刘文祥，卢 阳，张乾柱，倪 鸣，周火明

（长江水利委员会长江科学院 重庆分院，重庆 400026）

1 汉丰湖流域基本概况

汉丰湖位于开州区城区东河与南河交汇处，是建造生态调节坝后形成的人工湖。湖内有3条主要支流，分别为东河、南河和桃溪河（图1）。汉丰湖的库周长为36.4 km，湖泊东西跨度12.51 km，南北跨度5.86 km，西段狭窄，东段开阔，呈“Y”字形沿县城东西延展，其中最窄处为92 m，最宽处为1 589 m，蓄水量8×107m3，常年水面14.8 km2，是我国西部内陆最大的城市人工湖[1]。

图1 汉丰湖流域示意图[3]Fig.1 Map of the Hanfeng Lake basin

汉丰湖生态调节坝位于开州下游4.5 km处，主体工程为闸坝，采用闸坝结合坝型，大坝坝轴线长507.03 m，最大坝高24.34 m。生态调节坝正式运行后，冬季，三峡库区高水位运行期间，汉丰湖维持在175 m高水位；夏季，当三峡水库水位消落至145 m时，由于水位调节坝的蓄水作用，汉丰湖水位保持在170 m。当三峡水库水位涨至168.5 m以上时，水位调节坝工程闸门全开，与三峡水库水位同步运行;当三峡水库水位下降至168.5 m及以下时，水位调节坝工程下闸挡水;当上游来水较小时，由溢流坝过水，并保持水位在168.5～169.0 m；当上游来水较大，库水位超过169 m时，部分开启闸门，来多少水泄多少，维持库水位在168.5～169.0 m；当上游洪水来量达到800 m3/s以上时，泄水闸闸门全开敞泄冲沙，洪水过后下闸蓄水[2]。

1.1 自然环境概况

（1）水文水资源特征

汉丰湖属于小江流域。小江流域全长约182.4 km，全河平均坡降约1.25%，多年平均径流量3.41×109m3，流域面积5 172.5 km2，是三峡库区左岸的一级支流。汉丰湖流域县域内的全流域汇水面积为3.95 km2，多年平均流量约为2.40×109m3，主要来自东河（55.9%）、桃溪河（17.3%）、南河（13.6%）和其他子流域（13.2%）。

（2）气候特征

汉丰湖流域属亚热带湿润季风气候，多年年平均气温18.5℃；多年平均最高气温23.1℃；多年平均最低气温14.9℃；月平均气温最低为1月（7℃）；月平均气温最高为7月（29.4℃）。多年年平均年降水量1 385 mm，年降水总量为5.51×109m3。降雨量比较集中，其中5—9月降水量占全年的72.5%，冬季降雨量少，12—3月雨量仅占全年的4.1%。

（3）自然地理特征

汉丰湖区域属于丘陵河谷低山地貌区，河漫滩及岸坡沿湖岸呈带状分布。河床两侧河谷宽缓，河漫滩发育良好，局部有基岩出露，地形上总体的起伏较小，河谷高程一般为161.30～162.36 m，宽度为一般30～300 m，河岸高程一般为163.99～185.28 m之间，相对高程一般为5～20 m，岸坡多为基岩质陡坡，河岸横向沟谷发育。

1.2 主要水体污染源

汉丰湖流域以农业生产为主。化肥和农药的过量施用导致农业面源污染，氮磷污染物在地表径流作用下进入水体。畜禽养殖粪污、工业废水和生活污水等处理率低，也导致多种污染物进入汉丰湖水体。

2 水质指标监测和统计方法

2.1 水质监测采样点设计

在汉丰湖流域内，共设置5个采样点（图2），分别是调节坝（HF1）、湖心（HF2）、东河（HF3）、头道沟（HF4）和南河（HF5）。每次采样在每月下旬沿监测断面进行。设置断面中垂线分层采样：按各采样点水深（H）分别在水面以下0.5 m、1/2H和H-0.5 m等分上、中和下3层采样。水深大于10 m分上中下3层采样，水深小于10 m分上下两层采样，每个样品取样体积为2 L[4]。

图2 汉丰湖采样点分布[5]Fig.2 Location of sampling points in Hanfeng Lake

2.2 水质指标测定方法

现场用美国哈希便携式多参数水质仪测定溶解氧（DO）等物理指标。采集的水体样品运送到实验室后，将样品保存在4℃冰箱，用于测定氮、磷和高锰酸钾指数（CODMn）等指标的水样酸化至pH＜2后保存。参照水质监测国家标准和《水和废水监测分析方法（第四版）》，实验室内分析总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、CODMn和叶绿素a（Chla）等水质指标（表1）。

表1 水质指标测定方法Table 1 Water quality index measurement method

2.3 水质评价分析

2.3.1 水质类别

水质指标测定完成后，采用单因子评价法对流域水质类别进行评价。通过将CODMn、TP、TN、等评价指标的监测值与《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的标准值进行比较，确定单项指标的水质类别，最后选取这些指标中最劣类水质类别作为评价类别。

2.3.2 富营养化程度

综合营养化指数（Comprehensive Eutrophication Index，CEI）是基于TN、TP、Chla和CODMn等指标，以Chla为基准参数计算得到[6]。计算公式如下：

式中，CEI（Σ）为综合富营养化指数；Wj为第j种因子的营养状态指数的相关权重，是通过熵权法评价指标熵权计算而来，计算过程参见文献[6]；CEI（j）为第j种因子的营养状态指数；m为参与评价的因子个数。各评价因子的营养状态指数计算如下：

湖泊营养状态分级用1～100连续数字对水库富营养程度进行分级（表2），在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。

表2 富营养化程度对照Table 2 Different degree of comprehensive eutrophication index

2.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2019软件对文献[4-15]提取的数据进行处理，使用SPSS 22.0软件进行描述性统计分析、Pearson相关性分析和逐步回归分析，采用Duncan法进行多重比较，采用t检验比较两样本间的差异显著性（α=0.05），使用SigmaPlot软件进行作图。

3 汉丰湖水环境演变特征

3.1 水质指标时间变化特征

3.1.1 水质指标年变化

图3 汉丰湖水质指标年变化Fig.3 Annual variation of water quality in Hanfeng Lake

3.1.2 水质指标月变化

图4 汉丰湖水质指标月变化Fig.4 Monthly variation of water quality in Hanfeng Lake

3.2 水质指标空间变化特征

汉丰湖不同位置的水质指标显示（表3），各位置的水体DO、TN、、TP和CODMn差异均不显著。东河来水区的DO浓度高于其他位置，比调节坝位置高14.0%。与DO浓度变化趋势相反，东河来水区TN浓度最小，比汉丰湖湖心TN浓度低16.4%。汉丰湖不同位置水体的浓度变化与DO相同，东河水体的最高，表明该区域水体近期受到污染。由于水体中的氧化成，然后再氧化成稳定的NO3--N，这一过程要消耗掉水体中大量的溶解氧[16]。与DO、TN、不同，汉丰湖水体TP浓度在空间上基本一致，无显著变化。水体CODMn在汉丰湖不同位置上的大小顺序：南河＞湖心＞头道沟＞东河＞调节坝，总体来看，高锰酸盐指数呈现出由上游至下游逐渐降低态势，说明汉丰湖对水体有机污染存在净化作用[13]。

表3 汉丰湖不同位置水质指标变化Table 3 Variation of water quality at different sites of Hanfeng Lake

3.3 富营养化程度演变

表4对汉丰湖水质等级和富营养化状态综合评价结果进行了总结。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），汉丰湖各年份TN浓度均超过1.0 mg/L，低于地表水中Ⅲ类水质标准，其余指标浓度达到地表水中Ⅰ—Ⅲ类水质标准，水体总体水质等级为Ⅲ—劣Ⅴ类，表明总氮是汉丰湖的主要污染指标。类似地，汉丰湖水体富营养化综合评价指数显示，汉丰湖总体均处于中营养—轻度富营养状态。生态调节坝试运行初期（2012年），水体持续处于轻度、中度富营养状态，表明汉丰湖氮污染相对严重。随着年份的增加，汉丰湖富营养化程度减轻，这可能是受污染源控制和水文调节的影响。水体的富营养化是充足的营养盐和缓慢水动力条件共同作用的结果，三峡水库蓄水前后，汉丰湖所在区域的温度、光照等环境条件变化不大，而蓄水后迅速呈现富营养化迹象，并在2012—2014年有加剧趋势，这是因为蓄水引发水流减缓和水力滞留时间增加，是导致营养盐滞留库湾的重要因素[12]。

表4 汉丰湖水质等级和富营养化年变化Table 4 Annual variation of water quality grade and eutrophication in Hanfeng Lake

4 水环境演变的影响因素分析

4.1 水质指标的相关性分析

汉丰湖水环境因子相关性分析显示（表5），Chla与DO、TN呈显著正相关，与呈正相关，与CODMn和TP呈负相关，这说明藻类的生长与DO、TN质量浓度增加有关，同时也受到的影响。溶解氧（DO）是影响水生生物的重要指标，其含量过高过低都不利于水生生物生长。TN为藻类生长提供了营养物质，其中的易被藻类优先吸收利用，含量越高越促进藻类的生长[10]。CODMn与营养盐负相关，说明水质受到了不同污染源的影响。CODMn是有机污染综合指标之一，可以作用于Chla而影响藻类的生物量。

表5 汉丰湖水质指标相关性分析Table 5 Correlation analysis between water quality indexes in Hanfeng Lake

4.2 水环境演变的时空因子分析

基于文献综述，汉丰湖营养状态时间因子分析结果显示，季节上营养程度表现：冬季＞春季＞夏季＞秋季，汉丰湖冬、春季均适合藻类的生长，易引起水体富营养化，夏季和秋季富营养化程度相对较弱。根据营养状态空间因子分析结果，营养程度表现为：南河＞湖心＞头道沟＞东河＞调节坝，表明南河污染程度最严重，而东河和调节坝污染程度最轻，东河水质较好，南河应作为主要水污染防治对象[9]。

5 汉丰湖水环境污染控制对策与建议

5.1 污染源控制

汉丰湖水体污染来源主要是农业面源污染、畜禽养殖、工业废水、城市和农村生活污水等。农业面源污染普遍为肥料和农药的大量使用，导致氮磷营养元素、农药及其他有机或无机污染物通过地表径流或地下渗漏所引发的地下水及地表水污染。通过改进肥料施用技术、平衡施肥可以减少农田环境污染。调整流域农业经济结构，发展生态农业，实施种养结合，从源头上控制畜禽污染的发展；加大对规模养殖场污染治理，提高沼液和沼渣的资源化利用率，减少规模化养殖场污染物直排入水体[17]。对于工业污染问题，相关管理单位要落实重点取用水户和重点企业的排查工作，明确流域范围内污染源分布状况，制定相应的管理措施，对可控污染源进行严格管理，改善流域水环境状况。

5.2 水文调度

当汉丰湖出现水华等富营养化事件时，通过水文调度可以有效治理水体富营养化。水文调度方法减缓水体富营养化主要体现在两个方面：1）通过集中加大调节坝下泄流量降低水体氮磷营养盐浓度，并将藻类冲释并带向下游，该措施需要的水量较大，但效果相对明显[4，18]；2）加大下泄流量可以增加下游河道流速，导致水体透明度和溶解氧浓度降低，创造不利于藻类生长的流动环境，降低藻类初级生长率，抑制藻类生长[19-20]。

5.3 生态补偿措施

生态补偿是对流域自然环境影响程度最小的一种水环境修复方式，目前主要的生态补偿措施有人工增氧、生物膜净化技术、水生植物修复技术、底泥生物氧化技术、生物多样性调控技术等。通过生态补偿措施能够提高流域范围内部分区域的水体自净效率，在一定程度上改善流域水环境污染状况。