龍背灣水電站建設對水質的影響

蔡金洲 柳雅純 李紅清 楊龑 江波

摘 要：通過收集湖北省龍背灣水電站建設前后庫區及壩下河段汛期的水質監測資料，采用單因子評價法和綜合污染指數法對水質狀況進行評價。結果表明，龍背灣電站建設前后汛期官渡河干流入庫斷面水質類別從Ⅰ類降為Ⅱ類，庫中斷面和壩下斷面水質類別無明顯變化（Ⅱ類）;庫區支流洪坪河河口斷面水質類別從Ⅱ類降為Ⅲ類，公祖河河口斷面水質類別無明顯變化（Ⅱ類）;總體上看，工程建設后汛期官渡河干流及庫區主要支流各斷面水質略有下降，但仍滿足Ⅱ類水質目標管理要求。建議進一步加強庫區環境治理并制定長期的監測計劃。

關鍵詞：水電站;水質;單因子評價法;綜合污染指數法;影響

中圖法分類號：TV697.25? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0303

水電作為清潔能源，為我國經濟社會發展作出了積極貢獻，已成為國民經濟發展的綠色動力。根據第一次全國水利普查結果統計，截至2011年12月，我國共有水電站約4.7萬座，總裝機容量約33.3萬MW[1]。水電站建設在帶來巨大經濟效益、社會效益的同時，也對流域生態環境造成了一定影響，主要表現在水文情勢、水環境、水生生態、陸生生態和水土流失等方面，其中水環境是水電站建設運行后受影響的主要環境因素之一[2]。目前，研究人員在長江流域[2-6]、黃河流域[7-9]、瀾滄江流域[10]、閩江流域[11-12]等流域開展了大量的相關研究，研究結果大體可歸納總結為：（1）水電站建成后蓄水攔蓄污染物，可緩解壩下水環境污染[11];（2）水電站建設對流域水環境沒有影響[8];（3）水電站建設對流域水質影響較小[6，9]或不會造成壩下水質惡化[4];（4）水電站建成運行對下游干流水質總體沒有明顯影響，但水庫水質趨于下降[10];（5）水電站建設后壩上、壩下各斷面水質無明顯變化，但隨著水流方向各斷面水質呈變差的趨勢[13];（6）水電站建設后流域水質有惡化趨勢[2，5]，水庫蓄水使庫區流速變緩，泥沙和污染物沉積庫底，加劇了庫區水體的富營養化[12]。可見，水電站建設對水環境的影響性質與程度存在差異性。

本文通過收集龍背灣水電站建設前后汛期官渡河干流壩上、壩下及庫區主要支流水質監測數據，初步分析了工程建設前后汛期官渡河水質變化情況，對于開展官渡河水環境保護工作具有一定指導意義，也為后期分析同類工程建設后水質變化情況提供參考。

1? 研究區域概況

1.1? 工程概況

官渡河發源于神農架的臺子鄉，流經神農架林區的板倉，房縣的九道梁，竹山境內的洪坪、梁家、官渡、峪口，由田家壩鎮的兩河口匯入堵河，是堵河最大支流，流域面積約2 961km2，河長約126.9km。

湖北省龍背灣水電站位于湖北省竹山縣，為官渡河的第一級電站，壩址位于泗河和官渡河兩河匯合口上游約55.7km，下距松樹嶺電站壩址約13km;壩址以上流域面積2 155km2，占官渡河流域面積的72.8%，壩址多年平均流量為45.3m3/s，工程地理位置見圖1。

龍背灣水電站屬II等大（2）型工程，開發任務為發電。電站水庫正常蓄水位520m，死水位480m，汛期蓄水，總庫容8.25億m3，調節庫容4.66億m3，具有年調節性能。電站裝機容量180MW，多年平均發電量4.17億kW·h。由于松樹嶺水電站庫區回水與龍背灣電站壩下水位相銜接，龍背灣水電站日常運行期間壩下不會出現脫水河段，不需泄放生態基流。考慮下游松樹嶺水電站的重疊影響，水庫按梯級聯合運行。該工程環境影響報告書于2009年12月獲原湖北省環境保護廳批復，2010年12月主體工程開工建設，2014年10月電站下閘蓄水，2015年5月首臺機組并網發電。

1.2? 工程涉及區水功能區劃

根據《湖北省水功能區劃》，龍背灣水電站涉及的官渡河干流河段屬官渡河源頭保護區和官渡河保留區，水質目標均為Ⅱ類。水功能區劃見表1。

1.3? 工程涉及區污染源概況

（1）工業污染源

龍背灣水電站壩址以上全部為山區，由于自然條件、交通等方面的原因，該區域鄉鎮及鄉鎮企業不發達，龍背灣壩址以上基本上不存在工業污染源。

（2）生活污染源

工程建設前，壩址以上流域范圍內有柳林集鎮和洪坪、老碼頭兩個集中居民點，總人口約2 300人，生活污水排放量總計約13.43萬m3/a，污染物主要包括COD、氨氮等。工程建設后，原柳林集鎮被淹沒，整體搬遷至洪坪村集鎮，目前該集鎮采用化糞池處理生活污水，污水經處理后進入附近溝渠。

（3）農村面源污染源

農村面源污染源主要包括農業面源污染、水土流失面源污染和農村生活污水污染。其中，農業面源污染主要來源于竹山縣柳林鄉、竹溪縣的向壩鄉和桃源鄉（部分）、房縣九道鄉以及神農架的紅坪鎮和九湖鄉6個鄉鎮，污染源主要為化肥和農家肥的使用;水土流失面源主要是通過流出的土壤帶入污染物，污染物主要包括氮、磷、有機污染物和懸浮物等;農村生活污水主要包括居民的生活污水，此外還包括畜禽糞便等，上述污染物大部分分散排放至自家茅廁，經生物發酵后直接用于農田或菜地，而不直接排入河中，因此可忽略農村生活污水對地表水的影響。

2? 研究方法

2.1? 監測斷面布置

工程涉及區域共布置有6個水質監測斷面，見圖1。其中，龍背灣壩址下游官渡河干流1個斷面，為壩下斷面;壩址上游官渡河干流2個斷面，分別為庫中斷面和官渡河入庫斷面;此外，在庫區主要支流平渡河、公祖河和洪坪河河口處各1個斷面。

2.2? 監測時間與監測項目

工程建設前，十堰市環境監測站分別于2008年9月23日和9月26日進行了1次水質監測，水質指標監測值取兩次算術平均值;工程建設運行后，武漢祺美檢測技術有限公司于2017年8月17日進行了1次水質監測。采樣期間天氣晴朗，無降雨發生。

監測項目包括水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、BOD5、氨氮和總磷（以P計）共7項。

2.3? 評價方法

采用單因子評價法[14]評判監測斷面水質類別，即將參與評價的水質指標監測值與《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中規定的項目標準限值進行比較，選擇水質最差的單項指標類別作為水體綜合水質類別。

采用綜合污染指數法[15-16]評價監測斷面水質污染狀況，計算公式為：

式中，Pi為污染物i標準指數;Ci為污染物i實測質量濃度，mg/L;Si為污染物i實測質量濃度，mg/L;P為綜合污染指數;n為指標個數。

2.4? 評價因子與評價標準

由于壩址以上官渡河流域范圍內無工業污染源分布，主要以生活污染源和農村面源污染源為主，因此，官渡河干流及庫區主要支流地表水水質評價主要選取高錳酸鹽指數、BOD5、氨氮和總磷作為評價因子。

根據《湖北省水功能區劃》中劃定的官渡河干流河段水質目標，官渡河干流綜合污染指數評價標準采用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅱ類標準，庫區主要支流評價標準參照干流執行Ⅱ類標準，涉及的基本項目標準限值見表2。工程建設前，各監測斷面呈河流形態，總磷采用河流標準評價;工程建設后，各監測斷面呈湖、庫形態，總磷采用湖、庫標準評價。

3? 結果與分析

3.1? 工程建設前水質狀況

（1）評價因子濃度

工程建設前各斷面主要水質參數監測結果表明：1）各斷面高錳酸鹽指數在1.5～2.0mg/L之間，干流壩下斷面濃度（1.6mg/L）高于官渡河入庫和庫中斷面濃度（均為1.5mg/L），主要是因為入匯的支流洪坪河河口斷面濃度（2.0mg/L）、公祖河河口斷面濃度（1.6mg/L）和平渡河河口斷面濃度（1.6mg/L）均高于干流入庫斷面濃度;2）各斷面BOD5濃度在1.0～1.4mg/L之間，干流各斷面濃度隨水流方向遞增，即壩下斷面（1.4mg/L）（庫中斷面（1.3mg/L）（入庫斷面（1.0mg/L），主要是因為公祖河和平渡河等入匯支流的BOD5濃度（1.4mg/L）高于干流入庫斷面濃度;3）各斷面氨氮濃度在0.07～0.17mg/L之間，干流各斷面濃度隨水流方向遞增，即壩下斷面（0.17mg/L）（庫中斷面（0.16mg/L）（入庫斷面（0.07mg/L），主要是因為洪坪河、公祖河和平渡河等入匯支流的氨氮濃度（濃度分別為0.08mg/L、0.15mg/L和0.14mg/L）高于干流入庫斷面濃度;4）各斷面總磷濃度在0.02～0.06mg/L之間，總體來看，干流下游斷面濃度高于上游斷面濃度，即庫中斷面濃度（0.04mg/L）和壩下斷面濃度（0.03mg/L）高于官渡河入庫斷面濃度（0.02mg/L），主要是因為洪坪河、公祖河和平渡河等入匯支流的總磷濃度（濃度分別為0.06mg/L、0.04mg/L和0.03mg/L）高于干流入庫斷面濃度。

（2）水質類別

工程建設前官渡河干流及庫區主要支流各斷面地表水水質類別評價結果見表3，各斷面地表水水質類別均達到或優于Ⅱ類，滿足水功能區水質目標管理要求。

（3）綜合污染指數

工程建設前官渡河干流及庫區主要支流各斷面綜合污染指數計算結果見表4，各斷面綜合污染指數介于0.26～0.40之間，其中干流壩下、庫中斷面水質污染程度相同（0.38），高于入庫斷面（0.26），主要是因為入匯的支流洪坪河（0.40）、公祖河（0.39）和平渡河（0.36）的水質污染程度均大于干流入庫斷面水質污染程度。

3.2? 工程建設后水質狀況

（1）評價因子濃度

工程建設后各斷面主要水質參數監測結果表明：1）各斷面高錳酸鹽指數在3.1～3.2mg/L之間，干流入庫斷面、庫中斷面和壩下斷面濃度相同，為3.1mg/L;支流洪坪河河口斷面濃度（3.2mg/L）略高于干流各斷面濃度，公祖河河口斷面濃度（3.1mg/L）與干流各斷面濃度相同，支流匯入未對干流高錳酸鹽指數造成明顯不利影響;2）各斷面BOD5濃度在2.5～2.7mg/L之間，總體來看，干流入庫斷面濃度（2.7mg/L）高于下游的庫中斷面濃度（2.5mg/L）和壩下斷面濃度（2.6mg/L），可能是由于入庫斷面處水動力條件突然變化，污染物的遷移、擴散能力降低所致;支流洪坪河河口斷面和公祖河河口斷面濃度（2.5mg/L）低于干流入庫斷面濃度，與庫中斷面濃度相同，支流匯入經充分混合、擴散等作用后未對干流BOD5濃度造成明顯不利影響;3）各斷面氨氮濃度在0.11～0.25mg/L之間，總體來看，干流入庫斷面濃度（0.16mg/L）高于其下游的庫中斷面濃度（0.15mg/L）和壩下斷面濃度（0.13mg/L），可能是由于入庫斷面處水動力條件突然變化，污染物的遷移、擴散和自凈能力降低所致;支流洪坪河河口斷面濃度（0.11mg/L）低于干流入庫斷面和庫中斷面濃度，但公祖河河口斷面濃度（0.25mg/L）高于干流入庫斷面和庫中斷面濃度，結合干流各斷面氨氮濃度變化情況可知，支流匯入未對干流氨氮濃度先造成明顯不利影響;4）各斷面總磷濃度在0.02～0.05mg/L之間，干流入庫斷面、庫中斷面和壩下斷面濃度相同，均為0.02mg/L，低于GB3838-2002中的Ⅱ類湖、庫總磷標準限值;支流洪坪河河口斷面濃度（0.05mg/L）高于干流各斷面濃度，超過了GB3838-2002中的Ⅱ類湖、庫總磷標準限值，公祖河河口斷面濃度（0.02mg/L）與干流各斷面濃度相同，滿足GB3838-2002中的Ⅱ類湖、庫總磷標準限值要求，結合干流各斷面總磷濃度變化情況可知，支流匯入后經過稀釋混合等作用后未對干流總磷濃度造成不利影響。

（2）水質類別

工程建設后官渡河干流及庫區主要支流各斷面地表水水質類別評價結果見表5，干流入庫斷面、庫中斷面、壩下斷面和支流公祖河河口斷面水質類別均為Ⅱ類，滿足水功能區水質目標管理要求;洪坪河河口斷面水質類別為Ⅲ類，不滿足水功能區水質目標管理要求，主要是因為該斷面總磷濃度超過GB3838-2002中的Ⅱ類湖庫標準限值，超標倍數為1倍。

表5? ?龍背灣水電站建設后地表水水質類別評價結果

（3）綜合污染指數

工程建設后官渡河干流及庫區主要支流各斷面綜合污染指數評價結果見表6，各斷面綜合污染指數介于0.68～0.96之間，其中干流入庫斷面水質污染程度（0.70）大于其下游的庫中斷面和壩下斷面水質污染程度（均為0.68），可能是由于工程建設后水庫蓄水，入庫斷面處水動力條件突然變化，污染物的遷移、擴散和自凈能力降低所致;雖然匯入干流的洪坪河（0.96）和公祖河（0.73）等支流水質污染程度大于干流，但庫中斷面與壩下斷面比入庫斷面的水質污染程度輕，可能是由于支流水體進入水庫經過充分稀釋混合的結果。

3.3? 工程建設前后水質時空變化分析

（1）評價因子濃度變化

工程建設前后官渡河干流及庫區主要支流各斷面主要水質參數濃度對比分析見圖2，結果表明：1）入庫斷面高錳酸鹽指數、BOD5和氨氮濃度增加，增幅分別為106.7%、170.0%和128.6%;總磷濃度無變化，為0.02mg/L;2）庫中斷面高錳酸鹽指數和BOD5濃度增加，增幅分別為106.7%和92.3%;氨氮和總磷濃度有所下降，降幅分別為6.3%和50%;3）壩下斷面高錳酸鹽指數和BOD5濃度增加，增幅分別為93.8%和85.7%;氨氮和總磷濃度有所下降，降幅分別為23.5%和33.3%;4）洪坪河河口斷面高錳酸鹽指數、BOD5和氨氮濃度增加，增幅分別為60.0%、150.0%和37.5%;總磷濃度有所下降，降幅為16.7%;5）公祖河河口斷面高錳酸鹽指數、BOD5和氨氮濃度增加，增幅分別為93.8%、78.6%和66.7%;總磷濃度有所下降，降幅分別為50%。

（2）水質類別變化

工程建設前后水質類別變化對比分析見表7。干流入庫斷面水質類別有所下降，從Ⅰ類降為Ⅱ類，一方面受高錳酸鹽指數、BOD5和氨氮濃度增加影響，增幅分別為106.7%、170.0%、128.6%，超過了GB3838-2002中的Ⅰ類標準限值，另一方面是由于工程蓄水，總磷評價標準由河流標準變為湖庫標準，總磷濃度不滿足GB3838-2002中的Ⅰ類湖庫標準限值要求;庫中斷面和壩下斷面地表水水質類別無明顯變化，均為Ⅱ類。庫區主要支流洪坪河河口斷面地表水水質類別有所下降，從Ⅱ類降為Ⅲ類，雖然工程蓄水后該斷面總磷濃度值下降16.7%，但是由于總磷評價標準由河流標準變為湖庫標準，導致總磷濃度超過GB3838-2002中的Ⅱ類標準限值;支流公祖河河口斷面地表水水質類別無明顯變化，均為Ⅱ類。

（3）綜合污染指數變化

在工程建設前后，官渡河干流及庫區主要支流各斷面綜合污染指數評價結果見表8。干流入庫斷面、庫中斷面和壩下斷面受高錳酸鹽指數、BOD5濃度增加以及總磷評價標準變化影響，綜合污染指數均有增加，其中入庫斷面從0.26增加至0.70，庫中斷面和壩下斷面從0.38增加至0.68，各斷面水質污染程度有所增加;庫區主要支流各斷面受高錳酸鹽指數、BOD5和氨氮濃度增加以及總磷評價標準變化影響，綜合污染指數均有增加，其中洪坪河河口斷面綜合污染指數從0.40增加至0.96，公祖河河口斷面綜合污染指數從0.38增加至0.68，各斷面水質污染程度有所增加。

4? 討論

水環境是水電站建設運行后受影響的主要環境因素之一[2]。與龍背灣電站建設前比較，電站建成蓄水后官渡河干流及庫區主要支流各斷面高錳酸鹽指數和BOD5濃度以及官渡河入庫斷面和支流洪坪河、公祖河河口斷面氨氮濃度較工程建設前有所增加，主要是由于龍背灣水庫蓄水后庫區流速變緩，水體稀釋、混合能力和大氣復氧能力降低[13]等綜合影響導致有機耗氧類污染物質（如高錳酸鹽指數、BOD5和氨氮）自凈能力變差;電站建成后除入庫斷面總磷濃度無變化外，其他各斷面總磷濃度均有所降低。水體中的總磷可分為顆粒態磷和溶解態磷兩種形態[17]，主要來源于畜禽養殖[18]和農業種植[19]。近年來當地政府在管轄范圍內實施了農村環境綜合整治項目和水土保持工程，使得規模化畜禽養殖活動得到了規范化;再加上水庫蓄水淹沒耕地使其面積減少約293.47hm2（20%以上）[20]，使得總磷污染負荷、水土流失量和化肥使用量均有所減少，這在一定程度上都減少了顆粒態磷和溶解態磷入河量。另一方面，水庫蓄水后大量的顆粒態磷發生沉降[21]也從一定程度上降低了庫區水體中的總磷濃度。

龍背灣水電站建設后干流及庫區主要支流各斷面高錳酸鹽指數、BOD5、氨氮和總磷濃度以及水質綜合污染指數隨著水流方向無變差趨勢，這與陳建發[13]等研究結果并不一致，究其原因可能是龍背灣水電站匯水區域以生活污染源和農村面源污染源為主，無工業污染源分布;再加上近年集鎮污水處理率增加，農村環境綜合整治能力增強以及蓄水后農村面源污染減少，庫區入河污染負荷總體不高，水質污染累積效應并不明顯。

官渡河干流及庫區主要支流各斷面水質參數濃度變化導致干流入庫斷面水質類別從Ⅰ類降為Ⅱ類，庫中斷面和壩下斷面水質類別無明顯變化，但干流各斷面濃度水質類別仍然滿足《湖北省水功能區劃》中的水質目標（Ⅱ類）管理要求。水質綜合污染指數評價結果表明，工程建設后官渡河干流水質污染程度相比工程建設前有所增加，與劉鴻雁[2]和侯保燈[5]的研究成果在趨勢上總體一致。

支流洪坪河河口斷面總磷濃度與工程建設前相比有所降低，但受水體形態變化（由河流形態轉變為湖庫形態）影響，總磷評價標準由河流標準轉變為湖庫標準，總磷濃度超標，因此，該斷面水質類別由Ⅱ類降為Ⅲ類。為了進一步控制入庫總磷污染負荷增加，建議當地政府應進一步規范規模化畜禽養殖活動，合理布局養殖區域，同時優化耕地化肥使用量，進一步加強水土保持工程治理。

5? 結論與建議

（1）工程建設后，官渡河干流入庫斷面地表水水質類別有所下降，從Ⅰ類降為Ⅱ類，庫中斷面和壩下斷面地表水水質類別無明顯變化，為Ⅱ類;庫區主要支流洪坪河河口斷面地表水水質類別有所下降，從Ⅱ類降為Ⅲ類，公祖河河口斷面地表水水質類別無明顯變化，為Ⅱ類。

（2）總體上看，工程建設后官渡河干流及庫區主要支流各斷面水質略有下降，但仍滿足Ⅱ類水質目標管理要求。

由于汛期與非汛期河流水質狀況呈現出差異性[15]，本文僅根據工程建設前后汛期一次的水質數據來評價水電站建設對水質的影響，其結果具有一定的局限性，建議開展長期的水環境監測工作，進而分析水電站建設后河流水質變化情況，為后期分析同類工程建設后河流水質變化情況提供參考。

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Analysis on the impact of Longbeiwan hydropower station construction on the water quality in the Guandu river

Cai Jinzhou，Liu Yachun，Li Hongqing，Yang Yan，Jiang Bo

（Changjiang Water Resources Protection Institute，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430051，China）

Abstract：This paper selects Longbeiwan Hydropower Station Project as research subject，and utilizes Single Factor Evaluation Method and Comprehensive Pollution Index Method to evaluate the water quality status based on monitoring data collected in flooding season before and after the construction of the project. The results demonstrate that the construction of the project would lead the decrease in the water quality category of the stock-in section of Guandu River from class I to class II，while having no impact on the water quality category （Class II） of the reservoir section and the back section of dam. The construction of the project would also lead the decrease in water quality category of Hongping river stuary section from class II to class Ⅲ，while having no impact on the water quality category （Class II） of Gongzu river stuary section. The water quality of Guandu river main stream and its tributary stream would also be deteriorated from a cleaner type to a medium pollution type，and the concentration of permanganate index and biochemical oxygen demand （BOD5） would increase. Local government should strengthen the environmental management of the reservoir area and the department who is responsible for the running of the hydropower station should formulate a long-term monitoring plan.

Key words：Hydropower Station;Water Quality;Single Factor Evaluation Method;Comprehensive Pollution Index Method;Impact