三峡水库磷污染特性及变化趋势研究

周 琴，辛小康，尹 炜，杨 芳

（长江水资源保护科学研究所，武汉 430051）

2008年三峡工程开始175 m试验性蓄水。当年水库水位达到172.8 m，标志着工程进入高水位运行期，开始发挥防洪、发电、通航三大效益。随着三峡工程建成运行和库区经济社会的快速发展，一些新情况、新问题逐步显露[1-3]尤其是蓄水前后水文情势、产业结构和布局、排污口分布和排放方式均发生了较大变化，部分支流、库汊由于受回水顶托的影响，水深加大，流速变缓，进入水体的污染物质不易扩散，可能会使水体中氮磷等营养物质富集[4]，诱发水体富营养化。

三峡水库营养盐包括自然来源（大气沉降、岩石风化侵蚀等）和人为来源（污染源排放、化肥施用、动物排泄等）两部分，且后者的贡献远远大于前者。长江流域人口超过4亿，自1960年农业种植业高速发展，同时施肥用量大幅增加，导致长江干流氮磷输入量猛增，尤其是三峡水库总磷超标严重[5-6]。近年来，围绕三峡库区营养盐方面的研究，主要集中评价库区水体富营养化状态及影响因素，分析库区支流氮磷营养物的来源和输入特点，并在此基础上提出库区调控富营养化的策略[7-12]。这些研究在一定程度上反映了三峡库区营养盐负荷呈增加趋势。但自2008年三峡水库正常蓄水运行后，关于三峡库区水体中总磷的污染特征长期监测及变化趋势分析的研究较少。

1994年三峡工程开始动工兴建，2009年全线竣工，试运行了135 m高水位蓄水、156 m高水位蓄水、175 m高水位蓄水。随着三峡水库稳定周期性蓄水运行和调度变化，水库水体和悬浮物沉降条件发生变化，三峡库区磷沉积和释放状态也可能发生变化。因此，对2008年175 m高试验性蓄水后期总磷浓度的时间和空间变化规律和趋势研究具有重要意义。

本文针对三峡水库总磷项目不能稳定达标的问题，以三峡水库干支流总磷浓度为研究对象，根据三峡水库2008年175 m高试验性蓄水后期2009—2014年连续6年监测数据为研究对象，对库区总磷浓度的时间和空间变化规律及趋势进行分析，解析了三峡水库磷污染的主要来源，对于指导三峡库区总磷污染防治和控制水体富营养化具有重要意义。

1 研究区域与基础数据

1.1 研究区域

三峡水库坝址位于长江西陵峡三斗坪。水库地理位置为东经 106°0′～111°50′，北纬 29°16′～31°25′，东起湖北省宜昌市，西迄重庆市江津区。库区范围涉及湖北省、重庆市的20个县（市、区），幅员面积5.4×104km2。在三峡水库入库河流中，长江、嘉陵江、乌江的入库流量约占全部入库流量90%以上。将长江、嘉陵江、乌江三条较大河流作为三峡库区干流，简称“三江”干流。

1.2 监测断面分布

在三峡库区长江干流上，水利部门共布设常规水质监测断面7个，即自上而下分别为朱沱、寸滩、清溪场、沱口、十里铺、官渡口、太平溪；在三峡库区重要长江一级支流嘉陵江共布设7个水质监测断面，分别是临江门、南充、武胜、双石铺、两河口、白水江和燕子砭；一级支流乌江共布设3个水质监测断面，分别为武隆、鹿角沱和沿河。

本研究选取长江干流7个水质监测断面，以嘉陵江的临江门、南充和武胜水质监测断面，乌江的武隆水质监测为代表，对库体总磷污染特性及变化趋势进行分析，三峡库区监测断面位置示意图见图1。

1.3 数据来源

本文所采用数据全部来源于长江流域水环境监测中心。总磷浓度数据为2009—2014年逐月监测数据，评价标准采用《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[13]中地表水环境质量标准总磷项目标准限值，见表1，总磷超标率评价依据为各断面水质目标类别。

图1 三峡库区监测断面位置示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring section in the Three Gorges Reservoir

1.4 通量计算方法

该方法是利用三峡库区2009—2014年的水文、水质资料，按照入库、出库对总磷物质质量进行估算。计算公式如下：

式中：Wi为控制断面磷的输移通量（t/d或t/a）；Ci为流过控制断面的江水中污染物磷的代表质量浓度（mg/L）；Q为流过控制断面的平均流量（m3/d或m3/a）。

表1 地表水环境质量标准总磷项目标准限值Tab.1 The evaluation standard of total phosphorus in environmental quality standard for surface water

2 三峡库区干支流总磷时空演变规律

2.1 总磷浓度的年度变化趋势

根据三峡库区2009—2014水质监测数据，对库区干流7个重要监测断面总磷指标进行评价，评价结果如表2所示。

表2 2009—2014年三峡库区总磷质量浓度分析Tab.2 Analysis of total phosphorus concentration in the Three Gorges Reservoir area from 2009 to 2014

由表2可知，三峡库区干流总磷质量浓度总体以Ⅱ类和Ⅲ类为主，在2009—2014年总磷质量浓度类别无明显变化趋势。三峡库区入库断面朱沱，连续6年水质磷质量浓度均值为Ⅲ类；库尾断面太平溪总磷水平总体为Ⅱ～Ⅲ类，无超标年份。嘉陵江入长江干流临江门断面总磷水平总体为Ⅱ～Ⅳ类，2012年磷质量浓度均值超标，磷浓度达到Ⅳ类。在7个重要监测断面的历史监测数据中（每年12个测次），2010—2014年磷质量浓度超标频率较2009年有明显变大趋势，其中2012年超标频率最高（如图2所示）。三峡库区主要入库支流嘉陵江和乌江总磷质量浓度变化趋势如图3所示。

如图3（a）所示，嘉陵江3个断面总磷质量浓度在2009—2014年无明显变化趋势。3个监测断面水质管理目标均为Ⅲ类，其中超标断面为嘉陵江入长江干流断面临江门，该断面总磷质量浓度有5个测次超标（总测次72），超标次数占总测次的6.9%。南充水质监测断面和武胜水质监测断面水质总磷总体保持在Ⅰ～Ⅲ类，各测次均没有超标。

如图3（b）所示，乌江武隆水质监测断面磷质量浓度在2009—2014年有明显下降趋势。乌江武隆断面水质管理目标为Ⅱ类，过去6年的历史监测数据显示，乌江总磷超标严重。武隆断面水质磷浓度达到Ⅱ类目标的测次为3次，仅占总测次的4.2%，即超标测次占总测次的95.8%；总磷超过Ⅲ类目标的测次为53次，占总测次的73.6%；总磷超过Ⅳ类目标的测次为40次，占总测次的55.6%；总磷超过Ⅴ类目标的测次为26次，占总测次的36.1%。

图2 库区干流重要监测断面总磷浓度超标频率年度变化趋势分析Fig.2 Analysis of annual variation trend of exceeding frequency of phosphorus concentration in the reservoir area

图3 嘉陵江和乌江重要监测断面2009—2014年总磷质量浓度变化趋势分析Fig.3 Analysis of the change trend of total phosphorus concentration in the important monitoring section of Jialing river and Wujiang river from 2009 to 2014

以往的监测数据及研究分析中，重庆市环境科学研究院Gao等[14]的研究发现，2002年时，嘉陵江及乌江在平水期和枯水期均无超标现象，且全年总磷质量浓度普遍低于长江；胡勇[4]在研究1998—2003年三峡库区三江干流总磷污染现状时也发现，嘉陵江及乌江全年无超标记录，总磷质量浓度均低于长江干流。对比他们的研究发现，三峡水库全面建成、蓄水，并正常运行后，水库总磷浓度超标频次显著增多，且乌江总磷污染现状恶化问题尤为突出。

2.2 总磷浓度的沿程变化趋势

三峡水库7个重要监测断面2009—2014年总磷质量浓度年平均变化趋势如图4所示。长江干流从朱沱到太平溪断面总磷质量浓度有明显下降趋势，但寸滩至清溪场断面总磷质量浓度明显升高，清溪场断面总磷质量浓度出现峰值，清溪场下游至太平溪断面总磷质量浓度逐步下降。6年来清溪场到太平溪总磷的最低质量浓度为0.08 mg/L，最高质量浓度为0.24 mg/L。由图2可知，朱沱断面超标频率最高，超标频率大于50%以上；其次为十里铺和官渡口断面。其中太平溪断面仅在2011年度出现超标，其他年份无超标现象。

图4 长江干流总磷浓度沿程变化趋势Fig.4 The average variation trend of the total phosphorus concentration in the Yangtze river

3 总磷污染负荷来源分析（通量法）

根据空间定位，三峡库区磷源主要来自上游河流和支流、局部高地和水库集水区，内部沉积物释放、降雨和船舶释放等。定量估算这些磷源对三峡水库总磷水质现状的贡献率的研究已有报道，冉祥滨等[15]研究发现在蓄水前和蓄水后三峡水库总磷现状含量中，上游河流输入磷量分别占现状总磷量的93%和84%。Shen等[16]研究认为三峡库区上游地区年均总磷输入负荷远高于三峡库区当地高地和集水区产生的负荷。牛凤霞等[17]研究发现尽管三峡水库蓄水导致沉积物中磷的滞留量增加，但三峡水库中沉积物中磷的内部释放仅贡献了三峡水库中0.098%以下的磷。此外，与其他磷源相比，来自降雨和船舶任务的磷输入如此之低以致于被忽略。因此，这些先前的研究[18-19]表明，上游河流和支流输入磷量是三峡库区磷的主要来源。

基于三峡水库出入库流量和代表断面总磷质量浓度，我们估算了3个上游河流的总磷负荷（如图5所示）。估算结果表明，长江干流输入的总磷负荷高于嘉陵江和乌江，长江干流段的总磷年均负荷在1.125～2.669 kg/s（平均值为1.658 kg/s）；嘉陵江输入总磷年均负荷在0.213～0.425 kg/s（平均值为0.317kg/s）；乌江输入总磷年均负荷在0.290～0.739 kg/s（平均值为0.509 kg/s）。其中，长江干流输入总磷通量在2009—2014年内无明显变化规律，嘉陵江和乌江总磷通量基本保持稳定。

图5 长江干流、嘉陵江和乌江总磷通量Fig.5 The total phosphorus flux of the Yangtze river,Jialing river and Wujiang river

由图6可知，长江干流输入磷通量占3条河流总通量的比例为36.4%～83.5%，嘉陵江输入磷通量比例为3.6%～19.6%（输入磷通量最少），乌江输入磷通量比例为7.7%～59.4%。其中，3条河流输入磷通量随季节月份变化。7—12月，长江干流输入磷通量最高，乌江输入磷通量较上半年少；1—6月，乌江输入磷通量比例较下半年有所上升，其中在4月时，乌江输入磷通量超过长江干流输入磷通量。这与三峡水库蓄排水的季节性变化类似，意味着输入三峡水库的总磷通量变化规律与3个上游河流丰枯季节有关。

图6 2009—2014年内上游河流输入磷通量比例的变化趋势Fig.6 The change trend of the proportion of phosphorus flux in the upstream river from 2009 to 2014

由图7可知3条上游河流总磷通量之和为1.863～3.782 kg/s（平均值为2.483 kg/s），清溪场断面总磷通量为1.739～2.440 kg/s（平均值为2.145 kg/s）。清溪场断面总磷通量略小于3条上游河流总磷通量之和，这可能与总磷的沉降和消减净化过程有关。

图7 3个上游河流总磷通量之和与清溪场断面总磷通量关系Fig.7 The relationship between the total phosphorus flux in three upstream rivers and that in Qingxi field

4 结论

笔者研究了三峡库区总磷的污染现状特性及变化趋势，总体而言，总磷质量浓度超标频次高，且有显著升高趋势，具体结论如下。

（1）三峡库区总磷水平总体以Ⅱ～Ⅲ为主，总磷质量浓度类别在2009—2014年无明显变化趋势。其中2012年总磷质量浓度超标频率最高。

（2）三峡库区两条主要入库支流为嘉陵江和乌江，其中嘉陵江超标次数占总测次的6.9%，且3个监测断面总磷浓度在2009—2014年无明显变化趋势；乌江总磷超标最严重，超标频率达到95.8%，乌江总磷水平以Ⅳ类至劣Ⅴ类为主（占总测次的55.6%），但乌江武隆断面总磷质量浓度在2009—2014年有明显下降趋势。

（3）从朱沱到太平溪断面沿程总磷质量浓度有明显下降趋势。清溪场断面总磷质量浓度最高，清溪场下游至太平溪断面总磷质量浓度逐步下降。2009—2014年清溪场总磷的最低质量浓度为0.08 mg/L，最高质量浓度为0.24 mg/L（超过湖、库Ⅴ类总磷限值0.2 mg/L）。

（4）根据通量法计算成果，长江干流段总磷年均负荷在1.125～2.669 kg/s（平均值为1.658 kg/s）；嘉陵江输入总磷年均负荷在0.213～0.425 kg/s（平均值为0.317 kg/s）；乌江输入总磷年均负荷在0.290～0.739 kg/s（平均值为0.509 kg/s）。3条上游河流总磷通量之和（年平均值为2.483 kg/s）略大于清溪场断面总磷通量（年平均值为2.145 kg/s），部分总磷负荷沉积在三峡库区。