三峡水库蓄水前后库区及坝下游水质变化与成因探讨

2016-12-15彭春兰江玉姣张馨月

水利水电快报 2016年11期

关键词：三峡水库渡口蓄水

彭春兰江玉姣张馨月

(长江委水文局长江三峡水环境监测中心,湖北宜昌 443000)

三峡水库蓄水前后库区及坝下游水质变化与成因探讨

彭春兰江玉姣张馨月

(长江委水文局长江三峡水环境监测中心,湖北宜昌 443000)

为了解三峡水库运行对大坝上下游水质的影响，同时为三峡江段水质保护提供参考，根据长江三峡水环境监测中心在三峡库区官渡口和坝下南津关两个重要断面1998～2012年间的水质监测资料，比对分析了水库蓄水前后部分水质指标的年际和年内变化特征，并探讨其成因。结果表明，2003年三峡水库135 m蓄水成功后，水体中SS和重金属等指标浓度下降，TP等营养盐指标浓度呈不同程度减小，DO等氧平衡指标浓度总体下降。由此可得：三峡水库运行对库区及坝下游水体水质有积极影响；水库运行后，水流变缓，泥沙沉降，使得水体含沙量明显减少，污染物浓度也相应降低，泥沙吸附沉降作用对减少大多数水体污染物的作用不可小觑；但库区中吸附了大量水体污染物的泥沙，如果再悬浮，会对长江干流水质产生不利影响，应密切关注库区水体泥沙含量的变化规律。

蓄水前后；污染物；水质检测；水体泥沙含量；三峡水利枢纽

举世瞩目的大型水电工程——三峡工程，于1997年11月8日截流，2003年6月1日正式蓄水，6月10日蓄至135 m水位，运行平稳。至今三峡水库已成功经历3次蓄水阶段，除去蓄水实施年份2003、2006和2008年，将不同的实际运行水位所对应年份划分为表1所示的4个阶段，其运行对长江水环境质量的影响一直备受关注。三峡水库蓄水后，由天然河道演变成一个狭长的河道型水库，各项水文要素均发生很大变化，如库容增大、水深加大，流速减小等；相应地带来水环境要素的改变，如污染物扩散能力降低，库区及下游水域污染物浓度、分布均发生改变。

表1 三峡水库不同水位运行代表时段[1] m

本文涉及的水文断面如下。

(1) 官渡口断面。位于三峡大坝上游75 km，属于三峡水库135 m蓄水库区断面。

(2) 南津关断面。位于三峡大坝下游35 km与葛洲坝之间，属于长江干流断面。

1 数据获取与分析方法

为获取三峡水库蓄水对长江干流水质影响的基本资料及蓄水前后水质的变化趋势，重点择取了长江三峡水环境监测中心1998～2012年库区官渡口和三峡大坝下游南津关两个特征断面的水质监测资料进行分析。

监测频率为每月一次，时间为每月上旬，断面参数值为实测断面均值，年度均值为年内12个月份参数值的算术平均值。监测样品通常采用澄清样，部分参数同时监测了浑样、澄清样和过滤样。浑样即水样采集后摇匀后得到的样品；澄清样即水样采集后静置30 min后所得上层样品；过滤样即水样采集后经 0.45μm滤膜过滤得到的样品。

年度水期划分为丰水期(5～9月)、枯水期(12～2月)和平水期(3，4，10月和11月)。

监测的水质参数主要包括氧平衡指标(溶解氧DO、高锰酸盐指数CODMn、生化需氧量BOD5等)；营养盐指标(氨氮NH3-N、总氮TN、总磷TP等)；重金属指标(铜Cu、铅Pb等)和悬浮物指标(悬浮物SS)等。根据蓄水前后水质变化情况，分别对以上4个方面的指标进行比对分析。

2 数据分析结果

2.1 蓄水前后各因子年际变化

除悬浮物为浑样以外，其余分析水样均为澄清样。

2.1.1 氧平衡指标分析

本文分析的氧平衡指标主要包括DO、CODMn和BOD5。图1～3分别为官渡口断面和南津关断面1998～2012年间的DO、 CODMn和BOD5的浓度变化图。

图1 蓄水前后的DO浓度变化

图2 蓄水前后的CODMn浓度变化

图3 蓄水前后的BOD5浓度变化

如图1所示，2003年首次蓄水后，2004～2012年间库区官渡口断面和坝下南津关断面监测的DO浓度较蓄水前1998～2002年低，但下降幅度不大。经统计分析可知，官渡口蓄水前的DO浓度平均值为8.79 mg/ L，蓄水后7.22 mg/L，比蓄水前减小17.8%；南津关蓄水前的DO浓度平均值为8.72 mg/L，蓄水后为7.70 mg/L，比蓄水前减小11.7%。由此可见，三峡水库蓄水后库区和坝下的DO浓度比蓄水前略小，且库区水体中DO减小程度较坝下游大。分析原因为建坝后库区水流变缓，水体中DO浓度减小，2003年由于泄流掺气作用坝下溶氧浓度升高，但发电机组运行后的掺气作用比直接泄流影响甚小，因此坝下DO浓度又逐年降低并趋于稳定。

如图2所示，蓄水前1998～2002年间库区官渡口断面和南津关断面监测的浑样CODMn浓度逐年增大，至2002年达最大值3.3 mg/L；2003年首次蓄水后CODMn浓度逐年减小，至2006年后趋于稳定。经分析可知，官渡口蓄水前的CODMn浓度平均值为2.84 mg/ L，蓄水后为2.43 mg/L，比蓄水前减小14.3%；南津关蓄水前的CODMn浓度平均值为2.87 mg/L，蓄水后为2.34 mg/L，比蓄水前减小18.6%。可见，三峡水库蓄水后库区和坝下的CODMn浓度总体比蓄水前减小。

如图3所示，蓄水前1998～2001年间库区官渡口断面和南津关断面监测的BOD5浓度逐年增大，至2001年后逐年减小；2003年首次蓄水后，BOD5浓度又逐年增大，至2005年达最大值，2006年三峡水库第2次蓄水后，BOD5浓度逐年减小。经统计分析知，官渡口蓄水前的BOD5浓度平均值为0.73 mg/ L，蓄水后为1.07 mg/L，比蓄水前增大46.1%；南津关蓄水前的BOD5浓度平均值为0.82 mg/L，蓄水后为1.07 mg/L，比蓄水前增大30.8%。三峡水库蓄水后库区和坝下游水体的BOD5浓度总体比蓄水前增大，且库区水体的BOD5增加程度较下游高。

2.1.2 营养盐指标分析

本文分析的营养盐指标主要包括TP、TN和NH3-N。图4～6分别为官渡口断面和南津关断面1998～2012年间的TP、 TN和NH3-N的浓度变化图。

图4 蓄水前后的TP浓度变化

图5 蓄水前后的TN浓度变化

图6 蓄水前后的NH3-N浓度变化

如图4所示，库区官渡口断面和坝下南津关断面监测的TP浓度在三峡水库2003年首次蓄水后逐年减小，2006年第2次蓄水后趋于稳定。官渡口蓄水前TP浓度平均值为0.19 mg/L，蓄水后为0.12 mg/L，比蓄水前减小36.7%；南津关蓄水前TP浓度平均值为0.18 mg/L，蓄水后为0.11 mg/L，比蓄水前减小38.0%。可见，三峡水库蓄水后库区和坝下游水体中的TP含量比蓄水前明显减小。

如图5所示，蓄水前1998～2002年间库区官渡口断面和坝下南津关断面监测的TN浓度逐年增大， 2003年首次蓄水时水体中的TN浓度有较明显攀升，在水库第一阶段135 m水位蓄水运行期间水体中的TN浓度逐渐降低，并随着三峡水库的蓄水运行趋于稳定。经统计分析，蓄水前官渡口的TN浓度平均值为1.40 mg/ L，蓄水后为1.73 mg/ L，比蓄水前增加23.4%。蓄水前南津关的TN浓度平均值为1.50 mg/ L，蓄水后为1.73 mg/ L，比蓄水前增加15.9%。综上所述，三峡水库蓄水后库区和坝下水体中的TN浓度比蓄水前增大，且库区TN的增加幅度较坝下游略高。

如图6所示，三峡水库2003年首次蓄水后库区官渡口断面和南津关断面监测的NH3-N浓度比蓄水前减小，并随着水库的蓄水运行而逐步趋于稳定。经统计分析，官渡口蓄水前的NH3-N浓度平均值为0.21 mg/ L，蓄水后为0.09 mg/L，比蓄水前减小56.8%；南津关蓄水前的NH3-N浓度平均值为0.22 mg/L，蓄水后为0.09 mg/L，比蓄水前减小58.7%。可见，三峡水库蓄水后库区和坝下游水体中的NH3-N浓度比蓄水前明显减小。

2.1.3 重金属及悬浮物指标分析

分析的Cu、Pb和SS指标结果如下。图7～9分别为库区官渡口断面和南津关断面1998～2012年间的Cu、Pb和SS的浓度变化图。

图7 Cu浓度变化

图8 Pb浓度变化

图9 SS浓度变化

如图7所示，三峡水库2003年首次蓄水后库区官渡口断面和南津关断面监测的Cu浓度逐年减小，至2006年第2阶段蓄水后趋于稳定。经统计分析，官渡口蓄水前的Cu浓度平均值为0.027 mg/ L，蓄水后为0.010 mg/L，比蓄水前减小62.6%；南津关蓄水前的Cu浓度平均值为0.026 mg/L，蓄水后为0.009 mg/L，比蓄水前减小66.5%。分析说明，三峡水库蓄水后库区和坝下游水体中的Cu浓度总体比蓄水前明显减小。

如图8所示，三峡水库2003年首次蓄水后库区官渡口断面和南津关断面监测的Pb浓度比蓄水前明显减小，至2006年第2阶段蓄水后趋于稳定。经统计分析，官渡口蓄水前的Pb浓度平均值为0.018 mg/L，蓄水后为0.009 mg/L，比蓄水前减小50.5%。南津关蓄水前的Pb浓度平均值为0.020 mg/L，蓄水后为0.008 mg/L，比蓄水前减小59.0%。综上分析发现，三峡水库蓄水后库区和坝下游水体中的Pb浓度总体比蓄水前明显减小，且坝下游的减小幅度较库区略大。

如图9所示，蓄水前1998～2002年间库区官渡口断面和坝下南津关断面监测的SS浓度逐年明显减小，2003年三峡水库蓄水后，SS浓度基本稳定。经数据分析知，官渡口蓄水前的SS浓度平均值为482.8 mg/L，蓄水后为93.2 mg/L，比蓄水前减小80.7%。南津关蓄水前的Pb浓度平均值为468.2 mg/L，蓄水后为65.0 mg/L，比蓄水前减小86.1%。可见，三峡水库蓄水后库区和坝下游水体中的SS浓度比蓄水前明显减小，并随着水库的蓄水运行而维持稳定。

2.2 各指标浑样、过滤样浓度年度变化分析

2.2.1 SS指标

重点选取1999年和2007年库区官渡口断面和坝下南津关断面的监测数据，对比分析了蓄水前后浑样中SS指标的年度变化趋势，结果如图10所示。

图10 蓄水前后官渡口和南津关SS浓度的年度变化

如图10所示，官渡口和南津关两个断面1999年的SS浓度均在丰水期明显高于枯水期和平水期；2007年的SS浓度均全年处于稳定水平，只在丰水期中的8，9月升高，表明三峡水库仍呈明显的河道径流特征。经统计，官渡口1999年的SS浓度平均值为462.5 mg/L ，蓄水后2007年为171.7 mg/L，比蓄水前降低62.9%；南津关1999年的SS浓度平均值为482.0 mg/L ，蓄水后2007年为87.3 mg/L，比蓄水前降低81.9%。可以发现，蓄水运行后的库区官渡口和坝下南津关两个断面水体中的SS浓度比蓄水前更趋稳定，且平均值较蓄水前低，由于大坝建成蓄水后，库区水文状况发生很大变化，水流变缓，泥沙在库区沿程沉积，加上大坝拦截作用，坝下游水体泥沙含量显著减小，因此蓄水后南津关的SS减小幅度比库区内的官渡口的更大。

2.2.2 CODMn指标

本文着重选取了1999年和2007年库区官渡口断面和坝下南津关断面的监测数据，比对分析了蓄水前后浑样和过滤样中CODMn指标的年度变化趋势，详见图11。

图11 蓄水前后官渡口和南津关CODMn浓度的年度变化

如图11所示，官渡口和南津关两个断面蓄水前1999年浑样的CODMn浓度在丰水期明显高于枯水期和平水期，过滤样CODMn浓度在丰水期略高于枯水期和平水期；蓄水后的2007年里浑样CODMn浓度全年处于稳定水平，只在丰水期中的8，9月升高，过滤样CODMn浓度则在全年处于相对稳定水平，水库蓄水前后的CODMn变化受河道径流影响明显。综上分析发现，蓄水运行后的库区及坝下游两个断面水体中的CODMn浓度总体较蓄水前偏低且更趋稳定，同时由于受水库调节影响，蓄水后CODMn的变化受径流影响的时间明显变短。

2.2.3 TP指标

着重选取1999年和2007年库区官渡口断面和坝下南津关断面监测的数据，比对分析了蓄水前后浑样和过滤样中TP指标的年度变化趋势，结果见图12。

图12 蓄水前后官渡口和南津关TP浓度的年度变化

如图12所示，在蓄水前的1999年，官渡口和南津关两个断面浑样TP浓度在枯水期一直保持较高水平，进入平水期则逐月降低至稳定，进入丰水期后又逐月升高至稳定，过滤样TP浓度全年处于较稳定水平，在丰水期略低于枯水期和平水期；蓄水后的2007年，浑样TP浓度全年基本处于稳定水平，只在丰水期中的8，9月升高，过滤样TP浓度则在全年处于相对稳定水平。可见，蓄水运行后的库区及坝下游两个断面水体中的TP浓度总体较蓄水前偏低且更趋稳定，由于受大坝顶托影响，蓄水后TP的变化受径流影响的时间明显变短。

3 水质变化成因分析及讨论

3.1 蓄水对氧平衡指标变化的影响分析

由图1～3的分析结果可看出，蓄水后库区和坝下水体的DO和CODMn含量比蓄水前均有所下降，说明三峡水库蓄水对库区及坝下游水体的氧平衡指标有一定影响。除了水位增高，水深加大，水流减缓降低了水体复氧能力；还可能因水量增加了水的稀释作用，水流减缓增加了污染物在库区的滞留时间，泥沙吸附和沉降作用使有机污染物也随之进入底泥，使得水体中的DO和CODMn含量下降。蓄水后BOD5含量短期增长之后逐年降低，原因应与上述一致，而BOD5出现短期增长，可能由于建坝初期库区水位升高，两岸大量植被被淹没死亡后，水体中有机物和无机物含量剧增。

3.2 蓄水对营养盐指标变化的影响分析

由图4～6的分析结果可知，蓄水后库区及坝下游水体的TP、TN和NH3-N等营养盐的浓度都有不同程度的下降。其中南津关的TP和NH3-N浓度下降分别达38.0%和58.7%，TN浓度的平均值虽高于蓄水前，但相比于蓄水前的增长趋势，蓄水后逐渐下降并趋于稳定。原因是水体营养盐成分受悬浮物影响明显，蓄水后水流明显减缓，水体中悬浮物大量沉积，吸附于固体悬浮颗粒上的TP、TN等污染物也随之沉降，浓度减小。

3.3 蓄水对重金属及悬浮物指标变化的影响分析

由图7～9的分析结果可得，蓄水后库区和坝下游水体的Cu、Pb等重金属和SS指标含量都大幅度下降，而且坝下游的下降幅度比库区更大。南津关的SS浓度减小高达86.1%，Cu、Pb浓度减小分别为66.5%和59.0%。长江水体SS的主要成分为泥沙，受长江上游水库群拦截泥沙、水土保持和退耕还林减少水土流失面积、长江上游降雨量偏少等因素的影响，进入三峡库区的泥沙大幅减少；另外，三峡水库形成后，过水面积增加，水流流速减缓，泥沙在库区沉降淤积。同样是因为水体中重金属污染物主要吸附于固体悬浮物上，因此浓度也与悬浮物浓度密切关联。随着库区悬浮物大量沉降，导致重金属等污染物一起沉降到水底，浓度大量减小，并沿程降低。

3.4 蓄水前后污染物浓度年度变化及分析

由图10～12的分析结果可得，蓄水后2007年库区官渡口断面和坝下游南津关断面的年度过滤样CODMn和TP浓度与蓄水前相比变化不大；而蓄水后两个断面的年度浑样CODMn和TP浓度总体都较蓄水前1999年低且稳定，说明CODMn和TP浓度可能与悬浮物含量有关。再将图10～12比对分析可发现，蓄水前后浑样CODMn和TP浓度变化规律与SS含量的变化非常相似，说明水体中CODMn等氧平衡指标和TP等营养盐指标确实与SS相关；而过滤样变化不大，进一步说明水体中污染物浓度与水体中的固体悬浮物关联密切。主要固体悬浮物则为泥沙，因此应更加重视泥沙吸附沉降作用对水体中污染物浓度的减小作用。另外，吸附大量污染物的泥沙沉降到库底后，在一定条件下，这部分泥沙再悬浮可能对库区和下游水质产生不利影响，这个问题也不容忽视[2]。