丹江口水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

丹江口水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

中國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，人均水資源占水面的2000公頃，僅為世界人均水資源的1.4。此外，中國(guó)水資源的分布極不平衡，中國(guó)北方人口比例的嚴(yán)重缺水線（500萬(wàn)人）被視為世界。為了緩解中國(guó)北方水資源短缺的危機(jī)，2002年實(shí)施了江南工程（線路、線路和線路的設(shè)計(jì)）。其中，一線工程從漢江口水庫(kù)引至華北，用于該地區(qū)的生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水。因此，漢江口水庫(kù)的水質(zhì)直接關(guān)系到該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)。因此，有必要通過(guò)當(dāng)前水質(zhì)狀況和實(shí)際調(diào)查，分析水體污染的原因和主要污染物的來(lái)源，有效控制水質(zhì)污染，確保水源水質(zhì)安全，確保江南水城的綜合效率。丹江口水庫(kù)(32°36′N～33°48′N,110°59′E～111°49′E)位于漢江與其支流丹江的交匯處,橫跨鄂、陜、豫三省區(qū),水庫(kù)大壩位于丹江、漢江交匯處下游約0.8km;屬于我國(guó)北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),具有顯著的過(guò)渡性氣候特征;年均氣溫15～16℃,無(wú)霜期230～250d;年均降水量800～1000mm,多集中在5—10月,約占全年降雨量的80%;徑流年內(nèi)分布與降水相似,但年際變化較大,最大、最小年徑流量相差約6倍;自然植被為溫性常綠針葉林、暖性常綠針葉林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針闊葉混交林、灌叢和草叢等;主要土壤類型有黃棕壤、山地黃棕壤、水稻土、潮土和黃褐土等;庫(kù)區(qū)上游流域每年接納廢水0.61×109t,且逐年增長(zhǎng),其中工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放率不足40%;受造紙、化肥、醫(yī)藥、化工、輪胎和機(jī)械業(yè)等工業(yè)影響,庫(kù)區(qū)周邊支流(如神定河、泗河、官山河、澗河、老灌河和浪河等)污染嚴(yán)重.此外,庫(kù)區(qū)諸如農(nóng)用化肥、農(nóng)藥、畜禽養(yǎng)殖、灌溉排水及水土流失引起的非點(diǎn)源污染也不容忽視.目前,丹江口庫(kù)區(qū)已出現(xiàn)包括局部富營(yíng)養(yǎng)化及重金屬污染的水質(zhì)問(wèn)題,以及諸如植被毀損、水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.目前,水質(zhì)評(píng)價(jià)方法一般有模糊數(shù)學(xué)法、隸屬度法、因子分析法、灰色建模法及層次分析法等.但這些方法不能明確水體污染物類別,也不能說(shuō)明參與評(píng)價(jià)的參數(shù)中有若干指標(biāo)不能達(dá)到功能區(qū)的要求.綜合水質(zhì)指數(shù)法由于可以完整地表達(dá)水體綜合水質(zhì)信息而得到廣泛應(yīng)用.筆者根據(jù)2005年丹江口水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用水質(zhì)指數(shù)法(WaterQualityIndex,WQI)對(duì)丹江口水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析該水庫(kù)的主要污染因子,定量評(píng)價(jià)污染因子的污染程度,并試圖對(duì)水質(zhì)污染的成因進(jìn)行研究.以期為水庫(kù)水環(huán)境保護(hù)、健康養(yǎng)殖、旅游等可持續(xù)發(fā)展和南水北調(diào)中線工程的水源地保障提供基礎(chǔ)資料.1評(píng)估材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)方法和流程丹江口水庫(kù)的監(jiān)測(cè)斷面如圖1所示,小山峽(D1)、丹庫(kù)中心(香嚴(yán)寺,D2)和陶岔(D3)位于丹庫(kù),漢庫(kù)中心(土臺(tái),D4)位于漢庫(kù),丹江口壩下(D5)位于丹江口大壩下游200m處,其中D3為南水北調(diào)中線工程的引水處.采樣時(shí)間為2005年6和11月,分屬夏、秋季.根據(jù)當(dāng)年水文情勢(shì),11月為雨季.研究選取的進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的20項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH,ρ(DO),高錳酸鹽指數(shù)(IMn),ρ(BOD5),ρ(NH3-N),ρ(NO3--N),溶解性磷(ρ(DP)),ρ(Cu),ρ(Zn),ρ(Se),ρ(As),ρ(Hg),ρ(Cd),ρ(Cr),ρ(Pb),ρ(Fe),ρ(Mn),氟化物(ρ(F-)),氯化物(ρ(Cl-))以及硫酸鹽(ρ(SO42-)).YSI6920現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH,ρ(DO),ρ(NH3-N)和ρ(NO3--N),文中用溶解性無(wú)機(jī)氮(DIN)代替總氮(TN)進(jìn)行評(píng)價(jià).IMn和ρ(BOD5)按照標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目分析方法,ρ(F-),ρ(Cl-)和ρ(SO42-)采用離子色譜法測(cè)定(IC)(DionexCorporation,Sunnyvale,CA,USA),金屬離子含量和ρ(DP)采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)定(ICP-AES)(IRISIntrepidⅡXSPDUO,USA).所有實(shí)驗(yàn)步驟均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行.1.2前5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用水質(zhì)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),為能量化水質(zhì)為劣Ⅴ類時(shí)的單項(xiàng)指數(shù),對(duì)該方法進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展.具體方法:根據(jù)地表水環(huán)境的前5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)間的限值關(guān)系,假定Ⅴ類水質(zhì)有A,B,C,D和E5類,將單項(xiàng)指數(shù)擴(kuò)大到200.評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn).評(píng)價(jià)項(xiàng)目分為三大類:難處理的毒性指標(biāo)、易凈化的污染指標(biāo)和其他污染指標(biāo).評(píng)價(jià)項(xiàng)目與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1.1.2.1計(jì)算水質(zhì)指數(shù)的方法運(yùn)用水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)水質(zhì)從單項(xiàng)指數(shù)、分類指數(shù)和綜合水質(zhì)指數(shù)3個(gè)層次上開展.1.2.1.第i項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果當(dāng)實(shí)測(cè)值(Ci)處于Ci,k≤Ci<Ci,k+1時(shí):式中,Ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)測(cè)結(jié)果;Ci,k為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度;Ci,k+1為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的k+1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度;Ii,k為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的k級(jí)指數(shù)值;n為相同標(biāo)準(zhǔn)值的個(gè)數(shù)(當(dāng)無(wú)相同時(shí),n=1).1.2.1.2.分類指數(shù)ci對(duì)于第一類評(píng)價(jià)項(xiàng)目:CI(Ⅰ)=max(Ii)對(duì)于第二和第三類評(píng)價(jià)項(xiàng)目:1.2.1.3.水質(zhì)指數(shù)wqi1.2.2fe及mn的標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)ρ(Cl-),ρ(SO42-),ρ(NO3--N),ρ(Fe)以及ρ(Mn)只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)限值,其計(jì)算公式為:對(duì)于pH,當(dāng)6≤pH≤9時(shí),I=0;否則I=100.未檢出值項(xiàng)目的指數(shù)以0計(jì).1.2.3水庫(kù)水質(zhì)量評(píng)價(jià)根據(jù)WQI值按表2評(píng)價(jià)水源地水質(zhì)現(xiàn)狀.2水體污染程度水質(zhì)指數(shù)法(WQI)對(duì)丹江口水庫(kù)水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果見表3～7.由表3～7可見,難處理的毒性指標(biāo)對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)構(gòu)成了極大威脅(最大CI接近于162),丹江庫(kù)區(qū)(D1～D3)主要重金屬污染為Hg,Se,Cd和Pb,而漢江庫(kù)區(qū)(D4)和丹江口大壩下游重金屬污染均為Se,Cd和Pb.此外ρ(As)在個(gè)別點(diǎn)位也出現(xiàn)了較大值.庫(kù)區(qū)第二和第三類指標(biāo)的WQI基本小于20,但是ρ(DIN)的單項(xiàng)指數(shù)高達(dá)118.4,為A(Ⅵ)類水標(biāo)準(zhǔn).較大的氮磷比表明,磷為水體的限制性因子.從季節(jié)上看(雨季和枯季),雨季(2005年11月)由于徑流帶來(lái)大量污染物入庫(kù),同時(shí)大量來(lái)水引起底質(zhì)擾動(dòng),導(dǎo)致水質(zhì)單項(xiàng)指數(shù)在雨季相對(duì)較高(第二類污染指標(biāo)和第三類的ρ(DIN),ρ(NO3--N)和ρ(SO42-)),即水質(zhì)在枯季相對(duì)較好,主要體現(xiàn)在pH,ρ(DO),IMn,ρ(Cu),ρ(Fe)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(ρ(DIN),ρ(DP)和ρ(NO3--N)).有毒重金屬由于其來(lái)源主要為點(diǎn)源污染,在枯季ρ(Cd),ρ(Cr),ρ(Pb)和ρ(Se)均呈較高現(xiàn)象.但ρ(As)和ρ(Hg)更多地表現(xiàn)出雨季較高,主要由于雨季來(lái)水造成底質(zhì)擾動(dòng),引起重金屬釋放,可能還與上游流域的巖石風(fēng)化、農(nóng)業(yè)徑流等非點(diǎn)源有關(guān).在丹江庫(kù)區(qū)(D1～D3)內(nèi),對(duì)于易凈化的污染指標(biāo),沿水流方向水質(zhì)分類指數(shù)平均值由12.0降低至9.3(見表3～5).表明庫(kù)區(qū)水體的稀釋作用使水質(zhì)沿水流方向有好轉(zhuǎn)趨勢(shì).而其他污染指標(biāo)的水質(zhì)分類指數(shù)平均值沿水流方向基本無(wú)變化(分別為16.4,16.3與16.4),由庫(kù)區(qū)水體的稀釋作用及庫(kù)周人為活動(dòng)共同決定:漢江庫(kù)區(qū)(D4)雨、枯季水質(zhì)分類指數(shù)(分別為17.9與13.1)小于丹江庫(kù)區(qū)(D2)(分別為17.6與14.9),大壩下游(D5)水質(zhì)分類指數(shù)出現(xiàn)最大值(分別為20.9與17.0)(見表3～7),表明漢江庫(kù)區(qū)水質(zhì)稍好于丹江庫(kù)區(qū),也好于大壩下游.庫(kù)區(qū)水體的混勻速度較快及庫(kù)區(qū)復(fù)雜的地球化學(xué)過(guò)程,致使丹江庫(kù)區(qū)水質(zhì)與漢江庫(kù)區(qū)差別不大.大壩下游水質(zhì)略差主要體現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(ρ(DIN)和ρ(DP))上,主要由排水引起的底質(zhì)釋放導(dǎo)致.毒性指標(biāo)(ρ(As),ρ(Hg),ρ(Cd),ρ(Cr),ρ(Pb)和ρ(Se))的變化較復(fù)雜(見表3～7),說(shuō)明庫(kù)區(qū)周邊工業(yè)(電鍍、汽車、機(jī)械加工、化工等)對(duì)重金屬產(chǎn)生了一定的影響.3重金屬污染和污染物毒性試驗(yàn)重金屬因其毒性、持久性及生物累積性等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注,人類活動(dòng)對(duì)重金屬的全球及區(qū)域性循環(huán)均產(chǎn)生了重要影響.自20世紀(jì)80年代以來(lái),漢江流域點(diǎn)源污染迅速增長(zhǎng).與2001年相比,丹江口水庫(kù)ρ(As)和ρ(Pb)明顯增加,主要由庫(kù)區(qū)及其支流(浪河、老灌河等)流域的機(jī)械、電鍍及汽車等工業(yè)導(dǎo)致.預(yù)計(jì)到2010年,排入漢江的生活及工業(yè)污水將達(dá)到1×1017t,而污水處理率僅為40%,因此點(diǎn)源污染在短期內(nèi)對(duì)水源區(qū)水環(huán)境的影響仍將繼續(xù)加劇,由工業(yè)及采礦引起的重金屬(Hg,Se,Cd和Pb)污染將繼續(xù)威脅庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全.親硫重金屬元素(Hg,Cd,Pb,Se和As)與人體組織內(nèi)某些酶的巰基(—SH)親合后能抑制酶的活性,此外Hg的甲基化可以使Hg轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的化合物(CH3Hg).如日本曾發(fā)生的水俁病(Hg)和骨痛病(Cd)都由重金屬污染導(dǎo)致,Cd還是唯一能減少和抑制α-1抗胰蛋白酶的重金屬元素.攝入過(guò)量的As引起慢性中毒,主要表現(xiàn)為神經(jīng)衰弱、腹瀉、嘔吐等消化系統(tǒng)障礙,并增加肝癌等的發(fā)病率;過(guò)量的Pb主要引起神經(jīng)性疾病及細(xì)胞癌變;而Se作為人體必須的微量元素,低Se引起心疾病和多種癌癥,高Se引起脫發(fā)和神經(jīng)中毒.因此,對(duì)于庫(kù)區(qū)及其上游流域的重金屬必須引起足夠的重視.如果用飲用水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)有毒重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià),將得到不同的結(jié)論:As,Pb和Se將成為主要污染物.產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是各標(biāo)準(zhǔn)的限值差別較大,如ρ(As)的地表水環(huán)境Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值為0.05mg/L,而飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值為0.01mg/L.所以應(yīng)考慮結(jié)合地表水及飲用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有毒重金屬的評(píng)價(jià).枯水期,水質(zhì)主要反映點(diǎn)源污染的情況,而豐水期水質(zhì)主要受面源污染的影響,同時(shí)也是點(diǎn)源和面源綜合作用的結(jié)果.受人類活動(dòng)及徑流影響較大的營(yíng)養(yǎng)鹽(氮、磷)多數(shù)表現(xiàn)出雨季大于枯季(見表3～7),說(shuō)明它們受農(nóng)業(yè)及城鎮(zhèn)徑流以及家庭生活引起的非點(diǎn)源污染的影響較大.丹江上游3次暴雨徑流的ρ(TP),ρ(TN),ρ(SS)和IMn負(fù)荷占全年總量的80%(豐水年可能會(huì)更高).因此,丹江口水庫(kù)及上游地區(qū)的非點(diǎn)源污染相當(dāng)嚴(yán)重.與此同時(shí),庫(kù)區(qū)的擴(kuò)建將淹沒(méi)超過(guò)300km2的土地,勢(shì)必引起有限土地資源的過(guò)度開墾,加劇植被毀損及水土流失,增加庫(kù)區(qū)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).4水質(zhì)凈化:全面治理要關(guān)注河流水環(huán)境丹江口水庫(kù)的重金屬Hg,Se,Cd和Pb已危及庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全.有毒重金屬主要來(lái)源于與汽車和電鍍相關(guān)的工業(yè)及礦業(yè).因此必須加強(qiáng)點(diǎn)源污染的控制,對(duì)庫(kù)區(qū)及上游流域的汽車、電鍍及礦業(yè)等工業(yè)的污水應(yīng)逐步清除出水庫(kù)匯流區(qū),未清除前實(shí)行較嚴(yán)格排放濃度控制.在評(píng)價(jià)飲用水源地的有毒重金屬時(shí),應(yīng)考慮地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和飲用水標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合.而除重金屬外的其他指數(shù)的評(píng)價(jià)則表明庫(kù)區(qū)水質(zhì)為Ⅰ類,它們主要受降雨引起的非點(diǎn)源污染控制.磷并未危及庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全,但是氮已成為很嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染.隨著上游流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及農(nóng)業(yè)活動(dòng)的加強(qiáng),以及上游流域植被毀損及水土流失逐年加劇,相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)點(diǎn)源及非點(diǎn)源污染將迅速增加.因此,庫(kù)區(qū)水質(zhì)將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn).由于南水北調(diào)工程的實(shí)施,與之配套的環(huán)保措施將緩解點(diǎn)源污染對(duì)流域水環(huán)境的壓力,非點(diǎn)源污染將成為主要污染源.為了保證水源地水質(zhì),達(dá)到中線工程輸水水質(zhì)要求,必須加大環(huán)境整治力度.非點(diǎn)源污染主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)徑流以及大氣沉降,已成為全球性的主要污染物來(lái)源.除非人類活動(dòng)方式發(fā)生改變,否則非點(diǎn)源污染將繼續(xù)增長(zhǎng),因此加強(qiáng)非點(diǎn)源污染控制研究就顯得尤為必要.河岸帶植被可以明顯減少非點(diǎn)源污染對(duì)水質(zhì)的影響,濕地恢復(fù)可以有效地去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及重金屬,因此可以結(jié)合上游流域選取合適的小流域進(jìn)行河岸植被帶建設(shè)及濕地恢復(fù),并進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),篩選最佳優(yōu)化與管理模式.隨著上游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及小城鎮(zhèn)建設(shè),城鎮(zhèn)徑流引起的非點(diǎn)源將增加,應(yīng)加強(qiáng)污水收集系統(tǒng)等市政工程建設(shè),對(duì)于暴雨徑流可以考慮滯留塘、林蔭道路及濕地相結(jié)合的策略