长江流域水库富营养化调查与评价

雷俊山 王顺天 贾海燕 徐建锋

摘要：为研究长江流域水库营养化现状，对长江流域345个重要水库水质及富营养化状况进行了调查研究。结果表明：长江流域水库营养化状态以中营养和轻度富营养为主，分别占评价总数的73.44%和21.15%。中度富营养化水库占比较小，主要出现在岷沱江、嘉陵江和乌江水资源二级区。三峡水库干流营养状态指数总体偏低，以中营养和轻度富营养状态为主;支流营养状态指数较高，以轻度富营养和中度富营养状态为主，呈现出自库尾至坝前逐渐降低的趋势。丹江口水库库湾水质总体良好，以Ⅱ-Ⅳ类水质标准为主，营养化状态以中营养状态为主，泗河库湾在春秋季处于中度富营养状态。近年来，汉江水华发生频率增加，范围扩大，除氮磷生源要素、水文要素和气候因素外，河流藻类来源与聚集，以及早春良好的光照等气候条件也是水华暴发成因之一。

关键词：水库富营养化;水库水质;调查与评价;营养状态指数法;长江流域

中图法分类号：X52 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.014

文章编号：1006-0081（2020）01-0078-06

水库对调节流域生态环境和社会经济发展具有重要作用。与河流相比，水库水流流速较小，营养盐易在水体中累积，造成水体富营养化[1-3]。水体富营养化可导致水库水质恶化，影响供水。富营养化水体发生蓝藻水华形成藻毒素，对人类和生态系统造成伤害，且会对农田灌溉及景观功能产生影响[4-6]。长江流域水库富营养化已有大量的研究成果。王孟等[7]对长江流域27座大型水库富营养化特征进行了分析，发现水库富营养化与水库类型、水库流域位置和水库功能有关。邱光胜等[8]对三峡库区支流富營养化状况进行了评价，结果表明库区支流主要处于中营养状态。雷沛等[9]对丹江口水库典型人库支流富营养化进行评价表明，丹江口水库人库支流处于富营养化状态。近年来随着社会经济的发展，长江流域水库富营养化形势严峻。目前的研究多聚焦于大型水库的营养化状态分析，未能体现整个长江流域水库的营养化现状。本文基于长江流域345个重要水库数据对长江流域水库营养化总体状况进行分析，并着重对三峡水库和丹江口水库的营养化状态进行分析，以为治理水体富营养化，防治水华暴发提供理论及技术支撑。

1 数据来源与评价方法

1.1 数据来源

本文收集了长江流域2016年和2017年345个重要水库以及2008～2016年三峡水库的营养状态指数数据。2017年春季和秋季对三峡水库朝天门、寸滩等6个干流采样点和御临河、乌江等29条支流采样点进行水质采样分析。2017年春、夏、秋和冬季对丹江口水库柳坡镇、泗河等11个水库库湾的总氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a和透明度进行现场检测和采样分析。

1.2 评价方法

水质评价以SL 395-2007（地表水资源质量评价技术规程》和GB 3838-2002《地表水环境质量标准》为依据。三峡水库干流具有河道特征，总磷按照河流标准限值进行评价;支流水流较缓，具有湖库水流特征，总磷按照湖库标准限值进行评价。富营养化评价依据SL395-2007《地表水资源质量评价技术规程》中的营养状态指数法。

2 结果与分析

2.1 长江流域水库富营养化状况

2.1.1 现状

长江流域345个重要水库2016年和2017年的营养状态指数见表1。处于中营养状态的水库数量有253个，占评价数量的73.33%;处于轻度富营养状态的水库数量有74个，占评价数量的21.45%;处于中度富营养状态的水库数量有18个，占评价数量的5.22%;无处于贫营养和重度富营养状态的水库。处于轻度富营养化和中度富营养化的水库主要是总磷、总氮和高锰酸盐指数等过高。

长江流域水库分别处于金沙江石鼓以下、眠沱江、嘉陵江等10个资源二级区，水库营养状态指数见图1。由图可以看出，水库水体以中营养和轻度富营养为主，中度富营养化水库数量占比较小，主要位于岷沱江、嘉陵江和乌江水资源二级区。其中，岷沱江水资源区处于中度富营养的水库数量比例达20%以上，嘉陵江和乌江水资源区也超过5%。营养盐过高与污染来源、土地利用类型、降雨等因素密切相关。岷沱江、嘉陵江和乌江水资源区分布有大量农村和耕地，农村生活、畜禽养殖、施肥农药等带来的面源污染是水库富营养化的主要原因之一[10]。

2.1.2 水库富营养化时空变化趋势

长江流域不同水资源区水库营养状态指数有所差异，详见图2。其中岷沱江水系较高，为54.6，属于轻度富营养化状态。都阳湖水系、洞庭湖水系较低，分别为43.7和38.3。金沙江石鼓以下、宜宾至宜昌水系、嘉陵江水系、乌江、汉江、宜宾至湖口和湖口以下干流处于中间水平（44.6～44.9）。就长江干流水系而言，营养状态指数变化范围为44.7～48.4，各水资源区差异不大。支流水系呈现出自西向东逐渐降低的趋势，其中岷沱江为54.6，鄱阳湖水系为43.7。由高到低排序为岷沱江、嘉陵江、汉江、乌江、鄱阳湖和洞庭湖。干流水资源区营养状态指数标准偏差变化范围为4.6～6.8，无明显变化规律。支流水资源区总体呈现出自西向东减小的趋势，乌江水资源区标准偏差最高，为8.6;其次为岷沱江;汉江水系最低，为4.6。

对具有较长时间序列数据的51个水库的营养状态指数变化趋势进行了分析，见图3。由图可以看出，水库营养状态指数总体变化范围为41.2～44.6，随时间略微呈增加趋势。回归分析表明，营养状态指数年均增长幅度为0.33。其中，2009～2011年营养状态指数基本未发生变化，2012～2017年营养状态指数有所增加，至2017年，营养状态指数达到44.6。

以年均变化速率评价其营养状态指数随时间的变化趋势见图4。51个水库中有37个水库营养状态指数呈增加趋势，其中隔河岩水库、道观河水库和西北口水库营养状态指数增加幅度明显高于其他水库，增加幅度分别为1.9，1.5和1.6。有12个水库营养状态指数呈减小趋势，其中鲁班水库、郑家河水库、百花湖水库和红枫湖水库降低幅度较大。可见，长江流域水库富营养化程度总体呈增加趋势。就空间分布来看，嘉陵江和乌江水资源区水库营养状态指数大多随时间增加呈减小趋势，其余水资源区水库大多呈增加趋势。营养状态指数增加幅度大于1的湖泊主要分布在宜宾至宜昌、汉江、鄱阳湖水系、宜昌至湖口及湖口以下干流水资源区;营养状态指数减小幅度大于1的湖泊主要分布在嘉陵江、乌江水资源区。

2.2 长江流域重要特大型水库富营养化状况

三峡水库和丹江口水库为长江流域两个重要的水利工程，对区域社会经济发展具有巨大的推动作用。三峡水库运行后长江中下游防洪形势得到较大改善，长江中下游严重旱情得到有效缓解，供水安全得到极大保障。丹江口水库为南水北调中线水源地，年均可向河南、河北、天津、北京地区20多座城市供水95亿m³，有效缓解了中国北方水资源严重短缺的局面。三峡水库和丹江口水库作为长江流域重要特大型水库，水体富营养化会大大影响其功能的发挥，实时评价其富营养化状况很有必要。

2.2.1 三峡水库富营养化状况

2017年三峡水库干支流总氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a和透明度见表2。其中，干流总氮在春季和秋季平均为1.93mg/L和1.56mg/L，符合V类水标准限值。总磷浓度春秋两季均为0.09mg/L，干流水流具有河流特征，总磷按照河流标准进行评价，总体低于Ⅱ类标准限值。高锰酸盐指数春秋两季分别为1.77mg/L和1.61mg/L，均低于11类水质标准限值。叶绿素a春季高于秋季，春季平均为2.01μg/L，秋季为0.47μg/L。透明度春季和秋季平均为2.02m和0.77m，春季高于秋季。

支流总氮在春季和秋季的平均值为2.41mg/L和1.59mg/L，分别符合劣Ⅴ类和Ⅴ类水标准限值。总磷浓度春秋两季分别为0.11mg/L和0.09mg/L，支流水流较缓，按湖库标准进行评价，分别符合V类和IV类标准。高锰酸盐指数春秋两季分别为2.96mg/L和2.09mg/L，均低于Ⅱ类水质标准限值。叶绿素a春季高于秋季，春季平均为21.66μg/L，秋季为6.55μg/L。透明度春季和秋季平均为1.28m和1.03m，春季高于秋季。清溪场一沱口区段支流水质秋季较春季好，可能是由于春季为作物萌发生长阶段，化肥农药施用量较高，产生较多的农业面源污染[11]。

2017年三峡水库干支流营养状态指数见图5。由图可知，干流营养状态指数总体偏低，春季处于中营养和轻度富营养状态，清溪场营养状态指数最高。秋季于流处于中营养状态，下游太平溪营养状态指数最低。在季节变化上，春季营养状态指数略高于秋季。支流营养状态指数表现为自上游至下游逐渐降低的趋势，大部分支流表现为春季高于秋季。上游支流珍溪河至汤溪河在春季的营养状态指数均大于60，处于中度富营养状态。下游支流从磨刀溪至九畹溪，营养状态指数波动较大，基本处于轻度一中度营养状态，其中长滩河与青干河营养状态指数最低，为50，处于中营养状態。秋季29条支流营养状态指数在4672范围变化，多数支流处于50～60之间，为轻度富营养状态。秋季上游支流营养状态指数波动较大，接近60;下游支流营养状态指数波动较小，接近50。

2008～2017年三峡水库干支流营养状态指数见图60由图可知，干流营养状态指数在2009～2010年迅速升高，水体富营养化程度明显加重。2010年营养状态指数超过60，达到中度富营养化水平。2010～2017年营养状态指数逐年下降，表明水库干流近年来富营养化程度明显好转。支流营养状态指数处于55～60之间，处于轻度富营养化水平，随时间变化趋势不明显。

2.2.2 丹江口水库富营养化及中下游水华

丹江口水库库湾2017年春、夏、秋和冬季富营养化指标统计结果见表3。监测表明，丹江口水库库湾总氮均值为1.48mg/L，符合Ⅳ类水质标准，在盛湾乡库湾出现最高值，为1.88mg/L。总磷平均浓度范围为0.010～0.033mg/L，符合Ⅱ～Ⅲ类水标准，是影响丹江口库湾水质的主要因子。高锰酸盐指数均低于Ⅱ类水质标准限值。透明度变化范围为73～380cm，其中仓房库湾透明度最高，柳陂库湾透明度最低。叶绿素a浓度变化较大，范围在1.9～41.8μg/L，其中龙门库湾浓度最高，仓房库湾最低。

2017年丹江口水库库湾富营养化状况见表4，有11个库湾营养状态指数处于20～50之间，为中营养状态。其中柳坡镇、安阳龙门、泗河、马蹬、老城乡等库湾在个别季节营养状态指数均接近富营养化限值50，说明仍有富营养化的风险。泗河库湾春季营养状态指数处于50～60之间，为轻度富营养状态。

丹江口水库运行后，改变了汉江中下游的水文情势。下泄流量减少，对汉江中下游水华的发生产生重大影响。汉江中下游影响较大的水华发生情况统计见表5。1992年2月中旬至3月初，汉江中下游首次发生水华，汉江自潜江以下长约240km的干流河段表现为水色突变成黄褐色，硅藻密度达到2.02×10⁷个/L，居民用水受到影响。1998年2月，汉江再次出现硅藻水华，其范围一直上溯至宜城，藻类密度达到2.6×10⁷个/L。2000年2月下旬至3月中旬，从潜江至汉口近240km的河段相继发生水华，藻类密度最高达3.52×10⁷个/L，持续约20d。2003年2月4日汉江中下游水体呈褐色，溶解氧过饱和，藻类大量繁殖，藻类密度高达3.5×10⁷个/L。此后，2005，2008，2009，2011，2014，2016年和2018年汉江中下游连续发生多起水华事件。

关于汉江中下游水华的成因，大多数研究结果主要集中在3个方面：①水质因素。汉江中下游地区排污口日益增多，藻类生长所需的氮磷等营养盐过剩。②气候因素。春季气温偏暖，加之良好的光照条件，藻类大量繁殖。春季充足的阳光、适宜的温度，特别是春季持续的温暖天气为藻类生长提供了良好的气象条件。汉江水华事件均发生在1～4月，天气较暖、阳光充足、水温一般在7℃～15℃时，适宜于硅藻生长。③水文因素。受长江较高水位的顶托和汉江流量减少的共同作用，汉江水流变缓、流速减小，为水华的发生提供了环境。对近年来水华发生特征进行总结分析表明，汉江中下游水华发生频次增加，范围扩大，水华以硅藻为主。藻类来源与聚集是水华发生的原因之一，营养盐浓度较低时也可能发生水华，春季气候条件对水华的影响更为突出。

3 结论

（1）2016年和2017年长江流域345个水库水质以Ⅱ～Ⅲ类为主，营养状态以中营养和轻度富营养为主，水质污染和富营养化程度均有加重趋势，长江流域岷沱江、嘉陵江和乌江水资源区富营养化程度相对较高。

（2）2017年三峡水库干流水质春季符合Ⅱ一Ⅲ类标准，秋季符合Ⅱ一V类标准。支流水质以Ⅲ一V类水为主，主要超标项目为总磷。三峡水库干支流富营养化水平处于中营养和轻度富营养状态，其中干流富营养化程度呈降低趋势，支流富营养化程度相对稳定，支流营养状态指数呈现出自库尾至坝前逐渐降低的趋势。

（3）2017年丹江口水库库湾水质状况总体较好，符合Ⅱ～Ⅳ类水质标准，总磷浓度范围为0.01～0.09mg/L，是库湾水质的主要影响因子。丹江口水库库湾营养状态指数变化范围为20～50，处于中营养状态，泗河库湾在春季处于轻度富营养状态。汉江水华近年来发生频率增加，范围扩大。除了目前关注的氮磷生源要素、水文要素和气候因素外，汉江水华的暴发还需要考虑河流藻类来源与聚集，以及早春良好的光照等气候条件。

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[1]]Shen Z，Qiu J，Hong Q，et al.Simulation of spatial andtemporal distributions of non-point source pollution loadin the Three Gorges Reservoir Region[J].Science of theTotal Environment，2014（493）：138-146.

（编辑：李晓朦）

收稿日期：2019-09-30

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0505302）

作者简介：雷俊山，男，教授级高级工程师，主要从事水资源保护与生态修复方面的研究。E-mail：ljs-2008@sina.com

通讯作者：贾海燕，女，教授级高级工程师，博士，主要从事水资源保护与面源污染治理工作。E-mail：496265466@qq.com