三峡水库运行对近坝区水质时空变化的影响分析

黄宇波，潘婷婷，杨霞，范向军，郭棉明

(1.中国长江三峡集团有限公司 流域枢纽运行管理中心,湖北 宜昌 443133;2.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051)

水质是水环境的重要组成部分，由于人类活动强度增大和自然环境变化，河流、湖泊、水库等水体水质受到一定威胁.水质恶化会损害水生生态系统健康，例如造成水生生物多样性下降、水体富营养化等环境问题.分析探讨水质变化的特征和驱动力，对于水资源的合理开发具有重要实践意义.土地利用变化[1-3]、污染排放[4]和水利工程建设对河流水质均会带来一定影响.如杨琴等[5]研究表明旱地与城镇用地是造成淮河流域(河南段)水污染的主要原因[5].白洋淀水质综合污染指数7月最高，2月最低，污染指数排序由大到小为夏季,秋季,春季,冬季[6];闽江流域4至12月水质较好，上游污染物以农业面源污染为主，下游污染源主要为工业废水、生活污水、农业和禽畜养殖污水[7].水利工程包括用于防洪发电的拦河筑坝，用于灌溉饮水修建的水库或调水工程，以及水土保持、滩涂治理等工程.水利工程会改变水质状况，例如河流筑坝会滞留营养物质[8]，降低水环境容量和水体自净能力.同时，水库存在深层缺氧、水温偏低等问题[9].王昱等[10]研究发现外源污染源是导致甘肃黑河水质变差的主要因素，梯级筑坝则是导致水质变差的间接因素[10].

三峡工程在防洪、发电、航运和水资源利用等方面发挥着巨大作用，三峡水库运行对水质的影响也受到专家学者的较多关注.三峡水库蓄水后，坝上呈河道型水库特征，坝下为自然河流形态，受水库运行影响，水库中物质的迁移扩散减弱，导致污染物蓄积[11].同时，流速减缓容易诱发库湾水华等环境问题[12].王丽婧等[13]总结了三峡水库运行后水动力改变对支流回水区水华暴发的“胁迫效益”，以及水动力改变对同等负荷条件下水体危害的“迭加效应”.目前对于三峡大坝上、下游水质特征及其与调度的关系有一定研究[14-15]，而针对敏感水域如近坝区的水质状况研究较少，水质参数在长时间尺度上对水库调度的响应还不够清楚.为阐明三峡水库运行对近坝区水质特征的影响，本研究通过分析2015-2019年近坝区主要水质参数，探究近坝区水体水质在不同调度时期的分布特征和变化趋势，以期为水库水资源管理和保护提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

三峡枢纽区位于湖北省宜昌市夷陵区，东至乐天溪大桥，西至秭归县城，南到鸡公岭，北到乐天溪镇八河口村，总面积约12.8 km2，辖区内污染源来自水电生产、生活、旅游、航运等社会经济活动.三峡枢纽区近坝区水域是重要的饮用水水源地，为三峡坝区及秭归县提供生活用水.本研究在三峡大坝的坝前和坝下水域进行水质样品采集，上下游纵向距离为10 km，其中坝前水域设有上游太平溪(S1)、上引航道(S2)和副坝(S3)3个断面，坝下设有下引航道(S4)和乐天溪断面(S5)2个断面(样点布设见图1).

干流及近岸监测包括干流太平溪与乐天溪两个断面，每个断面在左岸、中泓、右岸布设3条采样垂线，以及左岸上引航道和下引航道、右岸副坝的3个测点.采样频次为每月1次，采样方法参照《水环境监测规范》(SL219-2013).水温、pH值、电导率、溶解氧采用便携式水质分析仪HQ40d(美国)现场测定，其余指标测定参照《水和废水监测方法》[16].水质数据主要为三峡集团流域管理中心组织开展的《三峡枢纽区生态与环境监测》，水位、流量数据摘自中国长江三峡集团有限公司水情信息.

1.2 统计分析

将样点以三峡大坝为界划分为坝上(S1-S3)和坝下(S4-S5).根据水库全年调度运行规律划分为4期，第1期为消落期(1至5月)，第2期为低水位时期(6至8月)，第3期为蓄水期(9至10月)，第4期为高水位时期(11至12月).采用方差分析比较水质参数在不同运行期的差异，采用Spearman相关分析检验2015-2019年入库流量(Q1)、出库流量(Q2)、库区水位与水质参数的关系，采用主成分分析近坝区不同运行时期水质变化的主导因子；方差分析和相关分析用SPSS 19 完成，PCA分析及作图在R软件中用FactoMineR包完成.所有的检验以P<0.05作为显著水平.

2 结 果

2.1 三峡水库出、入库流量与库区水位特征

三峡水库库区水位及出、入库流量逐月变化过程如图2所示，三峡水库随季节进行水位调控，消落期水位开始下降；低水位时期平均入库流量达到全年峰值，为21 674.53 m3/s，平均水位降至最低148.34 m；蓄水期，水位逐渐上升；到高水位维持在175 m左右，平均入库流量由18 677.8 m3/s降至8 169.4 m3/s，平均出库流量由15 049.3 m3/s降至8 360.2 m3/s.

2.2 水质变化特征

近坝区水体水质在不同运行期的均值见表1.研究区域整体为弱碱性，近坝区水质评价执行国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)(TN，FC不参评)，近坝水域全年均达到Ⅲ类水质标准，其中1，4期为Ⅱ类，2，3期由于TP质量浓度上升，达到Ⅲ类.近坝水域水质参数空间差异不显著.

分析坝上水域水质可知，pH值在第4期显著高于1～3期(P<0.05)，DO在1，4期显著高于2，3期(P<0.05).COD在2，3期显著高于1期，低于4期(P<0.05).TN,FC在2期高于其他时期，NH3-N 4期最高，BOD5，TP在各运行期无显著差异.

分析坝下水域水质参数发现，pH，DO在1，4期的值高于2，3期，其中pH值1，4期显著大于2，3期(P<0.05)，1，4期之间无差异；DO质量浓度1期显著大于4期，也显著大于2，3期(P<0.05).2期BOD5，COD，TP，TN，FC高于其他运行期.

表1 2015-2019年三峡近坝区不同运行期各水质参数均值

2.3 水质长期变化趋势

为探究水库运行后库区水质的长期变化趋势，应用Mann-Kendall'test分别对坝上、坝下以及所有样点的水质参数变化趋势进行分析(见表2)，结果表明,坝上TN，TP，FC浓度呈逐年显著降低趋势；与2015年相比，坝下NH3-N有一定升高，TP，TN质量浓度显著降低.对所有样点的参数趋势分析显示，DO，pH，NH3-N呈逐年显著升高趋势，而TP，TN，FC浓度显著降低，其他水质参数无明显变化.研究表明近年来长江流域Ⅰ至Ⅲ类水质断面比例上升7.2个百分点，说明三峡近坝区水域水质逐步改善,与长江流域水质整体好转的趋势一致[17].TN，TP，FC浓度持续降低说明近年来长江保护工作取得一定成效，通过采取水土保持、污染物总量控制、污水治理等措施，有效改善了水质[18].

表2 各水质参数的Mann-Kendall'test的Z得分

2.4 相关性分析

水质参数与Q1,Q2和库区水位进行Spearman相关分析可知(表3)，近坝区DO，pH与Q1,Q2显著负相关(P<0.01)，而与库区水位正相关(P<0.01).COD，FC，NH3-N与Q1,Q2显著正相关(P<0.05)，与水位显著负相关(P<0.05).TP，TN均与库区水位显著负相关，TN仅与Q2正相关，而TP与Q1,Q2无显著相关关系.BOD5在坝上水域与Q1,Q2无显著关系，但在坝下水域与Q1,Q2显著正相关(P<0.05).

表3 水质参数与入库流量、出库流量、库区水位相关性系数

对坝上水域水质参数进行主成分分析(图3)，结果表明，前2个主成分(Dim1和Dim2)解释了75.30%的变量变化，第一主成分中DO，Q1，Q2得分系数较高，反映了短期水文变化引起的水质参数(DO)的变化(表4).第二主成分中COD，BOD5，NH3-N得分系数较高，反映了有机污染物对水质的影响.第三主成分中TP，TN，FC，库区水位(water level,WL)得分系数高，反映了水位变化对水质参数的影响.将所有样本按照不同运行期分组，环境参数在组内箭头长短表示影响的大小.分析结果表明，1期和4期水质的主要影响参数为DO，2期和3期水质的主要影响参数为TP，TN和FC.

表4 三峡大坝坝上水域主成分得分系数表

坝下水域水质参数主成分分析表明(图4)，前2个主成分(Dim1和Dim2)解释了70.70%的变量变化，第一主成分中，DO，COD，FC，Q1得分系数高，反映了短期水文变化引起的水质参数变化；第二主成分中，TP，TN，库区水位(WL)得分系数较高，反映了水位对营养盐的影响；第三主成分中， BOD5，NH3-N，Q2得分系数高，反映了Q2对区域污染因子的影响(表5).1，4期水质的主要影响参数为DO，2期水质的主要影响参数为COD，NH3-N，FC，TN，3期水质的影响参数在2期的基础上增加BOD5和TP(图4).

表5 三峡大坝坝下水域主成分得分系数表

3 讨 论

三峡水库运行对近坝区水质的影响既有水库调度与季节的交互效应，也有水文情势改变后对部分物质迁移转化的影响.

按照GB 3838—2002水质标准，年内高水位时期(4期)和消落期(1期)水质为Ⅱ类，低水位期(2期)TP质量浓度上升，水质出现Ⅲ类.DO在高水位和消落期高于其他时期，坝上TN，FC在低水位期高于其他时期;坝下COD，BOD5，TP，TN，FC在低水位期最高(表1).由此可见，部分污染物浓度在低水位期增大.

坝上与坝下水质在不同调度运行阶段的影响参数不同.坝上主成分分析表明，高水位期(11至12月)和消落期(1至5月)影响水质的主要参数为DO，低水位(6至8月)和蓄水期(9至10月)主要为TP，FC(图3).DO与Q1,Q2在第一主成分中得分系数高(表4)，反映了流量变化影响水体产氧与好氧过程.高水位时期，流量较小，近坝区藻类生长，有利于产氧，DO含量升高，而随着消落期流量逐渐增大，水体浊度增大，近坝区干流藻类生长受抑制.由于坝上COD，NH3-N，FC与Q1显著正相关(表3)，说明流量增加使得水体中陆源输入的污染物增加，导致耗氧过程增强，使DO降低.COD，NH3-N，BOD5在第二主成分中得分系数高，主要反映了水质污染状况.近坝COD，NH3-N，BOD5更多来源于城镇生产生活、船舶污染排放，近坝区在低水位时期漂浮物聚集，也会导致COD，NH3-N质量浓度升高[19].研究表明NH3-N与BOD5在蓄水前后基本没有变化[20]，说明外源污染是主因.TP，TN，FC和水位在第三主成分中得分系数高，反映了水位变化带来的水体营养改变.当三峡水库处于高水位和消落期时，库区蓄积的水量大，水库对污染物的稀释作用强，并且此时流量小，有利于TP，FC等颗粒态为主的营养物质的沉降，导致TP，FC降低.在低水位时期和蓄水期，处于长江流域雨季，FC与Q1,Q2显著正相关(表3)，说明此时水质变化主要受降雨径流冲刷的面源污染输入影响.

坝下主成分分析表明，高水位期和消落期的主要影响参数为DO(图4)，低水位运行阶段，水质主要影响参数为NH3-N，COD和FC，坝下蓄水期的主要影响参数为BOD5，COD，TP，TN，NH3-N，FC.第一主成分中，DO，COD，FC和Q1的得分系数高(表5)，COD是反映受工农业、生活有机污染物和还原性无机物质污染程度的指标[21-22]，FC则是生活排污指标，说明坝下水质与上游来流生产生活面源污染物输入有关.第三主成分中， BOD5，NH3-N和Q2得分系数高(表5)，说明BOD5和NH3-N受Q2影响.研究表明，Q2在雨季时较大，会加剧坝下河流底部扰动，促进有机氮向NH3-N转化进入水体，是NH3-N升高的原因之一[23].除此以外，BOD5和NH3-N来自于生活排污和主要支流汇入(高家溪)，随着近坝区城镇生活和旅游人数增加以及翻坝航运增长，坝下的BOD5和NH3-N增加.相关分析显示，坝下BOD5和NH3-N与Q1，Q2显著正相关(表3)，说明库区汇集的面源污染物随出库进入到坝下，进一步升高了坝下BOD5和NH3-N质量浓度，导致近年来NH3-N质量浓度显著增加(表2)，因此，坝下水质受外源污染与水库运行的交互影响.

分析表明，近坝水域TN和TP受水位影响显著(表3)，且TN,TP质量浓度近5年来显著下降(表2).TN，TP呈降低趋势，一方面得益于移民政策和水库环境保护措施，使得三峡库区农业化肥施用量降低，城镇污水处理厂增加，减少了TN，TP的负荷[24].另一方面是由于水库运行后，水位抬升，水库的自净能力有所增加.长江中上游梯级水库的相继运行，有效减少了长江泥沙含量，颗粒污染物随之降低.长江流域磷矿资源丰富，磷肥、磷石膏等企业多沿河而建，水体TP质量浓度与面源污染有关，泥沙颗粒物对氮、磷有一定吸附作用[25]，水库中颗粒物的沉降促进了氮、磷等物质的沉降，是近十年来TP含量下降的重要原因[26]，对COD等其他物质降低也有一定作用[27].与浅水湖泊相比，深水水库中营养物质沉降后，进入内源循环过程比较缓慢，污染物以吸附为主，难以进入上层水体，这是深水湖泊和水库控制外源污染比浅水湖泊更有效的原因[28].因此，水库运行改变了水文情势，随之改变了TN，TP的迁移转化过程，一定程度上促进了TN，TP质量浓度的下降.

4 结 论

(1)三峡水库近坝区水质空间差异不大，时间差异显著.主成分分析显示坝上水域水质主要受季节因素影响，坝下水域水质受水库运行与季节因素的交互影响.高水位和消落期水质优于低水位和蓄水期水质，且高水位和消落期水质主要影响参数为DO；坝上低水位和蓄水期影响水质的主要参数为TP和FC，坝下低水位期影响水质的主要参数为COD，NH3-N，FC，TN，蓄水期为TN，TP，BOD5，NH3-N，COD和FC.

(2)水库运行改变了水文情势，一定程度上促进了近坝水域TN，TP质量浓度的下降，但是受旅游、航运等人类活动的影响，坝下NH3-N有升高趋势.控制面源污染，提高近坝区域城镇污水收集处理率，加大船舶污染治理，是改善近坝区水坝的重要措施.