出值以及变量分布与正态分布无关的时间序列.季节性Kendall检验将水质资料在历年相同月份间进行比较,因而避免了季节性的影响.本次分析采用水利部水质监测与评价研究中心信息系统研究室开发的PWQTrend(ProfessionalWaterQualityTrend)水质污染发展趋势分析专业软件,该软件是基于季节性Kendall检验的水质趋势分析软件,能够给出趋势的定量描述.由于西溪上坂断面数据未达到PWQTrend软件分析的要求,本研究暂未对上坂断面进行趋势定量说明.3)根据《九龙江流域综合规划修编报告》统计,随着流域社会经济的发展,20世纪90年代中后期大量开发梯级水电站,河流“湖库化”现象严重.目前,九龙江干流和一级支流至少建有130座以上的电站大坝.此外,还建有大量的小型水坝用于农业灌溉.大坝的建设对河流属性、水文过程和生态环境将产生不可估量的累积效应.此外,“湖库化”增加水体停留时间,易引起库区富营养化和水华的发生,并改变河流生态系统的整体性和生物多样性.由于BOD5数据不完整,故本研究选择了在水体营养评价中起主要作用的营养因子总氮、总磷和高锰酸盐指数三项指标对库区范围内的西陂和江东桥进行初步的营养状态评价.富营养化评价标准采用《地表水资源质量评价技术规程(SL395-2007)》,标准如表1.其中营养状态分级根据库区水体各污染物浓度对应的赋分值胡平均值(营养状态指数EI)来划分,浓度处于列表值两者中间者采用相邻点线性内插.2结果与分析2.1年际变化从图2～图5中可以看出九龙江最近几年的水质变化情况.除雁石桥断面以外的3个断面的水质整体良好,多为Ⅱ、Ⅲ类水.江东桥、西陂、上坂3个断面的NH3-N、TP达Ⅲ类水标准,但在整体上,上坂断面的CODMn和TP略高于西陂和江东桥.年际变化趋势并不明显,没有出现较大的波动,其中CODMn略有下降的趋势(图4).雁石桥断面位于北溪支流雁石溪,历年水质较差,除CODMn外,其他指标全部超过Ⅲ类水标准,特别是NH3-N和TP,多年为劣Ⅴ类水,污染比较严重.这与该段流域畜禽污染来源大和接纳了新罗区工业、生活污染有很大关系.除了污染源问题外,2003年、2004年还是九龙江流域历史上少有的枯水年,2003年降水量为1245.6mm,比常年减少26%,为特枯年;2004年降雨量为1325.3mm,比常年偏少21.3%(数据来源于福建水资源公报),降雨量减少导致径流量减少,对上游的雁石溪水质影响比较明显,使得该年段的水质质量较差.2.2综合污染指数tp主要用CODMn、NH3-N、TP3个指标对2007年九龙江水质变化进行分析.从不同水期污染指数图(图6)可以看出,全年3个水期的综合指数雁石桥最大,并且比其他3个断面高出许多,说明雁石桥断面的水质污染相对其他断面严重.西陂、江东桥和上坂断面的综合指数相差不大,都小于3,但是西陂和江东桥断面丰水期的污染指数反而略高于枯水期,可能与断面由于电站而形成库区有关.因为丰水期库区多接纳了流域内降雨产生的地面径流中的污染物质,如农业径流、生活污水等,由于电站存在,大量的污染物质被截留在了库区,累积,沉淀,增加了水体污染危险性.雁石桥断面枯水期、平水期和丰水期的综合污染指数分别为14.50、10.54和7.00,变化明显,并且高于同期另外3个断面的综合污染指数.这与雁石桥断面养殖业规模过大,外源污染物排放量大有关.另外,雁石桥断面位于北溪上游,流量小于其他断面(2007年流量约7m3/s),这对雁石桥综合污染指数偏大也有影响.从断面的污染物综合指数图(图7)看,雁石桥断面NH3-N和TP比同指标其他断面都要高,并且都超过Ⅴ类水质标准.其他断面的TP大小顺序依次为上坂、西陂、江东桥.NH3-N污染指数也是上坂略大于西陂和江东桥.上坂断面位于西溪的下游靠近入海口,接纳了整个西溪的污染物,包括上游地区的农业污染和下游漳州市区的工业和生活污水,上坂的污染指数相对江东桥和西陂要偏大.2.3西叉和江苏-江的水质差异利用PWQTrend软件分别对雁石桥断面和西陂、江东桥库区进行季节性肯达尔检验分析变化趋势,当显著性水平α<0.01,说明检验具有高度显著性水平;当α<0.05,说明检验是显著的.其中雁石桥断面数据是从2000—2007年,西陂和江东库区数据时从2004—2009年.从表2得出北溪上游的雁石桥水质存在下降的趋势,特别是CODMn和NH3-N显著上升,TP和BOD5的变化趋势不明显.上游入河污染物源强大、点多面广,且和人口与经济发展因素相互作用,导致该断面的水质变差.至于TP和BOD5在分析中趋势不明显,从雁石桥断面数据(图2、图5)可以看出变化曲线存在对称的现象,这样导致在计算过程中无法显示趋势.西陂和江东桥的水质在2004—2009年总体较好,达到流域水环境功能要求.而且江东桥的TP浓度变化有显著的下降趋势,其他指标均没有明显的趋势.可见在库区梯级开发电站的最初几年里,水质并没有逐年变差的迹象.但是在本研究趋势分析中江东桥库区的TP浓度出现下降的趋势,其原因还值得深入探讨.2.4nh3-n浓度数据分析鉴于九龙江北溪梯级开发导致的北溪河道“湖库化”现状,本研究选取TP、CODMn2个指标对西陂和江东桥电站库区进行营养程度的初步评价,用NH3-N浓度数据进行辅助分析.营养程度评价则根据评价标准(表1)将指标浓度值转换为评分值,监测值处于表列值两者之间者采用相邻点数值,2项参评指标评分取均值后,再查营养状态指数得到营养状态等级(表3).由表3和断面的NH3-N浓度值估测总氮数值,可以得出断面所在电站库区的营养状态都处在中营养状态,且都存在向轻度富营养化发展的趋势,进而推测九龙江北溪的电站库区营养状态存在富营养化迹象.3废水污染物排放量2000—2009年九龙江流域经济社会发展较快,流域内GDP总值10年间增长了2.11倍,年均增长21.1%.其中第一产业由2000年的56.48亿元增长到2009年的61.71亿元,年均增长10.9%;工业产值由2000年的111.67亿元增长到2009年的304.79亿元,年均增长27.3%;年末常住人口由2000年的247.17万人增加到2009年的273.9万人,10年增加了26.73万(图8).伴随着经济社会的增长,随之而来的工农业及生活废污水也会相应增加,导致污染物排放量也随之增加,进而增加水环境的污染负荷和提高污水处理成本.九龙江流域2007年工业污水排放量约3亿t,COD排放量约1.16万t,NH3-N排放量约310t,其中漳州市辖区排放量COD和NH3-N分别占总量的18.8%和12.8%,龙岩新罗区COD和NH3-N排放量占总量的10.6%和53.1%.可见,工业废水的大量排放对雁石桥断面NH3-N超标和上坂断面水质影响贡献很大.据统计,到2003年末,全流域畜禽养殖存栏数为:生猪存栏191.55万头、家禽1386.81万只.其中,新罗区生猪存栏量1994年还是15.55万头,至2003年的生猪存栏71.95万头、家禽235.13万只,分别占37.6%、17%.至2007年末,全流域畜禽养殖存栏数为:猪254.24万头、家禽1096.98万只,其中,新罗区生猪存栏125万头、家禽257.29万只,分别占49.2%、23.45%.根据“畜禽养殖业污染物排放标准”估算出,2007年新罗区废水排放量超过300万t/a,其中NH3-N和COD排放量超过250t/a和15000t/a,说明新罗区大规模的畜禽养殖对雁石桥断面(九龙江上游)水质超标有很大影响,这与曾悦、朱佳佳、谢正国等人的研究结果一致.在农业生产过程中,化肥和农药的施用已经成为生产效益的保证,九龙江流域内漳州市是重要的农业生产区域,其中南靖、平和2县果树种植多.流域内化肥施用量(折纯)统计:2007年28.68万t,南靖、平和2县占69.81%,单位化肥施用量南靖为4772.9kg/hm2、平和为5336.3kg/hm2,远高于全流域的2952.57kg/hm2.农药施用量2007年为7153t,南靖、平和2县占52.76%,单位面积施用量南靖为62kg/hm2、平和为124.1kg/hm2.伴随降雨径流,农田中的化肥和农药被淋溶、冲刷带入河流,污染水质.面源污染,特别是农药化肥的大量使用是造成西溪污染物浓度变化的重要原因.从20世纪90年代开始九龙江流域大量建水电站,实施梯级开发.水电站密集分布在九龙江的干流和主要支流上.水电站的建成减缓了水流的速度,改变了水体的动力条件,造成河流湖库化现象非常严重,污染物质在库区的累积,对水体水质产生了重要的影响,例如西陂库区和江东桥库区等电站库区.由此可见,九龙江流域污染源众多,影响因素复杂多样,十分敏感,水质污染的风险性较大.4水质指标的对比分析九龙江流域水质整体较好,但是随着流域社会经济的发展和河流梯级开发,局部河段水质有下降的趋势.西溪上坂和北溪的西陂、江东桥断面水质指标多为Ⅱ、Ⅲ类,水质较好,其中上坂断面水质又稍差于西陂和江东桥.但是北溪上游河段的雁石桥断面水质连续几年NH3-N、BOD5和TP超过Ⅴ类水质标准,水质状况较差.雁石桥断面枯水期、平水期和丰水期的综合污染指数分别为14.50、10.54和7.00,变化明显,并且远大于其他3个断面.上坂断面接纳了整个西溪的污