三峡水库175 m试验性蓄水后库区水质时空变化规律

张漫 张万顺 张潇 郭平 李崇明

摘要： 为了研究三峡水库175 m试验性蓄水运行后的库区水质时空变化规律，基于2008～2019年三峡库区逐月水质监测数据，采用Mann-Kendall非参数检验法和水质质量指数（WQI）综合评估法分析了三峡库区蓄水后水质时空分布特征。结果表明：三峡库区水质主要超标项目为总磷和高锰酸盐指数，上游总磷、高锰酸盐指数超标现象大于下游;2008～2019年高锰酸盐指数、總磷浓度整体呈缓慢下降趋势;2016年是干流总磷浓度变化的突变节点，干流的总磷浓度在2016年之后有显著下降趋势;三峡库区干支流水质质量指数整体处于上升趋势，支流水质质量指数整体低于干流，丰水期水质质量指数低于枯、平水期。研究成果可以为三峡库区水环境保护和管理提供科学依据。

关 键 词： 水质特征; 时空分异; 水质质量指数（WQI）; Mann-Kendall非参数检验法; 三峡库区

中图法分类号：  X524

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.010

 0 引 言

三峡水库自2003年开始135 m蓄水，2010年成功蓄水至175 m以来，库区的水文、水动力、人口分布、土地利用等较蓄水前发生了较大变化  [1-2] 。175 m高水位蓄水后的水环境状况备受国内外学者关注。Nsabimana等  [3] 研究了三峡水库水位波动引起的土壤特性变化特征;Grabb等  [4] 研究了三峡水库和长江下游的氮循环变化;张静等  [5] 研究了蓄水后三峡库区气候要素的变化情况以及变化原因;唐国民等  [6] 对蓄水前、蓄水初期、试验蓄水期3个阶段的宜昌站枯水期、洪水期水位流量数据进行了分析;刘辉等  [7] 分析了三峡库区干、支流水质现状及其在蓄水前、135 m蓄水后和156 m蓄水后3个阶段的演变趋势。但针对三峡库区整体水环境状况及变化特征长时间序列的系统分析研究较少。

本文基于三峡库区干支流2008～2019年的9个监测断面21个监测指标的逐月水质监测值，利用WQI评估法、M-K突变检验等方法系统分析了三峡库区水环境现状，水质年际变化趋势以及水质空间分布差异，以期为三峡库区的水环境安全保障和水环境管理工作提供科学依据。

1 研究区域与数据

三峡库区流域面积1 080 km  2 ，水库总库容393亿m 3，回水区长达660 km。库区属于亚热带季风湿润气候，年均气温为17.9 ℃，雨季分明。结合三峡库区降雨特征与水库调度方案，库区水期采用水文丰枯水期划分方法，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  [8-10] 。

嘉陵江为长江上游左岸的一级支流;乌江为长江上游右岸最大的支流;澎溪河为三峡库区中段、坝前、左岸流域面积最大的次级河流  [11] ，故同时选取典型支流嘉陵江、乌江、澎溪河与长江干流段（江津市羊石镇至宜昌市三斗坪镇）分析三峡库区整体水质情况。

监测断面包括朱沱、寸滩、长寿、清溪场、万县、奉节、北碚（嘉陵江）、武隆（乌江）、高阳（澎溪河）。监测数据包括高锰酸盐指数、NH  3 -N、TP、TN、 BOD  5 、NO  2 、NO -  3 等21个指标，监测站点分布如图1所示。

水质监测数据由重庆市生态环境科学研究院提供，朱沱、寸滩、清溪场、万县、奉节、北碚、武隆、高阳8个水质监测断面数据时间序列为2008年1月初至2019年12月底;长寿水质监测断面数据时间序列为2008年1月初至2017年12月底。

2 研究方法

2.1 水质质量指数（WQI）综合评估法

WQI综合评估法是一种基于河流水质真实情况的评估标准较为固定的评价方法  [12-13] ，该方法能够有效地将许多物理和化学参数转换为反映水质水平的单一值，消除了评估中单独使用的参数之间的差异，可以完整地表达水体综合水质信息，评价中各指标的分值以及权重依据大量前人研究或各参与评估指标对水健康的危害程度来确定。

其计算公式如下：

WQI=   n  i=1  c i×p i   n  i=1  p i

式中：WQI为水质综合指数;c i是水质因子i的标准化得分;p i是水质因子i的权重，p i的最小值是1，最大值为4;WQI评估值范围为0～100，其值越高，代表水质健康程度越高。根据得分河流水质被分为5个等级：优秀[90，100）、良好[70，90）、一般[50，70）、差[25，50）、极差[0，25）。

2.2 Mann-Kendall非参数检验

Mann-Kendall非参数检验是一种基于秩的统计方法，该方法适用于径流及气温、降水等气象要素时间序列的趋势变化分析和突变分析，其优越性在于能够检验线性或非线性的趋势，计算简便、不受少数缺失数值和异常值干扰、对样本分布没有要求  [14-18] 。本次研究利用该方法分析水质数据在时间序列上的变化趋势及突变特征。

当M-K检验用于检验序列时，通过构造一秩序列：

S k=  k  i=1     i-1  j a  ij  （k=2，3，…，n）

其中：

a  ij =  1 （x i>x j） 0 （x i≤x j）

在原序列随机独立等假设下， S k 的方差和期望分别为

E（S k）=k（k-1）/4

Var（S k）=k（k-1）（2k+5）/72

将 S k 标准化得到：

UF k= [S k-E（S k）]  Var（S k）   （k=1，2，…，n）

UF k为统计量序列，構成一条UF曲线，通过信度检验可得出所检验指标是否有明显的变化趋势。将时间序列x按逆序排列，通过此方法计算得到另一条曲线UB ：

UB k=-UF  k′  k′=n+1-k

两条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。取显著性水平 α=5 % 时，其对应的临界值为1.96。UF>0，表示序列呈上升趋势;UF<0，表明呈下降趋势，大于或小于±1.96，表示上升或下降趋势明显。

3 结果与讨论

3.1 水质现状分析

对本次研究的监测指标，采用等标污染负荷法分析，结果表明高锰酸盐指数、氨氮、总磷是影响库区水质最主要的污染物。

根据《全国重要江河湖泊水功能区划（2011～2030年）》，本次研究的9个监测断面所在的水功能区的水质目标绝大多数为国家地面水环境质量Ⅲ类标准，仅个别监测断面水质目标为国家地面水环境质量Ⅱ类标准，为统一分析标准，本文采用地面水环境质量Ⅲ类标准进行评价。采用单因子评价法，分别对三峡库区干支流监测断面的高锰酸盐指数、氨氮、总磷进行水质评价，评价结果如图2所示。

如图2所示，氨氮浓度的所有监测值均符合河流Ⅲ类水质标准（≤1.0 mg/L），即2008～2019年间三峡库区的氨氮浓度均不存在超标现象;高锰酸盐指数浓度在朱沱、寸滩、长寿、清溪场、万县、北碚监测断面中存在超标情况（>6.0 mg/L），监测值超标占比分别为5.2%，3.6%，3.4%，4.3%，0.7%，0.8%，整体变化趋势为上游超标现象大于下游;总磷为三峡库区主要超标项目，干流自上而下TP浓度超标（>0.2  mg/L ）占比依次为 22.4% ，12.9%，13.8%，25.7%， 12.9% ，10.0%，支流乌江武隆监测断面超标占比为 44.3% ，TP浓度呈现上游超标现象大于下游，支流大于干流。

三峡库区水质总磷超标现象与多种因素有关，首先与库区内发达的农业经济有关，Huang等研究表明，农田是三峡库区的主要土地利用类型，农业用地中过量的肥料投入，导致磷和其他营养物质的浓度升高。2007～2014年，三峡库区每年的化肥施用量大约有13.60万～16.00万t，损失量大约有1.11万～1.43万t，其中氮肥和磷肥占总损失量的16.57%和 77.54%   [19] 。刘涓等研究表明，三峡库区来自面源的磷占该区污染总负荷的74.9%，库区次级河流中约有55%的总磷来源于农业面源污染  [20] 。此外，水库自身对于磷具有明显的滞留效应，自三峡水库蓄水运行以来，干流上游的流速由蓄水前的 2.12 m/s 降低至  1.33  m/s，中游由 1.87 m/s 降低至 0.58 m/s，下游由 2.15 m/s 降低至 0.29 m/s，库区流速变缓，水体滞留时间延长，颗粒态磷伴随泥沙在库区沉积  [21-26] ，水库本身对于磷的滞留效应对水体中TP浓度的增加起到了推动作用。

3.2 库区水质时间变化分析

3.2.1 水质年际变化趋势分析

图3～ 5显示了三峡库区干支流9个监测断面高锰酸盐指数、氨氮、总磷指标2008～2019年年均值的年际变化趋势。三峡库区干支流12 a间的高锰酸盐指数浓度变化范围是1.13～4.26 mg/L。其中澎溪河高阳监测断面的高锰酸盐指数浓度最高且波动最大，明显高于其他监测断面，乌江武隆监测断面总体浓度最低，其余干流监测断面高锰酸盐指数变化趋势相同，近年来呈缓慢下降趋势。

氨氮浓度变化范围是0.04～0.31 mg/L，且近几年整体浓度及波动程度均呈现下降趋势。

TP浓度变化范围是0.06～0.52 mg/L，干流监测断面12 a间TP浓度变化趋势相同，呈缓慢下降趋势;支流北碚、高阳监测断面12 a间的TP浓度变化均较平稳，TP浓度低于其余7个监测断面;其中支流武隆监测断面TP浓度在蓄水后的2008～2014年有较大波动，2011年达到最大值0.52 mg/L，2012年TP浓度开始逐年降低。

武隆监测断面所在的乌江流域分布着贵州省主要的磷矿产区和磷化工企业，自2009年开始频繁暴发磷矿污染事件，加之2011年乌江渡水库及其支流息烽河暴发“开磷化工34号泉眼乌江水污染事件”，导致贵州省至重庆市整个乌江流域干流总磷浓度持续升高，故2011年贵州省开始加大对乌江流域磷矿企业的污染整治力度  [27-29] 。

3.2.2 水质突变情况分析

水质现状分析与水质指标年际变化结果显示三峡库区中磷污染较为严重，且14个监测断面TP浓度差异较大，故分别对9个监测断面12 a的TP浓度月监测值变化情况进行M-K突变检验及趋势分析，结果如图6所示。

从图6结果可以看出，所有干流监测断面在置信区间内有1个交点，且交点均在2016年附近，表明三峡库区干流TP浓度变化较为稳定，仅在2016年附近发生过一次突变。且2016年之后，TP浓度的UF值超出置信下限（ UF <-1.96），表明干流TP浓度在2016年之后下降趋势十分显著。

三峡水库入库TP通量与泥沙通量具有较强的正相关关系，TP 通量伴随入库沙量的变化而变化  [26] ，金沙江下游的向家坝和溪洛渡水库2013年以来的陆续运行对上游泥沙的拦截使得三峡水库入库泥沙通量在2013年以后有明显的减少趋势  [19] 。上游梯级水库对于泥沙的拦截可能是库区干流TP浓度突变的主要原因之一。

而支流北碚监测断面在12 a间发生突变次数较多，但是UF值均未超出置信区间（±1.96），说明北碚监测断面12 a间的TP浓度变幅较小，呈稳定趋势;支流高阳监测断面2016年之后，UF值均为负值，说明高阳断面的TP浓度近年来也呈下降趋势。

乌江武隆监测断面2014年之前，UF值均超出置信区间上限（ UF >-1.96），乌江TP浓度在2014年之前经历了显著上升的过程，从图中结果可以看出，武隆监测断面在2014年之后UF值均为负值，且在2016年超出了置信区间下限，说明近几年乌江TP浓度下降趋势十分明显，这与年际变化分析结果一致。

3.3 库区水质时空变化特征分析

2008～2019年三峡库区干支流水质WQI值综合评价结果见图7。结果表明：近12 a三峡库区干支流WQI值范围是65.9～92.9，根据WQI分类水平结果，库区水质类别主要为良好。

从图7可以看出：2008～2019年各监测断面WQI值整体处于上升趋势，且从库区上游（朱沱）到下游（奉节）沿程升高，说明三峡库区干流水质在时间上的变化趋势整体向好，在空间上的变化趋势沿干流自上到下越来越好。这与政府加强了对三峡库区流域的保护和恢复措施密不可分，三峡库区市政污水处理厂从2008年的56家增加到2016年的220家，同时，库区污水设计日处理能力由191.65万t提升至291.00万t，工业污染源废水排放量、生活垃圾散排量、化肥农药施用量及流失量在2008年之后均有所减少  [30-31] ，政府对三峡库区环境的保护与管理措施使得库区水质有了较大改善。

WQI评价结果显示，支流3个监测断面WQI值低于干流，本次研究表明库区支流水质较干流差。自三峡工程175 m高水位运行以来，枯水期（11月至次年3月）开始蓄水至高水位，干流水位上升，大量干流水体倒灌进入支流  [32-33] ，而且原有连续的河流生态系统被分隔成两个不连续的环境单元  [34] ，支流汇合口形成了水流缓慢、面积大的类湖泊型水域  [35] ，原来的流水生态系统逐渐转变为静水生态系统，扩散能力大幅降低，自净能力降低。

干流支流的WQI值在丰水期最低，说明三峡库区在6～9月145 m低水位运行期间水质较差，这说明面源污染物仍是库区主要污染源。

三峡工程的高水位蓄水对水环境的影响是一个复杂的问题，大型水库生态系统的演替是一个长期的过程。

4 结 论

本文对三峡库区2008～2019年高水位蓄水后的水質时空分异特征进行分析，得到如下结论，可为三峡库区水环境管理提供决策依据。

（1） TP 是三峡库区水质超标的主要指标，高锰酸盐指数在部分断面存在不达标现象，氨氮指标现状稳定且所有断面满足Ⅲ类水质标准。

（2） 在时间上，2008～2019年高锰酸盐指数浓度年均值呈小幅下降态势，TP年均值呈显著下降态势;在空间上，干流上游高锰酸盐指数、TP浓度以及WQI高于下游，支流水质整体低于干流。

（3） 2016年是干流TP浓度变化的突变节点，干流的TP浓度在2016年之后有显著下降趋势;乌江的TP浓度近年来也呈现大幅度的下降趋势。

（4） 三峡库区WQI处于整体上升趋势，由此可见，政府对于三峡库区的环境保护与治理对库区水质的改善有显著效果，但是支流整体水质低于干流，丰水期水质低于枯、平水期。

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（编辑：刘 媛）

Tempo-spatial variation of water quality in Three Gorges Reservoir area since its  175 m experimental impoundment

ZHANG Man 1，ZHANG Wanshun 1，ZHANG Xiao 1，GUO Ping 2，LI Chongming 2

 （ 1.School of Resources and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China; 2.Chongqing Academy of Eco-Environmental Sciences，Chongqing 401147，China ）

Abstract：

In order to study the tempo-spatial variation of water quality in the Three Gorges Reservoir area since the operation of 175 m experimental impoundment，based on monthly water quality monitoring data from 2008 to 2019，the tempo-spatial distribution characteristics of water quality were analyzed by Mann-Kendall non-parametric test method and Water Quality Index （WQI） comprehensive evaluation method.The results showed that the major items exceeding the standard were total phosphorus and permanganate index，the overstandard phenomenon in the upstream was more serious than that in the downstream.The permanganate index and total phosphorus concentration showed a slow decreasing trend from 2008 to 2019.The 2016 was a mutation point of total phosphorus concentration in the main stream，as it had a significant downward trend after 2016 in the mainstream.The WQI of the main and tributary streams in the Three Gorges Reservoir area was on the rise，and the WQI of tributaries was generally lower than that of the main stream，and the WQI in wet season was lower than that in dry and normal season.The research results can provide scientific basis for water environment protection and management in the Three Gorges Reservoir area.

Key words：

water quality characteristics;tempo-spatial variation;Water Quality Index （WQI）;Mann-Kendall non-parametric test;Three Gorges Reservoir area