三峽庫區長江干流和支流富營養化研究

胡正峰 張 磊 邱 勤 韓 光 李興瓊

摘 要:長江上游重慶段人口密集,由于歷史的原因,環境方面基礎設施落后,大量未經處理的工業廢水、城市生活污水、船舶污染物和大面積的農田地表徑流匯入長江及次級河流。特別是三峽大壩建成蓄水之后,主河道和支流水體流動明顯變緩,加之長距離回水,部分次級河流自2003年起明顯富營養化,并有逐漸加重的趨勢。本文綜合了2002~2009年對長江三峽水庫入庫河流營養狀態的研究,得出了次級河流水體綜合營養狀態的評價,并結合三峽庫區現有污水和垃圾處理設施處理能力與實際排放量的分析,對于庫區支流富營養化趨勢進行預測。最后,通過總結國內外已提出的許多行之有效的富營養化防治措施,對三峽庫區的富營養化防治提出一些建議。

關鍵詞:三峽水庫;次級河流;富營養化;防治措施

中圖分類號:X524 文獻標識號:A 文章編號:1001-4942(2009)12-0074-07

富營養化問題是當今世界面臨的最主要的水污染問題之一。縱觀全球,幾乎所有湖泊都存在大大小小的富營養化問題[1]。江河流域的富營養化一般不如湖泊、水庫等非流動型水體中嚴重,但也出了問題,阿斯旺大壩建成后的尼羅河、英國泰晤士河[2]等都出現了不同程度的水體富營養化問題。舉世矚目的長江三峽工程完全建成后,庫區長660 km以上的干流將變成人工水庫,流速大大減緩,水環境將由典型的河流水體轉變為類似湖泊緩流水體,水的更新周期將大大延長,各支流的河水流速也將減慢,進而將導致水中物質的擴散作用減弱、溶解氧減少,形成新的緩流水體水生生態系統,水體的自凈能力將大大降低[3]。目前,三峽庫區富營養化水質污染現象已顯現。如果不采取有效措施,污染問題將更加突出[4]。

三峽水庫的水環境保護一直是國內外極其關注的重大問題,富營養化現象不僅會給庫區社會、經濟和環境的可持續發展造成嚴重影響,并將最終影響到三峽工程預期各項服務目標的實現,因此是一個極其重要的環境問題。目前,針對某一條或幾條特定支流庫灣富營養化的研究較多,但對較大尺度上支流庫灣富營養化的研究報道不多[5]。

鑒于此,本文作者對見諸媒體的有關三峽水庫庫區以及主要次級支流富營養化現狀的資料進行了收集和整理,結合該區域現有水資源保護設施的水處理能力,對主要支流庫灣的水體富營養化程度進行了評價和初步分析,并探討了國內外控制和減緩富營養化的一些措施,以期為保障三峽水庫水質安全及水環境管理提供理論依據。

1 三峽庫區總體概況

三峽水利樞紐工程位于長江三峽之一西陵峽中段的三斗坪鎮,距下游已建成的葛洲壩水利樞紐工程約40 km,其設計壩頂高程為海拔185 m,最終正常蓄水位海拔175 m,總庫容393×10⁸ m³,回水長度660 km,回水末端抵達重慶主城區,涉及湖北省及重慶市的25個區縣。三峽水利工程于1997年正式開始建設,預計2009年完工[6]。三峽大壩采取分期蓄水,1997年11月8日大江截流后,水位提高到海拔75 m,2003和2006年庫區水位分別提高到海拔139 m和156 m。2008年試驗性蓄水任務已經于11月4日完成,三峽工程壩前水位已達到海拔高程172.3 m。2009年整個三峽工程竣工后,水位提高到175 m[7]。三峽庫區總面積約為6×10⁴ km²,其中山地占67.8%,丘陵占29.5%,平地占0.9%,每年>10 mm雨量的降雨日數約30次。該區絕大多數是坡耕地, 占耕地的74.3%,>25°的坡耕地超過25%[8]。耕地面積1 060×10⁴ hm²,人均耕地面積440 m²,僅為全國平均水平的57%。三峽庫區及其上游區人口1.54億,其中農業人口超過60%。國內生產總值約為5 300億元,人均國民生產總值僅3 441元/人,遠遠低于全國平均水平。

2 三峽庫區水體富營養化現狀

三峽水庫蓄水以后,水流運動速度迅速減緩,加上天然狀況下庫區江段總磷總氮濃度一直偏高[9],故庫區水域是否會發生富營養化,是三峽水庫水污染綜合防治過程中急需開展研究的重要課題。

2.1 三峽庫區干流營養狀態

重慶市環境科學研究院對三峽水庫成庫后的7次監測結果顯示,截流后營養鹽濃度、總氮、總磷在各斷面均有所增高[10]。從長江三峽庫區江段及主要支流水質現狀來看,庫區干流斷面平均總磷濃度達0.15~0.25 mg/L,總氮濃度在1.5~2.8 mg/L之間[9],已經遠遠超過目前國際上公認的當水體中總磷和總氮的濃度分別達到0.02 mg/L和0.2 mg/L時,從營養鹽單因子考慮,有可能發生藻類瘋長的“水華”現象的水體富營養化初始濃度的限制[11]。目前為止之所以沒有出現明顯的水體富營養化現象,主要是其仍然存在的天然河道特性,水體的對流擴散和自凈能力仍在一定程度上發揮作用[12];此外,長江的泥沙含量大,水體透明度較低,泥沙對污染物質的吸附也是河流的自凈能力之一[13,14]。因此,長江干流在天然情況下,總磷、總氮超標只會影響到局部水域如兩岸消落帶的水域功能[15],一般不會發生富營養化。

2.2 三峽庫區蓄水后支流庫灣營養狀態

2.2.1 三峽水庫蓄水后部分次級支流富營養化問題的出現

三峽水庫蓄水后,整體水質較好,基本達到了Ⅱ類水域水質標準[16]。但三峽成庫以后的大小河灣不計其數,特別是在枯水期,次級河流河口由于水量較少,受長江的頂托,形成回水,流速明顯降低,泥沙沉降,水體透明度增加,有利于水中藻類的光合作用。近年來的調查研究表明,三峽庫區的一些次級河流,如烏江[17]、神女溪[18]、大溪河[19]和大寧河部分河段[20]、云陽縣的澎溪河部分河段[20]、萬州區的瀼渡河部分河段[21]、香溪河[22]以及嘉陵江局部河段[23]都出現了不同程度的富營養化現象。其原因主要有以下幾個方面:

⑴ 從流速上來看,庫區156 m蓄水后次級支流的水流流速基本上是小于0.1 m/s,回水段水流停留時間加長,污染物擴散降解速度減緩,營養鹽的富集給藻類生長提供了養料,而緩慢流動的水體也有利于藻類的生長與聚集。另外,流速減緩使水體中的泥沙大量沉積,水色變清,減少了太陽光能的損失,給藻類生長提供了能源。

⑵ 庫區次級支流的熱量條件也有利于發生富營養化。6~9月是庫區的夏季,庫區水體溫度與平均氣溫接近,適合藻類繁殖生長(15~30℃)。6～9月日照時數是全年最多的,達到700 h以上,占全年日照時間總數的45%以上,太陽的總輻射量平均為44.64 kJ/cm²,比冬季高24.71 kJ/cm²,充足的陽光加快了藻類的光合作用速度,促使藻類的生長繁殖。

⑶ 隨著庫區城市化進程的加快,庫區營養鹽負荷將會增加。可以初步判定:在不采取一定防治措施的情況下,三峽庫區主要次級支流135 m、156 m、175 m回水區水流、日照、營養鹽負荷條件只會更加有利于水體中浮游藻類的生長和繁殖,水體發生富營養化趨勢將會日益加重。

2.2.2 三峽庫區部分次級支流回水河段富營養化調查

三峽水庫的格局已經基本定型,“三峽庫區”的概念應當作適當調整。原則上可劃分為三個區段:①庫首段范圍包括三峽工程水庫(壩)區的湖北省的宜昌縣、興山縣、秭歸縣、巴東縣和宜昌市區,面積1.18×104 km²,占庫區面積的20.8%,人口214.39萬人,占庫區人口的14.625%;②庫腹段范圍包括重慶市所轄的巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣、涪陵區、萬州區、忠縣、石柱縣、豐都縣,面積3.9×104 km²,占庫區面積的68.7%,人口982.16萬人,占庫區人口的67%;③庫尾段范圍包括重慶市區(包括渝中區、沙坪壩區、南岸區、九龍坡區、大渡口區、江北區和北碚區)和所轄的長壽區、江津區、巴南區,面積9 100 km²,占庫區面積的12.2%,人口764.19萬人, 占庫區人口的18.375%。

多年來,政府和相關研究單位都在密切地關注著三峽庫區的污染情況,現將庫區主要支流藻類爆發的現狀、原因及預測的研究總結如下:

(1)李崇明等(2004)[24]根據三峽庫區江段16條一級支流及重慶市35座大中型水庫的調查資料,分析認為三峽庫區江段大部分支流已經出現富營養化狀況,局部水域爆發“水華”的可能性很大。

(2)張晟等[25]于2002~2003年分別對庫區15條次級河流進行采樣分析,結果顯示:次級河流受到不同程度的污染,水體中氮含量豐富,部分次級河流富營養化的限制因子為磷。

(3)張晟等(2003)[17]根據對烏江連續監測,認為水溫較低月份(如2月)也能導致富營養化的發生,且水流流態可能是影響三峽庫區水體富營養化的條件之一。

(4)郭平等[26]于2004年3月對三峽庫區蓄水后3條典型次級河流回水河段富營養化進行監測與評價,認為次級河流回水河段越長、末端來水量越大,對藻類生長聚集越不利,反之亦然。

(5)蒙萬輪等[27]于2004年4月分別對三峽庫區3條一級支流回水段水體進行了富營養化調查和監測,并運用綜合營養狀態指數法(Trophic State Index method,TSIM)法[28,29]對監測結果進行了評價和分析,認為庫區支流回水段的營養鹽濃度并不比長江干流高,但庫區支流回水段的中下游區域已經發生了富營養化現象。藻類的大量繁殖是由于水文條件改變等因素的綜合影響而導致的。

(6)鄧春光等[30]于2004年通過對三峽庫區3條典型支流富營養化進行預測,建立富營養化類比分析預測模型,并用此模型對其它32條次級支流在2010年三峽水庫蓄水運行期間的富營養化的潛勢進行了預測。結果發現部分次級河流發生藻類水華爆發的可能性肯定是存在的;發生時間主要集中在4~9月春夏之交、夏季及夏秋之交;并且越靠近壩首,富營養化越呈現加重趨勢。

(7)周廣杰等[31]于2005年比較了庫區4條支流春、秋兩季浮游藻類優勢種、細胞密度和生物量等指標,對支流“水華”成因進行了初步分析,認為庫區的水華屬于季節性水華,可通過控制外源污染和增加水體流速來控制。

同年,蔡慶華等[32]對三峽水庫22條入庫支流庫灣的營養狀態進行綜合評價,結果表明中營養支流庫灣有5條(占22.7%),富營養支流庫灣有17條(占77.3%),其中重度富營養化支流庫灣有10條(占45.5%);但三峽水庫干流水質尚好,仍保持中營養狀態。

(8) 王敏等[18]于2006年3月對爆發大規模水華的庫區一級支流神女溪進行現場監測和調查,并結合當地水文、氣象、污染源調查等資料進行綜合分析,認為神女溪此次“水華”是水文和氣象等條件綜合導致的。 周賢杰等[34]于2006年4月從三峽庫區典型次級河流梅溪河采集水樣,在室內選用L9(34)正交表進行藻類培養試驗,以Chla最大濃度作為指標選擇適合藻類生長的適宜條件,結果得到各因素對藻類生長影響重要程度順序為水溫﹥活性磷酸鹽濃度﹥光照強度﹥溶解無機氮濃度。同年,幸治國等[35]通過對庫區11條受三峽庫區影響的次級河流回水段的富營養化監測數據的相關分析,認為庫區次級河流回水段富營養化的實質仍是一個水污染問題。除與水流變緩、水色變清等自然環境變化有關外,河流沿岸的排污、自然生態的破壞、農田水土流失等是其重要原因。由于次級河流的富營養化是由多因素共同作用的結果,因此防御起來相對較難。

(9)黃鈺玲[36]于2006~2007年間對三峽水庫支流香溪河庫灣環境現狀進行調查及富營養化評價,認為其整體水質已達到重富營養化狀態;香溪河庫灣蓄水前后環境條件如氣溫、光照等變化不大;庫灣暴發“水華”,除水體水質達重富營養化條件外,另一主要因素應是庫灣水動力條件(如流速)的改變。

通過綜合2002~2007年間對三峽庫區32條主要入庫河流營養狀態的研究[17,24~36],可以得出對各次級河流水體綜合營養狀態的評價(見表1)。庫首段有6條河流,水體富營養化程度為重度的有4條,占全部統計河流的12.5%;中—重度富營養化河流有2條,占全部統計河流的6.25%。庫腹段有20條河流,水體富營養化程度為重度的有4條,占全部統計河流的12.5%;中—重度富營養化河流有6條,占全部統計河流的18.75%;中度富營養化河流有8條,占全部統計河流的25%;輕—中度富營養化河流有2條,占全部統計河流的6.25%。庫尾段有6條河流,均為中度富營養化河流,占全部統計河流的18.75%。

綜上所述,庫首和庫腹段的河流富營養化程度相對比較高。三峽水庫Ⅱ期蓄水前后,盡管成庫河段的主要次級河流的常規水質整體維持穩定,但富營養化專項監測的結果表明,幾條典型的次級河流的部分河段成庫后藻類活動旺盛[37],營養狀態異常,說明由于支流庫灣區流速減緩,蓄水對水體富營養化已經有明顯影響。三峽庫區支流“水華”屬于季節性“水華”,各次級河流總體營養級別有逐年加重的趨勢。因此三峽水庫蓄水175 m后,將進一步增加部分區域水體特別是三峽水庫支流庫灣區發生富營養化的風險。

3 三峽庫區現有污水和垃圾處理設施及水體富營養化發展趨勢預測

長江三峽庫區地處我國西部地區,區域經濟和社會發展水平還不高,長期以來庫區廢水和垃圾處理率低。三峽庫區的污染負荷大,是三峽水庫水體富營養化的根源。

3.1 庫區工業廢水、城鎮生活污水排放與處理狀況統計

據統計[38],三峽庫區工業污染源廢水和城鎮污水處理工程共94處,處理規?？偭棵磕隇?.89×10⁸t。其中湖北庫區廢污水處理工程有7處,處理規模總量每年為0.18×10⁸t;重慶庫區共計87處,處理規?？偭棵磕隇?.71×10⁸t。

根據中華人民共和國環境保護部2008年“長江三峽工程生態與環境監測公報”中環境統計結果顯示:2007年三峽庫區工業污染源廢水和城鎮生活污水排放總量為9.52×10⁸t,其中重慶庫區為9.21×10⁸t,湖北庫區為0.31×10⁸t,分別占96.74%和3.26%。三峽庫區工業廢水、城鎮生活污水排放量超過可處理總量6.63×10⁸t,污水處理率為31.24%。

3.2 庫區生活垃圾狀況統計

據統計[38],三峽庫區城鎮垃圾處理工程共84處,處理規?？偭繛?52.86×10⁴t/年。其中湖北庫區垃圾處理工程有11處,處理規?？偭繛?3.62×10⁴t/年;重慶庫區垃圾處理工程有73處,處理規?？偭繛?39.24×10⁴t/年。

根據中華人民共和國環境保護部2008年“長江三峽工程生態與環境監測公報”中環境統計結果顯示:2007年庫區城鎮共產生生活垃圾227.80×10⁴t,超過可處理總量74.94×10⁴t,垃圾處理率為67.10%。

可以預計,隨著人口、經濟和社會的發展,三峽庫區環境污染將呈逐年加劇之勢,三峽庫區環境污染治理任務任重道遠。就筆者實地觀察,大量農田的淹沒也是“水華”形成的不可忽視的重要原因。三峽二期工程成庫后, 形成了庫容約為123×10⁸ m³巨大水庫,水文、水力條件介于河流與湖泊之間,一般流速比河流小比湖泊大,換水周期因人為需要而改變[39]。在水體營養物質濃度不變的條件下,當天然河流變成水庫后,水流條件的變化有可能會導致水體富營養化的極端表征——“水華”的發生。三峽庫區江段有流域面積大于100 km²的支流約40條,大小河灣不計其數。受成庫后干流雍水的影響,這些支流的河口和庫灣將形成持續時間不等的緩流區甚至死水區。加之庫區冬季氣溫升高、霧日減少、日照增長[40]等,為藻類的生長繁殖提供了有利條件,更增加了在上述區域爆發“水華”的可能性。三峽二期蓄水完成后,在大寧河、香溪河、神女溪、蓬溪河等支流河口都出現的不同程度的“水華”現象,說明三峽庫區的富營養化控制和藻類“水華”防治等問題已經迫在眉睫[24]。

4 三峽庫區富營養化防治措施及深化研究建議

懸掛在聯合國大廳的世界地圖上,僅僅標出了中國4個城市的名字,其中一個就是重慶。重慶市常住人口3 235.32萬人,分別達到北京市和上海市的1.96倍和1.71倍,是中國境內以人口計最大城市。而在特大型城市下游建設特大型水庫,在世界水利史上還沒有先例。為了確保三峽庫區水環境質量的安全,必須在大規模削減現有污染的基礎上,合理控制人口規模,嚴格控制不合理的開發活動,禁止新建污染嚴重的企業,加大污染防治和工業結構調整力度,以改善水質和保護生態環境。

參照國內外許多行之有效的富營養化防治措施,筆者認為針對長江三峽庫區的水體污染問題,目前亟需做到以下幾點:

4.1 強化污染預防意識

美國、法國、加拿大等已經制定多種污染綜合預防措施并推行多年,但在我國目前整體上還沒有充分認識預防的極端重要性,實施可持續發展的措施偏少、獎懲力度小,清潔生產、生態農業、綠色服務、廢物資源化進展緩慢,污染治理技術、投融資體制和管理理念還需創新。因此,必須通過行政、教育等手段轉變觀念,強化民眾的水體富營養化預防意識,科學制定、嚴格執行預防措施,盡量從源頭上消減污染負荷,才能提高治理效率。

4.2 全面調查

針對三峽水庫富營養化等問題的研究,國內外有不少工作已經完成或正在開展,并取得了許多階段性成果,但總體而言,尚不能全面把握水華暴發的時間、地點、程度、范圍等。因此有必要結合三峽工程建設規劃,適時開展有針對性的全面調查,積累資料,為政府決策提供依據。

4.3 機理研究

20世紀60、70年代以來,國際上開展了大量的有關水體富營養化研究。但由于水域生態系統的復雜性,也由于形成原因和影響的復雜性,特別在人類活動嚴重干擾下,作為自然和人為因素疊加的過程,水體富營養化仍然是一個因環境受損而引起的資源、環境、生態和社會發展的世界性問題。富營養化過程、水華暴發機理等仍是因時因地而異。因此有必要在三峽水庫典型入庫支流庫灣(如香溪河、大寧河、澎溪河等),從氣象、水文、物理、化學、生物、數學、地理等多學科綜合的角度研究三峽水庫富營養化的形成機理和調控對策。

4.4 生態調度

目前,國內水庫調度實際操作中考慮的主要因素仍然集中在防洪、發電、航運等方面,水壩對河流生態系統的影響還沒有受到更多地關注。而在發達國家,河流生態系統與環境需水量、魚類與野生動物保護都是大型水庫調度過程中重點考慮的問題。隨著人們對生態環境保護的日益重視,水庫調度也應該從過去的調度規程基礎上進行擴展,實行多目標調度。

水庫富營養化的主要影響因素可分為營養因子(氮、磷等)、環境因子(水溫、光照、透明度等)和水文因子三類。研究表明,水庫的面積、容積、水深、岸線系數、入庫徑流補給系數、換水周期和水位變幅、出庫徑流、流速等與富營養化關系密切[41]。因此有必要進一步加強水文、氣象等過程對藻類及其它水生生物時空格局影響的研究,在構建水庫流場模型的基礎上,疊加生態因子場[42],針對三峽水庫及主要庫灣在不同時段的水文、水生態特點,結合防洪、發電、下游航道管理、水庫水環境保護,合理進行基于生態系統管理的水庫生態調度[33],可能是控制或減緩三峽水庫水華暴發的一種有效手段。

4.5 加強生態環境保護

加強三峽庫區及其上游的生態環境保護,是確保三峽庫區水環境安全的重要任務。生態環境保護的重點是控制三峽庫區上游的水土流失,減少入庫的泥沙量。在優先實施國家天然林保護工程、退耕還林還草工程及水土保持工程的基礎上,庫區內25°以上的坡耕地應全部還林還草;建立岸邊生態保護帶,嚴禁在該區域內進行任何有礙生態保護的活動。上游區以封山育林育草為主,并在水土流失比較嚴重的區域建立岸邊生態保護帶,嚴格控制該區域內破環生態環境的活動。通過建立自然保護區、生態示范區、生態功能保護區和重點資源開發監管區,采用適當的工程措施,使三峽庫區及其上游水土流失區域得到強制性保護,盡快恢復原有的生態環境。

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