2018～2022年长江流域总磷时空变化特征研究

陈 峰,李晓慧,王文静,彭 恋,钱 宝

(长江水利委员会 水文局,湖北 武汉 430011)

0 引 言

磷是水体生物生长的必要元素,也是造成水体富营养化的主要影响因子。水体富营养化会严重破坏水体生态平衡、降低生物多样性、导致水生态功能退化,引起一系列水环境问题,威胁生态系统安全[1]。长江经济带发展战略实施以来,国家和地方出台多类政策,助力长江水污染治理,成效显著。近年来,习近平总书记从中华民族永续发展的战略高度,谋划、部署和推动实施长江经济带发展战略,随着《长江经济带生态环境保护规划》的发布,流域内各省市积极落实相关制度要求,有序推进磷专项整治工作,长江生态环境保护已初见成效,但水资源、水环境、水生态、水风险等多重问题纷繁复杂,水生态环境形势依然严峻。

自2016年起,长江流域总磷问题日渐凸显,长江干支流、水库群的水华暴发问题备受国内外关注[2]。陈善荣等[3]研究表明,2016～2019年总磷在长江流域水环境污染占比最大,其断面超标率一直高居首位。晏维金等[4]通过模型与情景分析研究了总磷在空间分布格局上存在巨大的差异。尹炜等[5]对长江流域总磷和富营养化现象进行了机理分析,并提出管控建议。郭朝臣等[6]在时空尺度下开展对长江流域干、支流水系通量变化规律的研究,从断面水量和水质及通量等方面分析其空间变化响应、年际变化趋势和通量相关性关系分析,揭示了长江流域污染物通量时空贡献特征。美国、加拿大研究学者在安大略湖区开展历时37 a之久的野外试验也表明,磷是控制水华暴发的重要因子[7]。运用美国地质调查局(USGS)开发的具有空间属性的非线性流域回归模型SPARROW模型,在密云水库流域、艾比湖流域等一些地区开展了相关研究[8],模拟和评估了监测断面营养物空间运输、水质目标管理及总量控制、水质评价与预测、水环境影响等,开发了总磷等主要营养物的时空变化情景分析模块[9],在河湖治理和改善方面取得了显著成效。

本文系统梳理了2018～2022年长江流域总磷时空变化特征,分析了主要影响因素,发现总磷问题成为长江流域污染的首要超标因子,提出了长江流域总磷污染防控对策和有效治理方法,旨在为流域水环境保护和管理提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区域

依托长江水利委员会在长江流域布设的水文-水质监测站网,选取了325个长江流域地表水国家重点水质站水质监测数据进行了统计分析,监测断面分布情况见表1。

表1 长江流域地表水监测断面分布情况

1.2 采样分析

采样方式包括涉水采样、船只采样等,河流断面和湖库点位的布设原则依据HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》。水样采集后需静置沉降30 min,取上层非沉降部分测定。

分析方法依据GB 11893-89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》,总磷分析采用过硫酸钾(或硝酸-高氯酸)为氧化剂,将未经过滤的水样消解,用钼酸铵分光光度法测定。

1.3 数据来源及处理

所有监测数据均来自于2018～2022年长江流域325个地表水国家重点水质站监测成果,监测方法和监测时间等具有较好的系统性和一致性。评价项目参照《水利部办公厅关于做好<中国地表水资源质量年报>编制工作的通知》(办水文函〔2020〕1061号)[10],河流湖库以及省界水体水质评价项目为GB 3838-2002《地表水环境质量标准》表1中除水温、总氮、粪大肠菌群以外的21个基本项目,对监测结果开展评价分析,总磷质量浓度按照不高于0.02,0.10,0.20,0.30,0.40 mg/L,分别划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、劣Ⅴ类水质。

数据经过检查、突出异常值等处理后,图表绘制采用Microsoft Office Excel 2021和Origin 2016软件进行处理、统计和分析。

2 结果与分析

2.1 长江流域总磷浓度时间变化特征

2.1.1 长江流域总磷浓度年际变化

水质污染具有显著的时空关联特征,可通过历年数据的处理和收集实现对监测站点处总磷浓度的预测[11]。2018～2022年长江流域总磷浓度年际变化见表2和图1。2018～2022年,长江流域整体总磷浓度基本呈下降趋势,由2018年的0.08 mg/L下降至2022年的0.06 mg/L,降幅25%,2021年流域整体总磷浓度有小幅升高,较上一年增加约15%。长江流域是中国磷矿、磷化工企业和磷石膏库(简称“三磷”)的主要分布区域,中上游尤为集中。“三磷”是导致长江中上游等局部区域总磷污染的主要原因[12]。2021年长江流域整体偏丰,携带面源污染物的径流输入以及河道水库消落带影响等因素,导致水体磷浓度升高。

表2 2018～2022年长江流域总磷浓度随时间变化

图1 2018～2022年长江流域地表水总磷浓度年均值变化

湖库断面总磷年均值要低于河流断面,从2018年的0.07 mg/L降至2022年的0.05 mg/L。河流断面占总断面数量的91.4%,其变化趋势与流域整体相一致。虽然湖库断面总磷浓度整体有所降低,但2020～2022年有逐年增大趋势,2022年较2020年增大约24.4%,湖库富营养化形势仍然严峻。

2018～2022年长江流域总磷浓度不同水期年均值变化见表3和图2。从不同水期来看,2018～2022年长江流域汛期总磷浓度略高于非汛期,汛期总磷均值与非汛期相比,最大增幅约为33.3%。汛期面源污染的输入仍然是长江流域总磷的重要来源。

表3 2018～2022年长江流域总磷浓度不同水期变化

图2 2018～2022年长江流域总磷浓度不同水期年均值变化

2.1.2 干流及主要支流总磷时间变化

2018～2022年长江干流沿程37个监测断面总磷浓度变化如图3所示。总体来看,2022年各监测断面长江干流总磷浓度基本低于或与2018年持平。2018～2022年长江流域主要支流总磷浓度年际变化见图4。9条支流中,清江总磷浓度最低,在0.01～0.03 mg/L之间波动;赤水河、嘉陵江、湘江、汉江、赣江、乌江总磷浓度总体上满足“总磷浓度控制在0.1 mg/L 以下”的要求,但汉江下游、乌江偶有不达标,最高分别达0.11 mg/L和0.14 mg/L;岷江、沱江总磷浓度尚不达标,最小年均值仍达到0.11 mg/L。

图3 2018～2022年长江干流总磷浓度时间变化

图4 2018～2022年长江流域主要支流总磷浓度年际变化

从沿程变化来看,总体呈沿程升高趋势,但近3 a 浓度差值逐年减小。其中,嘉陵江干流总磷浓度总体较平稳,可能受上游来水影响;而嘉陵江中下游逐渐靠近重庆主城区,受人类活动影响较大。湘江干流总磷浓度从2019年的0.05 mg/L下降至2022年的0.027 mg/L,降幅达46.0%。汉江干流除2021年受流域洪水影响浓度有所升高外,总磷年均值基本稳定。岷沱江干流总磷浓度均呈下降趋势,岷沱江和乌江监测断面降幅均超过30%。针对这些问题,从库区及上游在农业面源、污染防治、水土流失治理、生态清洁小流域建设等方面开展了大量环境整治工作[13],对入库河流总磷浓度的下降和稳定起到重要作用。虽然总磷浓度有所降低,但2022年总磷年均值仍大于0.100 mg/L,需要继续加强总磷污染治理。

2.2 长江流域总磷浓度空间分布特征

中国生态环境保护研究者一直关注污染源的空间格局变化[14-15],相比于国外研究方法,中国水污染物减排是按行政区逐级分层开展的,以行政区为单元制定可行方案将污染负荷分配至各区域,无法从地区和行业类别来计算出水体污染物的排放量[16]。通过统计发现:总磷出现超标次数断面占超标断面的比例达到62.5%～80.0%,因此,总磷浓度空间分布与断面水质类别评价结果基本一致。总磷超标断面主要集中在洞庭湖和鄱阳湖以及长江上游大洪河水库、长江中游龙感湖、黄盖湖、长江下游石臼湖,汉江支流黄渠河、清河、神定河地区。

从空间上看,长江干流断面2018～2022年总磷浓度沿程出现随流经地区增加、汇入河流增加而波动上升的趋势,但总体稳定在0.01～0.15 mg/L区间波动。其中,雅砻江汇入之前的青海、西藏、云南和四川干流断面总磷浓度较低,在0.01～0.04 mg/L区间波动。雅砻江汇入后总磷浓度沿程增加,在0.05～0.15 mg/L之间波动,2022年上游朱沱断面总磷年均值为0.05 mg/L,中游沌口断面为0.07 mg/L,下游南通断面为0.11 mg/L,长江口启东港断面为0.12 mg/L,2022年长江流域地表水总磷浓度空间分布变化见图5。

图5 2022年长江流域地表水总磷浓度空间分布变化

根据2018～2022年来长江干流六大主要控制站月度监测数据,干流总磷浓度均呈现自西向东逐渐增高趋势。长江流域干支流总磷浓度总体平稳且良好,95%以上水质监测浓度数据达到Ⅱ类标准限值(0.5 mg/L),长江入海口地区总磷浓度依然最高,与该地经济较为发达及点源污染较多有关[17]。2022年长江流域片各水资源二级区年度水质类别比例对比见图6,如果按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中较为严格的湖、库地表水环境质量限值标准,部分水系出现高于Ⅴ类区域。长江流域一直以来处于各类生产生活活动交替不迭的状态,是富营养化的重灾区。支流不同水系污染物浓度变化较大,整体保持从源区至嘉陵江水系前上升而后下降的趋势,各污染物在支流嘉陵江水系处有显著降低趋势,可能与三峡大坝较强的拦截作用有关[18-19]。

图6 长江流域片各水资源二级区年度水质类别比例对比

2.3 主要湖库富营养化情况

长江流域面积广阔,水系复杂多样,不同湖库生态系统存在强烈的时空异质性,不同湖库水体富营养化程度及其影响因素均存在差异。2018～2022年长江流域主要湖库总磷浓度年际变化见图7。研究结果表明:2018～2022年,丹江口水库总磷年均值符合Ⅱ类水质要求,洞庭湖、鄱阳湖、巢湖以Ⅳ类为主,滇池为Ⅴ类。总体来看,湖泊水体富营养化问题仍然存在。长江上游梯级水库的建成运行,改变了水沙条件,颗粒态磷大幅减少,溶解态磷有所增加,磷输移形态的改变加剧了中下游总磷问题,并产生了系列生态环境效应[20]。上游支流水体中磷的输入加速了梯级水库水体中磷的累积,水质污染和富营养化潜在风险增加;中下游颗粒态磷减少,改变了磷形态的分布,增加了环境脆弱性;下游浅水湖泊水体中磷超标驱动了内源循环,加速了湖库的富营养化过程[21]。

图7 2018～2022年长江流域主要湖库总磷浓度年际变化

3 结论与建议

3.1 结 论

针对长江流域部分湖库总磷污染处于富营养化状态的现状,本文基于2018～2022年流域325个地表水国家重点水质站的监测数据,开展了总磷污染时空特征研究与分析,主要结论如下。

(1) 总磷问题成为长江流域污染的首要超标因子,整体总磷浓度基本呈下降趋势。由2018年的0.08 mg/L下降至2022年的0.06 mg/L,降幅25%。2018～2022年长江流域汛期总磷浓度略高于非汛期,汛期总磷均值相比非汛期最大增幅为33.3%。汛期面源污染的输入仍是长江流域总磷的重要来源之一。

(2) 长江流域水质状况总体较稳定,稳中向好。2020～2022年全年水质类别符合Ⅱ类及以上的占比77.95%,符合Ⅲ类及以上的占比94.15%。总磷是长江流域主要污染物之一。2018～2022年各超标断面中,总磷出现超标次数的断面占超标断面的比例达到62.5%～80.0%。

(3) 长江干流与主要支流的总磷情况:2022年长江干流总磷浓度基本低于或与2018年持平。主要支流中,清江总磷浓度最低;赤水河、嘉陵江、湘江、汉江、赣江、乌江总体上总磷浓度控制在0.1 mg/L以下,但汉江下游、乌江偶有不达标;岷江与沱江总磷浓度尚不达标。

(4) 主要湖库总磷情况:2018～2022年,丹江口水库总磷年均值符合Ⅱ类水质要求,洞庭湖、鄱阳湖、巢湖以Ⅳ类为主,滇池为Ⅴ类。总体来看,湖泊水体富营养化问题仍然存在。

3.2 建 议

(1) 完善长江流域水环境标准体系,加强总磷污染环境监管力度。牢固树立党的二十大报告中关于“统筹水资源、水环境、水生态治理,推动重要江河湖库生态保护治理”理念,修订涉磷工业行业废水排放标准,对涉磷工业行业提出总磷、总氮特别排放限值,提高排放要求。着眼于“十四五”期间长江流域向水生态环境质量改善为核心转变的态势,加快完善长江流域水环境标准体系顶层设计。以重要湖泊为管控对象,以防控富营养化为目标,统筹河流、湖泊的总磷污染控制指标,突破现有河湖营养盐管控不衔接问题[22]。同时,加快水环境风险隐患排查整治,严守生态保护红线,以提升水生态系统稳定性、持续性为目标,统筹水资源水环境水生态“三水”共治,系统保障河湖生态环境保护修复,持续推进长江流域水环境质量改善。

(2) 遵循“重点突出,多措并举”的原则。以长江流域上游片区为重点控制单元,开展总磷污染综合治理工作,推进区域绿色协调发展,强化磷污染点面源综合管控,开展小流域总磷污染整治,突出涉磷重点污染源的治理,加强涉磷行业规范化管理,控制磷污染负荷排放造成部分河段水质严重超标的现象。加强基础设施建设,防止城镇生活污染源排放影响河流水质状况。解决生态流量不足加剧水污染的问题,切实减少总磷输入。由于水污染治理导向不全面和污染源监管措施不系统,影响水质同步改善。以汛期水质恶化断面为抓手,开展河(湖)溯源分析,推进关键区域、时段面源综合管控,强化对总磷等污染物的监测调查及生态效应评估,进一步分析难以解决的深层次原因,通过完善顶层设计、强化行业监管、规范市场运行、优化监管体系、培训人才队伍等方面措施,规范水利建设行为,完善行业监管机制[23]。

(3) 加快产业转型升级,强化科技支撑。充分利用高校企业、科研院所的优势,集中科研力量,通过相关科技基金项目,联合省、市、县、乡各级专业团队,加强水环境监控预警、水处理工艺技术设备等领域的交流合作。加快面源污染治理、高效除磷等技术成果的推广与应用,切实提高流域水环境治理能力,积极推动总磷的源头减量、综合利用、废污水处理、清洁生产、风险防控[24]等技术的研究与创新,完善磷污染物监测指标、测定方法以及河湖总磷控制标准或阈值要求。针对富营养化问题,通过室内实验、现场实测和数值模拟等方法,探究藻类增殖或改变藻类生长环境对藻类生物量的影响,规划抑制支流水华的调度策略,构建汛期、非汛期生态调度模型或者二维富营养化模型。重点发展高技术含量、高附加值的磷产品,增加专业技术人员投入,发展绿色产业链和产业园区,鼓励产业结构的调整重组,形成绿色可持续发展态势。