三峽庫區長江干流入出庫斷面氨氮與高錳酸鉀指數負荷研究

黃 玥，黃志霖，肖文發，曾立雄，李 暉

（1. 中國林業科學研究院 森林生態環境與保護研究所 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室，北京100091；2. 三峽植物園管理處，湖北 宜昌 443005）

三峽水庫位于生態環境脆弱區，水環境保護一直是三峽庫區重點問題。水庫建立與運行改變了長江天然河道屬性，天然河流轉變為人工湖泊型水庫，庫區水文水情發生重大改變：水體流速變化顯著，水體自凈能力相較蓄水前也發生變化，庫區支流常出現水體富營養化和水華現象[1-5]。三峽水庫季節性水位漲落和水庫周期性蓄水泄洪，在一定程度上導致水庫水動力條件空間分布不均，進而影響水體中污染物擴散與沉積[6]。水質情況優劣對三峽庫區社會經濟發展與生態環境有著直接影響，水質惡化會破壞水生生態系統，導致生物多樣性改變，威脅生態環境與人類健康，因此亟需進行水監測與管理[6]。分析湖泊流域水質的變化特征及其影響因素，有助于了解水質動態變化，加強流域水生態環境管理[7]。近年來，有關三峽水庫水質變化研究主要集中在庫區長江支流污染物濃度、泥沙淤積和水環境時空評價與庫區長江干流污染物濃度時空變化等方面[8-10]。李玲等[11]以三峽水庫干流水質為研究對象，結合污染濃度變化，探討了干流水質變化與水庫蓄水調度的關系。秦迪嵐等[12]通過對污染物濃度進行聚類分析，研究了三峽庫區的漢豐湖水質時空變化與差異。三峽水庫水位隨季節調度，水動力條件復雜，然而目前針對三峽庫區長江干流污染物負荷變化及其與水情關系的定量研究較少。本研究分析三峽庫區長江干流入出庫斷面水體中污染物負荷，探討水質的時空變化特征及其對水位調度的響應，旨在揭示污染物動態變化特征與影響因素，以期為三峽水庫長江干流水質監測與優化管理提供建議。

1 研究區概況

三峽庫區是指因三峽工程淹沒并有移民任務的地區 (28°31′～31°50′N，105°49′～110°30′E)，總面積約5.8 萬 km2，包含受三峽水庫建設直接影響的湖北和重慶的20余個區縣[13-14]。庫區內地形復雜，以山地丘陵為主，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫18.0 ℃，年均降水量約1 200.0 mm，冬夏季風更替明顯，降雨和氣溫隨季風變化有明顯季節特征[15]。三峽工程于1994年正式施工。三峽水庫在2003年6月首次蓄水至135 m，2006年10月蓄水至156 m，2010年10月蓄水位正式達175 m。三峽水庫范圍從三斗坪壩址至長江上游江津。三峽水庫蓄水后，河道最大長度達660 km，干流河道寬700～1 700 m，庫容可達393.0 億 m3，可攔截洪水221.5 億 m3。三峽水庫建成后，夏季汛期水位低(145 m)，汛末至枯水期水位逐漸抬升，冬季枯期水位最高(175 m)。按照三峽水庫周期性蓄水水位變化，將水庫運行劃分豐水期(145 m)、平水期 (145～175 m，175～145 m)和枯水期 (175 m)。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究選取三峽庫區長江干流入庫斷面(重慶朱沱)和出庫斷面(湖北宜昌南津關)為對象進行研究。2013-2018年三峽庫區長江干流入出庫斷面的水質污染物濃度數據來源于中華人民共和國生態環境保護部提供的《全國主要流域重點斷面水質監測周報》(http://www.cnemc.cn)。該周報以周為單位發布了水體污染物氨氮 (NH3-N)和高錳酸鉀指數 (CODMn)數據。NH3-N是導致水生植物消失的關鍵因素之一，CODMn能直接反映水體有機污染程度。三峽水庫入出庫斷面每日水位與流量數據來源于中華人民共和國長江海事局(https://cj.msa.gov.cn/)。

斷面污染物負荷計算方法：Wi=10-6CiQ。其中：Wi為入庫或出庫斷面污染物i的輸移負荷(t·d-1)；Ci為通過斷面的水體中污染物i的質量濃度(mg·L-1)；Q為通過斷面的徑流量(m3·d-1)。

2.2 數據處理

數據經過檢查，剔除異常值處理后，采用SPSS 15.0進行差異檢驗與皮爾遜相關分析，通過R語言軟件繪制概率密度分布曲線與Mann-Kendall趨勢檢驗分析。

Mann-Kendall趨勢檢驗是非參數統計檢驗法。此方法不必事先設定數據分布特征，適于氣象、水文數據的時間序列趨勢與突變分析[16-17]。Mann-Kendall趨勢檢驗法通過計算水文序列的趨勢變化統計量UF與其反序列UB，并對比UF在顯著水平下的表現(顯著水平α=0.05時，Uα(0.05)=1.96，-Uα(0.05)=-1.96；極顯著水平α=0.001時，Uα(0.001)=2.58，-Uα(0.001)=-2.58)。當UF＞0，水文序列呈上升趨勢；當UF＜0，序列呈下降趨勢。 |UF|＜1.96，變化趨勢不顯著；1.96＜ |UF|＜2.56，變化趨勢顯著； |UF|＞2.56，變化趨勢極顯著。

3 結果

3.1 污染負荷年變化特征

三峽庫區長江干流入庫與出庫斷面污染物負荷間的差異，反映了上游來水以及庫區區間對入出庫水質的影響。三峽水庫蓄水后，大壩前的干流水位抬升，出現多處回水河段；干支流水體流速下降，庫區上游至下游的水體流速呈下降趨勢，出現明顯河道型水庫特征[18]。2013-2018年入出庫斷面NH3-N、CODMn日負荷變化見圖1。可見，污染物日負荷存在周期性變化：在夏季低水位時期負荷最高，冬季高水位時期最低。對入出庫斷面污染物負荷做相關分析與配對樣本t檢驗分析顯示：①入庫斷面NH3-N日均負荷256.60 t·d-1，出庫斷面NH3-N日均負荷為156.45 t·d-1，兩者相關系數為0.61(P＜0.01)，為極顯著相關，且存在極顯著差異(P＜0.01)。②入庫斷面CODMn日均負荷2 530.84 t·d-1，出庫斷面為2 012.97 t·d-1，兩者相關系數為0.76(P＜0.01))，呈極顯著相關，且存在極顯著差異(P＜0.01)。差異檢驗結果顯示：入庫斷面污染物負荷顯著高于出庫斷面。庫區長江干流從天然河道轉變為人工水庫后，水文形態發生明顯變化，如：河道變寬、流速下降等均導致水體在庫區滯留時長增加，泥沙沉降作用也隨之增強，污染物隨泥沙沉入底泥，水體中污染物減少。此外，水庫澄清效果沿程累計，伴隨沿程污染物不斷沉入底泥，水體污染物下降，最終使出庫斷面水質優于入庫斷面[18]。

3.2 水位波動對污染物負荷的影響

3.2.1 污染負荷與水位 2013-2018年三峽水庫入庫斷面NH3-N負荷及CODMn負荷與水位的相關系數分別為-0.44和-0.63，出庫斷面NH3-N負荷及CODMn負荷水位與水位的相關系數分別為-0.47和-0.58，均呈極顯著負相關(P＜0.01)，說明三峽水庫季節性水位調控對污染物負荷有較大影響。

3.2.2 同水位時期入出庫斷面污染負荷差異 因三峽水庫水位周期性調度，將水庫運行時間劃分為：低水位運行的豐水期(6-9月)、人為蓄水調整的平水期(4-5月和10-11月)，高水位運行的枯水期(12月至次年3月)，不同水位運行期污染物日均負荷統計見表1。相關性分析結果表明：在豐水期和平水期，出庫斷面污染物日負荷與入庫斷面污染物日負荷極顯著相關(P＜0.01，表2)；差異分析結果表明：在豐水期、平水期和枯水期，出庫斷面污染物日負荷與入庫斷面污染物日負荷差異極顯著(P＜0.01，表2)。

如圖2所示：①在豐水期，入庫斷面NH3-N日負荷大于250 t·d-1的概率累計有70.40%，而出庫斷面僅有35.80%；入庫斷面CODMn日負荷大于3 000 t·d-1的概率有64.85%，而出庫斷面僅有38.74%。在豐水期，入庫斷面NH3-N與CODMn日負荷明顯多于出庫斷面。②在平水期，入庫斷面NH3-N日負荷大于180 t·d-1的概率有51.37%，而出庫斷面僅有23.40%；入庫斷面CODMn日負荷大于1 500 t·d-1的概率有52.65%，出庫斷面有45.16%。在平水期，入庫斷面NH3-N日負荷明顯多于出庫斷面。③在枯水期，入庫斷面NH3-N日負荷大于110 t·d-1的概率有52.49%，而出庫斷面僅有17.22%；入庫斷面CODMn日負荷大于1 000 t·d-1的概率有30.29%，出庫斷面有25.31%。在枯水期，入庫斷面NH3-N日負荷明顯多于出庫斷面。以上結果表明：在不同水位時期，入庫斷面污染日負荷均高于出庫斷面，其中NH3-N日負荷相差很大。

圖2 不同水位時期入出庫斷面污染物日負荷概率密度曲線圖Figure 2 Probability density line of daily pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

3.2.3 同一斷面在不同水位時期污染負荷差異 在時間尺度，對入庫或出庫斷面在不同水位運行期的污染物日負荷進行差異分析檢驗(表3和表4)表明：①在不同水位條件下，入庫斷面各項污染物負荷均差異顯著(P＜0.05)；②在不同水位條件下，出庫斷面各項污染物負荷均差異顯著(P＜0.05)；③入出庫斷面污染物負荷在豐水期最高，枯水期最低的特征，說明水位季節性劇烈波動對三峽庫區長江干流入出庫斷面污染物負荷有較大的影響。

表3 不同水位時期入庫斷面污染物日負荷單因素方差分析Table 3 Differential analysis of daily pollutant loads of inlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

表4 不同水位時期出庫斷面污染物日負荷單因素方差分析Table 4 Differential analysis of daily pollutant loads of outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

分別對入出庫污染物負荷在不同水位條件下的狀態進行概率密度曲線分析(圖3和圖4)表明：①入庫斷面NH3-N日負荷在豐水期時有70.37%的概率大于250 t·d-1，在平水期時有28.75%，在枯水期時很少；入庫斷面CODMn日負荷在豐水期時有47.39%的概率大于3 800 t·d-1，在平水期和枯水期均不超過3 800 t·d-1。②出庫斷面NH3-N日負荷在豐水期時有69.61%的概率大于160 t·d-1，在平水期時有42.05%，在枯水期時有不到15.00%；CODMn日負荷在豐水期時有66.23%的概率大于3 800 t·d-1，在平水期時有14.47%，在枯水期時負荷不達3 800 t·d-1。以上結果表明：豐水期時，入庫斷面NH3-N日負荷與CODMn日負荷均顯著高于平水期和枯水期；在豐水期時，出庫斷面NH3-N日負荷與CODMn日負荷量偏高，而在枯水期時最低。

圖3 不同水位時期入庫斷面污染物日負荷概率密度曲線圖Figure 3 Probability density line of daily pollutant loads of inlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

圖4 不同水位時期出庫斷面污染物日負荷概率密度曲線圖Figure 4 Probability density line of daily pollutant loads of outlet in the Three Gorges Reservoir at different water level periods

3.3 污染物負荷變化趨勢

入出庫斷面2013-2018年污染物年負荷如圖5所示，利用R語言對污染物負荷年變化進行Mann-Kendall趨勢檢驗(圖6)。結果表明：入庫斷面NH3-N年負荷與出庫斷面CODMn年負荷UF曲線與臨界值線(Uα=1.96，α=0.05)相交，表明兩者呈顯著上升趨勢(P＜0.05)，其他斷面污染物年負荷無顯著變化。

圖5 2013-2018年三峽庫區長江干流入出庫斷面污染物年負荷Figure 5 Annual pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018

圖6 2013-2018年三峽庫區長江干流入出庫斷面污染物年負荷Mann-Kendall趨勢檢驗曲線Figure 6 Trend test curve of annual pollutant loads of inlet and outlet in the Three Gorges Reservoir from 2013 to 2018, by Mann-Kendall

4 討論

4.1 污染負荷對三峽水庫水情變化的響應

水質受水位波動變化影響的研究很多，WHITE等[19]利用模型演示出湖泊持續低水位狀態會導致水體中懸浮物增加，造成水質惡化。三峽水庫運行后，庫區水位受人工調度，汛期因泄洪而低水位運行，入庫沙量顯著增加，泄洪也使得大量泥沙排至下游；冬季高水位運行，水位抬升至175 m，水庫大量蓄水。非汛期泄水改變了原有的河道條件，導致三峽庫區與天然河道條件差異大[20]。

三峽水庫不同水位運行期因蓄水量不同而導致的稀釋作用變化，是引發污染物負荷波動的重要因素。2010年三峽工程進入常態化水位調控運行階段后，水庫水質受到季節性因素影響，水溫、來水量、泥沙量、水文條件與人類生產生活等因素都會影響水質[21]。在時間尺度上，入庫與出庫斷面污染物負荷變化與三峽水庫水位波動高度相關，在夏季汛期的低水位階段污染物負荷最高，而在冬季枯水期的高水位階段污染物負荷較低的概率最大。這是因為在豐水期，降雨豐沛，三峽水庫來水流量增大，攜帶污染物進入水體的能力強；汛期降雨沖擊力強，在降雨徑流的淋溶與沖刷下，污染物隨地表徑流和泥沙進入水體，引發水質惡化[22]。但受到汛期水庫排洪影響，水位下降，此期間水庫儲水量大幅減少，污染物稀釋與降解能力下降，在一定程度上加重了水質惡化[23]。有研究表明[24]：水體中CODMn含量與泥沙顯著相關，泥沙與有機質含量決定了CODMn含量，夏季入江水體攜帶大量泥沙進入水庫，是導致CODMn高于其他時期的主要因素。汛期來水來沙量大，攜帶大量含氮污染物進入水體；進入蓄水期后，水體含沙量降低，清水下泄，進入枯期高水位后水體含氮量會下降[25]。

在枯水期高水位運行時，水庫含水量增加，水體流動性下降，懸浮物沉降作用增強，CODMn、總磷、重金屬等與懸浮物密切相關的污染物沉降入底泥，并且沉降作用沿程不斷累積，接近大壩的出庫斷面受水位調度影響顯著，水體流速變化明顯，污染物沉降作用也更加顯著[1]。此外，高水位運行期水庫蓄水量大，有助于污染物稀釋與沉降[18]。同時由于枯期降雨減少，陸地污染物遷移力下降，入庫污染物隨之減少[19]。

4.2 人類生活生產對污染負荷的影響

三峽水庫水質與水文情況、水體污染情況、污染物輸入方式，以及三峽庫區點源、面源污染輸入變化密切相關。有研究認為：三峽庫區干流污染物來源主要是農業面源污染、工業生產和生活污水的排放與輸入，庫區城鎮化建設與農業生產活動必然引入新的污染[26]。三峽庫區農業污染來源有肥料施用、農作物秸稈燃燒、畜禽養殖等。化肥中的氮素會通過淋溶、吸附、反硝化等途徑融入水土，不合理的使用方式也會造成農藥化肥大量流失，進入水體造成污染[27]。三峽庫區極具區域特色，庫區內生態環境受農業面源污染影響嚴重，尤其是水庫蓄水后，天然水文條件發生劇變，會降低水體中污染物的擴散、稀釋與轉化過程[28]。三峽水庫蓄水前后，NH3-N和CODMn單位負荷造成的岸邊污染面積比為1∶9和1∶14，伴隨水庫蓄水，在水流頂托作用下，污染帶有明顯回溯趨勢[29]。

污染物負荷在空間尺度存在的差異，除三峽水庫水體發揮蓄清的作用，域外污染物輸入也是導致水體污染的重要原因。具體污染物輸入來源包括城鎮生活污水、工業廢水、農業活動、油污廢水、垃圾排放等，伴隨城鎮化加速和農業生產規模擴大，均會帶來新的污染輸入[18]。位于庫首的重慶市大力推行三峽庫區畜牧發展工作，畜牧養殖增加也會造成環境污染。同時因三峽大壩建立，人口遷移與設施配套建設而帶來的耕地占用與生態環境破壞問題，也引發了水土流失[30]。三峽庫區上游發展水平較高，且農村人口占比大，農產畜牧活動多，農藥化肥使用量大，外源性污染物輸入提高了水體CODMn含量；未充分自凈的河水經過上游，在接收當地污染物輸入后，向下游流去[17]。上游來水污染、支流污水匯入與沿程的面、點源污染均會引入污染物進入水體。有研究表明：庫區污染物指標最低值均出現在庫位區域，區域污染物排放冷點區域也位于三峽庫位[30]。下游社會經濟發展水平較低，污染排放小且距離上游較遠，水體在到達下游前得到充分自凈，經水庫澄清作用后，污染物含量下降[18]。

4.3 污染負荷變化趨勢評價

隨著經濟發展、人口密度增加和城市化程度加快，生活污染排放增大，對水環境也會產生一定影響[25]。三峽水庫在2010年進入常規化水位調控后，一方面，水庫周期性蓄水后，庫區水文形式顯著改變，庫區水環境變得脆弱，支流常出現水體富營養化與水華現象；另一方面，污染物、污廢水處理效率不足，上游又是污染物主要來源，庫區污染防治力度有待提高[31]。Mann-Kendall趨勢檢驗結果顯示：仍有污染物負荷呈上升趨勢，說明庫區內污染排放與污染治理仍存在疏忽漏洞。三峽水庫蓄水后，氮磷污染是庫區水質主要的污染因子，其中大部分來源于上游，庫區富營養化問題日益嚴重[32]。針對三峽庫區存在的污染問題，應減少庫區人口壓力，以達到減輕庫區生態環境壓力的目的；繼續加強開展三峽庫區防護林建設工作，積極推進高效農業，鼓勵有機肥料使用；積極開展清潔小流域建設，建立生態修復區、生態治理區與生態保護區[33]。要加強庫區生態環境管理與審查機制，協調庫區生態環境保護與社會發展，實現可持續發展的最終目標。

5 結論

研究結果顯示：①研究期間，長江干流入庫斷面NH3-N、CODMn污染物負荷顯著高于出庫斷面，出庫斷面污染物負荷與入庫斷面高度相關。入庫斷面污染物與支流農業面源污染是水庫污染物主要來源。伴隨水庫澄清作用，污染物沿程下降。②入出庫斷面污染物負荷受三峽水庫水位影響顯著，在豐水期水庫低水位運行時，污染物負荷最大；在枯水期水庫高水位運行時，污染物負荷最小。可見，季節性水庫調度對庫區水質有著不可忽視的作用。豐水期水庫蓄水量少，水體澄清作用下降，但汛期降雨擾亂水環境穩定性，導致污染物含量增加；枯水期水庫蓄水量最大，水環境穩定，有助于污染物稀釋。③Mann-Kendall趨勢檢驗結果顯示：入庫斷面NH3-N年負荷和出庫斷面CODMn年負荷呈顯著上升趨勢，這與社會經濟發展、當地生產生活因素相關。污染物治理需加強水質環保工作，提高污水、廢水處理效率，促進水環境與社會經濟共同發展。