三峡水库近坝段水面漂浮物对水质的影响*

张馨月,高千红,闫金波,纪道斌,罗玉红

(1:长江水利委员会长江三峡水文水资源勘测局，宜昌 443000) (2:三峡大学水利与环境学院，宜昌 443002)

三峡工程自2003年蓄水运行后，受库区雨洪影响，每年汛期(5-8月)都会出现大量的水面漂浮物聚集；蓄水期(9-10月)随着库区水位的抬升也会产生大量水面漂浮物. 水面漂浮物的大量聚集，对城市景观、船舶航行安全、河道防洪、水环境等均有不同程度的影响[1]，三峡工程漂浮物问题也引起了社会各界的关注[2-4].

三峡水库的漂浮物主要分为3类：一是农作物秸秆、地表植被、水生生物；二是工业及生活垃圾；三是意外事故类漂浮物[2]. 漂浮物一般集中在汛期和蓄水期，一般情况下入库流量为25000～40000 m3/s时，漂浮物开始逐步增多，当流量大于40000 m3/s时，漂浮物骤增[2]. 坝前漂浮物的分布及其运移规律与坝区河势、水流流态、库水位、流量及三峡电站的调度方式等因素有关，坝区漂浮滞留量呈“右多左少”的分布态势[5]. 漂浮物运移规律及治理研究已取得了一定的成果[5-6]，漂浮物对水质影响的研究却很少. 郑雯等在天津市海河漂浮物现状调查中指出：如不将生活垃圾及时打捞将会加重海河水体的有机污染[7]，在三峡库区尚未见漂浮物对水质影响的相关报道.

本研究以三峡库区近坝段(坝前及以上约12.7 km长的河段)水域水体为研究对象，分析了汛期与蓄水期漂浮物对水质的影响规律，并对2014-2018年漂浮物打捞量与近坝段水域水质参数进行相关性分析和回归分析，结合漂浮物浸泡试验，初步探讨了水面漂浮物对水质的影响机制.

1 主要研究方法

1.1 研究河段概况

研究河段上起庙河水文断面(湖北省秭归县兰陵村)，下至三峡大坝，河段全长约12.7 km；河道左右两岸为山体，河势稳定. 三峡水库蓄水后，该河段处于三峡水库常年回水区，每年汛期和蓄水期有大量漂浮物滞留于坝前、机组和河湾处，对该河段的水环境产生了一定的影响.

1.2 样点设置

本研究分别在漂浮物常聚地坝前和河湾漂浮物覆盖水体设置了3个采样点，分别为S1(坝前1号机组)、S2(坝前地下电站)和S3(银杏沱河湾)，在采样点上游100 m无漂浮物水体处分别设置坝前对照断面和河湾对照断面(图1).

1.3 样品采集

样品采集按汛期和蓄水期分别进行，2018年汛期7月12日、17日、22日以及8月11日(此间长江上游1号、2号洪水通过三峡水库，入库流量达60000 m3/s以上，坝前水位在145～160 m左右)在漂浮物覆盖采样点S1、S3采样4次. 蓄水期10月19日、25日、31日分别在漂浮物覆盖采样点S1、S2、S3采样3次. 采样点垂直线上设置3个水样测点(水面下0.5、1.0、2.0 m)；对照断面分别在左岸、中泓、右岸取水面下0.5 m采集水样；庙河断面作为常规监测断面，每月上旬采样1次，全年采样12次. 采样方法按照《水环境监测规范》(SL219-2013). 每次采样对现场漂浮物组成进行调查记录.

图1 三峡水库近坝段采样点分布Fig.1 Location of sampling sites near the dam section of Three Gorges Reservoir

1.4 漂浮物浸泡试验设计

天然状态下，漂浮物的组成极其复杂，调查发现，汛期与蓄水期均以植物类漂浮物为主，蓄水期尤为显著. 为便于研究，将近坝段漂浮物大体分为树兜、秸秆等植物类天然漂浮物和白色泡沫、塑料等人为垃圾两大类，为探究天然漂浮物组成情况下和漂浮物主要成分植物类漂浮物对水体水质的影响，试验选用2个400 L 的塑料桶作为反应器，一个桶用于随机打捞银杏沱河湾处漂浮物，主要为树枝草渣、秸秆及生活垃圾、塑料、白色泡沫等天然情况下聚集的综合类漂浮物；另一个桶放入树枝杂草、秸秆、树杆、树兜、竹子、浮萍等植物类漂浮物. 漂浮物浸泡试验在银杏沱河湾S3采样点附近水文趸船进行，浸泡物湿重均为25 kg，取 250 L 未受漂浮物影响的长江水样浸泡15天(反应池漂浮物密度为0.1 t/m3)，浸泡试验于2018年10月19日开始，与蓄水期漂浮物水质监测同步进行，并于第0、2、4、6、8、12、15天采集反应器中水样.

1.5 监测指标及方法

图2 现场采样与监测Fig.2 In-site sampling and monitoring

1.6 数据统计分析

以垂线水深为因子，水质因子为因变量，采用单因素方差分析识别不同水深水质状况的空间差异；采用Pearson相关分析，初步分析漂浮物产量与水环境因子之间变化的相关程度；在Pearson相关分析的基础上挑选出相关性显著的水质指标与漂浮物产量、水文因子进行逐步多元回归分析. 为消除自变量量纲不一样的影响，在回归分析前对自变量按式(1)进行标准化处理：

标准化数据=(原数据-均值)/标准差

(1)

为确保样本得到的回归方程能更真实地反映总体间的统计关系，对回归方程进行残差分析，采用正态曲线直方图和标准化残差的正态概率图(P-P图)进行残差的正态性检验；采用DW(Durbin-Watson)检验样本序列是否存在自相关，排除伪回归可能；采用方差膨胀因子(VIF)进行自变量间的多重共线性判断[9]. 一般认为，DW越接近2越好，Durbin-Watson总结了DW统计量的下临界值dL和上临界值dU，如果dU≤ d≤4-dU，说明原序列不存在自相关[9]，通过样本容量N和自变量个数k以及显著性水平(文中显著水平设为α=0.05)，可在DW统计量临界值表中查得临界值以确定各回归模型的无自相关范围；VIF越大，多重共线性越强，当VIF≥10时，说明存在严重的多重共线性，一般认为VIF<5则自变量间不存在多重共线性. 以上所有检验均在SPSS上完成计算. 当DW检验不通过时，本文选用差分法对所有因变量和自变量进行一阶差分(式(2)和(3))作为新变量再进行回归分析，重新计算DW值，然后进行检验.

Δxij=xij-xi(j-1)

(2)

Δyj=yj-yj-1

(3)

式中，Δxij为第i个自变量在点j的一阶差分值，Δyj为因变量在点j的一阶差分值，i=1, 2，…，k；j=2, 3，…，n.

随着清漂工作的日趋完善，漂浮物打捞量可以很直观的反映进入水体的绝大部分漂浮物，本文把漂浮物打捞量近似于漂浮物产量，选取2014-2018年每年6-11月(2016年为5-11月数据)近坝段水面漂浮物(秭归和坝前区域的总和，湿重以t计)打捞量数据进行统计分析. 漂浮物时期划分按6-9月为汛期，10-11月为蓄水期，12-次年5月为消落期. 上述所有分析均在IBM SPSS Statistics 19.0和Origin 8.0软件中进行.

2 结果与分析

2.1 近坝段水面漂浮物总量及其分布特征

图3 2018年不同时期近坝段水面漂浮物总量分布Fig.3 Distribution of total floating debris near the dam section in different periods of 2018

2018年近坝段水面漂浮物总量为49303 t，其中坝前42251 t，秭归7052 t. 汛期漂浮物产量41041 t，占总量的83.24%，蓄水期为7547 t，占总量的15.31%，消落期为715 t，占总量的1.45%(图3).

汛期漂浮物以农作物茎杆、树木根茎、杂草为主，白色泡沫、塑料等生活垃圾次之；蓄水期漂浮物中树枝渣草、农作物等自然垃圾占绝对优势，有少量水生植物，白色泡沫、塑料等生活垃圾占比远小于汛期. 汛期与蓄水期均以植物类等自然漂浮物为主，据三峡水库清漂监理部人员多年调查估算汛期植物类漂浮物占比约为65%，蓄水期占比约为85%. 汛期漂浮物主要集中在坝前，河湾处较少，而蓄水期漂浮物主要集中在坝前右岸电站和河湾及港区船舶内档.

2.2 水面漂浮物影响下近坝段水质特征

2.2.1 不同时期漂浮物影响下水质特征 2018年汛期与蓄水期，近坝段漂浮物影响下样点水质特征如表1所示. 可以看出汛期水体的营养盐指标中坝前S1样点TN和NH3-N浓度较对照断面都出现了增长，TN浓度较对照断面增长率为3.5%，NH3-N浓度增长率为9.5%. S3样点河湾处TN浓度变化不大，但NH3-N浓度较对照断面出现升高，其增长率高达20.3%. 样点S1的TP浓度略高于对照断面，S3样点处未表现明显变化差异. 漂浮物覆盖下水体坝前氮类营养盐浓度高于河湾；坝前S1样点TOC、CODMn浓度比对照断面高，TOC浓度增长率为9.5%，CODMn增长率为6.8%，S1样点漂浮物覆盖水体的CODMn/TOC比值小于对照断面. S3样点河湾处TOC浓度较对照断面升高，增长率不如S1样点明显，仅为1.2%，而CODMn浓度却出现下降，CODMn/TOC比值小于对照断面.

蓄水期TN浓度在S1、S2样点均高于对照断面，较对照断面增长率均为5.62%，而S3样点TN浓度却比对照断面有所下降，下降率为7.2%. NH3-N浓度坝前点与对照断面差别不大，但在S3样点河湾处NH3-N浓度相比对照断面明显升高，增长率为25.0%. TP浓度总体变化不大，S2样点略高于对照，S3样点与对照无明显差异；坝前TOC浓度较对照断面增大，S1样点增长率为13.3%，S2样点增长率为6.2%. 相比对照断面，S3样点处TOC浓度却出现下降，下降率为7.2%. 坝前和河湾样点CODMn均略有所升高，但不明显，坝前样点CODMn/TOC比值小于对照断面，而河湾CODMn/TOC比值大于对照断面.

综合来看，除NH3-N浓度外，坝前(S1、S2样点)漂浮物覆盖水体各项指标较对照断面变化率要高于河湾漂浮物覆盖水体(S3样点)，而河湾处水质指标的变化以NH3-N浓度的升高最为明显，TN浓度在河湾处却出现较明显的下降，且相比对照断面，河湾处蓄水期漂浮物覆盖水体水质指标较汛期变化率大. 坝前与河湾处均未监测到明显的TP浓度变化.

表1 不同时期近坝段样点水质因子特征(均值±标准差)

2.2.2 漂浮物覆盖下水体水质因子垂向特征 分别对汛期与蓄水期坝前和银杏沱河湾处0.5、1.0、2.0 m垂直方向上各采样点水质因子进行单因素方差检验，结果显示坝前和银杏沱河湾处0.5、1.0、2.0 m垂直方向上各水质因子均不存在统计学意义的差异(P>0.05)，说明漂浮物覆盖水体垂直方向上2 m内水质因子并未出现明显分层的现象，垂向扩散均匀.

图4 漂浮物浸泡过程中水体TP、TN、NH3-N、CODMn和TOC浓度的动态变化Fig.4 Dynamics of TP, TN, NH3-N, CODMn and TOC concentrations in water during the immersion period of floating debris

2.3 漂浮物浸泡试验主要水质指标变化特征

2.3.1 漂浮物浸泡过程中水体TP、TN、NH3-N浓度的变化 漂浮物浸泡过程中水体TP浓度均呈现上升的变化趋势，其中植物类反应器中水体前2天迅速上升，随后缓慢上升，在试验结束时，TP浓度约为初始值的37倍，综合类反应器中水体TP浓度增长较植物类缓慢，试验结束时约为初始值的12倍(图4).

综合类和植物类反应器中水体的TN浓度变化趋势类似，短时间内下降后再波动抬升，第8天达到较高值后下降，至试验结束时有所回升. 两个反应器水体TN浓度差别不大，植物类反应器水体略高于综合类反应器水体，但在实验结束时，两者差别增大.

水体NH3-N浓度均呈现缓慢上升的趋势，植物类反应器水体中NH3-N浓度高于综合类反应器水体. 试验结束时，植物类反应器水体NH3-N浓度约为初始值的8倍，综合类反应器水体NH3-N浓度约为初始值的6倍.

植物类反应器水体的CODMn高于综合类反应器水体(图4)，且植物类前期增长率远高于综合类反应器水体，试验结束时达到最高，综合类反应器水体CODMn在第12天达到最高值后开始下降.

植物类和综合类反应器水体的TOC浓度变化趋势接近，均在第12天达到最大值，植物类反应器水体中TOC浓度在中后期远高于综合类反应器水体，随后陡降.

2.4 漂浮物产量与水环境因子的关系

2.4.1 漂浮物产量与水环境因子的相关性分析 近坝段水面漂浮物打捞量与庙河断面常规监测的19项水环境因子的Pearson相关系数矩阵如表2所示，其中漂浮物产量与流量、流速、悬浮物、CODMn均呈极显著正相关，与石油类呈显著正相关，与pH、总硬度均呈负相关. 漂浮物产量与氮、磷等营养盐浓度并未表现出直接的相关性.

2.4.2 漂浮物产量与水质因子的多元回归分析 为进一步揭示在水文因子(流量、流速等)的影响下，漂浮物产量对水质因子的影响是否显著，在相关性分析的基础上，挑选出与漂浮物产量呈极显著相关(P<0.01)的水质因子，与漂浮物产量、水文因子建立多元回归方程，其中水质因子作为因变量，漂浮物产量、水文因子(流量和流速)作为自变量.

漂浮物产量、流量、流速与水质因子的逐步多元回归分析结果如表3所示，通过自变量标准化的回归系数可以看出，相比水文因素(流量和流速)，漂浮物产量与CODMn呈极显著正相关性. 悬浮物(SS)受流量和漂浮物产量影响显著，且流量对悬浮物的影响略大于漂浮物对其的影响.

表2 漂浮物产量与水环境因子的Pearson相关系数矩阵(n=31)1)

1)仅列举与漂浮物产量显著相关的因子；**表示极显著相关(P<0.01, 双尾检验)*表示显著相关(P<0.05, 双尾检验)；数值加粗表示相关系数绝对值≥0.600的因子.

表3 逐步多元回归分析结果1)

1)CODMn分析结果为对因变量CODMn和自变量漂浮物产量、流量和流速分别进行一阶差分后再回归的结果；**表示极显著相关(P<0.01, 双尾检验)，*表示显著相关(P<0.05, 双尾检验).

3 讨论

3.1 汛期及蓄水期漂浮物对水质的影响

2018年7月上旬，长江流域上游持续强降水，“长江1号洪峰”、“长江2号洪峰”接踵而至，大量的漂浮物随洪水而来，导致2018年汛期近坝段水面漂浮物骤增，且长时间滞留. 监测结果表明，漂浮物对坝前覆盖水体的影响主要表现为氮类营养盐和有机污染物浓度的升高，漂浮物对河湾处水体的影响主要表现在NH3-N 浓度升高而TN浓度变化不大或下降的氮类营养盐组成的变化，以及有机污染指标CODMn/TOC比值差异. 漂浮物对近坝段水质的时空影响主要表现为坝前大于河湾，坝前水域汛期与蓄水期均受到不同程度的影响，河湾蓄水期受漂浮物的影响要大于汛期. 漂浮物覆盖水体水质的时空变化规律与漂浮物的产量时空分布有着相同的趋势，坝前为漂浮物主要聚集的地方，虽然汛期漂浮物产量要大于蓄水期，但是2018年由于连续洪水致使漂浮物骤增，部分来不及清理的漂浮物最长滞留时间高达80多天，加大了对蓄水期坝前水域水质的影响，因此汛期和蓄水期坝前受漂浮物的影响均较明显，而在蓄水期河湾处漂浮物要多过汛期，对河湾处水质的影响也增大.

监测数据显示，在漂浮物大量聚集的坝前TN浓度两个时期均出现了增长，汛期NH3-N浓度也出现了增长，而在聚集量相对小于坝前的河湾营养盐水平提高主要表现为NH3-N浓度的增长，在蓄水期TN浓度却出现下降. 三峡水库水体TN以无机氮为主[11]，而长江水体无机氮化合物常以硝态氮为主[12]，在河湾处NH3-N浓度大幅增长的情况下，汛期TN浓度变化不大，蓄水期TN浓度却出现下降，推测是由于漂浮物覆盖水体从而硝态氮浓度存在下降现象所致. 硝态氮在水体可以通过自养和细菌转化为有机物，反硝化作用使得硝态氮浓度降低[13]，由于河湾处水流速度较坝前缓慢，推测在漂浮物覆盖的影响下水体出现了反硝化现象，有研究表明溶解氧浓度会影响水体氨氮与硝态氮之间的转化[14]，实际监测数据也显示河湾处溶解氧浓度较坝前低，加之蓄水期高水位的河湾水体可能处于相对强的还原环境，进一步促使了河湾水体反硝化现象的发生，以致河湾处NH3-N浓度的增长较坝前更明显，且蓄水期河湾TN浓度明显降低. 同时水生植物的分解过程中，硝态氮通过微生物异化作用均可转化为NH3-N[15]，漂浮物中植物类的分解以及微生物的异化作用使得水体出现TN浓度变化不大或下降，但NH3-N浓度却明显上升的现象. 另外浸泡试验结果表明，漂浮物在水体的浸泡过程，其滞留时长也会导致水体TN浓度的波动. 有学者认为在氮素的各种形态中，还原态氨氮的相对增加直接反映了水体营养水平的提高[16]，NH3-N浓度的升高表明水体近期受到污染[17]，说明在漂浮物聚集时期，其覆盖区域水体受到了营养盐类的污染.

TOC浓度常用于评价水体中有机污染物程度，CODMn反映了有机污染物和还原性无机物质污染程度[18]. 此次监测数据显示，坝前样点TOC与CODMn漂浮物水下样点浓度高于对照断面，表明漂浮物对水体造成了一定有机污染和还原性无机物质污染. 河湾处CODMn/TOC比值在汛期低于对照断面，蓄水期大于对照断面，表明汛期漂浮物释放了更多难于被高锰酸盐氧化的有机污染物，而在蓄水期漂浮物覆盖水体有机物更易被氧化剂氧化且含有较多的无机还原性物质，这也进一步验证了蓄水期的河湾还原环境增强，水体反硝化作用增强致使TN浓度下降的推论.

3.2 漂浮物对水质的影响机制分析

通过分析植物类和综合类两种水面漂浮物浸泡过程对水质的影响发现，在15天的监测期内，综合类与植物类反应器中水体水质指标有着较一致的变化趋势，随着浸泡时间的增加，水体无机和有机污染都会加重，有机污染物在达到一定值后会有所下降，其中纯植物类漂浮物对水质的危害更迅速和明显. 数据显示，TN浓度在两个反应器中均表现为短期先下降再上升，在第12天TOC浓度达到了最大值，而TN浓度却又降到一个较低值. 推测在浸泡之初，植物类漂浮物对水体TN的吸收作用，以及生活垃圾等其他漂浮物的物理吸附作用大于植物腐烂分解作用，导致了TN浓度的第一次下降，随着腐烂分解作用的加快，TN又逐步释放出来，在第12天，反应器中溶解氧都处于一个极低值，水体在缺氧的状态下出现了反硝化作用，TN浓度再次下降，但NH3-N作为有机物分解从有机氮转换成无机氮的第一产物而积累[19]，以致NH3-N浓度持续上升. 大多学者认为，水生植物腐烂分解包括可溶性有机物的浸出、微生物对有机物的降解、难溶性物质的缓慢分解3个过程[20-21]，TOC浓度在第12天后急剧下降，但水中CODMn浓度仍维持在较高的水平，其原因可能是反应池中植物的腐烂分解已进入第2过程，有机物被微生物降解为无机物的过程，厌氧微生物对有机物的降解作用[22-23]，使得TOC下降，而水体仍含有较多的无机还原性污染物质. 有研究表明植物残体腐烂分解会影响营养物质的循环、积累以及重新释放过程[24]，天然情况下，水体漂浮物浸泡过程对水体的影响极其复杂，由于天然河流是流动的，水体不断循环自净，而试验水体环境是静止的，污染浓度会明显扩大，但以现场实际漂浮物组成情况为原型的综合类漂浮物试验结果仍可作为水体漂浮物对水质影响因素的定性参考，对植物类漂浮物(漂浮物的主要组成部分)对水质的影响规律也有了初步的探索. 研究表明，水生植物生长过程中对水体氮、磷以及有机物有较强的富集和去除作用[25-26]，而植物残体腐烂分解亦会形成二次污染[27]，在短期内植物类漂浮物比白色泡沫、塑料等生活垃圾对水质影响更大，因此建议在短期内优先打捞植物类漂浮物，以减少植物类漂浮物浸泡时长，避免植物残体腐烂造成的二次污染.

通过分析漂浮物产量与近坝段水环境因子的相互关系发现，近坝段水域漂浮物产量与DO、电导率(EC)等理化指标以及氮、磷等营养盐指标并未表现出直接的相关性，而在漂浮物覆盖水体的跟踪监测数据显示水体受到营养盐类的污染，且漂浮物浸泡试验也验证了这一结果，说明漂浮物仅在其覆盖的小范围水体内对氮类等营养盐指标造成影响，然而对于整个近坝段区域来说，水质状况可能受到很多因素的影响，漂浮物产量与营养盐之间的关系并不明确, 这也需要在下一步研究中优化监测样点和监测频次. 但对近坝段区域近5年数据的回归分析显示水面漂浮物聚集增加会加大水体SS、CODMn浓度，与近坝段水体已经形成了一定的规律性影响.

4 结论与展望

1)2018年近坝段水面漂浮物总量为49303 t，其中坝前42251 t，秭归7052 t. 汛期漂浮物产量为41041 t，占总量的83.24%，蓄水期为7547 t，占总量的15.31%. 汛期与蓄水期均以植物类等自然漂浮物为主，蓄水期自然垃圾占绝对优势，白色泡沫、塑料等生活垃圾占比少于汛期.

2)漂浮物对坝前覆盖水域的影响主要表现为氮类营养盐和有机污染物浓度的提高，对河湾覆盖水域的影响表现为NH3-N浓度升高、氮类营养盐组成的变化和有机物污染指标CODMn/TOC比值的差异. 且除NH3-N外，坝前水域受漂浮物影响程度要大于河湾区域，漂浮物对河湾水质的影响在蓄水期更为明显；漂浮物覆盖水体垂直方向上2 m内水质因子无明显分层的现象.

3)漂浮物浸泡试验发现，在15天的监测期内，纯植物类漂浮物对水质的影响更迅速和明显，综合类和植物类漂浮物随着浸泡时间的增加，水体营养盐和有机污染均会加重，且影响氮类营养盐的积累与释放过程，有机污染物在达到一定值后会有所下降.

4)相关性分析与回归分析表明，漂浮物仅在其覆盖的水体小范围内对氮类营养盐指标造成影响，对于整个近坝段区域漂浮物产量与营养盐之间的关系尚不明确，但漂浮物产量的增加会增大水体悬浮物以及有机污染物和还原性无机物质污染(CODMn)浓度，形成了一定规律性影响.

因此，我们建议在漂浮物形成聚集过程中，及时开展漂浮物打捞工作，合理布置清漂作业点, 减小漂浮物聚集量与滞留时长，避免植物残体腐烂造成的二次污染，加强漂浮物影响水体水质跟踪监测. 此外，由于流量、流速等水文因子对漂浮物产量及运移、水质因子有着重要的影响，如何结合水库调度减轻或缓解漂浮物骤增与长时间聚集造成的水质影响，如何进一步有针对地进行水质监测，量化漂浮物对水质的影响对近坝段水质保护意义重大，值得进一步思考与研究.

致谢：对三峡水库清漂监理部工作人员在现场采样以及资料收集过程中给予的帮助表示感谢！