三峡库区上游沱江流域总磷浓度时空变化特性及影响因素分析

柳强，张鹏，史箴，张秋英，张丹，周淼，李发东

1.四川省生态环境监测总站

2.中国环境监测总站

3.中国环境科学研究院

4.中国科学院地理科学与资源研究所

磷是生态系统循环中必不可少的营养元素之一[1]，同时也是地表水中藻类生长和水体富营养化的重要影响因子[2-4]。大量的研究表明，河道、湖泊和水库等地表水中磷表现出复杂的物理、化学和生物行为[5-7]，是最为活跃的环境因子，控制地表水中磷的输入已经成为地表水富营养化控制和生态质量管理的热点问题之一。

河道传输是磷元素进入水库的主要途径[8-11]。估算水库污染物通过量对于确保库区水环境安全具有重要意义。三峡水库是我国重要战略水资源库，蓄水运行后库区富营养化问题日益凸显，总磷（TP）是影响库区水质的主要污染因子之一，85%入库磷污染负荷来源于库区上游流域[12]。由于TP负荷的增加，三峡水库上游38条主要支流中，富营养化断面数量占比从2007年的16%上升到2010年的34%[13]，三峡水库开始蓄水运行后，库区支流河口回水区水华发生频率从2003年的3次上升到2010年的26次[14]。沱江是三峡库区上游重要的入库河流之一，1950—2010年平均径流量为20.9×109m3/a[15]，入库径流量为 431.5×109m3/a，占三峡库区入库总径流量的5%[16]。沱江入江口TP浓度是长江上游河段TP平均浓度的300%，沱江入江口TP通量占三峡水库总入库量的9.48%。沱江流域在四川省境内面积为2.78万km2，仅占全省面积的5.25%，却涵养和支持了全省20%以上的人口和经济总量[17]，因此，研究沱江流域TP污染变化特征对于保障三峡库区水环境和水生态安全以及流域经济可持续发展具有重要意义。

受气候条件和下垫面影响，沱江流域TP负荷表现出显著的时空特性，流域水文条件、点源[18]和农业面源污染排放[19-20]对流域干支流主要控制断面复合影响程度尚不清楚。针对这一问题，笔者利用2011—2018年沱江流域干支流20个站点的水质监测数据及断面汇流区内污染源排放数据，综合分析沱江流域干支流控制断面TP浓度空间和时间变化特性以及影响因素，以期为流域TP负荷削减和三峡水库TP允许通过量达标提供科学支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

沱江流域（103°54′E～105°44′E，27°39′N～31°42′N）主源绵远河发源于绵竹九顶山南麓，流至汉旺镇出山区进入成都平原，与中源石亭江和右源湔江于金堂县赵镇相汇并接纳岷江毗河、青白江后，穿龙泉山金堂县，经简阳市、资阳市、内江市和自贡市至泸州市注入长江。干流全长629 km，流域面积为2.78万km2。沱江水系总体上呈树枝状，上游包括成都市和资阳市，中游包括内江市，下游包括自贡市和泸州市，沿途有大小支流60余条，主要支流包括左岸的濑溪河、大清河、阳化河和右岸的釜溪河、球溪河等（图1）。沱江流域降水量随地势由北向南递减，多年平均降水量为1 029 mm，其中上游山区为1 200～1 700 mm，成都平原为850～1 100 mm，中下游丘陵区为800～1 500 mm，流域6—10月降水量占全年降水量的70%。沱江丰水年径流量为26.2×109m3/a，枯水年径流量为6.62×109m3/a，6—9月为丰水期，10月—次年3月为枯水期[6,21]。

图1 沱江流域干支流、行政区以及监测断面Fig.1 Main and tributary streams, administrative regions and monitoring sections in Tuojiang River Basin

1.2 样品的采集与分析

采用沱江流域20个国控和省控监测断面2011—2018年逐月水质监测数据对沱江流域TP浓度时空变化特性及影响因素进行分析。断面包括沱江干流上游的三皇庙、宏缘、拱城铺渡口，中游的幸福村、顺河场、银山镇、脚仙村，下游的釜沱口前、李家湾、大磨子、沱江大桥11个监测断面以及沱江支流9个监测断面（绵远河八角、石亭江双江桥、鸭子河三川、球溪河球溪河口、釜溪河碳研所、濑溪河胡市大桥、清白江三邑大桥、北河梓桐村、威远河廖家堰）。主要监测水质指标包括TP、总氮（TN）、高锰酸盐指数 (CODMn)、化学需氧量（CODCr）、pH、溶解氧、电导率、温度等，各指标采用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中分析方法测定。

1.3 多元统计分析法

选择SPSS 19.0软件进行数据统计与分析，采用Pearson相关性分析法进行与TP污染过程有关的TN、CODMn、CODCr、pH、溶解氧、温度等指标间相关性分析，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）判断不同水文期各因素对TP浓度变化影响的显著水平，采用层次聚类分析方法对沱江流域20个监测断面TP浓度进行层次聚类分析，揭示TP时空分布的相似性和差异性。

2 结果与讨论

2.1 TP浓度空间分布特性

2011—2018 年沱江流域干支流各监测断面TP浓度及其统计特征分别如表1和图2所示。由表1可知，2011—2018年沱江干流上游、中游和下游TP离散系数分别为0.262，0.208和0.201，显著小于同期支流的离散系数（0.424），且中下游的离散系数显著小于上游。支流中，八角和碳研所2个断面的离散系数最大，分别为0.595和0.498；胡市大桥和球溪河口2个断面的离散系数最小，分别为0.317和0.343。由图2可以看出，沱江上游干流受源头支流绵远河、鸭子河和石亭江汇入影响，年均TP浓度在三皇庙断面出现峰值〔(0.251±0.213)mg/L〕，干流三皇庙—宏缘—拱城铺渡口段TP浓度逐渐下降，宏缘和拱城铺渡口年均TP浓度分别为(0.221±0.118)和 (0.194±0.104)mg/L；中游自幸福村流至脚仙村，TP浓度趋于平稳并有所降低，最小值出现在银山镇断面〔（0.194±0.048）mg/L〕；在下游，受水质较差的釜溪河、濑溪河支流汇入影响，TP浓度表现出上升的趋势，分别在李家湾〔（0.224±0.063）mg/L〕、大磨子〔（0.232±0.057）mg/L〕出现浓度较大值。2011—2018年沱江干流上、中、下游3个区段TP平均浓度均高于GB 3838—2002中的Ⅲ类水质标准限值（0.2 mg/L）；各支流监测断面中，自贡市釜溪河碳研所和德阳市石亭江双江桥断面TP年均浓度分别为0.563和0.287 mg/L，属于劣Ⅴ类和Ⅴ类水质。单因素方差分析结果表明，2011—2018年沱江干流TP浓度总体表现为上游>下游>中游，这与陈雨艳等[22]的研究结果一致，中游TP浓度分别与上游和下游表现出显著差异性（P<0.05），而上游和下游TP浓度差异性不显著。

图2 2011—2018年沱江流域干支流TP浓度空间分布Fig.2 Spatial distribution of TP concentration in the main and tributary streams of Tuojiang River from 2011 to 2018

表1 2011—2018年沱江流域干支流各监测断面TP浓度Table 1 TP concentrations in the monitoring sections at the main and tributary streams of Tuojiang River from 2011-2018

2.2 TP浓度时间分布特性

2011—2018 年沱江干流11个监测断面不同水文期（年平均、枯水期和丰水期）TP浓度变化如图3所示。年度平均值采用当年全部月份（不少于8个月）的算术平均值，水文期代表值采用丰水期、枯水期对应月份的月平均值。由图3可知，除宏缘和大磨子断面外，沱江干流其他断面TP浓度年均值在2011—2016年呈上升趋势，2016年出现峰值或较高值，2017—2018年则明显下降。上游干支流断面中，三皇庙—拱城铺渡口段2011—2018年TP年平均浓度为0.234 mg/L，波动范围为0.097～0.371 mg/L，其中2011—2016年三皇庙断面增长趋势达显著水平（Mann-Kendall的z=3.01）；沱江中游干支流断面中，脚仙村、幸福村、球溪河口和银山镇断面年均值分别为0.232、0.191、0.213和0.194 mg/L，脚仙村断面TP浓度全年均高于其他3个断面；下游干支流断面中，釜沱口前—沱江大桥断面TP平均浓度为0.226 mg/L，波动范围为0.223～0.232 mg/L，其中李家湾断面由于受釜溪河汇入影响，2011年、2014—2017年TP浓度高于釜沱口前断面。大磨子和沱江大桥断面TP浓度年际变化特性基本相同，均表现出先降低、再增加、最后降低的趋势。

图3 2011—2018年沱江流域监测断面不同水文期TP浓度变化趋势Fig.3 Trend of TP concentration in different hydrological periods at the water quality monitoring stations in Tuojiang River Basin from 2011 to 2018

沱江流域干、支流监测断面丰水期与枯水期TP浓度变化差异性显著。2011—2018年宏缘断面TP浓度枯水期大于丰水期，拱城铺渡口断面则是2013年、2015—2016年丰水期大于枯水期，其余年份枯水期大于丰水期。幸福村以下干流河段TP浓度表现出丰水期较高、枯水期较低的特点。单因素方差分析结果表明，2011—2018年，沱江流域TP浓度总体表现为枯水期>丰水期，枯水期与丰水期TP浓度差异性显著（P<0.05）。

2.3 干支流主要水质指标相关性分析

2011—2018 年沱江流域干支流各监测断面水质指标相关性分析结果如表2所示。由表2可知，TP浓度与电导率、CODMn、CODCr及TN浓度呈显著正相关，且与TN浓度之间的相关系数最高；TP浓度与流量、DO浓度呈显著负相关，CODCr、CODMn和TN浓度则与流量呈显著负相关。由2017年污染源普查数据，计算得到沱江流域干支流主要控制断面汇流区内点源污染物排放量和入河量占比（图4），可以看出，点源排放量和入河量在流域内存在着显著差异性。 TP浓度与电导率、CODMn、CODCr及TN浓度之间显著相关，CODCr、CODMn与TN浓度之间显著相关，以上4种污染物与流量有显著的相关性，表明TP、CODMn、CODCr及TN主要来源于面源[23-24]，而不同区域点源TP入河量的差异是TP与CODMn、CODCr、TN、DO等污染物相关性程度不同的重要原因。

图4 沱江流域各监测断面点源污染物排放量及入河量占比Fig.4 Discharge and inflow of point source pollutants at each section of Tuojiang River Basin

表2 沱江干支流各监测断面水质指标Pearson相关性Table 2 Pearson correlation of water quality indexes at each monitoring section of the main and tributary streams of Tuojiang River

2.4 沱江流域干支流断面TP浓度层次聚类分析

采用层次聚类分析方法对2011—2018年TP浓度月均值亲疏程度进行分析，结果如图5所示。由图5可知，沱江流域干支流各监测断面可聚类为4组。A组断面集中在沱江流域中下游内江、自贡、泸州等地，包括沱江干流拱城铺渡口、幸福村、银山镇、釜沱口前、李家湾、脚仙村和沱江大桥7个断面，支流濑溪河胡市大桥、清白江三邑大桥、北河梓桐村及绵远河八角4个断面，共11个断面，其特点是TP浓度月均值和变化率均较小，其中TP浓度在6月、8月和10月出现峰值（图6）。B组断面主要包括沱江干流宏缘、顺河场、三皇庙和支流三川、威远河廖家堰及球溪河口共6个断面，其特点是TP浓度最大值出现在4月，枯水期TP浓度显著低于年均值。C组仅包括沱江下游一级支流釜溪河的碳研所断面，其特点为TP浓度3—5月持续增加并达到峰值，5月—次年1月持续降低并达到最小值。D组仅包括沱江上游支流石亭江双江桥断面，其特点是TP浓度从1月开始逐渐升高，并在7—8月达到峰值，之后下降。

图5 2011—2018年沱江流域TP浓度聚类树状关系Fig.5 Cluster tree of TP concentrations of the sections in Tuojiang River Basin from 2011 to 2018

图6 沱江流域干支流不同聚类所属断面TP浓度月度变化特性Fig.6 Monthly variation characteristics of TP concentration at the sections belonging to different clusters in Tuojiang River Basin

根据2017年污染源普查数据，沱江流域主要点源（包括工业点源、城镇污水处理厂、工业园区污水处理厂）分布和面源（包括农村生活、农田种植、畜禽 养殖）污染物TP年均排放量如图7所示。与层次聚类分析结果对比可知，A组断面主要分布在沱江流域中下游，TP浓度虽低于上游但年内波动不稳定，峰值依次出现在丰水期的6月、8月和10月，表明该区域主要受面源污染影响[25]。肖宇婷等[21]采用排污系数法测算沱江流域面源污染负荷，发现沱江流域中下游球溪河口仁寿县段、沱江简阳市段、资阳市雁江区段以及泸州市泸县段TP排放量较高，与图7(b)显示的流域面源污染负荷强度空间分布特征基本一致。B组断面主要分布在沱江流域上游地区，枯水期TP浓度超过Ⅳ类水质标准，其中4月出现浓度峰值，这可能是受城镇生活污水和工业集中区污水排放的影响，加之支流流量不足造成的。C组碳研所断面位于自贡市城区下游，枯水期1—5月TP浓度呈明显上升趋势，6月TP浓度降低，这是由于自贡市市区城镇化率大于70%，常住人口从2011年的58.3万人增至2017年的74.2万人[26]，受城镇生活污水排放的影响TP浓度升高。D组双江桥断面丰水期TP浓度大于枯水期，这是由于断面汇流区（德阳郊区）畜禽养殖、农药及化肥流失等面源污染对水体TP浓度的贡献显著，特别是该区约60%的规模化养殖场粪污处理设施不够完善，专业户和散养户存在粪污露天堆放、随意外排现象，导致大量面源污染物入河[27]。

图7 2017年沱江流域TP点源与面源排放源强空间分布Fig.7 Spatial distribution of TP pollutions from point and non-point sources in Tuojiang River Basin in 2017

3 结论

（1）在空间上，沱江干流上游区（三皇庙断面以上）TP浓度主要受起始支流TP污染汇入的影响，中游区（三皇庙—脚仙村断面）TP浓度平缓变化且总体沿程降低，下游区（脚仙村断面以下）TP浓度显著波动。TP 浓度在三皇庙〔（0.251±0.213）mg/L〕、银山镇〔（0.146±0.028）mg/L〕和大磨子〔（0.232±0.057）mg/L〕等监测断面出现极值。

（2）在时间上，沱江流域TP浓度总体表现为枯水期>平水期>丰水期的特性，枯水期、平水期与丰水期TP浓度差异性显著（P<0.05），枯水期与平水期TP浓度差异性不显著（P>0.05）。

（3）2011—2018年沱江流域干支流TP浓度层次聚类分析结果表明，流域上游与中下游TP浓度空间变化差异性显著，由于城镇生活污水、工业废水排放加之干、支流河道流量不足，上游枯水期污染严重；丰水期TP污染严重主要与汇流区内面源入河有关，沱江中、下游干流普遍流量较大，TP浓度主要受畜禽养殖污染源、畜禽养殖-农村生活源、农村生活源等面源污染影响。沱江流域TP污染具有明显的流域区域性特征。