龙背湾水电站建设对水质的影响

蔡金洲 柳雅纯 李红清 杨龑 江波

摘 要：通过收集湖北省龙背湾水电站建设前后库区及坝下河段汛期的水质监测资料，采用单因子评价法和综合污染指数法对水质状况进行评价。结果表明，龙背湾电站建设前后汛期官渡河干流入库断面水质类别从Ⅰ类降为Ⅱ类，库中断面和坝下断面水质类别无明显变化（Ⅱ类）;库区支流洪坪河河口断面水质类别从Ⅱ类降为Ⅲ类，公祖河河口断面水质类别无明显变化（Ⅱ类）;总体上看，工程建设后汛期官渡河干流及库区主要支流各断面水质略有下降，但仍满足Ⅱ类水质目标管理要求。建议进一步加强库区环境治理并制定长期的监测计划。

关键词：水电站;水质;单因子评价法;综合污染指数法;影响

中图法分类号：TV697.25              文献标志码：A              DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0303

水電作为清洁能源，为我国经济社会发展作出了积极贡献，已成为国民经济发展的绿色动力。根据第一次全国水利普查结果统计，截至2011年12月，我国共有水电站约4.7万座，总装机容量约33.3万MW[1]。水电站建设在带来巨大经济效益、社会效益的同时，也对流域生态环境造成了一定影响，主要表现在水文情势、水环境、水生生态、陆生生态和水土流失等方面，其中水环境是水电站建设运行后受影响的主要环境因素之一[2]。目前，研究人员在长江流域[2-6]、黄河流域[7-9]、澜沧江流域[10]、闽江流域[11-12]等流域开展了大量的相关研究，研究结果大体可归纳总结为：（1）水电站建成后蓄水拦蓄污染物，可缓解坝下水环境污染[11];（2）水电站建设对流域水环境没有影响[8];（3）水电站建设对流域水质影响较小[6，9]或不会造成坝下水质恶化[4];（4）水电站建成运行对下游干流水质总体没有明显影响，但水库水质趋于下降[10];（5）水电站建设后坝上、坝下各断面水质无明显变化，但随着水流方向各断面水质呈变差的趋势[13];（6）水电站建设后流域水质有恶化趋势[2，5]，水库蓄水使库区流速变缓，泥沙和污染物沉积库底，加剧了库区水体的富营养化[12]。可见，水电站建设对水环境的影响性质与程度存在差异性。

本文通过收集龙背湾水电站建设前后汛期官渡河干流坝上、坝下及库区主要支流水质监测数据，初步分析了工程建设前后汛期官渡河水质变化情况，对于开展官渡河水环境保护工作具有一定指导意义，也为后期分析同类工程建设后水质变化情况提供参考。

1  研究区域概况

1.1  工程概况

官渡河发源于神农架的台子乡，流经神农架林区的板仓，房县的九道梁，竹山境内的洪坪、梁家、官渡、峪口，由田家坝镇的两河口汇入堵河，是堵河最大支流，流域面积约2 961km2，河长约126.9km。

湖北省龙背湾水电站位于湖北省竹山县，为官渡河的第一级电站，坝址位于泗河和官渡河两河汇合口上游约55.7km，下距松树岭电站坝址约13km;坝址以上流域面积2 155km2，占官渡河流域面积的72.8%，坝址多年平均流量为45.3m3/s，工程地理位置见图1。

龙背湾水电站属II等大（2）型工程，开发任务为发电。电站水库正常蓄水位520m，死水位480m，汛期蓄水，总库容8.25亿m3，调节库容4.66亿m3，具有年调节性能。电站装机容量180MW，多年平均发电量4.17亿kW·h。由于松树岭水电站库区回水与龙背湾电站坝下水位相衔接，龙背湾水电站日常运行期间坝下不会出现脱水河段，不需泄放生态基流。考虑下游松树岭水电站的重叠影响，水库按梯级联合运行。该工程环境影响报告书于2009年12月获原湖北省环境保护厅批复，2010年12月主体工程开工建设，2014年10月电站下闸蓄水，2015年5月首台机组并网发电。

1.2  工程涉及区水功能区划

根据《湖北省水功能区划》，龙背湾水电站涉及的官渡河干流河段属官渡河源头保护区和官渡河保留区，水质目标均为Ⅱ类。水功能区划见表1。

1.3  工程涉及区污染源概况

（1）工业污染源

龙背湾水电站坝址以上全部为山区，由于自然条件、交通等方面的原因，该区域乡镇及乡镇企业不发达，龙背湾坝址以上基本上不存在工业污染源。

（2）生活污染源

工程建设前，坝址以上流域范围内有柳林集镇和洪坪、老码头两个集中居民点，总人口约2 300人，生活污水排放量总计约13.43万m3/a，污染物主要包括COD、氨氮等。工程建设后，原柳林集镇被淹没，整体搬迁至洪坪村集镇，目前该集镇采用化粪池处理生活污水，污水经处理后进入附近沟渠。

（3）农村面源污染源

农村面源污染源主要包括农业面源污染、水土流失面源污染和农村生活污水污染。其中，农业面源污染主要来源于竹山县柳林乡、竹溪县的向坝乡和桃源乡（部分）、房县九道乡以及神农架的红坪镇和九湖乡6个乡镇，污染源主要为化肥和农家肥的使用;水土流失面源主要是通过流出的土壤带入污染物，污染物主要包括氮、磷、有机污染物和悬浮物等;农村生活污水主要包括居民的生活污水，此外还包括畜禽粪便等，上述污染物大部分分散排放至自家茅厕，经生物发酵后直接用于农田或菜地，而不直接排入河中，因此可忽略农村生活污水对地表水的影响。

2  研究方法

2.1  监测断面布置

工程涉及区域共布置有6个水质监测断面，见图1。其中，龙背湾坝址下游官渡河干流1个断面，为坝下断面;坝址上游官渡河干流2个断面，分别为库中断面和官渡河入库断面;此外，在库区主要支流平渡河、公祖河和洪坪河河口处各1个断面。

2.2  监测时间与监测项目

工程建设前，十堰市環境监测站分别于2008年9月23日和9月26日进行了1次水质监测，水质指标监测值取两次算术平均值;工程建设运行后，武汉祺美检测技术有限公司于2017年8月17日进行了1次水质监测。采样期间天气晴朗，无降雨发生。

监测项目包括水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、BOD5、氨氮和总磷（以P计）共7项。

2.3  评价方法

采用单因子评价法[14]评判监测断面水质类别，即将参与评价的水质指标监测值与《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中规定的项目标准限值进行比较，选择水质最差的单项指标类别作为水体综合水质类别。

采用综合污染指数法[15-16]评价监测断面水质污染状况，计算公式为：

式中，Pi为污染物i标准指数;Ci为污染物i实测质量浓度，mg/L;Si为污染物i实测质量浓度，mg/L;P为综合污染指数;n为指标个数。

2.4  评价因子与评价标准

由于坝址以上官渡河流域范围内无工业污染源分布，主要以生活污染源和农村面源污染源为主，因此，官渡河干流及库区主要支流地表水水质评价主要选取高锰酸盐指数、BOD5、氨氮和总磷作为评价因子。

根据《湖北省水功能区划》中划定的官渡河干流河段水质目标，官渡河干流综合污染指数评价标准采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅱ类标准，库区主要支流评价标准参照干流执行Ⅱ类标准，涉及的基本项目标准限值见表2。工程建设前，各监测断面呈河流形态，总磷采用河流标准评价;工程建设后，各监测断面呈湖、库形态，总磷采用湖、库标准评价。

3  结果与分析

3.1  工程建设前水质状况

（1）评价因子浓度

工程建设前各断面主要水质参数监测结果表明：1）各断面高锰酸盐指数在1.5～2.0mg/L之间，干流坝下断面浓度（1.6mg/L）高于官渡河入库和库中断面浓度（均为1.5mg/L），主要是因为入汇的支流洪坪河河口断面浓度（2.0mg/L）、公祖河河口断面浓度（1.6mg/L）和平渡河河口断面浓度（1.6mg/L）均高于干流入库断面浓度;2）各断面BOD5浓度在1.0～1.4mg/L之间，干流各断面浓度随水流方向递增，即坝下断面（1.4mg/L）（库中断面（1.3mg/L）（入库断面（1.0mg/L），主要是因为公祖河和平渡河等入汇支流的BOD5浓度（1.4mg/L）高于干流入库断面浓度;3）各断面氨氮浓度在0.07～0.17mg/L之间，干流各断面浓度随水流方向递增，即坝下断面（0.17mg/L）（库中断面（0.16mg/L）（入库断面（0.07mg/L），主要是因为洪坪河、公祖河和平渡河等入汇支流的氨氮浓度（浓度分别为0.08mg/L、0.15mg/L和0.14mg/L）高于干流入库断面浓度;4）各断面总磷浓度在0.02～0.06mg/L之间，总体来看，干流下游断面浓度高于上游断面浓度，即库中断面浓度（0.04mg/L）和坝下断面浓度（0.03mg/L）高于官渡河入库断面浓度（0.02mg/L），主要是因为洪坪河、公祖河和平渡河等入汇支流的总磷浓度（浓度分别为0.06mg/L、0.04mg/L和0.03mg/L）高于干流入库断面浓度。

（2）水质类别

工程建设前官渡河干流及库区主要支流各断面地表水水质类别评价结果见表3，各断面地表水水质类别均达到或优于Ⅱ类，满足水功能区水质目标管理要求。

（3）综合污染指数

工程建设前官渡河干流及库区主要支流各断面综合污染指数计算结果见表4，各断面综合污染指数介于0.26～0.40之间，其中干流坝下、库中断面水质污染程度相同（0.38），高于入库断面（0.26），主要是因为入汇的支流洪坪河（0.40）、公祖河（0.39）和平渡河（0.36）的水质污染程度均大于干流入库断面水质污染程度。

3.2  工程建设后水质状况

（1）评价因子浓度

工程建设后各断面主要水质参数监测结果表明：1）各断面高锰酸盐指数在3.1～3.2mg/L之间，干流入库断面、库中断面和坝下断面浓度相同，为3.1mg/L;支流洪坪河河口断面浓度（3.2mg/L）略高于干流各断面浓度，公祖河河口断面浓度（3.1mg/L）与干流各断面浓度相同，支流汇入未对干流高锰酸盐指数造成明显不利影响;2）各断面BOD5浓度在2.5～2.7mg/L之间，总体来看，干流入库断面浓度（2.7mg/L）高于下游的库中断面浓度（2.5mg/L）和坝下断面浓度（2.6mg/L），可能是由于入库断面处水动力条件突然变化，污染物的迁移、扩散能力降低所致;支流洪坪河河口断面和公祖河河口断面浓度（2.5mg/L）低于干流入库断面浓度，与库中断面浓度相同，支流汇入经充分混合、扩散等作用后未对干流BOD5浓度造成明显不利影响;3）各断面氨氮浓度在0.11～0.25mg/L之间，总体来看，干流入库断面浓度（0.16mg/L）高于其下游的库中断面浓度（0.15mg/L）和坝下断面浓度（0.13mg/L），可能是由于入库断面处水动力条件突然变化，污染物的迁移、扩散和自净能力降低所致;支流洪坪河河口断面浓度（0.11mg/L）低于干流入库断面和库中断面浓度，但公祖河河口断面浓度（0.25mg/L）高于干流入库断面和库中断面浓度，结合干流各断面氨氮浓度变化情况可知，支流汇入未对干流氨氮浓度先造成明显不利影响;4）各断面总磷浓度在0.02～0.05mg/L之间，干流入库断面、库中断面和坝下断面浓度相同，均为0.02mg/L，低于GB3838-2002中的Ⅱ类湖、库总磷标准限值;支流洪坪河河口断面浓度（0.05mg/L）高于干流各断面浓度，超过了GB3838-2002中的Ⅱ类湖、库总磷标准限值，公祖河河口断面浓度（0.02mg/L）与干流各断面浓度相同，满足GB3838-2002中的Ⅱ类湖、库总磷标准限值要求，结合干流各断面总磷浓度变化情况可知，支流汇入后经过稀释混合等作用后未对干流总磷浓度造成不利影响。

（2）水质类别

工程建设后官渡河干流及库区主要支流各断面地表水水质类别评价结果见表5，干流入库断面、库中断面、坝下断面和支流公祖河河口断面水质类别均为Ⅱ类，满足水功能区水质目标管理要求;洪坪河河口断面水质类别为Ⅲ类，不满足水功能区水质目标管理要求，主要是因为该断面总磷浓度超过GB3838-2002中的Ⅱ类湖库标准限值，超标倍数为1倍。

表5   龙背湾水电站建设后地表水水质类别评价结果

（3）综合污染指数

工程建设后官渡河干流及库区主要支流各断面综合污染指数评价结果见表6，各断面综合污染指数介于0.68～0.96之间，其中干流入库断面水质污染程度（0.70）大于其下游的库中断面和坝下断面水质污染程度（均为0.68），可能是由于工程建设后水库蓄水，入库断面处水动力条件突然变化，污染物的迁移、扩散和自净能力降低所致;虽然汇入干流的洪坪河（0.96）和公祖河（0.73）等支流水质污染程度大于干流，但库中断面与坝下断面比入库断面的水质污染程度轻，可能是由于支流水体进入水库经过充分稀释混合的结果。

3.3  工程建设前后水质时空变化分析

（1）评价因子浓度变化

工程建设前后官渡河干流及库区主要支流各断面主要水质参数浓度对比分析见图2，结果表明：1）入库断面高锰酸盐指数、BOD5和氨氮浓度增加，增幅分别为106.7%、170.0%和128.6%;总磷浓度无变化，为0.02mg/L;2）库中断面高锰酸盐指数和BOD5浓度增加，增幅分别为106.7%和92.3%;氨氮和总磷浓度有所下降，降幅分别为6.3%和50%;3）坝下断面高锰酸盐指数和BOD5浓度增加，增幅分别为93.8%和85.7%;氨氮和总磷浓度有所下降，降幅分别为23.5%和33.3%;4）洪坪河河口断面高锰酸盐指数、BOD5和氨氮浓度增加，增幅分别为60.0%、150.0%和37.5%;总磷浓度有所下降，降幅为16.7%;5）公祖河河口断面高锰酸盐指数、BOD5和氨氮浓度增加，增幅分别为93.8%、78.6%和66.7%;总磷浓度有所下降，降幅分别为50%。

（2）水质类别变化

工程建设前后水质类别变化对比分析见表7。干流入库断面水質类别有所下降，从Ⅰ类降为Ⅱ类，一方面受高锰酸盐指数、BOD5和氨氮浓度增加影响，增幅分别为106.7%、170.0%、128.6%，超过了GB3838-2002中的Ⅰ类标准限值，另一方面是由于工程蓄水，总磷评价标准由河流标准变为湖库标准，总磷浓度不满足GB3838-2002中的Ⅰ类湖库标准限值要求;库中断面和坝下断面地表水水质类别无明显变化，均为Ⅱ类。库区主要支流洪坪河河口断面地表水水质类别有所下降，从Ⅱ类降为Ⅲ类，虽然工程蓄水后该断面总磷浓度值下降16.7%，但是由于总磷评价标准由河流标准变为湖库标准，导致总磷浓度超过GB3838-2002中的Ⅱ类标准限值;支流公祖河河口断面地表水水质类别无明显变化，均为Ⅱ类。

（3）综合污染指数变化

在工程建设前后，官渡河干流及库区主要支流各断面综合污染指数评价结果见表8。干流入库断面、库中断面和坝下断面受高锰酸盐指数、BOD5浓度增加以及总磷评价标准变化影响，综合污染指数均有增加，其中入库断面从0.26增加至0.70，库中断面和坝下断面从0.38增加至0.68，各断面水质污染程度有所增加;库区主要支流各断面受高锰酸盐指数、BOD5和氨氮浓度增加以及总磷评价标准变化影响，综合污染指数均有增加，其中洪坪河河口断面综合污染指数从0.40增加至0.96，公祖河河口断面综合污染指数从0.38增加至0.68，各断面水质污染程度有所增加。

4  讨论

水环境是水电站建设运行后受影响的主要环境因素之一[2]。与龙背湾电站建设前比较，电站建成蓄水后官渡河干流及库区主要支流各断面高锰酸盐指数和BOD5浓度以及官渡河入库断面和支流洪坪河、公祖河河口断面氨氮浓度较工程建设前有所增加，主要是由于龙背湾水库蓄水后库区流速变缓，水体稀释、混合能力和大气复氧能力降低[13]等综合影响导致有机耗氧类污染物质（如高锰酸盐指数、BOD5和氨氮）自净能力变差;电站建成后除入库断面总磷浓度无变化外，其他各断面总磷浓度均有所降低。水体中的总磷可分为颗粒态磷和溶解态磷两种形态[17]，主要来源于畜禽养殖[18]和农业种植[19]。近年来当地政府在管辖范围内实施了农村环境综合整治项目和水土保持工程，使得规模化畜禽养殖活动得到了规范化;再加上水库蓄水淹没耕地使其面积减少约293.47hm2（20%以上）[20]，使得总磷污染负荷、水土流失量和化肥使用量均有所减少，这在一定程度上都减少了颗粒态磷和溶解态磷入河量。另一方面，水库蓄水后大量的颗粒态磷发生沉降[21]也从一定程度上降低了库区水体中的总磷浓度。

龙背湾水电站建设后干流及库区主要支流各断面高锰酸盐指数、BOD5、氨氮和总磷浓度以及水质综合污染指数随着水流方向无变差趋势，这与陈建发[13]等研究结果并不一致，究其原因可能是龙背湾水电站汇水区域以生活污染源和农村面源污染源为主，无工业污染源分布;再加上近年集镇污水处理率增加，农村环境综合整治能力增强以及蓄水后农村面源污染减少，库区入河污染负荷总体不高，水质污染累积效应并不明显。

官渡河干流及库区主要支流各断面水质参数浓度变化导致干流入库断面水质类别从Ⅰ类降为Ⅱ类，库中断面和坝下断面水质类别无明显变化，但干流各断面浓度水质类别仍然满足《湖北省水功能区划》中的水质目标（Ⅱ类）管理要求。水质综合污染指数评价结果表明，工程建设后官渡河干流水质污染程度相比工程建设前有所增加，与刘鸿雁[2]和侯保灯[5]的研究成果在趋势上总体一致。

支流洪坪河河口断面总磷浓度与工程建设前相比有所降低，但受水体形态变化（由河流形态转变为湖库形态）影响，总磷评价标准由河流标准转变为湖库标准，总磷浓度超标，因此，该断面水质类别由Ⅱ类降为Ⅲ类。为了进一步控制入库总磷污染负荷增加，建议当地政府应进一步规范规模化畜禽养殖活动，合理布局养殖区域，同时优化耕地化肥使用量，进一步加强水土保持工程治理。

5  结论与建议

（1）工程建设后，官渡河干流入库断面地表水水质类别有所下降，从Ⅰ类降为Ⅱ类，库中断面和坝下断面地表水水质类别无明显变化，为Ⅱ类;库区主要支流洪坪河河口断面地表水水质类别有所下降，从Ⅱ类降为Ⅲ类，公祖河河口断面地表水水质类别无明显变化，为Ⅱ类。

（2）总体上看，工程建设后官渡河干流及库区主要支流各断面水质略有下降，但仍满足Ⅱ类水质目标管理要求。

由于汛期与非汛期河流水质状况呈现出差异性[15]，本文仅根据工程建设前后汛期一次的水质数据来评价水电站建设对水质的影响，其结果具有一定的局限性，建议开展长期的水环境监测工作，进而分析水电站建设后河流水质变化情况，为后期分析同类工程建设后河流水质变化情况提供参考。

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Analysis on the impact of Longbeiwan hydropower station construction on the water quality in the Guandu river

Cai Jinzhou，Liu Yachun，Li Hongqing，Yang Yan，Jiang Bo

（Changjiang Water Resources Protection Institute，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430051，China）

Abstract：This paper selects Longbeiwan Hydropower Station Project as research subject，and utilizes Single Factor Evaluation Method and Comprehensive Pollution Index Method to evaluate the water quality status based on monitoring data collected in flooding season before and after the construction of the project. The results demonstrate that the construction of the project would lead the decrease in the water quality category of the stock-in section of Guandu River from class I to class II，while having no impact on the water quality category （Class II） of the reservoir section and the back section of dam. The construction of the project would also lead the decrease in water quality category of Hongping river stuary section from class II to class Ⅲ，while having no impact on the water quality category （Class II） of Gongzu river stuary section. The water quality of Guandu river main stream and its tributary stream would also be deteriorated from a cleaner type to a medium pollution type，and the concentration of permanganate index and biochemical oxygen demand （BOD5） would increase. Local government should strengthen the environmental management of the reservoir area and the department who is responsible for the running of the hydropower station should formulate a long-term monitoring plan.

Key words：Hydropower Station;Water Quality;Single Factor Evaluation Method;Comprehensive Pollution Index Method;Impact