丹江口水库总磷时空分布特征及其影响因素

2023-02-12尹炜，王超，王立，辛小康，柳根

人民长江 2023年1期

尹炜，王超，王立，辛小康，柳根

(1.长江水资源保护科学研究所，湖北武汉 430051； 2.长江水利委员会湖库水源地面源污染生态调控重点实验室，湖北武汉 430051； 3.南水北调中线水源有限责任公司，湖北丹江口 442700)

0 引言

磷作为湖库富营养化的主要限制因子，一直是流域水环境研究关注的重点。对长江流域40多个湖泊多年比较研究的结果表明，总磷浓度是限制浮游藻类生长的最重要因素[1]。加拿大和美国的科学家在安大略湖区开展的历时37 a的野外试验也表明，磷是控制藻华暴发的重要因子[2]。“十三五”期间，总磷已经成为影响长江中游湖泊水质类别的主要因子，也是湖泊富营养化的最主要驱动力[3-5]，控磷对于湖库水质安全具有十分重要的意义。

丹江口水库是南水北调中线工程水源地，水质保护十分重要。2014年中线工程运行通水以来，丹江口水质总体良好，但在磷污染方面也陆续发现一些问题。如丹江口水库部分城镇型入库河流磷浓度较高[6]，水库消落区具有一定的磷释放风险[7-8]等。另外，库周小流域的磷输出受农业面源影响较大[9]，库区水土流失对总磷输出也会产生影响[10]。为进一步认识丹江口水库总磷的分布特征，本研究系统整理了丹江口水库多年来总磷监测数据，分析总磷变化规律和影响因素，为水库总磷污染防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

丹江口水库水域面积约1 050 km2，分为汉库(湖北省境内部分)和丹库(河南省境内部分)。水库库周分布有16条主要入库河流，其中汉库入库河流包括汉江、天河、堵河、神定河、犟河、泗河、官山河、剑河、浪河、将军河、曲远河、淘沟河等12条，丹库入库河流包括丹江、淇河、滔河、老灌河等4条(见图1)。水量较大的入库河流有汉江、堵河、丹江、老灌河、滔河等，其中汉江来水占丹江口入库流量的约70%，堵河来水占丹江口入库流量的约20%(见表1)。

图1 丹江口水库水文水质监测站点分布Fig.1 Distribution of hydrological and water quality monitoring stations of Danjiangkou Reservoir

表1 丹江口水库主要入库河流概况

1.2 数据来源

基础数据包括库区内和入库河流的逐月总磷监测数据。库区内16个监测断面中坝上(龙王庙)、浪河口下、凉水河-台子山、陶岔4个断面总磷数据时段为2012～2022年，其余断面数据时段为2021年。入库河流监测数据选取布设有国控断面的13条河流，数据时段为2012～2021年。另外，汉江、堵河、丹江、老灌河、滔河等5条河布设有水质自动监测站和水文站点，监测频次为逐日，数据时段为2018～2021年(见表2)。所有水质监测断面和水文站位置见图1。

表2 数据来源和基本情况

1.3 分析方法

采用单因素方差法进行均值比较，斯皮尔曼秩次相关法检验总磷浓度的时间变化趋势。斯皮尔曼秩次相关检验法的原理是检验序列的趋势变化与其时间顺序是否有关，若序列按某种趋势排列的顺序(秩)与时间顺序(时序)越接近，则说明序列的趋势变化越明显[11]。在分析序列xt与时序t的相关关系时，xt用其秩次Rt(即把序列xt从小到大排列时xt所对应的序号)代表。t仍为时序(t=1，2，…，n)，秩次相关系数计算如式(1)所示：

(1)

式中：n为序列长度；dt=Rt-t。显然，秩次Rt与时序t相近时dt越小，秩次相关系数越大，变化趋势越显著。以显著性检验的p值作为判定标准，p≥0.05表示趋势平稳，p<0.05表示上升或下降趋势显著，p<0.01表示上升或下降趋势极其显著。统计检验过程在SPSS 19.0中实现。

对入库总磷通量进行核算。汉江、堵河、丹江、老灌河、滔河采用逐日径流量乘以对应的逐日总磷浓度后累加。径流量数据来自白河、黄龙滩、磨峪湾、淅川、梅铺5个水文站逐日流量监测结果，总磷浓度数据来自羊尾、焦家院、淅川史家湾、淅川张营、王河电站5个水质自动监测站逐日总磷浓度监测结果。神定河、泗河、官山河、剑河、浪河、淇河、犟河、天河无水文站，因此采用年径流总量乘以年总磷平均浓度。年径流总量由多年平均流量计算，总磷平均浓度采用各国控断面逐月监测平均值。汉库入库通量为汉江、堵河、神定河、泗河、官山河、剑河、浪河、犟河、天河等9条河流总磷通量之和；丹库入库通量为丹江、老灌河、滔河、淇河等4条河流总磷通量之和。

2 结果分析

2.1 库区内总磷浓度多年变化趋势

从坝上(龙王庙)、浪河口下、凉水河-台子山、陶岔等4个监测断面2012～2022年逐月总磷浓度变化可以看到，库区内总磷浓度总体稳定(p>0.05)，基本保持或优于Ⅱ类，仅2021年出现升高(见图2)。各断面2021年以前总磷浓度基本稳定在0.005～0.020 mg/L(Ⅰ～Ⅱ类)，个别时段超过0.025 mg/L(Ⅲ类)。除陶岔断面外，其他断面2021年9月开始出现上升，10月份左右达到峰值，2022年回落到0.025 mg/L以下。其中坝上(龙王庙)断面总磷最高达到0.100 mg/L，2022年4月回落至0.012 mg/L；浪河口下断面总磷最高达到0.090 mg/L，2022年5月回落至0.015 mg/L；凉水河-台子山断面总磷最高达到0.070 mg/L，2022年1月回落至0.020 mg/L。

图2 丹江口水库库区内主要监测断面2012～2022年总磷逐月变化趋势Fig.2 The monthly change trend of total phosphorus at main monitoring sections in Danjiangkou Reservoir from 2012 to 2022

2.2 入库河流总磷浓度多年变化趋势

入库河流总磷变化趋势可分为总体稳定和总体下降两类(见图3)。2012～2021年，汉江、堵河、丹江、滔河、淇河等5条入库河流总磷浓度总体稳定(p>0.05)。汉江干流和丹江入库总磷多年平均浓度分别为0.039 mg/L和0.042 mg/L，2021年入库总磷平均浓度为0.071 mg/L和0.059 mg/L，显著高于多年平均水平(p<0.05)。堵河、滔河、淇河入库总磷多年平均浓度分别为0.050，0.021 mg/L和0.026 mg/L，其中堵河在2014年出现较大峰值，滔河、淇河未出现显著波动。

图3 丹江口水库主要入库河流近10 a入库总磷浓度变化趋势Fig.3 The change trend of the total phosphorus concentration in the main inflow rivers of Danjiangkou Reservoir in the past 10 years

2012～2021年，神定河、泗河、犟河、剑河、官山河、浪河、老灌河、天河等8条河流总磷浓度总体下降(p<0.05)。神定河、泗河、犟河、剑河、浪河呈现出先下降后趋稳的特征，如神定河入库总磷浓度2012～2016年平均0.680 mg/L，呈下降趋势(p<0.01)；2017～2021年平均0.291 mg/L，变化趋势平稳(p>0.05)。官山河、天河分阶段平稳，如天河入库总磷浓度2012～2016年平均0.122 mg/L，趋势平稳(p>0.05)；2017～2021年平均0.072 mg/L，趋势平稳(p>0.05)。老灌河2012～2016年总磷浓度平均为0.167 mg/L，呈上升趋势(p<0.05)；2017～2021年总磷浓度平均为0.046 mg/L，呈下降趋势(p<0.01)。

2.3 2021年总磷浓度时空分布特征

以总磷浓度较高的2021年为对象分析总磷浓度年内时空分布特征(见图4)。库区内总磷1～6月基本稳定在0.025 mg/L(Ⅱ类上限)以下，秋季上升趋势显著。汉库各监测断面中，总磷浓度7月份开始上升，9～10月达到峰值，且上游断面峰值时间早于下游断面。如孤山枢纽下、柳陂镇山跟、青山-安阳等断面总磷浓度9月份上升至0.170，0.190，0.140 mg/L，达到或接近峰值浓度；汉库中心(杨溪铺)、远河河口、肖川-龙口、坝上(龙王庙)等断面总磷浓度峰值均在10月份出现。丹库各监测断面中，陶岔断面总体平稳，其他断面总磷浓度9月开始上升，10～11月达到峰值。其中凉水河-台子山、香花镇张寨、清泉沟、仓房镇赵沟等断面总磷浓度峰值为0.070 mg/L，白渡滩断面总磷浓度峰值为0.120 mg/L，均出现在10月；丹库中心断面11月份达到总磷浓度峰值0.080 mg/L。

图4 2021年丹江口水库库内监测断面和入库河流监测断面总磷浓度月度变化Fig.4 Monthly change of total phosphorus concentration at monitoring sections in the reservoir and rivers entering Danjiangkou Reservoir in 2021

入库河流1～6月总磷浓度相对平稳，7～10月上升并达到峰值，11月开始回落。其中流量最大的汉江、堵河入库总磷浓度峰值分别为0.176 mg/L和0.071 mg/L，均出现在10月份；丹江、淇河、滔河、老灌河总磷浓度峰值分别为0.177，0.054，0.041 mg/L和0.029 mg/L，均在9月份出现。总体上，入库河流总磷浓度变化与库区内断面基本同步，特别是流量贡献最大的汉江干流总磷变化过程与库区内断面总磷变化过程基本一致。

3 讨论

近10 a来，丹江口水库入库河流总磷浓度稳中有降，这与库区及上游大力开展的治理保护工作密切相关。13条入库河流中，神定河、泗河、犟河、剑河、老灌河等穿越大型城镇，污染较重。“十一五”(2006～2010)和“十二五”(2011～2015)期间，国务院先后批复实施了两期丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划，投入数百亿元开展工业点源治理、城镇污水厂新建扩建、河道内源污染治理等[12-13]，对总磷污染负荷起到较好的削减作用，神定河、泗河、犟河、剑河等河流的总磷浓度在2012～2016年都出现了显著的下降。但老灌河在这一时期反而出现总磷上升的现象，原因可能是污水收集管网建设滞后、环境基础设施规模不足[13]。汉江干流、堵河、丹江等入库河流总磷浓度受农业面源和水土流失影响较大[14]。针对这些问题，库区及上游在农业面源污染防治、农村环境整治、水土流失治理、生态清洁小流域建设等方面也开展了大量工作[15]，对入库河流总磷浓度的下降和稳定起到重要作用。

相对于入库河流，库区内总磷浓度更低且更加稳定，这说明丹江口水库具有很强的缓冲和净化作用。磷具有较强的吸附性[16]，河流携带磷进入水库后，流速减缓，总磷浓度通过沉降作用得以降低[17]。然而2021年库区内总磷浓度显著升高，可能是入库河流总磷输入量过大的原因。2021年，汉江上游发生超20 a一遇洪水，降雨量列1960年以来历史同期第1位，汛期入库水量较历史同期偏多3倍多，入库总磷通量大幅增加。根据通量核算结果(见图5)，2021年入库总磷通量为8 666 t，是2018年的7.2倍，2019年的3.2倍，2020年的7.6倍。在输入负荷大幅增加的条件下，磷的沉降时间延长，沉降净化作用会受到影响[18]。但陶岔断面在2021年并未出现总磷升高的现象，这与陶岔区域的水动力条件密切相关。陶岔断面位于丹库最东端，丹库的开阔水域形成天然强化缓冲区，不论是汉江干流输入还是上游丹江输入，流速都会大幅减小，颗粒物沉降得到加强。这种水动力条件保障了陶岔区域的总磷浓度比库区内其他区域更加稳定。整体而言，入库河流的输入和水库的缓冲净化对库区内总磷浓度长期变化都有重要的影响。

图5 丹江口水库主要入库河流总磷通量分布Fig.5 Distribution of the total phosphorus flux in the main inflow rivers of Danjiangkou Reservoir

2021年，总磷升高主要集中在秋季，这与库区及上游的降雨特征密切相关。2021年降雨主要集中在秋季，8月下旬至10月上旬，汉江流域共发生9次强降雨过程，累计面均雨量536 mm。强降雨冲刷产生的面源输出对总磷浓度会产生显著影响。短历时强降雨会显著提高土壤养分流失程度[19]，有效径流事件发生越频繁，降雨量越大，则营养流失的情况越严重[20]。在强降雨条件下，易形成面源污染集聚风险[21-22]。另外，丹江口库区及上游水土流失面积达2.16万km2[23]。由于总磷吸附性较强，水土流失产生的泥沙颗粒可能进一步加剧面源输出[24-25]。从2021年入库总磷通量月度分布来看，约85%集中在8～10月，与强降雨时段吻合(见图6)。2021年汉江、堵河等入库河流总磷浓度升高主要集中在8～10月，库区内总磷浓度升高时段主要集中在9～11月。考虑到水流传递的延迟效应[26]，库区内总磷浓度的年内变化过程与降雨及总磷通量的变化过程基本吻合。因此，可以认为降雨是驱动总磷浓度年内变化的主要原因。

图6 2021年丹江口水库入库流量变化和总磷通量月度分布Fig.6 Change of inflow and monthly distribution of total phosphorus flux of Danjiangkou Reservoir in 2021

总磷升高区域主要集中在汉库，主要原因是汉江干流在总磷入库通量上占绝对主导。2021年秋季强降雨过程中，丹江口水库连续发生7次入库流量超过10 000 m3/s的较大洪水过程，汉江入库流量占90%以上。从总磷入库通量的分布可以看到，汉库入库通量显著高于丹库(见图6)。开展丹江口库区及上游的水土流失和面源污染治理是防控丹江口水库总磷污染的根本途径。丹江口库区及上游水土流失范围广、强度高，加上农业生产多为单家独户的经营方式，污染治理配套措施不足，导致水土流失和农业面源污染治理难度较大。建议创新治理理念，以小流域为单元开展水土流失综合治理和面源污染防控，加强山水林田湖草系统防治[27]；加快易实施、易推广的面源防控和水土流失综合治理技术的应用，提升流域污染滞留能力[28]。通过流域综合治理和生态建设，从源头控制总磷来源。

另外，水库消落区淹没产生的磷释放风险也需要关注。2021年丹江口水库首次蓄至170.00 m水位，167.00 m水位以上运行116 d。丹江口水库大坝加高蓄水前，170.00 m高程以下分布有大量农田耕地，水库加高蓄水后淹没的农田耕地是主要的磷释放来源。2021年新淹没的167.00～170.00 m高程范围内，原有的农田耕地面积约20 km2。研究表明，淹水条件下农田土壤总磷释放速率为3.26 mg/(m2·d)2[8]。淹水时间按照120 d进行计算，估算得到消落区淹没产生的磷释放负荷约7.82 t。消落区淹没释放量与入库河流输入总磷通量相比规模较小，但考虑到丹江口水库岸线曲折，库湾较多，消落区淹没释放可能对局部库湾水体产生影响，仍需引起重视。