丹江口水庫滿蓄期庫灣水質變化特征及成因分析

0 引言

南水北調工程是緩解中國北方地區水資源短缺困境、實現水資源優化配置、復蘇河湖生態環境、保障區域均衡發展的戰略性基礎設施，南水北調中線一期工程于2014年12月12日正式通水，截至2023年12月12日，累計調水總量突破606億 m³ ，工程受益人口超過1.08億，為推動京津冀協同發展、國家水網構建等重大戰略實施發揮著重要支撐作用。丹江口水庫作為南水北調中線工程的水源地，其水生態環境安全是保障“一泓清水永續北上”的堅實基礎[1]。目前，丹江口水庫水質總體優良，維持在地表水 I～I 類水平[2]，然而，部分庫灣氮磷營養鹽濃度相對較高，水體呈現富營養化狀態[3-5]，甚至出現藻類聚集現象，若不加以重視，可能會對中線供水安全造成影響。

庫灣是水庫在水陸交錯帶形成的半封閉式區域，其形態特征受陸域生態系統與水生生態系統的共同作用。一方面，庫灣水體流動性較差、物質交換能力弱、易造成營養物質富集；另一方面，庫灣作為陸源污染物最直接的受體，能最快反映水庫水質的演變趨勢，因此庫灣是水庫水質安全的敏感區。丹江口大壩加高后，水庫正常蓄水位由 157.00m 抬升至 170.00m ，原有庫岸帶植被淹沒消亡，新形成的庫岸帶因生境改變進入新一輪漫長演替過程，其作為水庫水質安全的最后一道屏障，攔蓄陸岸泥沙和外源污染物的生態功能大幅削弱。庫灣同時面臨庫周面源輸入、庫濱生態屏障功能退化、消落區無序利用等諸多問題[6-7]，水質安全風險較高。丹江口水庫作為多年調節水庫，多年平均蓄滿率僅為 11% [8]，受漢江秋汛洪水影響，2021年與2023年汛后，丹江口水庫先后兩次蓄水至 170.00m 正常蓄水位，庫區水體對庫灣水域的頂托效應增強，新增淹沒區內污染物質持續釋放，庫灣原本脆弱的水生態受到進一步沖擊。

中線通水以來，丹江口水庫水質安全受到眾多學者的高度關注，相關研究主要集中在庫區水體、主要人庫河流或陶岔取水口附近水域[9-12]，鮮有針對水庫庫灣尤其是滿蓄期這個重要節點水質變化特點的系統性研究。本文通過開展丹江口水庫 170.00m 水位期間典型庫灣水質監測工作，結合歷史水文水質數據，分析丹江口水庫滿蓄后庫灣水質及營養狀態的變化趨勢，剖析其主要成因，為丹江口水庫后續高水位運行期間庫灣水質安全風險精準防范提供科學依據。

1 研究區概況

丹江口水庫橫跨鄂豫兩省，是由漢江及其支流丹江交匯形成的大型戰略性水資源庫，包括湖北省境內的漢江庫區（漢庫）與河南省境內的丹江庫區（丹庫）兩部分，控制流域面積9.52萬 km² 。丹江口水庫初期工程于1973年建成，為滿足中線調水需求，2012年開始實施丹江口大壩加高工程，2013年完工后壩頂高程達到 176.60m ，正常蓄水位抬升至170.00m ，水域面積達到 1 050km² ，根據丹江口水庫調度規程，高程 160～170m 之間的區域成為新的消落區，庫岸線長度達 4 610km ，由此在水陸交界處形成大量庫灣。水庫地處秦巴山區與江漢平原的過渡地帶，呈現西、北部地勢高，東南地勢低的特點，因此漢庫水面狹長，丹庫水面相對寬闊，農業活動也更為集中。庫區屬于典型的北亞熱帶半濕潤季風氣候，雨熱同期，汛期強降雨頻繁，但豐枯年份差異性較大。水庫入庫河流包括漢江、丹江、堵河、老灌河等16條（圖1），多年平均入庫徑流量394.8億 m³ ，其中漢江入庫流量占比約 70% 。

2 材料和方法

2.1 樣品采集

綜合考慮庫區地形與土地利用等特征，選取丹江口水庫20個典型庫灣監測點位，其中丹庫9個（S1＼～S9），漢庫11個（S10～S20），涵蓋農業種植區、城鎮聚集區、重要入庫河流河口區域，具體點位及信息如圖1所示。在低流速下采集距水面約 50cm 的表層水樣，隨后將水樣裝入 500mL 聚乙烯瓶中，加入適量濃硫酸酸化后密封保存，并及時送往實驗室檢測。測定的水質理化指標包括溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（ COD_Mn ）、葉綠素a（Chla）、濁度（TU）等，其中溶解氧、葉綠素a與濁度采用EXO2多參數水質分析儀現場測定，其余指標測定方法參照GB3838—2002《地表水環境質量標準》。2021年春季至2023年秋季共開展8次監測工作，其中2021年秋季與2023年秋季為水庫滿蓄期，詳見圖2與表1。

2.2 研究方法

（1）數據來源。本研究庫灣水質數據來自2021～2023 年期間針對20個典型庫灣的8次監測數據；庫體水質數據來自 2021～2023 年丹江口庫區水質監測站網15個斷面監測數據[13] 。

（2）營養狀態評估方法。湖庫富營養化狀態通常采用理化指標與生物指標相結合的富營養化評估指數進行評價，綜合營養狀態指數法（TLI由卡爾森指數法發展而來，是一種基于葉綠素a綜合評價湖泊、水庫富營養狀況的有效方法，在中國湖庫富營養化評價中應用廣泛[14]，其計算公式為

式中： ）表示綜合營養狀態指數； m 代表參與評價水質指標數量，本研究使用 等4個指標； TLI（j） 代表第 j 種水質參數的營養狀態指數； W_j 為第 j 種水質指標的營養狀態指數的相關權重。計算得到的綜合營養狀態指數在 0～100 之間，在同一營養狀態下，數值越大，水體營養程度越高。具體營養狀態分級標準如表2所列。

（3）數據統計與分析方法。水質數據分析處理使用Excel2019和SPSS25.0等軟件，基礎圖件使用Origin2022制作，顯著性檢驗采用Mann-Whitney非參數檢驗，水質空間分布圖采用ArcGIS10.8軟件制作。

3 結果分析

3.1 典型庫灣水質總體特征

丹江口水庫典型庫灣主要水質指標變化情況如圖3所示。經分析可知， 2021～2023 年，庫灣溶解氧平均含量為（ 9.25±0.68 ） mg/L ，2021年春季溶解氧平均含量最高，達（ 11.52±1.53 ） mg/L，2021 年秋季最低，為 （7.94±0.85 ） mg/L ，可以看出，庫灣溶解氧含量相對較高，整體上呈現由春季至秋季逐漸降低的趨勢。庫灣總氮平均濃度為 （1.71±1.47） ）mg/L ，處于較高水平，作為富氮型水體，總氮濃度偏高是水庫面臨的突出問題[5]。2021年秋季總氮平均濃度達到 （2.12±0.50 ） mg/L ，整體明顯高于其他時段。庫灣總磷平均濃度為 （0.059±0.039 ） mg/L ，其中2023年秋季總磷濃度最低，為！ （0，031±0.021 ）mg/L ，丹江口水庫屬于典型的磷限制型水庫，總磷是影響藻類生長繁殖與水庫水質定類的關鍵指標[15]庫灣高錳酸鹽指數均值為 （3.01±0.75 ） mg/L ，整體上呈波動變化，2023年秋季高錳酸鹽指數最高，達到（ 3.75±0.85 ） mg/L 。庫灣濁度均值為（ （7.85± 5.72）NTU，2021年秋季至2023年春季濁度明顯高于其他時段，其中2021年秋季濁度均值達到（13.54±18.71 ）NTU。庫灣葉綠素a平均濃度為（ 5.70± 4.72） μg/L，2022 年秋季與2023年秋季葉綠素a濃度相對較高，分別為 （7.80±11.81 ） μg/L 和（6.88±5.34 ） μg/L 。

庫灣主要水質指標現狀空間分布如圖4所示（ 2021～2023 年均值）。庫灣溶解氧含量大多在8.50～9.50mg/L ，丹庫庫尾、東岸以及大壩附近區域庫灣溶解氧稍低，在 8.00～8.50mg/L ，馬蹬鎮唐灣村庫灣（S4）與神定河曹溝庫灣（S19）溶解氧含量較高，分別為 10.80mg/L 和 11.28mg/L 。庫灣總氮濃度大多在1.40mg/L 以下，神定河、泗河以及老灌河等支流庫灣總氮濃度在 2.00mg/L 以上，其中S19庫灣達到7.79mg/L 。庫灣總磷濃度普遍在 0.060mg/L 以下，丹庫馬蹬鎮以下至壩上區域庫灣總磷濃度相對較低，其中香花鎮庫灣（S2）總磷濃度最低，為 0.023mg/L ;漢庫庫尾與丹庫庫尾區域總磷濃度較高，其中S19庫灣達到 0.211mg/L ，遠超其他庫灣。庫灣高錳酸鹽指數普遍在 2.00～3.00mg/L ，丹庫馬蹬鎮以下至壩上區域庫灣高錳酸鹽指數相對較低，漢庫庫尾與丹庫庫尾區域較高，其中 S4 與S19庫灣高錳酸鹽指數均值在4.00mg/L 以上。庫灣濁度在空間上呈現較大差異，由庫尾向大壩方向濁度逐漸降低，大壩兩側庫灣濁度在 2.00～4.00 NTU，而漢庫庫尾區域庫灣濁度在12.00NTU以上，丹庫庫尾濁度普遍在 6.00NTU 以上。庫灣葉綠素a濃度大多在 6.00μg/L 以下，其中S4與S19庫灣葉綠素a濃度均超過 8.00μg/L 。總體上，庫尾區域的庫灣水體污染物含量相對較高，馬蹬鎮與神定河等區域庫灣尤為突出，庫尾區域即漢江、丹江等河流入庫處，城鎮較為集中，承接大量入庫污染負荷，因此污染物濃度較高，而神定河作為十堰市城區最重要的納污河流，水質常年較差[16]，馬蹬鎮區域存在消落區農業密集種植情況，水位波動帶來的氮磷養分流失問題較為突出。

受污染物傳輸路徑短、水動力條件差、人類活動擾動影響大等因素影響，庫灣水質往往劣于庫體，對比2021～2023 年庫灣與庫體同期主要水質指標監測數據發現（圖5），庫灣總氮平均濃度 （1.71mg/L 高于庫體 （1.33mg/L） ），但總體沒有呈現顯著性差異，而庫灣總磷、高錳酸鹽指數、葉綠素a總體顯著高于庫體（ ，其中庫灣總磷平均濃度（ 0.059mg/L ）為庫體 （0.027mg/L ）的2.19倍，庫灣高錳酸鹽指數平均濃度 （3.01mg/L ）為庫體（ 2.12mg/L ）的1.42倍，庫灣葉綠素a平均濃度（ 5.70μg/L ）為庫體（3.80μg/L ）的1.50倍。

3.2 典型庫灣營養狀態總體特征

典型庫灣綜合營養狀態指數變化趨勢如圖6所示。可以看出， 2021～2023 年丹江口水庫典型庫灣綜合營養狀態指數總體平穩，均值在 40.00～ 45.00之間波動，整體呈現中營養狀態。就具體庫灣而言，在 2021～2023 年8次監測期間，20個典型庫灣中有7個出現富營養化現象，分別為馬蹬鎮唐灣村庫灣（S4）、老灌河庫灣（S5）、盛灣鎮庫灣（S8）、潘家溝庫灣（S12）、泗河胡家灣庫灣（S18）、神定河曹溝庫灣（S19）、柳陂鎮庫灣（S20），主要分布在漢庫庫尾與丹庫庫尾的支流入庫、城鎮聚集、農業集中等區域，其中S4庫灣出現4次富營養化現象，S19庫灣歷次監測均呈現富營養化，其他庫灣出現1＼～2次富營養化現象。

3.3 典型庫灣滿蓄期水質變化特征

兩次滿蓄前后庫灣水質指標、營養狀態變化情況及顯著性差異結果如圖7和表3所示。可以看到，幾乎所有庫灣溶解氧含量在滿蓄期間有所降低，首次滿蓄后（2021秋），溶解氧總體含量由滿蓄前平均 9.62mg/L 下降至 7.94mg/L（plt;0.01） ;第二次滿蓄后（2023秋），溶解氧總體含量由滿蓄前平均 8.99mg/L 下降至 8.26mg/L ，其中 S19庫灣因夏季藻類增殖，溶解氧含量普遍在 13.00mg/L 以上，至水庫滿蓄后溶解氧降幅較大。首次滿蓄后，S19庫灣總氮濃度由 9.34mg/L 下降至3.51mg/L ，其余庫灣總氮濃度呈現不同程度升高現象，總體由滿蓄前平均 1.51mg/L 上升至滿蓄后平均2.12mg/L（plt;0.01） 。第二次滿蓄后，泗河、神定河庫灣（S18、S19）以及漢庫庫尾區域庫灣（S5＼～S8）總氮濃度呈現不同程度下降，庫灣總氮濃度升高區域主要集中在漢庫，且漲幅小于首次滿蓄前后，總體由滿蓄前平均 1.51mg/L 上升至滿蓄后平均 1.56mg/L 。首次滿蓄后，大部分庫灣總磷濃度呈現下降現象，總體由滿蓄前平均 0.082mg/L 下降至滿蓄后平均 0.055mg/L ，其中丹庫庫灣總磷濃度降幅高于漢庫庫灣。第二次滿蓄后，除羊山庫灣（S11）和柳陂鎮庫灣（S20）外，其余庫灣總磷濃度均有不同程度下降，總體由滿蓄前平均 0.061mg/L 下降至 0.031mg/L（plt;0.01） 。可以看出，兩次滿蓄前后，S4、S19等水質高風險庫灣總磷污染明顯改善。首次滿蓄后，除石鼓鎮溫坪庫灣（S10）與S19庫灣高錳酸鹽指數降低外，其余庫灣均不同程度升高，總體由滿蓄前平均 2.79mg/L 上升至滿蓄后平均 3.75mg/L（plt;0.01） ，其中丹庫庫灣漲幅高于漢庫庫灣。第二次滿蓄后，庫灣高錳酸鹽指數總體由滿蓄前平均 3.16mg/L 上升至滿蓄后平均3.28mg/L ，升高區域主要集中在漢庫。首次滿蓄后，庫灣濁度明顯升高，總體由滿蓄前平均4.39NTU上升至滿蓄后平均13.54NTU（ ρlt;0.05 ），其中漢庫庫灣濁度漲幅明顯高于丹庫庫灣，并呈現由漢庫庫尾至壩前濁度逐漸降低的趨勢。第二次滿蓄后，S19庫灣濁度由2023年夏季藻類增殖期的110.16NTU下降至滿蓄后3.30NTU，其余庫灣濁度在第二次滿蓄前后變化幅度較小。首次滿蓄后，大多庫灣葉綠素a濃度呈降低趨勢，總體由滿蓄前平均 6.38μg/L 下降至滿蓄后 3.42μg/L （ plt; 0.05），第二次滿蓄后，庫灣葉綠素a總體呈升高趨勢，由滿蓄前平均 5.06μg/L 上升至滿蓄后平均6.88μg/L ，其中漢庫庫灣漲幅明顯高于丹庫庫灣。庫灣綜合營養狀態指數在滿蓄前后總體變化幅度較小，沒有呈現顯著性差異。

表3采用Mann-Whitney非參數檢驗的滿蓄前后庫灣水質指標及綜合營養狀態指數顯著性差異結果

4討論

庫灣作為水庫在水陸交界處形成的特殊地理單元，既相對封閉，又與庫體及上游流域形成完整的庫區生態系統，其水環境質量在高水位期間受到多方面因素的共同作用（圖8）。一方面直接受到來自庫周的農業種植、畜禽養殖、居民生活等面源污染輸入以及消落區淹沒釋放的影響[17]，另一方面間接受到來自上游流域的點、面源污染輸入的影響[18]。同時，水位抬升既導致水庫對庫灣水域的頂托效應增強，庫灣水動力條件減弱，污染物更易富集，又使得庫灣污染物的水力停留時間延長，水體稀釋凈化效應增強[19]

根據2016年水利部批復的《丹江口水利樞紐調度規程（試行）》，丹江口水庫在汛期未發生洪水時，水庫按不高于防洪限制水位運行。夏汛期（6月21日至8月20日）防洪限制水位為 160.00m ；秋汛期間，9月1～30 日防洪限制水位為 163.50m 。從10月1日起，視漢江汛情和水文氣象預報，水庫可以逐步充蓄，10日之后可蓄至 170.00m 正常蓄水位。2021年，漢江流域發生罕見秋季大洪水，秋汛以來，庫區及上游降雨量超 500mm ，為1960年以來歷史同期第1位，丹江口水庫迎來7次較大入庫洪峰，8月下旬至10月上旬期間入庫水量344.7億 m³ ，較歷史同期偏多3倍以上[8]，其中漢江白河水文站日均流量峰值逼近20 000m³/s ，至10月10日庫水位首次蓄滿至 170. 00m 。2023年，白河水文站至9月19日開始流量逐步增大，9月29日形成漢江2023年第1號洪水，30日04：00水庫最大入庫流量達 16400m³/s ，其中白河日均流量達 ，至10月12日庫水位第二次蓄滿至170.00m （圖2）。分析可知，2021年秋汛期間（8月21至10月10日）入庫總流量為2023年同期的2.36倍，兩次滿蓄前后庫灣水質變化差異與秋汛期間的強降雨過程密切相關。

相關研究表明，水體溶解氧含量與水位呈現明顯的負相關關系[20]，就丹江口水庫而言，秋汛期間強降雨過程導致水中溶解氧的飽和度下降，低壓環境造成耗氧量增加，水庫滿蓄后庫灣水體復氧能力進一步減弱，因此兩次滿蓄后庫灣溶解氧均呈現下降趨勢，且首次滿蓄前后庫灣溶解氧的降幅更大。丹江口庫區及上游作為國家級水土流失重點預防區，水土流失面積約占土地總面積的1/5，區域內農業活動仍普遍采用傳統的粗放耕種方式，加之污染處理設施建設不足，綠色發展體系尚未建成，導致農業面源污染仍是影響庫區水質的重要誘因[21]。降雨是庫區及上游土壤侵蝕與面源污染輸出的原動力[22-23]，尤其在秋汛強降雨期間，徑流污染物流失加劇，致使入庫污染負荷顯著上升。因此受到庫周及上游流域污染輸入增加、消落區農田養分受淹釋放以及水庫頂托效應增強的影響，兩次滿蓄期間庫灣總氮、高錳酸鹽指數濃度較滿蓄前均明顯升高。與此同時，在總磷入庫負荷顯著增加、庫體總磷濃度明顯升高的情況下[15]，庫灣總磷濃度在滿蓄前后呈現明顯降低的現象，這可能與水體稀釋凈化效應密切相關。相較于總氮與高錳酸鹽指數，總磷存在形式以顆粒態為主，具有較強的吸附性，流動性較弱，且庫灣與庫體總磷具有更顯著的濃度梯度，水庫滿蓄后庫灣總磷的沉降作用加強，庫體與庫灣水體進一步混合，使庫灣總磷受到的稀釋凈化效應強于污染輸人增加的影響，因此在第二次滿蓄時污染輸入較首次滿蓄明顯降低的情況下，總磷濃度的降幅更加突出。首次滿蓄時，受強降雨導致的徑流沖刷作用以及 167～170m 消落區首次被淹的影響，庫灣濁度尤其是漢庫庫灣總體顯著升高，而二次滿蓄期間流域受到的沖刷作用明顯減弱，泥沙輸入量降低，因此庫灣濁度沒有明顯變化。首次滿蓄前后庫灣葉綠素a濃度明顯降低，與相關研究報道一致[24]，降雨沖刷、總磷濃度降低等因素導致藻類生長受限，第二次滿蓄后庫灣葉綠素a濃度有所升高，這可能與此時濁度有所降低，藻類光合作用加強有關。兩次滿蓄后神定河曹溝庫灣水質均明顯改善，其原因主要是神定河作為十堰市城區主要的納污河流，其污染結構以點源為主，水位抬升后，神定河庫灣水域面積增加，受到的稀釋凈化作用明顯增強。

總體而言，在以農業面源污染為主導的丹江口庫區及上游區域，秋汛期間降雨強度差異顯著影響了兩次滿蓄前后庫灣水質變化特征，總氮、高錳酸鹽指數濃度的升高進一步增加了庫灣富營養化的風險，盡管總磷濃度受到水位升高后的稀釋凈化作用更突出，在滿蓄后呈現降低趨勢，但由于總磷入庫通量的增加，水庫內沉積的“存量磷”在水位消退后致使庫灣總磷濃度再度升高的風險也需要持續關注[25] 。

5 結論與建議

5.1 結論

（1） 2021～2023 年，丹江口水庫典型庫灣溶解氧、總氮、總磷、高錳酸鹽指數、濁度、葉綠素a濃度呈現波動變化，其中總磷、高錳酸鹽指數與葉綠素a濃度總體顯著高于庫體 （plt;0.05） ，漢庫庫尾與丹庫庫尾的支流入庫、城鎮聚集、農業集中等區域庫灣水質相對較差。

（2） 2021～2023 年，丹江口水庫典型庫灣總體呈現中營養狀態，馬蹬鎮唐灣村庫灣（S4）、老灌河庫灣（S5）、盛灣鎮庫灣（S8）、潘家溝庫灣（S12）、泗河胡家灣庫灣（S18）、神定河曹溝庫灣（S19）、柳陂鎮庫灣（S20）出現富營養化，其中S19庫灣歷次監測均為富營養化。

（3）2021年首次滿蓄前后，庫灣溶解氧與葉綠素a濃度顯著降低（ _plt;0.05 ），總氮、高錳酸鹽指數、濁度顯著升高（ _plt;0.05） ，總磷濃度呈現降低趨勢；2023年第二次滿蓄前后，庫灣溶解氧呈降低趨勢，總氮、高錳酸鹽指數、葉綠素a濃度呈上升趨勢，總磷濃度顯著降低（ ?lt;0.05） ，濁度沒有明顯變化；兩次滿蓄前后庫灣綜合營養狀態指數沒有明顯波動，S19庫灣水質明顯改善，秋汛降雨強度與水位的抬升是影響庫灣滿蓄前后水質變化特征的主要因素。

5.2 建議

（1）強化丹江口庫區及上游水土流失與面源污染防治。構建國家財政、地方投入、社會資本相結合的丹江口水庫水質安全保障資金體系，加強山水林田湖草系統防治，以小流域為單元開展水土流失綜合治理和面源污染防控，推動綠色發展體系構建。

（2）強化丹江口水庫消落區管理。由流域管理機構會同地方政府推動丹江口水庫消落區管理立法前期工作，加強消落區物理隔離建設，實施分區管控，制定并落實針對性的分區管控要求和措施，有效整治消落區無序利用現象，削減入庫氮、磷等污染物的負荷。

（3）強化庫灣富營養化風險監測預警。加快構建庫灣富營養化監測網絡，適時推動無人機紅外熱成像、高光譜遙感技術應用，依托數字孿生丹江口工程，將陸域面源污染模型與水域庫灣藻類增殖模型深度耦合，建立庫灣藻類增殖風險預測預警體系，及時掌握高水位運行期間庫灣富營養及藻類增殖風險動態。

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（編輯：劉媛）