長江和漢江總磷污染特征及成因分析

楊 衛， 李瑞清

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430064)

長江是中華民族的母親河，也是中華民族發展的重要支撐。長江在我國區域發展總體格局中具有重要戰略地位[1]，習近平總書記強調“要把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護，不搞大開發，努力把長江經濟帶建設成為生態更優美、交通更順暢、經濟更協調、市場更統一、機制更科學的黃金經濟帶，探索出一條生態優先、綠色發展新路子”。漢江作為長江最長的支流，是南水北調中線工程的核心水源區和重要影響區，是湖北省的重要集中式生活飲用水水源地，在經濟社會發展中具有重要的戰略地位。

隨著南水北調中線工程正常運行并逐步達到設計規模以及“引漢濟渭”工程的推進，丹江口水庫入庫流量逐漸減少，從長江三峽水庫向漢江補水的需求愈來愈迫切，長江和漢江水環境質量的優劣直接關系到社會經濟的可持續發展。然而近年來，長江水質總體形勢不容樂觀，局部江段水污染較為嚴重，特別是總磷已成為長江水體首要污染指標，總磷超Ⅲ類的斷面比例達到18.3%[2]。針對長江和漢江流域總磷污染現狀，開展總磷時空特征研究，解析總磷污染的主要來源，對于長江和漢江流域水環境保護和“引江補漢”等工程的開展具有重要科學意義。

1 研究區域概況

長江流域橫跨中國東部、中部和西部三大經濟區，共計19個省、市、自治區，如圖1(a)所示。長江干流全長6 397 km，流域總面積約180 萬km2，占中國國土面積的18.8%，流域內有豐富的自然資源。長江干流宜昌以上為上游，流域面積100 萬km2，宜昌至湖口為中游，流域面積為68 萬km2，湖口以下為下游，流域面積為12 萬km2。

漢江位于長江中游，全長1 577 km，是長江最長的支流，流域面積15.9 萬km2，流域涉及鄂、陜、豫、川、渝、甘6省市的20個地(市)區、78個縣(市)，如圖1(b)所示。流域北部以秦嶺、外方山及伏牛山與黃河分界；東北以伏牛山及桐柏山與淮河流域為界；西南以大巴山及荊山與嘉陵江、沮漳河為界；東南為江漢平原，無明顯的天然分水界限。漢江以丹江口為界，丹江口以上為上游，流域面積9.52 萬km2；丹江口至鐘祥為中游，流域面積4.68 萬km2；鐘祥至漢口為下游，流域面積1.7 萬km2。

2 長江和漢江總磷濃度現狀

2.1 總磷時間分布特征

目前，長江干流Ⅰ類水質斷面占13.6%，Ⅱ類占79.7%，Ⅲ類占6.8%，無Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類水質斷面(來自2020年2月全國地表水水質月報)。從2006-2017年長江干流和漢江斷面總磷濃度變化情況(圖2)可以看出，長江干流自2006年以來總磷平均濃度逐漸下降，2017年長江干流總磷平均濃度較2006年下降了70.3%，超Ⅲ類的斷面比例有所減少，2012年后水質由Ⅳ類轉為Ⅲ類。漢江總磷平均濃度常年保持在Ⅱ類，2010年后總磷平均濃度有所上升，總體來看，2006-2017年漢江總磷平均濃度均低于長江干流。

2006-2016年長江主要支流監測斷面水質情況如圖3所示，嘉陵江、漢江、贛江等支流總磷濃度較低，常年保持在Ⅱ類；岷江2011-2015年總磷濃度呈現上升趨勢，超過Ⅲ類標準，2016年總磷濃度有所降低，水質為Ⅲ類；沱江總磷平均濃度在0.18～0.28 mg/L之間，整體為Ⅲ～Ⅵ類；烏江自2006年以來總磷濃度逐漸上升，2011年達到最高值(0.674 mg/L)，超Ⅲ類標準值2.37 倍，2011年后水質有所好轉，2016年達到Ⅲ類水標準；清水江2011-2013 年總磷濃度均為劣Ⅴ類，2014-2016 年有所下降，但仍超過Ⅲ類標準。

2.2 總磷空間分布特征

2016年長江干流和漢江斷面總磷平均濃度分別如圖4和圖5所示，長江干流總磷平均濃度在0.05～0.17 mg/L之間，漢江干流總磷平均濃度在0.01～0.09 mg/L之間，總體來看，漢江干流水質優于長江干流。長江干流上、中、下游平均濃度分別為0.10、0.12、0.128 mg/L，上游段大部分為Ⅱ～Ⅲ類水，三峽庫區壩前為Ⅲ類水，中下游以Ⅲ類水為主，中游柳口和調關等斷面總磷污染最嚴重。漢江上、中、下游平均濃度分別為0.026、0.046、0.076 mg/L，上游以Ⅰ～Ⅱ類水為主，總磷濃度較低，水質較好，中下游大部分為Ⅱ類水，但總磷濃度相比上游較高，特別是武漢新溝和宗關等斷面，部分時段為Ⅲ類水。

3 總磷污染成因分析

3.1 自然地質因素

截至2016年底我國磷礦基礎儲量為32.4 億t，資源儲量244.1 億t，占世界總儲量第二位，但是我國磷礦分布十分不均勻，多數分布在長江經濟帶兩側，貴州省、云南省、湖北省和四川省這四省基礎儲量達27.59 億t，約占全國總基礎儲量的85%。2016年長江流域磷礦基礎儲量為24.8 億t，占全國總基礎儲量的77%左右。其中長江上游流域占全流域的62.0%，烏江流域、岷沱江流域、金沙江段和長江干流宜昌段磷礦儲量較多，嘉陵江流域和長江干流宜賓至重慶段磷礦儲量較少；長江中游流域(不包括漢江流域)磷礦基礎儲量為7.63億t，占全流域的30.8%，干流宜昌至湖口段磷礦儲量較多，洞庭湖流域和鄱陽湖流域磷礦基礎儲量較少；長江下游流域磷礦儲量僅占全流域的1.1%；漢江流域磷礦總儲量較少，主要分布在漢江中下游流域，丹江口以上磷礦儲量僅為0.12 億t。

因長江流域地表水、地下水交換間歇短，水土流失較為嚴重，若磷礦進入地表，可造成水體總磷濃度上升[2]。從磷礦分布圖(圖6)可以看出，嘉陵江沿岸大型磷礦較少，烏江和岷江分別位于磷礦分布較為集中的貴州省和四川省，沿江磷礦資源較為豐富，這是造成烏江和岷江總磷濃度較高的重要原因。長江干流上游段沿江區域磷礦較少，總磷濃度較低，湖北段特別是宜昌地區磷礦資源非常豐富，下游段磷礦較少。漢江上游流域磷礦資源較少，中下游流域特別是中游宜城和鐘祥市磷礦資源較為豐富，是影響長江和漢江總磷濃度的重要因素。

3.2 沿江磷化工企業影響

磷礦石在開發、加工過程中會對周邊環境及河湖水體造成一定影響[3]。由于運輸成本、取水、環境承載力等方面的原因，我國磷化工企業多采取沿江、臨海布局模式。長江流域圍繞磷礦開采的相應磷化工產業非常發達，統計數據顯示，2014年中國磷礦石產量為12 043.88 萬t，其中長江流域產量達10 050.14 萬t，占全國總產量的83.4%。長江上游流域磷礦石產量為6 146.03 萬t，占全流域的61.2%，主要集中在貴州烏江流域、云南金沙江段等；長江中游流域磷礦石產量為3 164.12 萬t，占全流域的31.5%，主要集中在長江干流宜昌段；長江下游磷礦石產量較少；漢江流域磷礦石產量為700.07 萬t，主要集中在丹江口以下區域，丹江口以上磷礦石產量較少。

在我國磷礦石的消費結構中，用于生產磷肥和磷復肥是磷礦石的主要消費途徑，約占磷礦石消費量的75%[4]。全國有近500多家大、中、小型磷化工企業，其中全國規模以上磷肥制造企業共計213家，僅長江流域分布有199家，全國十大磷化工企業包括貴州開磷、湖北宜化、湖北興發、湖北東圣、四川龍蟒、湖北新洋豐、云南煤業、浙江新安、安徽六國和貴州宏福(圖6)，均分布于長江流域磷礦資源較為豐富的地區。2017年全國磷肥產量為1 627.44 萬t，其中長江流域磷肥產量為1 189.90 萬t，占全國總產量的73%。長江上游磷肥產量較高，占全流域的59.8%，主要集中于岷沱江流域、烏江流域和長江干流宜賓至宜昌段，包括貴州、云南、湖北、四川等省份。漢江流域磷肥產量較低，特別是丹江口以上區域磷化工企業較少，磷肥產量低，是漢江上游水質較好的重要原因。

磷礦開采和磷化工企業的高負荷排放對所在流域水環境產生顯著影響，是導致近年來長江總磷濃度較高的重要原因。2016年長江流域廢污水排放總量為353.2 億t，其中工業廢水(包括造紙業、化工企業、電力業、紡織業等)占55.1%[5]。排污主要集中在中下游太湖水系、洞庭湖水系、鄱陽湖水系等。長江流域工業廢水中總磷排放量達到2.45 萬t，其中上、中、下游分別占36.4%、43.8%、19.8%，如表1所示，漢江流域工業廢水中總磷排放量較少，為0.062 萬t，磷化工企業主要分布于丹江口以下保康縣、宜城市和鐘祥市等地區，丹江口以上地區工業廢水中總磷排放量較少。

表1 長江流域2016年工業廢水中總磷排放量Tab.1 Total phosphorus emissions from industrial sewage in the Yangtze River Basin in 2016

3.3 城鎮生活污水排放

2016年長江流域廢污水排放總量為353.2 億t，其中生活污水排放總量為158.6 億t，長江經濟帶城鎮污水處理設施總磷平均排放濃度為0.68 mg/L，高于地表水Ⅴ類標準(0.4 mg/L)。長江流域生活污水總磷排放總量為2.2 萬t，其中上、中、下游流域分別占32.8%、41.2%、25.9%，如表2所示。長江中下游省(市)城鎮生活污水處理率較高，但由于漢江流域、洞庭湖流域、長江下游等地區城鎮人口數量較多，生活污水總磷排放量仍然較高。而上游省(市)如四川、重慶、貴州等城鎮生活污水處理率低于全國平均水平，如四川省沱江流域2014 年污水處理率僅為64%，岷江、沱江流域269家城鎮生活污水處理廠中，4.1%總磷排放濃度超過總磷排放一級B 標準(1 mg/L)，15.2%總磷排放濃度超過一級A 標準(0.5 mg/L)，造成沱江、岷江等支流總磷濃度偏高[6]。

表2 長江流域2016年生活污水中總磷排放量Tab.2 Total phosphorus emissions from domestic sewage in the Yangtze River Basin in 2016

漢江流域生活污水排放總量為6.17 億t，丹江口以下地區城鎮人口較多，生活污水總磷排放量較大，丹江口以上地區排放量較小，上游和中下游流域生活污水排放總量分別為1.69和4.48 億t，漢江流域生活污水中總磷排放量為2 014.5 t，上游和中下游流域分別為550.4和1 464.1 t。

3.4 農業面源污染

農業面源污染主要是由于化肥農藥、畜禽養殖業、農村生活污水排放等造成的污染[7]，其中磷肥施用是造成長江流域總磷污染的主要原因。長江流域農作物播種面積約占全國總播種面積的40%，施肥強度平均約為320 kg/hm2，除貴州外，其他省份施肥強度均遠高出發達國家公認的225 kg/hm2的安全上限[2]。化肥施用資源化利用率很低，肥料吸收利用率平均僅有約35%，未利用的化肥進入水體將對長江水質造成影響。根據《中國統計年鑒》中各省磷肥施用量統計得到長江流域2016年磷肥施用量為225.3 萬t，總磷流失量約為8.73 萬t，其中上、中、下游分別占38.4%、47.1%、14.5%，如表3所示。湖北、四川、江蘇等省份磷肥施用量較大，造成湖北三峽庫區、岷沱江流域和太湖流域等地區總磷污染嚴重。

農業面源污染也是影響漢江總磷濃度的最主要因素。漢江流域農村面源總磷排放總量為1.17 萬t，主要集中在丹江口以下地區，特別是江漢平原地區，是湖北省農業人口稠密、經濟較發達地區，也是湖北省乃至全國重要的商品糧、棉、油生產基地和畜禽、水產品主產區[8]，由于水產養殖過量投肥、種植區農藥化肥過量使用等原因，農業面源污染問題較為嚴重。丹江口以上地區農業面源總磷排放量相對較少。

3.5 各污染源貢獻率

進一步對各污染成因的貢獻率進行分析，由于自然地質因素的貢獻率難以量化，本文暫不分析這一因素的貢獻率，通過前文分析得到長江流域總磷排放量為13.38 萬t/a，其中生活污水、工業廢水、農業面源總磷排放量分別為2.20萬、2.45萬、8.73 萬t，貢獻率分別為16.44%、18.28%和65.28%，如表4所示，可以看出農業面源污染是造成長江總磷超標的最主要因素。總體來看，長江中下游流域總磷排放量比上游流域多，是造成長江干流下游水質劣于上游的主要原因。長江上游污染以農業面源為主，生活污水和工業廢水污染貢獻率較小，長江中下游生活污水和工業廢水污染均較為嚴重，其中洞庭湖流域、鄱陽湖流域工業污染較嚴重，貢獻率分別為26.69%和25.69%。漢江流域以農業面源污染為主，工業污染貢獻率較小。

表3 長江流域農業面源總磷排放量Tab.3 Total phosphorus emissions from agricultural non-point sources in the Yangtze River Basin

表4 長江流域各污染源總磷排放量及貢獻率Tab.4 Total phosphorus emissions and contribution rates from various pollution sources in the Yangtze River Basin

重點對長江上游(三峽大壩以上)和漢江上游(丹江口以上)地區進行分析。長江上游總磷排放量為4.97 萬t，占全流域總磷排放量的37.1%，其中嘉陵江流域由于總磷排放量較少，水質較好；烏江流域雖然各污染源總磷排放量較小，但由于流域面積較小，單位面積排放量較高，水質仍然較差，且該流域磷化工企業較多，工業污染較嚴重，造成烏江局部區域總磷濃度較高；干流宜賓至宜昌段總磷排放量較高，污染較為嚴重。漢江流域丹江口以上區域總磷排放量較少，水質相對較好，總磷排放量以農業面源污染為主，點源污染以生活污水為主，工業廢水排放較少。

4 結 論

總磷是目前長江流域的首要污染指標，總體來看漢江干流總磷濃度低于長江干流，長江上游段以Ⅱ～Ⅲ類水為主，三峽庫區壩前為Ⅲ類水，中下游大部分為Ⅲ類水，漢江上游水質優于中下游，上游以Ⅰ～Ⅱ類水為主，中下游以Ⅱ類水為主。嘉陵江、贛江等支流總磷污染程度較低，總磷濃度常年保持在Ⅱ類，岷江、烏江、沱江等支流總磷濃度較高。

造成長江和漢江總磷污染的原因包括自然地質因素、沿江磷化工企業影響、居民生活用水污染、農村面源污染等。農業面源污染是造成長江總磷超標的主要污染來源，長江流域和漢江流域面源污染均較為嚴重。長江上游烏江流域、岷沱江流域和長江干流宜昌段等地區由于磷礦儲量較多、磷礦石開采和磷肥產量較高，造成這些地區局部總磷濃度較高；漢江上游流域由于磷礦儲量較低，且受磷礦石開采和磷化工企業影響較小，因此總磷濃度較低，水質較好。城鎮生活污水排放是影響長江和漢江水質的重要因素，特別是長江中下游地區和漢江中下游地區，由于城鎮人口較多，生活污水總磷排放量較大。

針對長江和漢江總磷污染嚴重區域，可有針對性地開展污染防治措施，加強規模化磷礦開采管理，強化磷化工企業污染治理；提高城鎮污水收集處理水平，加快城鎮污水處理設施和配套管網建設；提高化肥利用效率，加大畜禽養殖污染防治力度，實施農村清潔工程和農村環境連片整治等，堅持生態優先、綠色發展，創建健康和諧的生態環境。

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