三峡水库2003～2017年水质变化特征及成因分析

王顺天，雷俊山，贾海燕，杨传国

(1.长江水资源保护科学研究所，湖北 武汉 430051； 2.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

三峡工程是我国重大水利枢纽工程，水库水质受到社会各界的关注。三峡水库自2003年首次蓄水，水库水位先后经历了135，156 m和175 m高程的变化。随着水库蓄水位不断升高，水文情势发生重大改变，原有生境由河道生境变为水库生境[1]。三峡水库175 m蓄水至今时间较短，水库生态系统尚处于演变阶段，生物群落尚未稳定至顶级群落，水库水环境也不断发生变化[2]。水库淹没引起土地资源减少，土地资源承载力降低，农户维持原有收入水平可能增加农药化肥等施用量，降雨后产生的面源污染可能对水库水质产生影响[3-4]。此外，库区社会经济发展迅速，GDP的增长可能以资源消耗和污染物排放为代价[5]。政府对库区经济发展及生态环境保护十分关注，发展经济的同时采取措施加大污染治理力度，防止水环境恶化。因而三峡水库蓄水后水质特征演变的研究及其成因的分析对三峡水库水质的改善和水环境的保护具有重要意义。

近年来，围绕三峡水库水质问题的研究也有很多。主要集中在：① 蓄水对水库水质的影响。针对三峡水库蓄水前后和不同蓄水位下干支流水质的变化做了深入的研究，指出干流水质较蓄水前略有好转，支流水质因水动力条件的改变逐渐恶化[6-8]。② 蓄水后水动力条件的改变对水质的影响。研究了蓄水后支流库湾水动力条件变化对水质特征的影响，认为水库蓄水造成库湾水体流速减缓，自净能力降低，且干流高营养水体携带大量营养盐进入支流库湾，致使库湾水体恶化，水华频发[9-10]。③ 水质模型对水质情况和污染来源的预测和分析。针对复杂的非点源污染输出，主要应用输出系数模型和统计回归模型两大类对非点源污染负荷进行量化分析[11]。运用ARIMA模型[12]、EFDC模型[13]和WebGIS[14]等对水质情况及其变化趋势进行了研究和分析，并提出相应的治理措施。④ 污染物来源分析。分析不能稳定达标的污染指标(如总磷、高锰酸盐指数和氨氮)的污染来源和治理效果，认为政府在工业点源污染控制方面做出了大量的工作，效果显著，而农业面源和城镇生活产生的污染对水体造成的影响在不断加大[15-16]。

对于三峡水库水质问题，上述研究已经很丰富了，但是关于三峡水库2003年蓄水初期至今水质特征及变化趋势的分析研究较少。本文利用三峡水库干支流8个代表断面2003～2017年水质监测月数据(监测指标有高锰酸盐指数、氨氮和总磷)，对三峡水库蓄水以来水库水质演变特征及2015～2017年水质现状和年内水期特征进行了分析，并探讨了经济发展、工业污染排放、农业面源污染等对水库水质变化的影响，更有助于全面认识水库水质特征演变规律及库区经济发展和污染源支流控制对水库水质的影响。

1 数据来源与研究方法

1.1 区域概况

三峡水库位于东经105°44′～111°39′，北纬28°32′～31°44′的长江流域腹心地带，水库起于宜昌三斗坪，回水末端至江津市花红堡，地跨湖北省西部和重庆市中东部，水库面积1 084 km2。三峡水库2003年开始正式蓄水，蓄水阶段水位变化如表1所列。三峡库区属于湿润亚热带季风气候，雨季分明，6～9月降雨居多为丰水期，4～5月和10～11月为平水期，12月至次年3月降雨较少为枯水期。库区内土壤自然肥力较高，多低山丘陵，耕地大多为坡耕地和梯田，分布在长江干支流两岸。

表1 三峡水库蓄水位变化阶段Tab.1 Stages of water level change in the Three Gorges Reservoir

1.2 数据来源

本文收集了水库干流寸滩、清溪场、沱口、奉节、官渡口和太平溪6个断面，支流临江门和武隆2个断面2003年蓄水以来的水质数据。并选取针对高锰酸盐指数、氨氮和总磷等水质月监测数据，结合库区经济发展状况、污水处理状况、城镇排污量、工业废水排放量、农药和化肥施用量和流失量等因素进行了成因分析。水库干、支流断面位置如图1所示。断面水质数据来自长江流域水环境监测中心，库区社会经济及污水处理、工业废水排放、城镇排污、农药和化肥施用及流失状况数据来自历年《长江三峡工程生态与环境监测公报》。

图1 三峡水库水质监测断面位置示意Fig.1 Water quality monitoring sections position in the Three Gorges Reservoir

1.3 研究方法

1.3.1水质评价

水质评价标准为GB3838-2002《地表水环境质量标准》，三峡水库干流具有河道特征，总磷的评价按照河流标准进行评价。支流水流较缓，具有湖库特征，总磷按照湖库标准进行评价。评价方法主要根据《地表水环境质量评价办法》(试行)进行，水质类别评价根据实测浓度值与水质标准限值对比确定，单项水质项目浓度超过Ⅲ类标准限值则为超标项目(总氮不参评)。

1.3.2水质趋势分析

常用的水质趋势研究方法主要分为参数检验法和非参数检验法。参数检验法，如spearman秩相关检验法[17]检验效率高，但对条件要求严格，不能避免数据季节性、非正态、漏测等带来的影响。季节性Kendall法是一种典型非参数检验法，该方法对数据条件要求不高，能避免参数检验法因数据本身带来的误差[18-19]。因此本文选用季节性Kendall法进行三峡水库水质趋势的分析，其计算公式如下。

设有n年12个月的平均水质观测资料Xij，则第i月水质系列比较后的正负号之和Si为

(1)

(2)

在样本不具趋势性的假设下，12个月S的均值和方差为

(3)

(4)

若函数的随机变量是互不相关的，那么两者的协方差就为零。

Kendall发现，当n>10时，S趋势检验也服从正态分布，并且标准方差Z为

(5)

2 结果与分析

2.1 水库水质现状及水期变化

2.1.1水库水质现状

三峡水库干流库尾寸滩断面和库中清溪场断面以Ⅱ～Ⅳ类水为主，超标水质占比分别为19.45%和25.01%，主要超标项目为总磷和高锰酸盐指数。库中沱口、奉节断面和库首官渡口、太平溪断面以Ⅱ～Ⅲ类水为主，越靠近库首Ⅱ类水质占比越高。支流嘉陵江代表断面临江门和乌江武隆断面超标严重，临江门断面以Ⅲ～Ⅴ类水为主，武隆断面以Ⅳ～劣Ⅴ类水为主，主要超标项目为总磷(见表2)。

表2 三峡水库各断面2015～2017年水质类别统计特征Tab.2 Statistical characteristics of water quality in the Three Gorges Reservoir from 2015 to 2017 %

2.1.2水库水期特征

基于2015～2017年三峡水库水质数据分析高锰酸盐指数、氨氮和总磷水期特征。高锰酸盐指数浓度受降雨影响较大，各断面均呈现丰水期(6～9月)大于平水期(4～5月和10～11月)和枯水期(12月至次年3月)的特征(见图2)。丰水期高锰酸盐指数浓度较高，可能主要受城市面源污染和农业面源污染的影响。三峡库区部分城镇尚未实施雨污分流，排污管道在枯、平水期积累大量的泥沙和污染物，丰水期随水流倾泻至水库，造成高锰酸盐指数浓度升高[20-21]。三峡库区农业种植以柑橘为主，且受气候影响，柑橘主要分布在水库正常蓄水位以上邻近区域，施用的农药、化肥等在降雨后流失迅速进入水库，引起高锰酸盐指数升高[22]。从年均值浓度变化可知，干流断面从库尾寸滩断面到库首太平溪断面高锰酸盐指数呈沿程下降的趋势。监测断面中，支流断面临江门的高锰酸盐指数浓度最高，为2.64 mg/L,武隆断面较低，为1.35 mg/L。

图2 2015～2017年各断面高锰酸盐指数浓度水期变化特征Fig.2 Variation characteristics of permanganate index concentration during 2015～2017

氨氮浓度呈现平、枯水期大于丰水期的特征，但不同水期间氨氮浓度差异不大且一直维持在Ⅰ～Ⅱ类水质标准以下(见图3)。

图3 2015～2017年各断面氨氮浓度水期变化特征Fig.3 Characteristics of ammonia-nitrogen concentration during 2015～2017

工业点源污染和生活排污可能是枯水期氨氮浓度相对较高的原因，枯水期水库上游断面生态流量较少，污染物浓度相对较高。三峡库区重庆段化工产业和原有的产业结构导致该区域污染负荷高[23]。水库干流氨氮浓度年均值沿程呈现先上升后下降的趋势，库中断面沱口、奉节浓度较高，分别为0.18 mg/L和0.19 mg/L，支流断面临江门氨氮浓度最高，年均值为0.20 mg/L。175 m蓄水后，耕地资源紧张，库区消落带面积增加，部分农民在消落带耕种，导致库中段氨氮污染负荷较高[24]。嘉陵江流域内农村人口比例高，大部分农村没有污水管网和垃圾处理系统，污水直接排入河道，造成地表水严重污染[25]。

寸滩、清溪场和沱口断面丰水期和枯水期总磷浓度差异不大，库中奉节断面至库首太平溪断面，总磷浓度丰水期大于平、枯水期的特征显著(见图4)。奉节区和库区湖北段农业经济发达，移民后，农民主要依靠增加化肥农药使用量提高单位耕地产值，降雨径流携带着大量污染物汇入河流，引起丰水期总磷浓度高于枯水期[10]。支流断面武隆总磷受降雨影响较大，表现为：丰水期>平水期>枯水期，且浓度均值最高为0.22 mg/L，这和乌江上游磷矿的生产和开发有关，在河边堆砌的大量磷石膏经雨水冲淋，以溶解态磷的形式进入乌江，对乌江中、下游水质造成严重影响[26]。

图4 2015～2017年各断面总磷浓度水期变化特征Fig.4 Characteristics of total phosphorus water phase changes in during 2015～2017

可见降水对水库水质影响显著，降雨径流带来的面源污染和生态流量的减少是造成水质变差的主要原因。随着城市化进程的加快，城镇生活污水排放和生活垃圾堆放对水质产生的影响会日益显著，现在应该加大面源污染的治理和控制，尤其是对于新兴城市，雨污分流、垃圾分类处理等措施是十分必要的。

2.2 水质变化趋势分析

2.2.1蓄水以来水库水质类别特征

依据水库蓄水位变化将时间序列划分为4个阶段，统计2003～2017年三峡水库各断面每月的水质类别所占比例。自蓄水以来三峡水库监测断面Ⅱ～Ⅳ类水质占比始终大于80%，随着156 m水位的实现，主要表现为Ⅰ～Ⅱ类水质占比增加，其他类别水质类别占比减少。相较于156 m水位运行期，175 m水位运行期和水质现状年超标水质占比随时间逐渐减少，主要表现为Ⅰ、Ⅳ类水占比的减少，Ⅲ类水占比的增加，Ⅰ、Ⅳ类水占比分别减少了5.21%和3.6%，Ⅲ类水占比增加了10.42%(见表3)。

表3 2003～2017年水质类别统计特征Tab.3 Statistical characteristics of water quality categories during 2003～2017 %

2.2.2趋势检验结果分析

运用季节性Kendall法对三峡水库2003～2017年水质数据进行趋势分析(见表4)。结果表明，自水库蓄水以来，主要环境因子浓度呈下降趋势，水库水质趋于好转。在蓄水期，高锰酸盐指数浓度下降幅度为武隆>清溪场>奉节>沱口>临江门>寸滩>官渡口>太平溪。可以看出支流断面和库中断面下降幅度较大，其中武隆和清溪场下降幅度达到-0.143 mg/(L·a)和-0.091 mg/(L·a)。因为三峡水库蓄水初期，水库周边城乡经济社会系统的迁移，减缓了库区内污染负荷的排放[27]。相较于蓄水期，运行期水库各断面高锰酸盐指数浓度下降幅度减小，显著下降断面减少，年均值变化范围为1.14～3.02 mg/L，属Ⅰ～Ⅱ类水质标准，如图5(a)所示。

2003～2009年氨氮浓度下降幅度为奉节>太平溪>沱口>寸滩>清溪场>官渡口>临江门>武隆。可以看出靠近库首的代表断面的下降幅度较大，其中奉节和太平溪下降幅度达到-0.199 mg/(L·a)和-0.186 mg/(L·a)(见表4)。 可以从水库蓄水后的水文条件变化理解，三峡水库蓄水以来，干流水面变宽，流速减缓，更有利于泥沙的沉降，致使易附于泥沙上污染物的浓度也随之降低，且越靠近库首的断面澄清作用越强[28]。相较于蓄水期，运行期氨氮浓度变化相对稳定，寸滩断面和清溪场断面下降幅度增大，分别为-0.227 mg/(L·a)和-0.192 mg/(L·a)，主要表现为2014～2017年氨氮浓度下降趋势显著，年均浓度由2014年的0.11 mg/L降至2017年的0.04 mg/L，这与库区内水污染防治力度的加大有关。奉节断面和沱口断面浓度下降幅度减小，浓度变化在0.06～0.21 mg/L之间，2015～2017年，奉节和沱口断面也出现了下降趋势，如图5(b)所示。

在水库蓄水阶段，只有库首官渡口和太平溪断面呈现为显著下降的趋势，下降幅度分别为-0.114 mg/(L·a)和-0.030 mg/(L·a)，其余断面变化趋势不显著。在运行期，总磷浓度显著下降的断面增多，总磷下降幅度为武隆>官渡口>清溪场>寸滩>太平溪，武隆断面下降幅度达到了-0.150 mg/(L·a)(见表4)。武隆断面总磷浓度年际变化起伏不定且始终高于其他断面，2014～2017年武隆断面总磷浓度也呈现出稳定下降的趋势，如图5(c)所示。2015年贵州省依据 《贵州省乌江流域水环境保护规划》对乌江流域总磷严重超标问题采取一系列措施：建设生态沉降坝，定期清理富含磷氟的底泥，减少磷的内源污染[29]。库首断面官渡口和太平溪受水库蓄水影响较大，77%的总磷随泥沙沉积库底[30]。位于重庆主城区的寸滩和清溪场断面下降趋势显著，可能是因为重庆主城区污水处理设施及配套管网的建设的加强和雨污分流改造力度的加大，城区污水收集处理率的提升，大大减少了城镇生活污水排放带来的污染[31]。

图5 2003～2017年三峡水库的水质指标年均特征Fig.5 Annual average characteristics of water quality indicators in the Three Gorges Reservoir during 2003～2017

表4 季节性Kendall法的计算结果Tab.4 Calculation results of the seasonal Kendall method

3 讨 论

三峡水库自蓄水以来，水库水质趋于好转，这与黄玥[32]、卓海华[33]的研究结果一致。从库区内经济发展和排污来看，三峡库区近15 a经济发展迅速，尤其是重庆河段GDP从2003年的1 463.59亿元增长到2016年的6 901.17亿元(见图6)。经济发展的同时，库区内城镇污水排放量急剧上升，从2014～2015年的污水排放情况可以看出：重庆城镇污水排放量1 a增长了约3.98亿t(见图7)，污染负荷大大增加。

图6 2003～2016年三峡库区GDP年均特征Fig.6 Annual average GDP characteristics of the Three Gorges reservoir area from 2003 to 2016

图7 2003～2015年三峡库区城镇污水排放情况Fig.7 Urban sewage discharge in the Three Gorges reservoir area from 2003 to 2015

随着库区经济的发展，污染负荷加大的同时，污染治理力度也有所增强。为治理流域污染，国家在十一五和十二五期间实施了《三峡库区及其上游流域水污染防治规划》，针对三峡库区污染防治措施作出了改进[34]。2006年以后，国家加大了对化工企业的整治和污水处理厂的建设。库区内污水处理厂的数量不断增多，尤其是2014～2016年污水处理厂的数量更是增长了一倍(见图8)，减小了库区内排污负荷。2015年，国家发布了《水污染防治行动计划》，狠抓工业污染防治、强化城镇生活污染治理、推进农村农业污染防治等措施，更是为水质污染防治和改善作出了巨大贡献。

三峡库区工业废水排放情况和化肥农药施用情况表明，库区工业排污和农业污染防治效果显著。工业废水COD排放量从2006年的8.11万t降低至2016年的1.08万t，工业废水氨氮排放量从2006年的0.64万t降低至2016年的0.08万t(见图9)。工业废水处理成效显著，工业废水中高锰酸盐指数、氨氮含量和水库高锰酸盐指数和氨氮都呈下降趋势,可见水库中高锰酸盐指数和氨氮浓度与工业废水排放控制密切相关。根据调查研究，在工业污染得到基本控制的同时，三峡库区农业面源污染对水体造成的污染日益严重[15]，库区内存在重氮磷，轻钾肥的现象且有机磷农药使用率和流失率都较高，是氮磷流失成为水体污染源的重要原因[35]，2004～2010年化肥和农药的使用、流失量起伏不定，2011年农业部推进科学用肥后，化肥和农药的使用、流失量呈现出明显的下降趋势(见图10)，这和水库总磷浓度的趋势变化相对应，总磷浓度下降趋势和化肥农药使用流失量的减小有关。

图9 2003～2016年三峡库区工业废水COD和氨氮的排放情况Fig.9 COD and ammonia nitrogen emissions from industrial wastewater in the Three Gorges reservoir area from 2003 to 2016

图10 2004～2016年三峡库区化肥农药的使用和流失情况Fig.10 Use and loss of chemical fertilizers and pesticides in the Three Gorges reservoir area from 2004 to 2016

4 结 论

(1) 2015～2017年间，水库干流水质以Ⅱ～Ⅲ类为主且沿程趋好；支流嘉陵江和乌江水质超标严重，以Ⅳ～劣Ⅴ类水质为主，主要超标项目为总磷。

(2) 2015～2017年水质水期特征分析表明：高锰酸盐指数呈现丰水期大于平、枯水期的特征；氨氮浓度呈现平、枯水期大于丰水期的特征，但不同水期间浓度差异不大；总磷浓度靠近库首的断面和武隆断面呈现丰水期大于平、枯水期的特征，其余断面丰枯水期总磷浓度差异不大。

(3) 2003～2017年，三峡水库水质以Ⅱ～Ⅳ类水为主， Ⅰ类和Ⅳ类水比例有所减少，Ⅲ类水的比例增加。

(4) 2003～2017年水质季节性Kendall法分析表明：三峡水库蓄水以来，高锰酸盐指数、氨氮和总磷浓度呈下降趋势。高锰酸盐指数和氨氮浓度2003～2009年下降幅度较大，可见蓄水对高锰酸盐指数和氨氮浓度有影响。总磷浓度在2010～2017年下降幅度较大，这和2011年后化肥农药施用量减小有关。