近40年来长江干流水质变化研究

陈善荣, 何立环, 林兰钰, 方德昆, 张凤英

中国环境监测总站， 北京 100012

长江是我国第一长河，是长江经济带发展、长江三角洲一体化发展等国家战略的重要依托[1-2]，是连接“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的纽带[3-6]，是我国水资源安全的重要防线，也是长江流域经济社会发展的基础[7-9]，在我国经济社会发展中具有重要地位[8-10]. 长江流域面积180×104km2，涉及人口4.59×108人，占全国人口的33%，城镇化率达49%，流域人口密度较高，约为全国平均人口密度的1.8倍[8,11].

自20世纪80年代以来，随着经济的快速发展、城镇规模的无序扩大、工业化及城镇化进程的加快，长江流域水环境质量出现恶化，引起了广泛关注[12-15]. 进入21世纪以来，国家、政府和相关部门采取了一系列整治措施，长江及长江流域水质也较整治前有了明显改善[8,11-12]. 2015年，国务院发布了《水污染防治行动计划》，要求到2020年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良(达到或优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准)比例总体在70%以上. 2016年以来，多项环境保护措施在长江开展，如环境保护督查、水源地保护督查、长江入河排污口排查、岸线利用及固体废弃物排查、天然水域围网养殖清理等专项行动，这些措施极大地促进了长江水质的改善[12].

很多学者对长江的水环境进行了分析，针对长江源区[16]、三峡大坝河段[17-19]、中下游地区[20]等区域水质开展了大量研究. 但目前大部分研究侧重于某个时段[1-2,5,9-10]、某个江段或某些城市[16-24]、水体元素[25-28]、水量及污染输入等[29-33]，对于长江水系水环境质量长时间序列的研究较少，从20世纪80年代到2019年的水环境质量变化研究更鲜见报道. 近年来，CODMn、NH3-N和TP成为我国地表水水体的主要污染物[13-15,26]. 其中，CODMn和NH3-N浓度是反映水体受有机及无机可氧化物污染的常用指标，也是与主要污染物总量减排约束性指标相关联的环境质量指标，二者的数值越高，说明水体污染越严重. TP是水体中较常见的一种形态磷，是藻类生长重要的因素，也是导致水体富营养化最常见的原因[34].

该研究基于国家生态环境监测网，结合相关历史文献资料，对1981—2019年长江干流水质断面的监测结果进行分析，总结了长江干流水环境监测发展情况，以长江流域的三项主要污染指标CODMn、NH3-N和TP为研究因子，探讨了ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)的时空变化规律及其可能影响原因，从而反映长江干流水质的长时间变化特征与趋势，以期为长江流域生态环境质量的管理、保护与治理提供基础资料与科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域为长江干流段，长江干流自西向东横贯我国中部，流经青海省、西藏自治区、四川省、云南省、重庆市、湖北省、湖南省、江西省、安徽省、江苏省和上海市等11个省(自治区、直辖市).

研究时段为1981—2019年，应用的水质评价指标为具有完整连续数据的CODMn、NH3-N和TP三项，按照GB 3838—2002和《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)的要求进行单因子评价. 由于国家地表水环境监测网在1988年、1993年、2003年、2012年和2016年进行了调整，长江干流水质监测断面由20个左右调整至59个. 为保证数据可比性，按照江段和监测断面数据的连续性与完整性，筛选了11个断面，开展长江干流ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)沿程时间变化分析. 2011年开始，TP被纳入地表水环境质量监测和评价指标，因此，该研究中长江干流ρ(TP)变化时段为2011—2019年. 长江干流所有监测断面空间分布见图1.

1.2 数据来源

该研究数据资料主要来源： ①国家生态环境监测网长江干流水质断面监测结果. ②各类监测报告，包括历年《中国生态环境质量报告》《中国生态环境状况公报》《中国环境统计年报》等. ③统计年鉴和政府工作报告，包括历年各类《中国统计年鉴》《中国环境年鉴》、政府工作报告或文件等. ④相关文献和专业机构网站，如通过中国知网、爱思唯尔(Elsevier)等查询的学术文献，中国政府网、生态环境部官网、水利部官网、长江水利委员会网站、各级生态环境主管部门网站、各级生态环境监测部门网站等网站上发布的相关数据、政策、规范、方案及制度等.

注： 1—直门达； 2—金沙江岗托桥； 3—贺龙桥； 4—新华； 5—金江桥； 6—龙洞； 7—倮果； 8—大湾子； 9—蒙姑； 10—三块石； 11—石门子； 12—挂弓山； 13—纳溪大渡口； 14—手爬岩； 15—朱沱； 16—江津大桥； 17—丰收坝； 18—和尚山； 19—寸滩； 20—清溪场； 21—苏家； 22—晒网坝； 23—白帝城； 24—巫峡口； 25—黄腊石； 26—南津关； 27—云池(白洋)； 28—砖瓦厂； 29—观音寺； 30—柳口； 31—调关； 32—荆江口； 33—城陵矶； 34—杨泗港； 35—白浒山； 36—燕矶； 37—风波港； 38—中官铺； 39—姚港； 40—湖口； 41—鄱阳湖出口； 42—香口； 43—皖河口； 44—前江口； 45—五步沟； 46—陈家墩； 47—东西梁山； 48—三兴村； 49—九乡河口； 50—小河口上游； 51—焦山尾； 52—高港码头； 53—魏村； 54—小湾； 55—姚港； 56—浏河； 57—青草沙进水口； 58—白龙港； 59—朝阳农场. 下同.

图1 长江干流监测断面示意
Fig.1 Monitoring sites in the mainstream of Yangtze River

1.3 研究方法

长江干流水环境质量监测情况通过整理历年《中国生态环境质量报告》《中国生态环境状况公报》《中国环境统计年报》等资料获取. 水质评价方法按照GB 3838—2002和《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)的要求进行单因子评价. 监测点位分布情况通过ArcGIS 10.2软件进行空间展示，ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)时间序列变化特征使用Origin 2018软件进行分析.

2 结果与讨论

2.1 长江干流水环境监测历程

环保部门对长江地表水环境质量的监测始于1970年以后，自1980年开始对主要水系地表水监测结果进行评价[12-14]. 经过近40年的发展，长江干流水环境质量监测发生了较大变化.

图2 1981—2019年长江干流监测断面个数变化Fig.2 Numbers of monitoring sites in the mainstream of Yangtze River from 1981 to 2019

2.1.1监测点位

1981年以来，长江干流水环境质量监测点位经历了5次变化[13-15]. 1988年，原国家环境保护总局首次确定了由353个断面组成的国家地表水环境监测网. 1993年，原国家环境保护总局对监测断面进行重新审核与认证，确认了由313个国控断面组成的国家地表水环境监测网. 2003年，原国家环境保护总局进一步调整了国家地表水环境监测网中的监测断面，确定了由759个断面组成的国家地表水环境监测网. 2012年，原环境保护部发布了新的国家地表水环境监测网，共由972个监测断面组成. 2015年7月，国务院下发了《生态环境监测网络建设方案》，根据方案精神明确了“十三五”期间国家地表水监测网的设置方案，将国控断面调整补充至 2 767 个. 1981—2019年长江干流监测断面个数变化情况见图2.

2.1.2监测频次

水质监测频次经历了由低到高的阶段[13-15]. 2003年以前，地表水环境监测频次总体较低，每年进行枯、平、丰3个水期共6次监测. 2003年开始建立国家水质月报监测体系，每月开展监测，监测时间为每月的1—10日. 2017年10月起，开始全面推行采测分离模式，监测工作根据地方实际从季度到月度、周，甚至每日，监测频次越来越高.

2.1.3地表水环境质量标准

1981年以来，我国地表水环境质量标准主要经历了4次大的变化[13-15]. 1983年，首次颁布实施了GB 3838—1983《地表水环境质量标准》. 1988年、1999年和2002年分别进行了修订，形成1988版、1999版和2002版的《地表水环境质量标准》.

2.1.4评价指标

2010年及以前水质评价指标为pH、DO、CODMn、五日生化需氧量、NH3-N、石油类、挥发酚、汞和铅等9项. 2011年起，评价指标为pH、DO、CODMn、化学需氧量、五日生化需氧量、NH3-N、TP、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬(六价)、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂和硫化物等21项，TN和粪大肠菌群作为参考指标单独评价(河流TN除外)，我国地表水环境质量评价指标逐渐增多[13-15].

图3 2019年长江干流ρ(TP)、ρ(CODMn)和ρ(NH3-N)沿程变化Fig.3ρ(TP), ρ(NH3-N) and ρ(CODMn) in the mainstream of Yangtze River in 2019

2.2 长江干流地表水环境质量变化趋势

2.2.12019年水环境质量状况

2019年，长江干流水质为优. 59个水质监测断面中，GB 3838—2002 Ⅰ类水质断面占6.8%，Ⅱ类占89.8%，Ⅲ类占3.4%，无Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面.

2019年长江干流水质监测断面中ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)沿程变化见图3. 59个水质断面中，ρ(CODMn)为GB 3838—2002 Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类的断面分别为54、5和0个；ρ(NH3-N)为GB 3838—2002 Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类的断面分别为52、7和0个，ρ(TP)为GB 3838—2002 Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类的断面分别为4、53和2个.

按照上游、中游和下游对长江干流进行分段，其中，湖北宜昌以上为上游，湖北宜昌—江西湖口为中游，江西湖口以下为下游. 按照上游、中游和下游对59个干流水质监测断面进行分类，从青海省玉树州直门达到湖北省宜昌市云池江段的27个断面为上游断面，从湖北省荆州市砖瓦厂到江西省九江市湖口江段的14个断面为中游断面，从安徽省池州市香口到上海市朝阳农场江段的18个断面为下游监测断面. 图3结果显示，上游水体断面的ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)均低于中游和下游，主要是由于上游人为扰动相对较少，水质状况整体为优[2,16]. 长江中下游一方面流经重要城市，城镇化水平高，人口密度大[2,7-8,28]；另一方面流经我国粮食主产区，水资源耗费量大，污废水排放量相应较高[26]，2015年长江流域化学需氧量(CODCr)排放量为605.3×104t[23-24].

2.2.2水环境质量的总体历史变化趋势

文献调研表明，长江流域沿岸的大中型城市多、工业发达、排污量大，流经城市的江岸段形成岸边污染带，造成局部水体污染较重[1-7,26,28,30-33]. 但由于长江流域的水量丰富且流量大，其环境容量也较大[11,29,31]，因此干流总体水质相对较好[7,9,11-15]. 1981—2019年长江干流所有监测断面ρ(CODMn)和ρ(NH3-N)的统计结果分别见图4和图5.

从年内变动上来看，1981—1985年和1990—2000年长江干流所有断面ρ(CODMn)沿程变幅较大. 从年际变化来看，1981—1990年为缓慢增长阶段，1991—2000年为波动变化阶段，2001—2019年为逐渐降低阶段(见图4). 长江干流ρ(CODMn)年均值介于2～4 mgL之间，为GB 3838—2002 Ⅱ类水质，但部分年份的个别断面出现ρ(CODMn)超标〔ρ(CODMn)>6 mgL〕情况，主要集中在20世纪80年代初期和90年代[13,15].

图4 1981—2019年长江干流ρ(CODMn)年际变化Fig.4 Annual ρ(CODMn) in the mainstream of Yangtze River from 1981 to 2019

图5 1981—2019年长江干流ρ(NH3-N)年际变化Fig.5 Annual ρ(NH3-N) in the mainstream of Yangtze River from 1981 to 2019

长江干流所有断面ρ(NH3-N)的年内变幅较大，而年际之间则呈下降—上升—下降趋势(见图5). 1981—1992年ρ(NH3-N)年均值呈缓慢下降态势，1995—2007年呈逐渐上升趋势，2007年之后逐年下降. 长江干流ρ(NH3-N)年均值在0.11～0.25 mgL之间，其中，有24年水质为GB 3838—2002 Ⅱ类，15年为Ⅰ类[13-15]，有5年出现部分断面ρ(NH3-N)超标〔ρ(NH3-N)>1.0 mgL)〕现象.

2010—2019年长江干流所有断面ρ(TP)年均值统计结果见图6. 2010—2014年，ρ(TP)年均值呈现逐年上升趋势，且2010—2012年长江干流部分断面ρ(TP)年均值超标〔ρ(TP)>0.2 mgL〕，2014年ρ(TP)年均值达到最高值；2015—2019年，ρ(TP)年均值逐年下降，均为GB 3838—2002 Ⅱ类水质.

图6 2010—2019年长江干流ρ(TP)年际变化Fig.6 Annual ρ(TP) in the mainstream of Yangtze River from 2010 to 2019

总体上，1981—2000年长江干流总体水质有所下降，2001—2019年长江干流水质逐渐好转，主要污染指标为CODMn、NH3-N和TP. 废污水排放量的增加是导致长江干流水质变差的重要原因之一[5]. 20世纪80年代以来，长江流域废水排放量逐渐增加，其中20世纪80年代到90年代长江流域废水排放量约增加了15×108t[7,21]，1998—2016年，废污水排放量从 197×108t增至353×108t，增加了1.79倍[10,22]. 长江干流部分城市江段由于历史遗留下来的工业布局不合理、排污口与取水口犬牙交错、污水排放没有得到有效控制等原因，致使城市江段近岸水域受到污染，甚至形成数百米至数千米污染带，城市生活饮用水源受到严重威胁，居民健康受到影响[3,7,12-14]. 自2002年《中华人民共和国水法》颁布实施后，国家、各级政府、相关职能部门通过完善政策方针、加大治理力度、削减工业污染源、减少入河污染物等方式，全面提升了长江流域污染治理能力，从源头上减少污染负荷，促进了长江干流水质的好转[2,8].

2.2.3水环境质量的沿程分布变化

按照上游、中游、下游分段的原则，结合水质断面监测时长和数据的连续性，从长江干流监测断面中筛选出11个连续监测断面，其中，上游选取龙洞、挂弓山、寸滩和晒网坝4个断面，中游选取荆江口、城陵矶、九江姚港和湖口4个断面，下游选取皖河口、焦山尾和南通姚港3个断面.

长江不同江段所在地区的自然(地质、地形、地貌、气候、植被等)、经济社会条件存在差异，各江段水文特征、地球物理化学特性和人为影响不同，不同江段的水环境质量特征也不同[12-14]. 对上述11个连续监测断面地表水中ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)进行统计分析，结果见图7. 由图7可见，11个断面在部分年份ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)出现极值，水质超标，个别年份ρ(CODMn)和ρ(NH3-N)接近GB 3838—2002 Ⅴ类. 从ρ(CODMn)来看，上游挂弓山断面平均值最高，龙洞断面最低，其余均在2.2～2.5 mgL之间；从ρ(NH3-N)来看，焦山尾断面平均值较高，龙洞断面最低，总体上上游ρ(NH3-N)低于中游和下游. 从ρ(TP)来看，荆江口断面平均值最高，龙洞断面最低，上游和中游ρ(TP)平均值高于下游.

为更进一步了解长江干流水质状况沿程变化规律，对1981—2019年11个断面ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)进行分析，结果分别见图8和图9.

图7 1981—2019年长江干流连续监测断面ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)统计结果Fig.7 Statistics on ρ(CODMn), ρ(NH3-N) and ρ(TP) for continuous monitoring sites in the mainstream of Yangtze River from 1981 to 2019

图8 1981—2019年长江干流部分连续监测断面ρ(CODMn)变化趋势Fig.8 Change trends of ρ(CODMn) for continuous monitoring sites in the mainstream of Yangtze River from 1981 to 2019

图9 1981—2019年长江干流部分连续监测断面ρ(NH3-N)变化趋势Fig.9 Change trends of ρ(NH3-N) for continuous monitoring sites in the mainstream sites of Yangtze River from 1981 to 2019

对沿程断面ρ(CODMn)的分析结果(见图8)表明：①从断面来看，上游挂弓山断面在1981—2000年ρ(CODMn)较高，部分年份超过GB 3838—2002 Ⅲ类水质标准限值(6 mgL); 挂弓山断面位于四川省南部宜宾市，与矿业城市攀枝花相邻，其矿业活动集中在金沙江、雅砻江、安宁河附近(不超过20 km)，对流域生态环境产生严重的影响[35]. ②从江段来看，1981—2000年，上游ρ(CODMn)总体呈升高趋势，至2000年达到高值后，呈逐年下降趋势；1981—2000年，中游ρ(CODMn)呈波动升高趋势，至2000年和2001年达到极高值，2002年起，长江干流中游段ρ(CODMn)总体呈逐年下降趋势；1981—1985年，下游江段ρ(CODMn)较高，其中1981年焦山尾断面、1983年皖河口断面的ρ(CODMn)超过GB 3838—2002 Ⅲ类水质标准限值；2003年后，长江干流地表水中ρ(CODMn)呈下降趋势，各断面年均值均在2.5 mgL左右，对ρ(CODMn)年均值进行排序后发现上游<中游<下游.

沿程断面ρ(NH3-N)的分析结果(见图9)表明，长江干流上游、中游、下游地表水ρ(NH3-N)在不同时段的变化趋势有所差异. 1981—1990年，上游和中游ρ(NH3-N)呈中幅波动变化，下游呈大幅波动变化，部分年度出现ρ(NH3-N)超标情况. 1991—1995年，上游和下游均为稳定阶段，各断面ρ(NH3-N)均低于0.1 mgL，中游呈现先升后降趋势，1993年达到最高值，后又逐渐降低. 1996—2007年，上游ρ(NH3-N)表现出“M”型变化特征，分别在1999年和2004年达到最高值和次高值；中游和下游ρ(NH3-N)均呈缓慢上升趋势，至2007年前后达到这一阶段的最高值. 2008—2019年，上游、中游和下游ρ(NH3-N)均表现为逐渐下降的规律，近年来降至0.1 mgL以下，达到GB 3838—2002 Ⅰ类水质标准.

1996—2007年，ρ(NH3-N)上升与干流周边生活污水排放量增加有密切关系，也与农田氮肥施用量和流失量的增大有关[1]；长江流域农业耗水率大约为70%，每年有330×108t 左右含高营养物质的农业退水进入长江水系在一定程度上提高了各支流和干流地表水ρ(NH3-N)[10]. 自2006年NH3-N和COD被纳入废水排放约束性指标以来，各级政府及相关部门采取了多项措施从源头进行控制，发布了水污染防治条例、水污染防治行动计划、环境保护“十三五”规划、污染防治攻坚战三年行动计划、“十三五”节能减排综合工作方案等系列政策文件[12-14,21-24]，直接促进了长江干流水质改善[2]，2008—2019年，长江干流ρ(NH3-N)总体呈下降趋势. 2016年以来，在“不搞大开发，共抓大保护”、绿色发展战略等思想指导下，各级政府及相关部门先后在长江经济带开展了环保督查、水源地保护督查、长江入河排污口排查等一系列专项行动，同时大力推进河湖长制，水污染治理力度逐渐加大，这些行动在很大程度上促进了长江流域水质的改善，扭转了部分长江支流和湖泊的严重污染局面，也促进了长江干流水质的转好[12,21,27].

近年来，TP成为长江流域水质主要超标因子[13-14,22,26,28,32]. 2011—2019年，长江上游ρ(TP)先升后降，2013年前后达到最高值后逐渐降低(见图10). 长江中游ρ(TP)也呈现先升后降的趋势，其中荆江口和城陵矶断面在2013年和2014年达到最高值，九江姚港和湖口断面在2017年达到最高值后降低. 从断面ρ(TP)达标情况来看：所选取的11个断面ρ(TP)年均值均高于GB 3838—2002 Ⅰ类水质标准限值(0.02 mgL)；部分年份高于GB 3838—2002 Ⅱ类水质标准限值(0.1 mgL)，为Ⅲ类水质；但所有年份均未超过GB 3838—2002Ⅲ类水质标准限值(0.2 mgL)； 与ρ(CODMn)和ρ(NH3-N)相比，干流TP污染程度高于CODMn和NH3-N. 从不同江段来看，2011—2019年，长江干流上中游ρ(TP)高于下游，长江流域是我国磷矿、磷化工企业和磷石膏库(合称“三磷”)的主要分布区域，中上游尤为集中，与“三磷”的主要分布区总体呈现空间一致性，“三磷”是导致中上游局部区域污染的重要原因[34].

图10 2011—2019年长江干流部分断面ρ(TP)变化趋势Fig.10 Change trends of ρ(TP) for continuous monitoring sites in the mainstream of Yangtze River from 2011 to 2019

3 结论

a) 1981—2019年，我国水环境监测发展迅速，长江干流水环境质量监测的点位不断增多，监测覆盖范围越来越广，监测频次不断加密，技术方法不断改进，质量标准不断加严，更客观全面地反映了长江干流水环境质量.

b) 长江干流历年来水质总体相对较好，2006年以来一直呈好转态势. 2019年，长江干流水质为优，GB 3838—2002Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例为100%. 上游水质好于中下游，水体中ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)和ρ(TP)均低于中下游.

c) 对11个连续监测断面ρ(CODMn)和ρ(NH3-N)年均值的分析结果表明，长江干流上游、中游、下游ρ(CODMn)和ρ(NH3-N)年均值在1981—2000年呈不同的变化特征，但2005年后均呈逐渐降低的变化趋势.

d) 2010—2019年，干流TP污染程度呈先升后降的变化趋势. 近年来，干流断面TP的污染程度高于CODMn和NH3-N，已成为长江流域的首要污染物，应成为今后防控的重点之一.

e) 受“三磷”产业分布影响，长江干流上中游ρ(TP)高于下游，可针对长江流域水环境污染特征，按照“分区控制、分类治理”“突出重点、精准施策”原则，合理制定长江流域水环境污染管控与治理措施，如在上中游加强对TP相关矿业、化工的管控，中下游加大工业和农业面源的污染排放监控力度.

f) 2016年以来，政府的相关管理措施极大改善了长江流域总体水质，也促进了长江干流水质的进一步好转.