三峽水庫175 m試驗性蓄水后庫區水質時空變化規律

張漫 張萬順 張瀟 郭平 李崇明

摘要： 為了研究三峽水庫175 m試驗性蓄水運行后的庫區水質時空變化規律，基于2008～2019年三峽庫區逐月水質監測數據，采用Mann-Kendall非參數檢驗法和水質質量指數（WQI）綜合評估法分析了三峽庫區蓄水后水質時空分布特征。結果表明：三峽庫區水質主要超標項目為總磷和高錳酸鹽指數，上游總磷、高錳酸鹽指數超標現象大于下游;2008～2019年高錳酸鹽指數、總磷濃度整體呈緩慢下降趨勢;2016年是干流總磷濃度變化的突變節點，干流的總磷濃度在2016年之后有顯著下降趨勢;三峽庫區干支流水質質量指數整體處于上升趨勢，支流水質質量指數整體低于干流，豐水期水質質量指數低于枯、平水期。研究成果可以為三峽庫區水環境保護和管理提供科學依據。

關 鍵 詞： 水質特征; 時空分異; 水質質量指數（WQI）; Mann-Kendall非參數檢驗法; 三峽庫區

中圖法分類號： ?X524

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.010

?0 引 言

三峽水庫自2003年開始135 m蓄水，2010年成功蓄水至175 m以來，庫區的水文、水動力、人口分布、土地利用等較蓄水前發生了較大變化? [1-2] 。175 m高水位蓄水后的水環境狀況備受國內外學者關注。Nsabimana等? [3] 研究了三峽水庫水位波動引起的土壤特性變化特征;Grabb等? [4] 研究了三峽水庫和長江下游的氮循環變化;張靜等? [5] 研究了蓄水后三峽庫區氣候要素的變化情況以及變化原因;唐國民等? [6] 對蓄水前、蓄水初期、試驗蓄水期3個階段的宜昌站枯水期、洪水期水位流量數據進行了分析;劉輝等? [7] 分析了三峽庫區干、支流水質現狀及其在蓄水前、135 m蓄水后和156 m蓄水后3個階段的演變趨勢。但針對三峽庫區整體水環境狀況及變化特征長時間序列的系統分析研究較少。

本文基于三峽庫區干支流2008～2019年的9個監測斷面21個監測指標的逐月水質監測值，利用WQI評估法、M-K突變檢驗等方法系統分析了三峽庫區水環境現狀，水質年際變化趨勢以及水質空間分布差異，以期為三峽庫區的水環境安全保障和水環境管理工作提供科學依據。

1 研究區域與數據

三峽庫區流域面積1 080 km? 2 ，水庫總庫容393億m 3，回水區長達660 km。庫區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫為17.9 ℃，雨季分明。結合三峽庫區降雨特征與水庫調度方案，庫區水期采用水文豐枯水期劃分方法，6～9月降雨居多為豐水期，4～5月和10～11月為平水期，12 月至次年3 月降雨較少為枯水期? [8-10] 。

嘉陵江為長江上游左岸的一級支流;烏江為長江上游右岸最大的支流;澎溪河為三峽庫區中段、壩前、左岸流域面積最大的次級河流? [11] ，故同時選取典型支流嘉陵江、烏江、澎溪河與長江干流段（江津市羊石鎮至宜昌市三斗坪鎮）分析三峽庫區整體水質情況。

監測斷面包括朱沱、寸灘、長壽、清溪場、萬縣、奉節、北碚（嘉陵江）、武隆（烏江）、高陽（澎溪河）。監測數據包括高錳酸鹽指數、NH? 3 -N、TP、TN、 BOD? 5 、NO? 2 、NO -? 3 等21個指標，監測站點分布如圖1所示。

水質監測數據由重慶市生態環境科學研究院提供，朱沱、寸灘、清溪場、萬縣、奉節、北碚、武隆、高陽8個水質監測斷面數據時間序列為2008年1月初至2019年12月底;長壽水質監測斷面數據時間序列為2008年1月初至2017年12月底。

2 研究方法

2.1 水質質量指數（WQI）綜合評估法

WQI綜合評估法是一種基于河流水質真實情況的評估標準較為固定的評價方法? [12-13] ，該方法能夠有效地將許多物理和化學參數轉換為反映水質水平的單一值，消除了評估中單獨使用的參數之間的差異，可以完整地表達水體綜合水質信息，評價中各指標的分值以及權重依據大量前人研究或各參與評估指標對水健康的危害程度來確定。

其計算公式如下：

WQI= ??n ?i=1? c i×p i ??n ?i=1? p i

式中：WQI為水質綜合指數;c i是水質因子i的標準化得分;p i是水質因子i的權重，p i的最小值是1，最大值為4;WQI評估值范圍為0～100，其值越高，代表水質健康程度越高。根據得分河流水質被分為5個等級：優秀[90，100）、良好[70，90）、一般[50，70）、差[25，50）、極差[0，25）。

2.2 Mann-Kendall非參數檢驗

Mann-Kendall非參數檢驗是一種基于秩的統計方法，該方法適用于徑流及氣溫、降水等氣象要素時間序列的趨勢變化分析和突變分析，其優越性在于能夠檢驗線性或非線性的趨勢，計算簡便、不受少數缺失數值和異常值干擾、對樣本分布沒有要求? [14-18] 。本次研究利用該方法分析水質數據在時間序列上的變化趨勢及突變特征。

當M-K檢驗用于檢驗序列時，通過構造一秩序列：

S k=? k ?i=1???? i-1? j a? ij? （k=2，3，…，n）

其中：

a? ij =? 1 （x i>x j） 0 （x i≤x j）

在原序列隨機獨立等假設下， S k 的方差和期望分別為

E（S k）=k（k-1）/4

Var（S k）=k（k-1）（2k+5）/72

將 S k 標準化得到：

UF k= [S k-E（S k）]? Var（S k）?? （k=1，2，…，n）

UF k為統計量序列，構成一條UF曲線，通過信度檢驗可得出所檢驗指標是否有明顯的變化趨勢。將時間序列x按逆序排列，通過此方法計算得到另一條曲線UB ：

UB k=-UF? k′? k′=n+1-k

兩條曲線在置信區間內的交點確定為突變點。取顯著性水平 α=5 % 時，其對應的臨界值為1.96。UF>0，表示序列呈上升趨勢;UF<0，表明呈下降趨勢，大于或小于±1.96，表示上升或下降趨勢明顯。

3 結果與討論

3.1 水質現狀分析

對本次研究的監測指標，采用等標污染負荷法分析，結果表明高錳酸鹽指數、氨氮、總磷是影響庫區水質最主要的污染物。

根據《全國重要江河湖泊水功能區劃（2011～2030年）》，本次研究的9個監測斷面所在的水功能區的水質目標絕大多數為國家地面水環境質量Ⅲ類標準，僅個別監測斷面水質目標為國家地面水環境質量Ⅱ類標準，為統一分析標準，本文采用地面水環境質量Ⅲ類標準進行評價。采用單因子評價法，分別對三峽庫區干支流監測斷面的高錳酸鹽指數、氨氮、總磷進行水質評價，評價結果如圖2所示。

如圖2所示，氨氮濃度的所有監測值均符合河流Ⅲ類水質標準（≤1.0 mg/L），即2008～2019年間三峽庫區的氨氮濃度均不存在超標現象;高錳酸鹽指數濃度在朱沱、寸灘、長壽、清溪場、萬縣、北碚監測斷面中存在超標情況（>6.0 mg/L），監測值超標占比分別為5.2%，3.6%，3.4%，4.3%，0.7%，0.8%，整體變化趨勢為上游超標現象大于下游;總磷為三峽庫區主要超標項目，干流自上而下TP濃度超標（>0.2 ?mg/L ）占比依次為 22.4% ，12.9%，13.8%，25.7%， 12.9% ，10.0%，支流烏江武隆監測斷面超標占比為 44.3% ，TP濃度呈現上游超標現象大于下游，支流大于干流。

三峽庫區水質總磷超標現象與多種因素有關，首先與庫區內發達的農業經濟有關，Huang等研究表明，農田是三峽庫區的主要土地利用類型，農業用地中過量的肥料投入，導致磷和其他營養物質的濃度升高。2007～2014年，三峽庫區每年的化肥施用量大約有13.60萬～16.00萬t，損失量大約有1.11萬～1.43萬t，其中氮肥和磷肥占總損失量的16.57%和 77.54%?? [19] 。劉涓等研究表明，三峽庫區來自面源的磷占該區污染總負荷的74.9%，庫區次級河流中約有55%的總磷來源于農業面源污染? [20] 。此外，水庫自身對于磷具有明顯的滯留效應，自三峽水庫蓄水運行以來，干流上游的流速由蓄水前的 2.12 m/s 降低至 ?1.33 ?m/s，中游由 1.87 m/s 降低至 0.58 m/s，下游由 2.15 m/s 降低至 0.29 m/s，庫區流速變緩，水體滯留時間延長，顆粒態磷伴隨泥沙在庫區沉積? [21-26] ，水庫本身對于磷的滯留效應對水體中TP濃度的增加起到了推動作用。

3.2 庫區水質時間變化分析

3.2.1 水質年際變化趨勢分析

圖3～ 5顯示了三峽庫區干支流9個監測斷面高錳酸鹽指數、氨氮、總磷指標2008～2019年年均值的年際變化趨勢。三峽庫區干支流12 a間的高錳酸鹽指數濃度變化范圍是1.13～4.26 mg/L。其中澎溪河高陽監測斷面的高錳酸鹽指數濃度最高且波動最大，明顯高于其他監測斷面，烏江武隆監測斷面總體濃度最低，其余干流監測斷面高錳酸鹽指數變化趨勢相同，近年來呈緩慢下降趨勢。

氨氮濃度變化范圍是0.04～0.31 mg/L，且近幾年整體濃度及波動程度均呈現下降趨勢。

TP濃度變化范圍是0.06～0.52 mg/L，干流監測斷面12 a間TP濃度變化趨勢相同，呈緩慢下降趨勢;支流北碚、高陽監測斷面12 a間的TP濃度變化均較平穩，TP濃度低于其余7個監測斷面;其中支流武隆監測斷面TP濃度在蓄水后的2008～2014年有較大波動，2011年達到最大值0.52 mg/L，2012年TP濃度開始逐年降低。

武隆監測斷面所在的烏江流域分布著貴州省主要的磷礦產區和磷化工企業，自2009年開始頻繁暴發磷礦污染事件，加之2011年烏江渡水庫及其支流息烽河暴發“開磷化工34號泉眼烏江水污染事件”，導致貴州省至重慶市整個烏江流域干流總磷濃度持續升高，故2011年貴州省開始加大對烏江流域磷礦企業的污染整治力度? [27-29] 。

3.2.2 水質突變情況分析

水質現狀分析與水質指標年際變化結果顯示三峽庫區中磷污染較為嚴重，且14個監測斷面TP濃度差異較大，故分別對9個監測斷面12 a的TP濃度月監測值變化情況進行M-K突變檢驗及趨勢分析，結果如圖6所示。

從圖6結果可以看出，所有干流監測斷面在置信區間內有1個交點，且交點均在2016年附近，表明三峽庫區干流TP濃度變化較為穩定，僅在2016年附近發生過一次突變。且2016年之后，TP濃度的UF值超出置信下限（ UF <-1.96），表明干流TP濃度在2016年之后下降趨勢十分顯著。

三峽水庫入庫TP通量與泥沙通量具有較強的正相關關系，TP 通量伴隨入庫沙量的變化而變化? [26] ，金沙江下游的向家壩和溪洛渡水庫2013年以來的陸續運行對上游泥沙的攔截使得三峽水庫入庫泥沙通量在2013年以后有明顯的減少趨勢? [19] 。上游梯級水庫對于泥沙的攔截可能是庫區干流TP濃度突變的主要原因之一。

而支流北碚監測斷面在12 a間發生突變次數較多，但是UF值均未超出置信區間（±1.96），說明北碚監測斷面12 a間的TP濃度變幅較小，呈穩定趨勢;支流高陽監測斷面2016年之后，UF值均為負值，說明高陽斷面的TP濃度近年來也呈下降趨勢。

烏江武隆監測斷面2014年之前，UF值均超出置信區間上限（ UF >-1.96），烏江TP濃度在2014年之前經歷了顯著上升的過程，從圖中結果可以看出，武隆監測斷面在2014年之后UF值均為負值，且在2016年超出了置信區間下限，說明近幾年烏江TP濃度下降趨勢十分明顯，這與年際變化分析結果一致。

3.3 庫區水質時空變化特征分析

2008～2019年三峽庫區干支流水質WQI值綜合評價結果見圖7。結果表明：近12 a三峽庫區干支流WQI值范圍是65.9～92.9，根據WQI分類水平結果，庫區水質類別主要為良好。

從圖7可以看出：2008～2019年各監測斷面WQI值整體處于上升趨勢，且從庫區上游（朱沱）到下游（奉節）沿程升高，說明三峽庫區干流水質在時間上的變化趨勢整體向好，在空間上的變化趨勢沿干流自上到下越來越好。這與政府加強了對三峽庫區流域的保護和恢復措施密不可分，三峽庫區市政污水處理廠從2008年的56家增加到2016年的220家，同時，庫區污水設計日處理能力由191.65萬t提升至291.00萬t，工業污染源廢水排放量、生活垃圾散排量、化肥農藥施用量及流失量在2008年之后均有所減少? [30-31] ，政府對三峽庫區環境的保護與管理措施使得庫區水質有了較大改善。

WQI評價結果顯示，支流3個監測斷面WQI值低于干流，本次研究表明庫區支流水質較干流差。自三峽工程175 m高水位運行以來，枯水期（11月至次年3月）開始蓄水至高水位，干流水位上升，大量干流水體倒灌進入支流? [32-33] ，而且原有連續的河流生態系統被分隔成兩個不連續的環境單元? [34] ，支流匯合口形成了水流緩慢、面積大的類湖泊型水域? [35] ，原來的流水生態系統逐漸轉變為靜水生態系統，擴散能力大幅降低，自凈能力降低。

干流支流的WQI值在豐水期最低，說明三峽庫區在6～9月145 m低水位運行期間水質較差，這說明面源污染物仍是庫區主要污染源。

三峽工程的高水位蓄水對水環境的影響是一個復雜的問題，大型水庫生態系統的演替是一個長期的過程。

4 結 論

本文對三峽庫區2008～2019年高水位蓄水后的水質時空分異特征進行分析，得到如下結論，可為三峽庫區水環境管理提供決策依據。

（1） TP 是三峽庫區水質超標的主要指標，高錳酸鹽指數在部分斷面存在不達標現象，氨氮指標現狀穩定且所有斷面滿足Ⅲ類水質標準。

（2） 在時間上，2008～2019年高錳酸鹽指數濃度年均值呈小幅下降態勢，TP年均值呈顯著下降態勢;在空間上，干流上游高錳酸鹽指數、TP濃度以及WQI高于下游，支流水質整體低于干流。

（3） 2016年是干流TP濃度變化的突變節點，干流的TP濃度在2016年之后有顯著下降趨勢;烏江的TP濃度近年來也呈現大幅度的下降趨勢。

（4） 三峽庫區WQI處于整體上升趨勢，由此可見，政府對于三峽庫區的環境保護與治理對庫區水質的改善有顯著效果，但是支流整體水質低于干流，豐水期水質低于枯、平水期。

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（編輯：劉 媛）

Tempo-spatial variation of water quality in Three Gorges Reservoir area since its ?175 m experimental impoundment

ZHANG Man 1，ZHANG Wanshun 1，ZHANG Xiao 1，GUO Ping 2，LI Chongming 2

?（ 1.School of Resources and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China; 2.Chongqing Academy of Eco-Environmental Sciences，Chongqing 401147，China ）

Abstract：

In order to study the tempo-spatial variation of water quality in the Three Gorges Reservoir area since the operation of 175 m experimental impoundment，based on monthly water quality monitoring data from 2008 to 2019，the tempo-spatial distribution characteristics of water quality were analyzed by Mann-Kendall non-parametric test method and Water Quality Index （WQI） comprehensive evaluation method.The results showed that the major items exceeding the standard were total phosphorus and permanganate index，the overstandard phenomenon in the upstream was more serious than that in the downstream.The permanganate index and total phosphorus concentration showed a slow decreasing trend from 2008 to 2019.The 2016 was a mutation point of total phosphorus concentration in the main stream，as it had a significant downward trend after 2016 in the mainstream.The WQI of the main and tributary streams in the Three Gorges Reservoir area was on the rise，and the WQI of tributaries was generally lower than that of the main stream，and the WQI in wet season was lower than that in dry and normal season.The research results can provide scientific basis for water environment protection and management in the Three Gorges Reservoir area.

Key words：

water quality characteristics;tempo-spatial variation;Water Quality Index （WQI）;Mann-Kendall non-parametric test;Three Gorges Reservoir area