孤山航電樞紐工程對漢江水環境的影響研究

劉揚揚 蘇新華 蔡洺垚

摘要：

為科學評估孤山航電樞紐工程建設對漢江干流水環境的影響，在漢江上游梯級樞紐徑流調算的基礎上選取豐、平、枯典型日，采用一維、二維水質模型，預測分析了非恒定流條件下孤山航電樞紐工程建設前和建設后總體水質、局部水質和岸邊水域納污能力的狀況，并提出了針對性的水環境保護措施與建議。結果表明：孤山航電樞紐工程建設后，庫區及壩下各典型斷面豐、平、枯水期COD和氨氮平均濃度降低，總體水質趨于改善；但岸邊水域流速顯著減緩造成局部水質變差，庫區典型排污口枯水期COD、氨氮污染帶范圍增加，庫區COD、氨氮岸邊納污能力分別減少9%和11%。為保護庫區水環境，分別從生活污水、畜禽養殖、農業面源污染控制和防治等方面提出了相應的對策措施。研究成果可為建設生態友好型水工程、促進漢江生態經濟帶高質量發展提供技術支撐。

關 鍵 詞：

水質； 納污能力； 對策措施； 孤山航電樞紐工程； 漢江

中圖法分類號： TV213.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.010

0 引 言

水庫在防洪、供水、航運、發電等方面具有重要作用，庫區水環境安全直接關系到國家、區域安全和社會穩定［1-2］。近年來，眾多學者采用不同方法、基于不同角度，開展了梯級樞紐庫區水環境影響的相關研究。在水環境觀測與變化趨勢分析方面，針對備受關注的三峽庫區，陳紫娟等［3］基于長江干流和主要支流的水質采樣和室內分析，初步揭示了三峽水庫低水位運行期水化學特征以及干流回水對支流水化學特征的影響；王麗婧等［4］基于水環境多要素跟蹤觀測，從水質、水生態、污染物輸移角度，提出了三峽水庫水環境演變過程中的“分化、同步、脅迫、迭加”效應；黃玥等［5］采用Mann-Kendall法分析三峽庫區2004～2017年水質監測數據，得到出庫斷面水質在逐步改善且優于入庫斷面水質的結果；鄒家祥等［6］基于長期觀測資料，分析了三峽工程對水環境與水生態的影響，并提出水生態環境保護對策建議。此外，蔡金洲等［7］基于龍背灣水電站建設前后庫區及壩下河段水質監測資料，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；程永隆等［8］基于閩江流域歷年主要污染物排放量、控制斷面水質濃度和徑流量變化之間關系，分析了梯級電站對閩江水環境的影響；張蕊琪等［9］對湘江水利樞紐工程運行后長沙境內斷面進行取樣分析，采用主成分分析和卡爾森綜合營養狀態指數法，分析了湘江水體的營養狀態。數值模擬分析和影響評估方面：李德旺等［10］采用一維和二維水質模型，研究了亭子口水利樞紐建設對嘉陵江水環境的影響；阮婭等［11］對金沙江烏東德水電站蓄水后攀枝花河段納污能力和取水口水質變化進行了計算分析；陳黎明等［12］采用一維水動力和水質數學模型，對梯級電站建設前后干、支流水質變化進行模擬分析。庫區水環境容量研究方面：曹玲玲等［13］以岷江干流漢陽水電站為例，采用一維模型計算方法研究建庫前后水環境容量，發現建庫后水流減緩、污染物降解時間增加有利于增大庫區水環境容量，而降解系數減小降低了庫區水環境容量；鄭瑤等［14］建立了重慶三峽庫區EFDC水環境數學模型，根據該模型量化各排污口對水質控制斷面的響應系數，采用線性規劃法研究了庫區水環境容量。

漢江是中國重要的供水水源地，也是湖北省經濟社會發展的水資源寶庫。《漢江生態經濟帶發展規劃》提出，推動漢江生態經濟帶發展必須牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，要求到2025年生態環境質量更加優化，漢江干流穩定達到Ⅱ類水質標準［15］。目前，漢江上游干流規劃了包括孤山航電樞紐工程在內的8個梯級樞紐，梯級開發提高了水資源的利用效率，但也不可避免地造成庫區水文情勢和水環境變化，進而帶來一些生態環境問題。王中敏等［16］曾對孤山庫區魚類產卵場水文情勢的影響進行了研究，但目前尚未見對孤山樞紐水環境影響及其保護措施的研究。本文在前人研究的基礎上，從斷面總體水質、排污口污染帶、岸邊水域納污能力等方面著手，著重研究孤山樞紐開發對漢江水環境的影響，并提出水環境保護對策措施，可為建設生態友好型水工程、促進漢江生態經濟帶高質量發展提供技術支撐。

1 研究區概況

漢江發源于秦嶺南麓，干流流經陜西、湖北兩省，于武漢市匯入長江，干流全長1 577 km，總落差1 964 m，流域面積15.9萬km2。丹江口壩址以上為漢江上游，呈峽谷盆地交替特點，上游干流長925 km，流域面積9.52萬km2，落差占整個干流的95%，水能資源較豐富。根據2012年國務院批復的《長江流域綜合規劃（2012～2030年）》［17］，漢江干流進行15級水電開發，繼續建設黃金峽、旬陽、白河、孤山、新集、雅口、碾盤山等7級水電站。其中，漢江上游干流梯級開發方案從上至下為黃金峽、石泉、喜河、安康、旬陽、蜀河、白河、孤山8級水電站。

孤山航電樞紐工程位于漢江上游干流湖北省十堰市鄖西縣及鄖縣境內，上距白河水電站壩址約35.5 km，下距丹江口水利樞紐壩址177.6 km，是漢江上游干流開發的最后一級。孤山壩址所處河段左岸隸屬十堰市鄖西縣，右岸隸屬十堰市鄖縣，壩址控制流域面積60 440 km2，多年平均流量778 m3/s，多年平均徑流量245億m3。孤山樞紐正常蓄水位177.23 m，死水位175.00 m，正常蓄水位以下庫容1.09億m3，調節庫容2 400萬m3，具有日調節能力；水電站裝機容量為180 MW（4×45 MW），規劃航道等級為Ⅳ級［18］。孤山航電樞紐于2016年12月開工興建，2020年7月首臺機組發電，2021年1月4臺機組順利并網發電。

水環境影響研究范圍重點為漢江孤山壩址-白河壩址35.5 km庫區江段，并對孤山樞紐壩下丹江口水庫庫尾江段總體水質影響進行預測分析。孤山樞紐庫區主要有白石河、夾河（金錢河）、將軍河等3條支流匯入，壩下江段主要有天河匯入。考慮在孤山樞紐庫尾、庫中、庫首與壩址下游，以及水文變化比較明顯的支流匯合處設置分析斷面，從上至下共選擇白河壩址、白河縣、白石河河口、羊尾鎮、胡家營、將軍河口、孤山壩址、天河口、塔峪灘9個斷面，見圖1。

2.3 模型計算條件

2.3.1 預測工況

根據孤山航電樞紐可行性研究報告并考慮工程建設進度，本次研究現狀水平年為2012年，預測水平年與工程設計水平年一致，為2025年。以2025年孤山樞紐建庫與否分別設置預測情景，通過對比孤山樞紐建庫前、建庫后兩種情景主要水質指標及其污染帶范圍變化、岸邊水域納污能力變化，分析樞紐工程建設運行對漢江水環境的影響。為區分不同水期的水環境影響差異，采用漢江豐、平、枯水期來水條件分別進行預測。孤山樞紐開發任務以發電為主，電站日調節運用對應的下泄過程為非恒定流，因此在豐、平、枯水期分別選取典型日，與建庫前、建庫后兩種情景進行組合，形成6組預測工況，見表2。

2.3.2 輸入條件

（1） 水文邊界條件。考慮孤山樞紐上游黃金峽、石泉、喜河、安康、旬陽、蜀河、白河等梯級聯合調度的影響，對上述梯級樞紐長系列徑流進行調算，篩選出豐水期、平水期、枯水期3個代表性的典型日入庫和下泄方案。其中，枯水期（3月）典型日平均流量為265 m3/s、平水期（11月）典型日平均流量為727 m3/s、豐水期（8月）典型日平均流量為1 210 m3/s，以各典型日孤山樞紐入庫、下泄非恒定流過程作為水質計算的上邊界水文條件（詳見表3）。孤山樞紐建庫前，下邊界水位按照壩址處流量水位關系確定相應水位值，孤山樞紐建庫后下邊界水位根據調節計算的壩前水位確定。源匯項條件主要考慮庫區主要入庫支流夾河、白石河、將軍河以及天河入流［18］。

（2） 水質與污染源輸入條件。采用孤山樞紐庫尾（漢江干流）2012～2013年各水期水質實測數據作為水質計算的背景濃度，采用庫區夾河、白石河、將軍河、天河4條支流2012～2013年各水期水質實測數據作為水質計算的輸入條件，見表4。根據調查，孤山庫區主要涉及白河縣、胡家營鎮、羊尾鎮、夾河鎮，現狀水平年點源主要以沿岸居民生活污水排放為主、無集中工業排污口。孤山樞紐壩址至下游堵河匯口的漢江干流江段，無集中入河排污口分布。孤山庫區及壩下所在江段水質執行Ⅱ類標準，對排污嚴格限制，隨著區域點、面源污染治理力度加大，預測水平年污染物負荷仍以生活污水和面源排放為主，并較現狀水平年有削減趨勢，因此水質計算采用現狀水平年污染負荷。將庫區點污染源概化為4個集中排污口，同時考慮畜禽養殖和農業面源污染，點、面源排放量基于計算江段涉及鄉鎮人口、畜禽養殖總數、耕地面積進行估算［18］。

3 結果與討論

3.1 總體水質預測分析

一維總體水質預測表明，孤山樞紐建庫后，庫區及壩下各典型斷面豐、平、枯水期COD和氨氮均可達到GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的Ⅱ類標準。孤山樞紐建庫后，由于庫區蓄水使得水體體積增大、稀釋作用增強，污染物在庫區停留時間延長、降解過程更充分，因此庫區及壩下各典型斷面COD、氨氮平均濃度有所降低，丹江口水庫上游入庫總體水質呈改善趨勢。

孤山樞紐建庫后與建庫前相比，庫區各典型斷面豐水期COD濃度降低0.2%～16.1%，氨氮濃度降低1.2%～14.4%；平水期COD濃度降低2.0%～22.1%，氨氮濃度降低1.5%～20.5%；枯水期COD濃度降低0.5%～17.9%，氨氮濃度降低2.4%～46.2%。壩下江段各典型斷面豐、平、枯水期COD濃度降低4.4%～16.4%，氨氮濃度降低4.0%～11.2%。預測分析發現，枯水期庫區及壩下各斷面水質改善相對較為明顯，主要是因為建庫后枯水期水體體積及其稀釋作用增加最為顯著；從孤山樞紐庫尾至孤山樞紐壩址，沿程各斷面COD、氨氮降幅呈逐漸增加趨勢，這也是受建庫后水域形態變化程度不同的影響。預測結果詳見表5和表6。

3.2 典型排污口污染帶預測分析

孤山樞紐建成運行后，對庫區江段水域形態、水動力條件改變顯著，盡管總體水質改善，但預測庫區岸邊水域COD、氨氮濃度有所增加，主要是因為建庫后岸邊水域流速顯著減緩但岸邊水深卻變化不大，進而岸邊水域污染物降解能力變弱，局部水質變差。以胡家營、白河縣城、夾河鎮3個概化排污口為分析對象，按照岸邊水域污染物COD、氨氮濃度超過GB 3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類水質標準統計污染帶范圍，結果見表7和表8。分析發現，孤山樞紐建庫后，豐水期、平水期3個排污口及枯水期胡家營排污口，污染帶都小于5 m，變化不大。枯水期，孤山樞紐建庫后，白河縣城排污口污染帶長度介于0～30 m、污染帶寬度介于0～10 m之間，夾河鎮排污口污染帶長度介于0～25 m、污染帶寬度介于0～10 m之間，均較建庫前污染帶最大長度增加10 m、最大寬度增加5 m。

3.3 岸邊水域納污能力預測分析

進一步預測分析孤山庫區岸邊水域納污能力變化情況。根據《全國重要江河湖泊水功能區劃》，孤山庫區涉及漢江陜鄂緩沖區、漢江丹江口水庫調水水源地保護區2個水功能區［19］。孤山電站庫尾（白河壩址）-羊尾鎮19.8 km江段屬于漢江陜鄂緩沖區，羊尾鎮-孤山壩址15.7 km江段屬于漢江丹江口水庫調水水源地保護區，均執行Ⅱ類水質標準。以上游白河電站最小下泄流量（120 m3/s）為計算設計流量，采用二維水質模型計算白河壩址-羊尾鎮、羊尾鎮-孤山壩址2個江段COD、氨氮納污能力。孤山庫區河段寬200～300 m之間，根據典型排污口污染帶預測分析，枯水期COD、氨氮污染帶寬度不超過10 m，納污能力計算考慮適當擴大岸邊計算范圍，岸邊水域寬度取20 m。表9預測結果表明：孤山樞紐建庫后，由于相同設計流量條件下岸邊水域流速減緩，不利于污染物擴散輸移，各計算單元納污能力比建庫前有所減少。白河壩址-羊尾鎮江段COD、氨氮納污能力分別減少7.2%和9.9%，羊尾鎮-孤山壩址江段COD、氨氮納污能力分別減少10.0%和11.6%。總體上，孤山樞紐建庫后，庫區35.5 km江段COD、氨氮納污能力分別為870.8 t/a和83.8 t/a，較建庫前分別減少9.0%，11.0%。

3.4 水環境保護措施與建議

孤山航電樞紐建成后，盡管預測結果表明其對庫區及壩下江段總體水質無不利影響，但庫區由于流速顯著減緩，近岸淺水水域污染物降解能力變弱、納污能力減少，在有污染物排放情況下容易造成岸邊水質變差甚至局部富營養化。當前，孤山庫區污染負荷以農業面源以及分散的畜禽養殖污染、生活污水排放為主。為保護庫區水環境質量，提出如下針對性水環境保護措施與建議。

（1） 生活污染源防治。孤山庫區主要涉及白河縣、胡家營鎮、羊尾鎮、夾河鎮，目前各地均已建設了城鎮污水處理廠，點源控制取得一定成效。下一步應按《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持規劃》要求，加快庫區各鄉鎮污水處理基礎設施補齊填平與升級改造工作，提高鄉鎮生活垃圾無害化處理率。同時，要大力推進雨污合流管網系統改造，實施“管網優先”并統籌考慮鄉鎮水域的水環境綜合整治，提高鄉鎮污水的收集能力和處理效率。

（2） 畜禽養殖污染源防治。目前，漢江孤山段兩岸沿線以分散式畜禽養殖為主，部分高濃度的畜禽養殖糞便隨污水排入江中，造成了面源污染。下一步應發展可持續農業技術，借鑒國內外畜禽養殖場糞便污水處理經驗，選擇適合孤山庫區畜禽養殖場的糞便、污水資源化處理方法。積極推廣“減量化”的還田利用模式［20］，根據地區農業種植對畜禽廢棄物的消納能力，科學合理地確定地區畜禽養殖量和養殖規模，實現畜禽養殖廢棄物產生與農業種植需肥在時間與空間上的匹配，最大限度減少廢棄物處理壓力［21］。強化畜禽養殖污染的管理制度，將畜禽養殖業的環境管理納入到環境保護稅法、建設項目環境保護管理條例、漢江流域水環境保護條例等法律法規的管理范疇。建立畜禽養殖污染在線監測和評價體系，對超標排放或嚴重污染環境的畜禽養殖場進行限期治理。

（3） 農業面源污染防治。孤山庫區農業結構主要以傳統農業模式為主，使用化肥農藥主要為氮肥、磷肥、復合肥，產生的面源污染具有分散性、隱蔽性、隨機性和廣泛性［22］。針對農業面源污染防治，建議從以下幾個方面入手：① 實現科學施肥，在施氮量相等的情況下合理調整基追肥分配比例［23］以及運用減量平衡施肥技術［24］，以提高化肥利用率并減少流失量。② 大力發展替代性環保農業投入品，從財政、金融、稅收等方面大力扶持發展高效新型環保農業投入品，大力推廣新型農業投入品和先進實用技術。③ 促進面源污染農用品回收利用，在庫區沿岸鄉鎮建立廢舊農膜回收站（點）和鄉村物業管理站，建設田間垃圾收集設施，對廢舊農膜、塑料制品、農資包裝瓶袋等農村垃圾進行定點堆放、定期處理。④ 實施環保農業財政補貼政策，把農業環保生產作為財政補貼的硬性指標納入財政支農體系之中，并建立科學可行的考核辦法，使農業財政補貼不僅有利于農業增產、農民增收，而且有利于防治農業面源污染。

4 結 論

孤山樞紐建成后，水域形態、水文情勢的改變對庫區及壩下江段水環境造成一定影響，主要表現為總體水質改善、局部排污口污染帶擴大以及岸邊水域納污能力減少。總體水質預測結果表明：孤山樞紐建成前后，庫區及壩下各典型斷面豐、平、枯水期COD和氨氮平均濃度降低，降幅分別為0.2%～22.1%和1.2%～46.2%，這與建庫后水體體積增大、稀釋作用增強以及污染物在庫區停留時間延長、降解過程更充分等密切相關。局部水質預測結果表明：孤山樞紐建庫后，豐水期、平水期典型排污口COD、氨氮污染帶變化不大且均小于5 m，枯水期白河縣城排污口、夾河鎮排污口污染帶最大長度增加10 m、最大寬度增加5 m，孤山庫區COD、氨氮岸邊納污能力分別減少9.0%和11.0%。這主要是因為建庫后岸邊水域流速顯著減緩但岸邊水深卻變化不大，岸邊水域污染物降解能力變弱，進而造成局部水質變差和納污能力減少。針對孤山建庫后近岸淺水水域納污能力減少、岸邊水質變差等影響，結合當前庫區污染負荷來源與特征，提出了相應控制和防治措施：生活污水控制應加快庫區各鄉鎮污水處理基礎設施補齊填平與升級改造工作；畜禽養殖污染控制應選擇適合孤山庫區畜禽養殖場的糞便、污水資源化處理方法；農業面源污染控制應實現科學施肥，并大力推廣新型農業投入品和先進實用技術，實施環保農業財政補貼政策等。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：

In order to scientifically assess the influence of Gushan Navigation and Hydropower Project construction on water environment of the upper reaches of Hanjiang River，typical days of wet，average and dry seasons were selected on the basis of runoff calculation of cascades in the upper reaches of Hanjiang River，one-dimensional and two-dimensional water quality models were used to analyze and predict the overall water quality，local water quality and shoreside water pollution capacity before and after the construction of Gushan Navigation and Hydropower Project under unsteady flow conditions.And the countermeasures and suggestions for water environmental protection were put forward.The results showed that average concentrations of COD and ammonia nitrogen in wet，average and dry seasons at typical sections of the reservoir area and its downstream would reduce，indicating that overall water quality would improve.However，the significant reduce of flow velocity in shoreside water would result in the deterioration of local water quality.The pollution zone of COD and ammonia nitrogen of typical sewage outlets in the reservoir area would increase in dry season.Water environment capacity of COD and ammonia nitrogen in the reservoir area would reduce by 9% and 11% respectively.To protect water environment of this reservoir area，a set of measures are proposed in the terms of domestic sewage，livestock breeding and agricultural pollution to control and prevent non-point pollution.The research results can contribute to the construction of ecological-friendly water project and the high-quality development of the Hanjiang River Ecological Economic Belt.

Key words：

water quality；environment capacity；countermeasures；Gushan Navigation and Hydropower Project；Hanjiang River