三峡水库磷输移规律研究

王殿常，吴兴华

（中国长江三峡集团有限公司，北京 100038）

1 研究背景

三峡工程位于湖北省宜昌市三斗坪镇，是当今世界上最大的水利枢纽工程。三峡工程建成以来，发挥了巨大的防洪、发电、航运、水资源利用和生态保护等综合效益。水库修建后通常会出现一系列复杂的问题，如泥沙淤积、生态环境和地质灾害等［1］。在三峡水库的论证阶段，社会主要关注的是水库泥沙淤积问题［2-4］。从目前三峡水库运行的实践来看，库区泥沙淤积小于论证阶段，确保了泥沙淤积的工程安全。相反，与三峡水库运行相关的泥沙变化带来的生态环境效应，成为大家日益关注的重点［5-8］。

河流是生物地球化学循环的重要通道，通过人类活动输入陆地系统的营养盐有很大一部分通过河流输送至海洋［9-10］。泥沙颗粒是河流输送营养盐的重要载体［11］，水沙过程的变化会导致营养盐输移发生改变。磷是水生生物初级生产力的基础元素，是水生植物生长所必须的营养盐，也是引起水体富营养化的关键因子；水库运行拦截泥沙的同时也拦截了部分泥沙所承载的磷［12-14］。定量分析水库运行过程中磷的输移规律，对于明晰水库泥沙的生态环境效应十分重要。

关于河流中磷输移规律的研究，主要有以下几种方法：①根据控制断面的实测磷浓度及水文数据，分析磷输移特征。以三峡水库为例，Ran等［15］分析2007年4—5月的实测数据指出，44%的总磷（TP）和86%的颗粒态磷（PP）在三峡库区滞留；Ding等［16］利用2009年8—10月的巡测数据发现，库区沉积的TP、PP和溶解磷（DP）分别占入库的24.2%、30.8%和22.2%；但这些研究多为某一时段或某次巡测结果，缺少长系列资料，难以涵盖建库前后、汛期和非汛期等重要时段。②建立磷与水沙输移间的统计关系，结合水文长序列数据，分析磷输移的时空变化。例如：Zhou等［5］采用2002—2004年的实测数据，建立磷负荷与输沙率间的统计关系，结合1950—2011年的水沙数据，分析上游水库对长江中下游磷负荷的影响；结果表明，2003—2011年进入长江中下游的多年平均沙量比1950—1990年减少91%，TP减少77%。值得注意的是，所建立的统计关系的适用性和普遍性，对于该方法的应用至关重要［17］。③建立磷输移数学模型，模拟研究磷在河流中的输移特性［18-19］。比如：Huang等［6］建立水动力-泥沙-磷迁移的分相模型，并将模型应用于三峡水库；计算表明，2003—2011年，三峡水库排沙比为27.4%，约51.4%的TP在库区沉积。Liu等［20］采用Integrated Model to Assess the Global Envi⁃ronment-Global Nutrient Model（IMAGE-GNM），发现约10%的入库TP在三峡水库中滞留。数学模型研究需要重点考虑其对泥沙作用概化的合理性，以及模型参数的不确定性和敏感性等［21］。

实测数据分析基本可靠，但长序列数据获取较难；统计分析和数学模型可进行预测，但预测精度受模型、数据完整性等的影响。现有的三峡水库磷输移研究，覆盖的时间范围通常较窄，无法准确反映建库前后的变化；且受数据可获取性等限制，不同研究者的研究结果差别较大，关于三峡水库运行对磷输移的影响仍缺少共识。本文将定量分析1997—2017年三峡水库的流量、含沙量和磷浓度数据，旨在解析三峡水库的磷输移规律，为揭示三峡水库泥沙变化对生态环境的影响提供参考。

2 数据和方法

本文以三峡水库为研究对象，分析其磷输移规律；涉及干流的朱沱、铜罐驿、寸滩、清溪场、万县、官渡口、南津关，以及嘉陵江的北碚、乌江的武隆等监测断面，见图1。2003—2017年，朱沱、北碚和武隆的多年平均径流量分别为2530、632.6 和439.4 亿m3［22］；刘尚武等［23］的分析结果表明，2003—2016年，三峡水库区间入库的年径流量变化在175-620 亿m3之间（年均346 亿m3），占总入库径流量的8.2%，即超过90%的三峡入库径流量来自上游干流、嘉陵江和乌江。

图1 监测断面分布

所用数据来自长江三峡工程生态与环境监测系统、长江水文局的原始测量数据。时间范围为1997—2017年（部分站点缺少部分年份的数据：朱沱、铜罐驿、北碚断面在1997—2001年的TP和DP数据；南津关断面在1997、2016—2017年的TP 数据和2016—2017年的DP 数据），主要包括逐日的流量、含沙量，以及逐月的TP 和DP 浓度。对于每一个监测断面，按照断面宽度设置1-3 条采样垂线，在采样垂线上结合水深设置1-3 个采样点。其中，TP 和DP 的监测方法参照《水环境监测规范》（SL 219-2013）［24］，即：国家重点水质站每月采样1次，全年不少于12次（为保证水质监测资料的可比性，采样时间统一规定在当月20日前完成，同一河段或水域的采样时间宜安排在同一时间段进行）；TP为浑水样对应的磷浓度，DP为0.45 μm滤膜过滤后上清液中的磷浓度［25］，定义PP为TP与DP之差。

综合考虑上游输入Linput、库区沉积Lretention、以及出库负荷Loutput，开展质量平衡计算，如图2 所示，涉及径流、输沙、TP和DP等。上游输入包括长江干流、嘉陵江和乌江，以南津关为出库断面。中国水利水电科学研究院等［25］基于2010年的实测数据发现，三峡库区区间的磷汇入量仅占入库总量的2.38%，故本文暂时忽略库区区间汇入。即：

图2 质量平衡计算示意

由于朱沱断面缺少1997—2001年的磷数据，为了数据分析的一致性，统一采用“寸滩+武隆”作为入库负荷，结合出库负荷，计算三峡水库的拦截率IR：

由式（2）可知，若以2.38%的区间磷汇入量来计，忽略库区区间汇入，会导致“1-IR”计算值偏大的比例为2.44%。

3 结果与分析

本节主要从磷浓度时空分布特征和磷负荷变化两个方面，分析三峡水库的磷输移规律。图3给出了1997—2017年寸滩和南津关断面的含沙量、TP和DP浓度的变化情况，图中的Ⅲ、Ⅴ分别代表地表水Ⅲ类、Ⅴ类水质标准对应的总磷浓度，即0.2 和0.4 mg/L。三峡水库于2003年6月1日开始蓄水，长江上游向家坝、溪洛渡水库分别于2012年10月10日和2013年5月4日下闸开始蓄水，如图中灰色虚线所示。

图3 寸滩和南津关断面的含沙量、总磷和溶解磷浓度变化

由图可知，南津关断面的含沙量在2003年以后显著降低，2013年以后进一步减小；而寸滩断面的含沙量在2013年以后显著降低。寸滩断面的TP 浓度在2003—2012年具有明显的汛期高、非汛期

低的特点，与含沙量变化有着较好的对应关系；2013年以后，TP 浓度呈下降趋势，而DP 含量有所增加。南津关断面的TP浓度在2003年以前略有增加，2003年以后有所减小，而2013年以后DP浓度增加，TP浓度以DP为主。鉴于上述分析，可以2003年和2013年作为时间节点，将1997—2017年划分为3个时段进行对比分析，即：1997—2002年代表水库蓄水前；2003—2012年主要代表三峡水库蓄水；2013—2017年代表上游水库群蓄水。

3.1 磷浓度等时空分布特征 图4给出了三峡库区流量、含沙量、TP和DP浓度在不同时间段的沿程变化情况。2003年以来，清溪场以下各断面的流量略有减小。1997—2002年，寸滩-南津关区间的含沙量变化不大，南津关的含沙量略小于寸滩。2003—2012年，由于上游水保工程与部分支流水库运行，寸滩断面的含沙量相比1997—2002年有所减小；同时，大量泥沙在三峡库区淤积，导致出库含沙量显著减小。2013—2017年，长江上游向家坝、溪洛渡等水库相继运行后，朱沱、寸滩断面的含沙量进一步大幅减小（减幅约70%）；部分泥沙在三峡水库淤积，但淤积量小于2003—2012年。

图4 流量、含沙量、总磷和溶解磷浓度在不同时间段的沿程变化情况

1997—2002年，沿程TP浓度基本平稳，在0.18～0.22 mg/L范围内，自万县以下有所减小。2003—2012年，寸滩断面的TP浓度相比1997—2002年有一定幅度的升高；三峡水库运行导致大量泥沙淤积的同时，也拦截了部分泥沙颗粒承载的磷，故库区TP浓度沿程减小的趋势较为明显。2013—2017年，与含沙量变化类似，上游水库群逐渐运行后，朱沱、寸滩断面的TP浓度相比2003—2012年有大幅减小（减幅约40%）；同样，部分TP随泥沙颗粒在三峡水库滞留，但TP浓度减幅小于2003—2012年。

三峡水库蓄水前，DP浓度沿程变化不太明显，约为0.06 mg/L，沿程略有增加。2003—2012年，清溪场断面的DP 浓度相比1997—2002年略有增加，主要是支流乌江汇入（武隆断面）的变化引起的（如图5所示，武隆断面的磷浓度在2005—2007年以后快速升高，且以溶解磷为主）；三峡水库拦截泥沙和TP的过程中，部分DP转变为PP在库区沉积，而干支流的磷交换、支流水华等也会影响DP的迁移转化［26］，故万县以下的DP 浓度有所减小。2013—2017年，沿程的DP 浓度较1997—2002年和2003—2012年整体上有所升高；朱沱、寸滩断面在TP 浓度减小的情况下DP 浓度却有明显的增长，可能是上游向家坝、溪洛渡等水库运行以及沿程污染物排放（以DP为主）的共同作用；与2003—2012年不同，万县以下的DP浓度变化不明显，这说明由于入库含沙量相对较低，DP转变为PP而在库区沉积的作用相对不显著，使得DP更容易输送到下游河段。

图5 北碚和武隆断面的总磷和溶解磷浓度变化

3.2 磷负荷变化分析 1997—2017年，三峡水库径流、泥沙、TP 和DP 的质量平衡计算结果如表1所示，考虑汛期（6—9月）和非汛期（10—5月）的差别。如前所述，由于朱沱断面缺少1997—2001年的磷浓度数据，为了数据分析的一致性，各变量统一采用“寸滩+武隆”作为入库负荷，同时以南津关为出库断面。

表1 三峡库区径流、泥沙、总磷及溶解磷负荷的质量平衡计算

由表1可知，各时段的径流拦截率均为负值，约为-10%；如前文所述，三峡水库区间入库的年径流量占总入库径流量的8.2%（2003—2016年）［27］，故该径流拦截率主要是未考虑库区其他支流及区间汇入。河道输沙以汛期为主，各断面的汛期输沙量占全年的73.7-96.2%。泥沙拦截率在1997—2002年为负值，主要反映了未建坝时期自然条件下的河道冲刷、支流汇入及区间产沙等情况（2003—2016年，三峡水库区间的年均入库沙量为1775 万t，占总入库沙量的10.3%［28］）；2003—2012年和2013—2017年，库区的泥沙拦截率（全年）分别为75.0%和78.3%，非汛期的拦截率相对更高，接近90%。受库区拦截作用的影响，南津关断面的年输沙量从1997—2002年的4.009 亿t/a，减小到2003—2012年的0.478 亿t/a、2013—2017年的0.127 亿t/a，减幅分别为88.1%和96.8%；其中，汛期分别减小87.3%和96.6%，非汛期分别减小95.0%和98.5%。

图6进一步给出了入库断面（寸滩+武隆）、出库断面南津关在不同时段、汛期和非汛期的磷负荷情况，以及相应的库区磷拦截率。1997—2002年，进入三峡水库区间的年均TP 负荷为12.07 万t（汛期和非汛期分别为10.14和1.93万t，即三峡水库区间的磷输移以汛期为主），DP负荷为2.05万t；区间年平均滞留TP 2.98万t、DP-0.79万t，对应的TP和DP拦截率分别为24.7%和-41.5%；其中，非汛期基本不存在磷滞留（包括TP和DP）。2003—2012年，三峡水库入库的年均TP负荷为13.31万t，DP负荷为2.39万t，与1997—2002年接近；三峡库区年平均拦截TP 7.96万t、DP 0.35万t，对应的TP和DP拦截率分别为59.8%和14.6%；非汛期和汛期的磷拦截情况相似，且TP和DP均在库区发生滞留，但水库运行对TP 的拦截率更高，即以PP 拦截为主。2013—2017年，向家坝、溪洛渡等上游水库相继运行，加之沿程点源污染排放强度的增加（以DP为主），入库TP负荷（6.37万t）相比1997—2002年和2003—2012年减少约一半，但DP负荷（3.36万t）增加约40%，故DP所占比例相应抬升，三峡水库运行对磷的拦截作用明显减弱，尤其是非汛期；具体地，三峡库区年平均拦截TP 0.91万t、DP-0.62万t，对应的TP和DP拦截率分别为14.4%和-18.5%。总体上，三个时段的全年磷拦截率均与汛期类似（见图6c），即主要受汛期的磷输移规律的影响。

图6 入出库磷负荷及库区磷拦截率的变化（注：颗粒磷负荷=总磷负荷-溶解磷负荷）

相应地，南津关断面的年均TP负荷从1997—2002年的9.09万t，减小为2003—2012年的5.35万t、2013—2017年的5.45万t，减幅分别为41.1%和40.0%；其中，汛期分别减小39.0%和52.2%，非汛期分别减小45.7%和13.8%。年均DP负荷从1997—2002年的2.90万t，减小为2003—2012年的2.04万t，而又增至2013—2017年的3.99 万t，变幅分别为-30.0%和36.7%；其中，汛期分别变化-33.1%和12.4%，非汛期分别变化-24.5%和74.3%。总体上，磷负荷的变化幅度要小于输沙量变化。

值得注意的是，上述磷负荷分析结果是基于逐月磷浓度数据的（每月监测1次），水质与水沙数据监测频率的差异，可能带来一定的系统误差［27］。由表1可知，2003—2012年和2013—2017年的三峡库区泥沙淤积量分别为1.431亿t/a和0.459亿t/a（即：寸滩+武隆-南津关）；考虑到两个时段拦截的PP 负荷（即：拦截的TP 负荷-拦截的DP 负荷）分别为7.61 万t/a（=7.96-0.35）和1.53 万t/a（=0.91-（-0.62）），故结合泥沙淤积量，可近似估算得到PP浓度分别为0.53 mg/g和0.33 mg/g，与实测值较为吻合［28］，从侧面说明了上述分析结果的合理性。唐小娅等［28］通过建立TP负荷和输沙量的统计模型，得到2008—2012年和2013—2016年的三峡水库TP拦截率分别为49.8%和12.0%，也与本文结果接近。

4 讨论

在前文分析三峡水库磷输移规律的基础上，本节将进一步探讨泥沙对磷输移的作用，主要体现在“源”和“汇（缓冲）”两个方面［29］。磷的来源主要包括面源和点源两部分，降雨过程等引起坡面侵蚀，同时携带部分磷进入河流，故泥沙对磷输移起到“源”的作用；此外，城市工业废水和城镇生活污水排放等，也增加了河流中的磷含量（尤其是DP），而泥沙含量的多寡可调节水体中DP和PP的分配关系、泥沙的沉降作用导致磷在床面的沉积，即对磷输移起到“汇（缓冲）”的作用。不同时期、不同河段磷来源的差异性，将导致泥沙与磷输移之间关系的复杂性。

图7 给出了寸滩、万县和南津关断面在汛期与非汛期的“TP-含沙量”关系（数据范围：1997—2017年）；同时，寸滩、南津关断面在不同时段的“TP-含沙量”关系如图8所示。由图7和图8可知，“TP-含沙量”关系存在以下特点：①总体上，TP 浓度随含沙量的增加而增加；②汛期、非汛期的“TP-含沙量”关系差异显著，且汛期的拟合曲线相关性优于非汛期（可决系数分别为0.35-0.41 和0.10），主要是因为非汛期的点源排放占比更大；③不同断面对应的“TP-含沙量”关系存在差异，尤其是汛期（图7分别给出了寸滩、万县和南津关断面的汛期“TP-含沙量”曲线的拟合表达式，相同含沙量条件下，下游断面的TP浓度低于上游断面，尤其是坝下南津关断面）；④不同时段的“TP-含沙量”关系也差异明显，尤其是上游断面（如寸滩，见图8）；⑤高含沙量对应的TP 浓度变化范围较广（离散程度较高），即不确定性高。

图7 典型断面汛期与非汛期的总磷浓度与含沙量、流量关系曲线（汛期6-9月，非汛期10-5月）

图8 寸滩、南津关断面不同时段的总磷浓度与含沙量、流量关系曲线

此外，图7和图8还分别给出了不同断面、不同时段的“TP-流量”关系。TP浓度随流量的增加而增加；但与“TP-含沙量”关系类似，汛期与非汛期、不同断面、以及不同时段的“TP-流量”关系也均存在差异。总体上，“TP-流量”关系要略差于“TP-含沙量”关系，也反映了泥沙输移对磷时空分布的重要影响（“源”）。

图9给出了DP和TP的比值与含沙量的关系，当含沙量较高时，DP所占比例较小，使DP维持在相对稳定的较小值，水体中的磷大部分以颗粒态形式存在，更容易跟随泥沙颗粒在库区沉积而被拦截；反之，当含沙量较小时，DP所占比例相对较大，DP与TP的周期性变化趋势相似，水体中的磷更容易被输运至下游河道。故含沙量越高，对水体中磷的调制作用越强，泥沙沉降等对磷输移规律的影响也越大（“汇（缓冲）”）。此外，相同含沙量下的DP/TP变幅较大（约为0.6），受含沙量以外的其他因素影响，具有较高的不确定性。

图9 DP/TP与含沙量的关系

对比不同断面可知，低含沙量条件下（小于0.1 kg/m3）的南津关断面DP/TP值较小，可能是因为其泥沙颗粒较细（2003—2017年，寸滩、万县和南津关断面的悬沙中值粒径分别为0.010、0.007 和0.006 mm［22］），对磷的吸附能力更强，故DP 占比相对较低；而高含沙量条件下的DP/TP 值可能受更多因素的影响。

基于前面的分析，图10 给出了不同时段的三峡水库磷输移示意图。1997—2002年，三峡水库尚未运行，进入三峡水库区间的磷基本上都被输运至下游；但因含沙量较高，输运至下游的磷更多地以颗粒态形式存在。2003—2012年，在入库量变化不大的情况下，水库拦截泥沙，同时导致TP和DP含量减少，水库对磷输移起到重要的“汇”的作用。2013—2017年之前（即2003—2012年）在三峡库区淤积的泥沙，被上游水库群提前拦截了，减少了三峡水库的泥沙淤积量；但同时，也使得这部分泥沙对入库磷的缓冲作用无法发挥，伴随着汇流区点源污染排放的增加（如：三峡库区城镇生活污水排放量从2005年的4.09 亿t 增至2015年的8.15亿t，引自《长江三峡工程生态与环境监测公报》），沿程DP浓度整体抬升，DP与TP比值升高（见图4）。由于DP浓度抬升和DP/TP比值升高，进入三峡库区的磷也被更多地输运至下游河道，如图10所示。

图10 不同时段的磷输移示意图（箭头粗细反映负荷大小）

因此，针对近年来泥沙及磷输移的新态势，需要减少沿程的点源、面源磷排放，同时通过水库群调度使得更多的泥沙输运至下游，发挥其对磷输移的缓冲作用［30］。

5 结论与建议

本文利用1997—2017年三峡水库实测流量、含沙量和磷浓度数据，分析了不同时段三峡水库的磷输移规律及其对长江中下游磷通量的影响。主要结论如下：（1）三峡水库运行导致泥沙淤积的同时，也拦截了部分泥沙颗粒承载的磷；以2003—2012年为例，忽略库区区间汇入的影响，基于逐月磷浓度数据，三峡库区的TP和DP拦截率分别为59.8%和14.6%；全年的库区磷拦截率主要受汛期的磷输移规律的影响；（2）2013—2017年，长江上游向家坝、溪洛渡等水库运行后，三峡水库入库含沙量大幅减小，加之汇流区点源污染排放强度的增加（以DP为主），使得DP/TP比值升高，入库磷被更多地输运至下游河道，三峡库区的TP和DP拦截率分别为14.4%和-18.5%；（3）泥沙对磷输移具有重要的“源”和“汇（缓冲）”作用。总体上，TP 浓度随含沙量的增加而增加，但汛期与非汛期、不同断面、以及不同时段的关系曲线存在差异；泥沙含量的多寡可调节水体中DP 和PP 的分配关系，且含沙量越高，对水体中磷的调制作用越强。

本文所用的数据是现阶段能掌握的最全的三峡库区实测磷序列，得到的结果较为可靠。尽管如此，逐月的磷浓度监测数据，也不可避免地会带来一定的系统误差；同时，三峡水库运行前的数据序列也相对较短（1997—2002年）。故今后将不断收集和补充新的数据，尤其是连续高频监测的数据和更长序列的历史数据，以丰富和完善本文结果；并注重与其他方法的结合，尤其是具有机理的数学模型（弥补实测数据的不足），以预测并指导水库运行。此外，未来上游水库群的作用会逐渐显现，使得上游干流来磷量减少，嘉陵江、乌江等支流、以及库区区间来磷量占比增加，故需要进一步考虑上游水库群的综合作用、重视支流及库区区间磷输入等。

致谢：感谢生态环境部长江流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心的数据支持！