长江和汉江总磷污染特征及成因分析

杨 卫， 李瑞清

(湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064)

长江是中华民族的母亲河，也是中华民族发展的重要支撑。长江在我国区域发展总体格局中具有重要战略地位[1]，习近平总书记强调“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发，努力把长江经济带建设成为生态更优美、交通更顺畅、经济更协调、市场更统一、机制更科学的黄金经济带，探索出一条生态优先、绿色发展新路子”。汉江作为长江最长的支流，是南水北调中线工程的核心水源区和重要影响区，是湖北省的重要集中式生活饮用水水源地，在经济社会发展中具有重要的战略地位。

随着南水北调中线工程正常运行并逐步达到设计规模以及“引汉济渭”工程的推进，丹江口水库入库流量逐渐减少，从长江三峡水库向汉江补水的需求愈来愈迫切，长江和汉江水环境质量的优劣直接关系到社会经济的可持续发展。然而近年来，长江水质总体形势不容乐观，局部江段水污染较为严重，特别是总磷已成为长江水体首要污染指标，总磷超Ⅲ类的断面比例达到18.3%[2]。针对长江和汉江流域总磷污染现状，开展总磷时空特征研究，解析总磷污染的主要来源，对于长江和汉江流域水环境保护和“引江补汉”等工程的开展具有重要科学意义。

1 研究区域概况

长江流域横跨中国东部、中部和西部三大经济区，共计19个省、市、自治区，如图1(a)所示。长江干流全长6 397 km，流域总面积约180 万km2，占中国国土面积的18.8%，流域内有丰富的自然资源。长江干流宜昌以上为上游，流域面积100 万km2，宜昌至湖口为中游，流域面积为68 万km2，湖口以下为下游，流域面积为12 万km2。

汉江位于长江中游，全长1 577 km，是长江最长的支流，流域面积15.9 万km2，流域涉及鄂、陕、豫、川、渝、甘6省市的20个地(市)区、78个县(市)，如图1(b)所示。流域北部以秦岭、外方山及伏牛山与黄河分界；东北以伏牛山及桐柏山与淮河流域为界；西南以大巴山及荆山与嘉陵江、沮漳河为界；东南为江汉平原，无明显的天然分水界限。汉江以丹江口为界，丹江口以上为上游，流域面积9.52 万km2；丹江口至钟祥为中游，流域面积4.68 万km2；钟祥至汉口为下游，流域面积1.7 万km2。

2 长江和汉江总磷浓度现状

2.1 总磷时间分布特征

目前，长江干流Ⅰ类水质断面占13.6%，Ⅱ类占79.7%，Ⅲ类占6.8%，无Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面(来自2020年2月全国地表水水质月报)。从2006-2017年长江干流和汉江断面总磷浓度变化情况(图2)可以看出，长江干流自2006年以来总磷平均浓度逐渐下降，2017年长江干流总磷平均浓度较2006年下降了70.3%，超Ⅲ类的断面比例有所减少，2012年后水质由Ⅳ类转为Ⅲ类。汉江总磷平均浓度常年保持在Ⅱ类，2010年后总磷平均浓度有所上升，总体来看，2006-2017年汉江总磷平均浓度均低于长江干流。

2006-2016年长江主要支流监测断面水质情况如图3所示，嘉陵江、汉江、赣江等支流总磷浓度较低，常年保持在Ⅱ类；岷江2011-2015年总磷浓度呈现上升趋势，超过Ⅲ类标准，2016年总磷浓度有所降低，水质为Ⅲ类；沱江总磷平均浓度在0.18～0.28 mg/L之间，整体为Ⅲ～Ⅵ类；乌江自2006年以来总磷浓度逐渐上升，2011年达到最高值(0.674 mg/L)，超Ⅲ类标准值2.37 倍，2011年后水质有所好转，2016年达到Ⅲ类水标准；清水江2011-2013 年总磷浓度均为劣Ⅴ类，2014-2016 年有所下降，但仍超过Ⅲ类标准。

2.2 总磷空间分布特征

2016年长江干流和汉江断面总磷平均浓度分别如图4和图5所示，长江干流总磷平均浓度在0.05～0.17 mg/L之间，汉江干流总磷平均浓度在0.01～0.09 mg/L之间，总体来看，汉江干流水质优于长江干流。长江干流上、中、下游平均浓度分别为0.10、0.12、0.128 mg/L，上游段大部分为Ⅱ～Ⅲ类水，三峡库区坝前为Ⅲ类水，中下游以Ⅲ类水为主，中游柳口和调关等断面总磷污染最严重。汉江上、中、下游平均浓度分别为0.026、0.046、0.076 mg/L，上游以Ⅰ～Ⅱ类水为主，总磷浓度较低，水质较好，中下游大部分为Ⅱ类水，但总磷浓度相比上游较高，特别是武汉新沟和宗关等断面，部分时段为Ⅲ类水。

3 总磷污染成因分析

3.1 自然地质因素

截至2016年底我国磷矿基础储量为32.4 亿t，资源储量244.1 亿t，占世界总储量第二位，但是我国磷矿分布十分不均匀，多数分布在长江经济带两侧，贵州省、云南省、湖北省和四川省这四省基础储量达27.59 亿t，约占全国总基础储量的85%。2016年长江流域磷矿基础储量为24.8 亿t，占全国总基础储量的77%左右。其中长江上游流域占全流域的62.0%，乌江流域、岷沱江流域、金沙江段和长江干流宜昌段磷矿储量较多，嘉陵江流域和长江干流宜宾至重庆段磷矿储量较少；长江中游流域(不包括汉江流域)磷矿基础储量为7.63亿t，占全流域的30.8%，干流宜昌至湖口段磷矿储量较多，洞庭湖流域和鄱阳湖流域磷矿基础储量较少；长江下游流域磷矿储量仅占全流域的1.1%；汉江流域磷矿总储量较少，主要分布在汉江中下游流域，丹江口以上磷矿储量仅为0.12 亿t。

因长江流域地表水、地下水交换间歇短，水土流失较为严重，若磷矿进入地表，可造成水体总磷浓度上升[2]。从磷矿分布图(图6)可以看出，嘉陵江沿岸大型磷矿较少，乌江和岷江分别位于磷矿分布较为集中的贵州省和四川省，沿江磷矿资源较为丰富，这是造成乌江和岷江总磷浓度较高的重要原因。长江干流上游段沿江区域磷矿较少，总磷浓度较低，湖北段特别是宜昌地区磷矿资源非常丰富，下游段磷矿较少。汉江上游流域磷矿资源较少，中下游流域特别是中游宜城和钟祥市磷矿资源较为丰富，是影响长江和汉江总磷浓度的重要因素。

3.2 沿江磷化工企业影响

磷矿石在开发、加工过程中会对周边环境及河湖水体造成一定影响[3]。由于运输成本、取水、环境承载力等方面的原因，我国磷化工企业多采取沿江、临海布局模式。长江流域围绕磷矿开采的相应磷化工产业非常发达，统计数据显示，2014年中国磷矿石产量为12 043.88 万t，其中长江流域产量达10 050.14 万t，占全国总产量的83.4%。长江上游流域磷矿石产量为6 146.03 万t，占全流域的61.2%，主要集中在贵州乌江流域、云南金沙江段等；长江中游流域磷矿石产量为3 164.12 万t，占全流域的31.5%，主要集中在长江干流宜昌段；长江下游磷矿石产量较少；汉江流域磷矿石产量为700.07 万t，主要集中在丹江口以下区域，丹江口以上磷矿石产量较少。

在我国磷矿石的消费结构中，用于生产磷肥和磷复肥是磷矿石的主要消费途径，约占磷矿石消费量的75%[4]。全国有近500多家大、中、小型磷化工企业，其中全国规模以上磷肥制造企业共计213家，仅长江流域分布有199家，全国十大磷化工企业包括贵州开磷、湖北宜化、湖北兴发、湖北东圣、四川龙蟒、湖北新洋丰、云南煤业、浙江新安、安徽六国和贵州宏福(图6)，均分布于长江流域磷矿资源较为丰富的地区。2017年全国磷肥产量为1 627.44 万t，其中长江流域磷肥产量为1 189.90 万t，占全国总产量的73%。长江上游磷肥产量较高，占全流域的59.8%，主要集中于岷沱江流域、乌江流域和长江干流宜宾至宜昌段，包括贵州、云南、湖北、四川等省份。汉江流域磷肥产量较低，特别是丹江口以上区域磷化工企业较少，磷肥产量低，是汉江上游水质较好的重要原因。

磷矿开采和磷化工企业的高负荷排放对所在流域水环境产生显著影响，是导致近年来长江总磷浓度较高的重要原因。2016年长江流域废污水排放总量为353.2 亿t，其中工业废水(包括造纸业、化工企业、电力业、纺织业等)占55.1%[5]。排污主要集中在中下游太湖水系、洞庭湖水系、鄱阳湖水系等。长江流域工业废水中总磷排放量达到2.45 万t，其中上、中、下游分别占36.4%、43.8%、19.8%，如表1所示，汉江流域工业废水中总磷排放量较少，为0.062 万t，磷化工企业主要分布于丹江口以下保康县、宜城市和钟祥市等地区，丹江口以上地区工业废水中总磷排放量较少。

表1 长江流域2016年工业废水中总磷排放量Tab.1 Total phosphorus emissions from industrial sewage in the Yangtze River Basin in 2016

3.3 城镇生活污水排放

2016年长江流域废污水排放总量为353.2 亿t，其中生活污水排放总量为158.6 亿t，长江经济带城镇污水处理设施总磷平均排放浓度为0.68 mg/L，高于地表水Ⅴ类标准(0.4 mg/L)。长江流域生活污水总磷排放总量为2.2 万t，其中上、中、下游流域分别占32.8%、41.2%、25.9%，如表2所示。长江中下游省(市)城镇生活污水处理率较高，但由于汉江流域、洞庭湖流域、长江下游等地区城镇人口数量较多，生活污水总磷排放量仍然较高。而上游省(市)如四川、重庆、贵州等城镇生活污水处理率低于全国平均水平，如四川省沱江流域2014 年污水处理率仅为64%，岷江、沱江流域269家城镇生活污水处理厂中，4.1%总磷排放浓度超过总磷排放一级B 标准(1 mg/L)，15.2%总磷排放浓度超过一级A 标准(0.5 mg/L)，造成沱江、岷江等支流总磷浓度偏高[6]。

表2 长江流域2016年生活污水中总磷排放量Tab.2 Total phosphorus emissions from domestic sewage in the Yangtze River Basin in 2016

汉江流域生活污水排放总量为6.17 亿t，丹江口以下地区城镇人口较多，生活污水总磷排放量较大，丹江口以上地区排放量较小，上游和中下游流域生活污水排放总量分别为1.69和4.48 亿t，汉江流域生活污水中总磷排放量为2 014.5 t，上游和中下游流域分别为550.4和1 464.1 t。

3.4 农业面源污染

农业面源污染主要是由于化肥农药、畜禽养殖业、农村生活污水排放等造成的污染[7]，其中磷肥施用是造成长江流域总磷污染的主要原因。长江流域农作物播种面积约占全国总播种面积的40%，施肥强度平均约为320 kg/hm2，除贵州外，其他省份施肥强度均远高出发达国家公认的225 kg/hm2的安全上限[2]。化肥施用资源化利用率很低，肥料吸收利用率平均仅有约35%，未利用的化肥进入水体将对长江水质造成影响。根据《中国统计年鉴》中各省磷肥施用量统计得到长江流域2016年磷肥施用量为225.3 万t，总磷流失量约为8.73 万t，其中上、中、下游分别占38.4%、47.1%、14.5%，如表3所示。湖北、四川、江苏等省份磷肥施用量较大，造成湖北三峡库区、岷沱江流域和太湖流域等地区总磷污染严重。

农业面源污染也是影响汉江总磷浓度的最主要因素。汉江流域农村面源总磷排放总量为1.17 万t，主要集中在丹江口以下地区，特别是江汉平原地区，是湖北省农业人口稠密、经济较发达地区，也是湖北省乃至全国重要的商品粮、棉、油生产基地和畜禽、水产品主产区[8]，由于水产养殖过量投肥、种植区农药化肥过量使用等原因，农业面源污染问题较为严重。丹江口以上地区农业面源总磷排放量相对较少。

3.5 各污染源贡献率

进一步对各污染成因的贡献率进行分析，由于自然地质因素的贡献率难以量化，本文暂不分析这一因素的贡献率，通过前文分析得到长江流域总磷排放量为13.38 万t/a，其中生活污水、工业废水、农业面源总磷排放量分别为2.20万、2.45万、8.73 万t，贡献率分别为16.44%、18.28%和65.28%，如表4所示，可以看出农业面源污染是造成长江总磷超标的最主要因素。总体来看，长江中下游流域总磷排放量比上游流域多，是造成长江干流下游水质劣于上游的主要原因。长江上游污染以农业面源为主，生活污水和工业废水污染贡献率较小，长江中下游生活污水和工业废水污染均较为严重，其中洞庭湖流域、鄱阳湖流域工业污染较严重，贡献率分别为26.69%和25.69%。汉江流域以农业面源污染为主，工业污染贡献率较小。

表3 长江流域农业面源总磷排放量Tab.3 Total phosphorus emissions from agricultural non-point sources in the Yangtze River Basin

表4 长江流域各污染源总磷排放量及贡献率Tab.4 Total phosphorus emissions and contribution rates from various pollution sources in the Yangtze River Basin

重点对长江上游(三峡大坝以上)和汉江上游(丹江口以上)地区进行分析。长江上游总磷排放量为4.97 万t，占全流域总磷排放量的37.1%，其中嘉陵江流域由于总磷排放量较少，水质较好；乌江流域虽然各污染源总磷排放量较小，但由于流域面积较小，单位面积排放量较高，水质仍然较差，且该流域磷化工企业较多，工业污染较严重，造成乌江局部区域总磷浓度较高；干流宜宾至宜昌段总磷排放量较高，污染较为严重。汉江流域丹江口以上区域总磷排放量较少，水质相对较好，总磷排放量以农业面源污染为主，点源污染以生活污水为主，工业废水排放较少。

4 结 论

总磷是目前长江流域的首要污染指标，总体来看汉江干流总磷浓度低于长江干流，长江上游段以Ⅱ～Ⅲ类水为主，三峡库区坝前为Ⅲ类水，中下游大部分为Ⅲ类水，汉江上游水质优于中下游，上游以Ⅰ～Ⅱ类水为主，中下游以Ⅱ类水为主。嘉陵江、赣江等支流总磷污染程度较低，总磷浓度常年保持在Ⅱ类，岷江、乌江、沱江等支流总磷浓度较高。

造成长江和汉江总磷污染的原因包括自然地质因素、沿江磷化工企业影响、居民生活用水污染、农村面源污染等。农业面源污染是造成长江总磷超标的主要污染来源，长江流域和汉江流域面源污染均较为严重。长江上游乌江流域、岷沱江流域和长江干流宜昌段等地区由于磷矿储量较多、磷矿石开采和磷肥产量较高，造成这些地区局部总磷浓度较高；汉江上游流域由于磷矿储量较低，且受磷矿石开采和磷化工企业影响较小，因此总磷浓度较低，水质较好。城镇生活污水排放是影响长江和汉江水质的重要因素，特别是长江中下游地区和汉江中下游地区，由于城镇人口较多，生活污水总磷排放量较大。

针对长江和汉江总磷污染严重区域，可有针对性地开展污染防治措施，加强规模化磷矿开采管理，强化磷化工企业污染治理；提高城镇污水收集处理水平，加快城镇污水处理设施和配套管网建设；提高化肥利用效率，加大畜禽养殖污染防治力度，实施农村清洁工程和农村环境连片整治等，坚持生态优先、绿色发展，创建健康和谐的生态环境。

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