丹江口水库总磷时空分布特征及其影响因素_尹炜.pdf

“水生态文明建设”专题专题主持人语水是生命之源、生产之要、生态之基，水生态文明是生态文明的重要组成和基础保障。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央以前所未有的力度抓生态文明建设，习近平生态文明思想深入人心，绿水青山就是金山银山的理念成为全社会的高度共识。党的二十大报告指出，“尊重自然、顺应自然、保护自然，是全面建设社会主义现代化国家的内在要求”，强调“坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理”“统筹水资源、水环境、水生态治理，推动重要江河湖库生态保护治理”。这就要求我们要牢固树立“生态优先、绿色发展”理念，严守生态保护红线，促进生活、生产和生态空间和谐共生；要求我们以提升水生态系统稳定性、持续性为目标，统筹水资源水环境水生态“三水”共治，系统推进河湖生态环境保护修复。作为人民长江编委会特聘专家，我牵头组织策划“水生态文明建设”专题，聚焦水资源、水环境和水生态等多个重点研究主题。本期“水生态文明建设”专题共 篇文章，从不同角度展现了国内多个研究团队的最新研究成果，一定程度代表了水生态文明领域的研究热点与未来发展方向。通过本期专题的出版，我们希望为水生态文明领域的专家学者及科技工作者解决关键问题提供思路，也希望进一步助力人民长江打造世界一流期刊。专题主持人简介尹 炜，男，年生，二级正高级工程师，博士，现任长江水资源保护科学研究所副所长，主要从事流域水资源保护规划理论与技术、面源污染与水土流失生态调控技术、饮用水源地水质安全保障技术及应用研究等方面的工作。水利部水生态安全保障创新团队骨干成员，湖北省新世纪高层次人才工程人选，享受湖北省政府专项津贴专家，湖北五一劳动奖章获得者，长江委十大杰出青年，长江委青年科技英才。担任中国水资源战略研究会第二届理事会暨全球水伙伴中国委员会第四届理事会理事，河海大学、湖北工业大学校外导师等。获得大禹水利科学技术奖二等奖 项（项排名、项排名），湖北省科技进步奖二等奖 项（排名），测绘科技进步奖一等奖 项（排名），国家科技思想库优秀决策咨询成果特等奖 项（排名）。主持国家自然科学基金、国家科技支撑计划、重点研发计划、水体污染治理重大专项、水利部行业公益性科研专项、水利部技术示范项目等国家和省部级科研项目 余项。发表科技论文 余篇，主编专著 部，译著 部，授权国家发明专利 余项。第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：尹 炜，男，二级正高级工程师，博士，主要从事水资源保护研究。：文章编号：（）引用本文：尹炜，王超，王立，等 丹江口水库总磷时空分布特征及其影响因素 人民长江，（）：丹江口水库总磷时空分布特征及其影响因素尹炜，王超，王立，辛 小 康，柳根，（长江水资源保护科学研究所，湖北 武汉；长江水利委员会 湖库水源地面源污染生态调控重点实验室，湖北 武汉；南水北调中线水源有限责任公司，湖北 丹江口）摘要：磷作为湖库富营养化的主要限制因子，一直是流域水环境研究关注的重点。基于长序列监测数据，系统分析了丹江口水库总磷的时空分布特征，并通过污染物通量核算深入分析了水库总磷演化的影响因素。结果表明：近 丹江口水库库区内总磷浓度基本稳定在 类，个别年份偶有升高，入库河流总磷浓度稳中有降。年水库总磷明显升高，升高时段集中在秋季，升高区域集中在汉库，水库总磷升高主要受入库河流输入的影响。罕见的 年汉江秋汛是丹江口水库总磷升高的根本原因，持续的强降雨致使面源污染负荷大幅增加，全年总磷入库通量达到 年的 倍。研究结果可为丹江口水库总磷污染防控提供参考。关 键 词：总磷；污染物通量；时空分布；面源污染；丹江口水库中图法分类号：文献标志码：引 言磷作为湖库富营养化的主要限制因子，一直是流域水环境研究关注的重点。对长江流域 多个湖泊多年比较研究的结果表明，总磷浓度是限制浮游藻类生长的最重要因素。加拿大和美国的科学家在安大略湖区开展的历时 的野外试验也表明，磷是控制藻华暴发的重要因子。“十三五”期间，总磷已经成为影响长江中游湖泊水质类别的主要因子，也是湖泊富营养化的最主要驱动力，控磷对于湖库水质安全具有十分重要的意义。丹江口水库是南水北调中线工程水源地，水质保护十分重要。年中线工程运行通水以来，丹江口水质总体良好，但在磷污染方面也陆续发现一些问题。如丹江口水库部分城镇型入库河流磷浓度较高，水库消落区具有一定的磷释放风险 等。另外，库周小流域的磷输出受农业面源影响较大，库区水土流失对总磷输出也会产生影响。为进一步认识丹江口水库总磷的分布特征，本研究系统整理了丹江口水库多年来总磷监测数据，分析总磷变化规律和影响因素，为水库总磷污染防控提供参考。材料与方法 研究区域概况丹江口水库水域面积约 ，分为汉库（湖北省境内部分）和丹库（河南省境内部分）。水库库周分布有 条主要入库河流，其中汉库入库河流包括汉江、天河、堵河、神定河、犟河、泗河、官山河、剑河、浪河、将军河、曲远河、淘沟河等 条，丹库入库河流包括丹江、淇河、滔河、老灌河等 条（见图）。水量较大的入库河流有汉江、堵河、丹江、老灌河、滔河等，其中汉江来水占丹江口入库流量的约，堵河来水占丹江口入库流量的约（见表）。数据来源基础数据包括库区内和入库河流的逐月总磷监测 人 民 长 江 年数据。库区内 个监测断面中坝上（龙王庙）、浪河口下、凉水河 台子山、陶岔 个断面总磷数据时段为 年，其余断面数据时段为 年。入库河流监测数据选取布设有国控断面的 条河流，数据时段为 年。另外，汉江、堵河、丹江、老灌河、滔河等 条河布设有水质自动监测站和水文站点，监测频次为逐日，数据时段为 年（见表）。所有水质监测断面和水文站位置见图。图 丹江口水库水文水质监测站点分布 表 丹江口水库主要入库河流概况 序号河流名称河长 流域面积 平均流量（）汉江天河堵河神定河犟河泗河官山河剑河浪河曲远河将军河淘沟河丹江淇河滔河老灌河 分析方法采用单因素方差法进行均值比较，斯皮尔曼秩次相关法检验总磷浓度的时间变化趋势。斯皮尔曼秩次相关检验法的原理是检验序列的趋势变化与其时间顺序是否有关，若序列按某种趋势排列的顺序（秩）与时间顺序（时序）越接近，则说明序列的趋势变化越明显。在分析序列与时序的相关关系时，用其秩次（即把序列 从小到大排列时 所对应的序号）代表。仍为时序（，），秩次相关系数计算如式（）所示：（）表 数据来源和基本情况 类型名称指标时间段监测频次数据来源库区内监测断面肖川 龙口、浪河口下、凉水河 台子山、坝上（龙王庙）、汉库中心（杨溪铺）、青山 安阳、柳陂镇山跟前、武当山三塘湾、孤山枢纽下、远河河口、陶岔、白渡滩、丹库中心、仓房镇赵沟、香花镇张寨、清泉沟总磷（）坝上（龙王庙）、浪河口下、凉水河 台子山、陶岔 个断面为 年 月至 年 月，其余断面为 年逐月长江 水利委 员会入库河流监测断面（括号内为对应入库河流）羊尾（汉江）、天河口（天河）、焦家院（堵河）、东湾桥（犟河）、神定河口（神定河）、泗河口（泗河）、孙家湾（官山河）、剑河口（剑河）、浪河口（浪河）、王河电站（滔河）、淅川张营（老灌河）、淅川高湾（淇河）、淅川荆紫关（丹江）总磷（）年 月至 年 月逐月生态 环境部水质自动监测站（括号内为对应入库河流）羊尾（汉江）、焦家院（堵河）、淅川史家湾（丹江）、淅川张营（老灌河）、王河电站（滔河）总磷（）年逐日生态 环境部水文站（括号内为对应入库河流）白河（汉江）、黄龙滩（堵河）、磨峪湾（丹江）、淅川（老灌河）、梅铺（滔河）流量（）年逐日长江 水利委 员会式中：为序列长度；。显然，秩次 与时序 相近时 越小，秩次相关系数越大，变化趋势越显著。以显著性检验的 值作为判定标准，表示趋势平稳，表示上升或下降趋势显著，表示上升或下降趋势极其显著。统计检验过程在 中实现。对入库总磷通量进行核算。汉江、堵河、丹江、老灌河、滔河采用逐日径流量乘以对应的逐日总磷浓度后累加。径流量数据来自白河、黄龙滩、磨峪湾、淅川、梅铺 个水文站逐日流量监测结果，总磷浓度数据来自羊尾、焦家院、淅川史家湾、淅川张营、王河电站 个水质自动监测站逐日总磷浓度监测结果。神定河、泗河、官山河、剑河、浪河、淇河、犟河、天河无水文站，因此采用年径流总量乘以年总磷平均浓度。年径流总量由多年平均流量计算，总磷平均浓度采用各国控断面逐月监测平均值。汉库入库通量为汉江、堵河、神定河、泗河、官山河、剑河、浪河、犟河、天河等 条河流总磷通量之和；丹库入库通量为丹江、老灌河、滔河、淇河等 条河流总磷通量之和。结果分析 库区内总磷浓度多年变化趋势从坝上（龙王庙）、浪河口下、凉水河 台子山、陶岔等 个监测断面 年逐月总磷浓度变化 第 期 尹 炜，等：丹江口水库总磷时空分布特征及其影响因素可以看到，库区内总磷浓度总体稳定（），基本保持或优于类，仅 年出现升高（见图）。各断面 年以前总磷浓度基本稳定在 （类），个别时段超过 （类）。除陶岔断面外，其他断面 年 月开始出现上升，月份左右达到峰值，年回落到 以下。其中坝上（龙王庙）断面总磷最高达到 ，年 月回落至 ；浪河口下断面总磷最高达到 ，年 月回落至 ；凉水河 台子山断面总磷最高达到 ，年 月回落至 。图 丹江口水库库区内主要监测断面 年总磷逐月变化趋势 入库河流总磷浓度多年变化趋势入库河流总磷变化趋势可分为总体稳定和总体下降两类（见图）。年，汉江、堵河、丹江、滔河、淇河等 条入库河流总磷浓度总体稳定（）。汉江干流和丹江入库总磷多年平均浓度分别为 和 ，年入库总磷平均浓度为 和 ，显著高于多年平均水平（）。堵河、滔河、淇河入库总磷多年平均浓度分别为，和 ，其中堵河在 年出现较大峰值，滔河、淇河未出现显著波动。年，神定河、泗河、犟河、剑河、官山河、浪河、老灌河、天河等 条河流总磷浓度总体下降（）。神定河、泗河、犟河、剑河、浪河呈现出先下降后趋稳的特征，如神定河入库总磷浓度 年平均 ，呈下降趋势（）；年平均 ，变化趋势平稳（）。官山河、天河分阶段平稳，如天河入库总磷浓度 年平均 ，趋势平稳（）；年平均 ，趋势平稳（）。老灌河 年总磷浓度平均为 ，呈上升趋势（）；年总磷浓度平均为 ，呈下降趋势（）。年总磷浓度时空分布特征以总磷浓度较高的 年为对象分析总磷浓度年内时空分布特征（见图）。库区内总磷 月基本稳定在 （类上限）以下，秋季上升趋势显著。汉库各监测断面中，总磷浓度 月份开始上升，月达到峰值，且上游断面峰值时间早于下游断面。如孤山枢纽下、柳陂镇山跟、青山 安阳等断面总磷浓度 月份上升至 ，达到或接近峰值浓度；汉库中心（杨溪铺）、远河河口、肖川 龙口、坝上（龙王庙）等断面总磷浓度峰值均在 月份出现。丹库各监测断面中，陶岔断面总体平稳，其他断面总磷浓度 月开始上升，月达到峰值。其中凉水河 台子山、香花镇张寨、清泉沟、仓房镇赵沟等断面总磷浓度峰值为 ，白渡滩断面总磷浓度峰值为 ，均出现在 月；丹库中心断面 月份达到总磷浓度峰值 。入库河流 月总磷浓度相对平稳，月上升并达到峰值，月开始回落。其中流量最大的汉江、堵河入库总磷浓度峰值分别为 和 ，均出现在 月份；丹江、淇河、滔河、老灌河总磷浓度峰值分别为 ，和 ，均在 月份出现。总体上，入库河流总磷浓度变化与库区内断面基本同步，特别是流量贡献最大的汉江干流总磷变化过程与库区内断面总磷变化过程基本一致。讨 论近 来，丹江口水库入库河流总磷浓度稳中有降，这与库区及上游大力开展的治理保护工作密切相关。条入库河流中，神定河、泗河、犟河、剑河、老灌河 人 民 长 江 年图 丹江口水库主要入库河流近 入库总磷浓度变化趋势 等穿越大型城镇，污染较重。“十一五”（）和“十二五”（）期间，国务院先后批复实施了两期丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划，投入数百亿元开展工业点源治理、城镇污水厂新建扩建、河道内源污染治理等，对总磷污染负荷起到较好的削减作用，神定河、泗河、犟河、剑河等河流的总磷浓度在 年都出现了显著的下降。但老灌河在这一时期反而出现总磷上升的现象，原因可能是污水收集管网建设滞后、环境基础设施规模不足。汉江干流、堵河、丹江等入库河流总磷浓度受农业面源和水土流失影响较大。针对这些问题，库区及上游在农业面源污染防治、农村环境整治、水土流失治理、生态清洁小流域建设等方面也开展了大量工作，对入库河流总磷浓度的下降和稳定起到重要作用。相对于入库河流，库区内总磷浓度更低且更加稳定，这说明丹江口水库具有很强的缓冲和净化作用。磷具有较强的吸附性，河流携带磷进入水库后，流速减缓，总磷浓度通过沉降作用得以降低。然而 年库区内总磷浓度显著升高，可能是入库河流总磷输入量过大的原因。年，汉江上游发生超 一遇洪水，降雨量列 年以来历史同期第 位，汛期入库水量较历史同期偏多 倍多，入库总磷通量大幅增加。根据通量核算结果（见图），年入库总磷通量为 ，是 年的 倍，年的 倍，年的 倍。在输入负荷大幅增加的条件下，磷的沉降时间延长，沉降净化作用会受到影响。但陶岔断面在 年并未出现总磷升高的现象，这与陶岔区域的水动力条件密切相关。陶岔断面位于丹库最东端，丹库的开阔水域形成天然强化缓冲区，不论是汉江干流输入还是上游丹江输入，流速都会大幅减小，第 期 尹 炜，等：丹江口水库总磷时空分布特征及其影响因素图 年丹江口水库库内监测断面和入库河流监测断面总磷浓度月度变化 颗粒物沉降得到加强。这种水动力条件保障了陶岔区域的总磷浓度比库区内其他区域更加稳定。整体而言，入库河流的输入和水库的缓冲净化对库区内总磷浓度长期变化都有重要的影响。年，总磷升高主要集中在秋季，这与库区及上游的降雨特征密切相关。年降雨主要集中在秋季，月下旬至 月上旬，汉江流域共发生 次强图 丹江口水库主要入库河流总磷通量分布 降雨过程，累计面均雨量 。强降雨冲刷产生的面源输出对总磷浓度会产生显著影响。短历时强降雨会显著提高土壤养分流失程度，有效径流事件发生越频繁，降雨量越大，则营养流失的情况越严重。在强降雨条件下，易形成面源污染集聚风险。另外，丹江口库区及上游水土流失面积达 万。由于总磷吸附性较强，水土流失产生的泥沙颗粒可能进一步加剧面源输出。从 年入库总磷通量月度分布来看，约 集中在 月，与强降雨时段吻合（见图）。年汉江、堵河等入库河流总磷浓度升高主要集中在 月，库区内总磷浓度升高时段主要集中在 月。考虑到水流传递的延迟效应，库区内总磷浓度的年内变化过程与降雨及总磷通量的变化过程基本吻合。因此，可以认为降雨是驱动总磷浓度年内变化的主要原因。总磷升高区域主要集中在汉库，主要原因是汉江干流在总磷入库通量上占绝对主导。年秋季强降雨过程中，丹江口水库连续发生 次入库流量超过 的较大洪水过程，汉江入库流量占 以上。从总磷入库通量的分布可以看到，汉库入库通量显著高于丹库（见图）。开展丹江口库区及上游的水土流失和面源污染治理是防控丹江口水库总磷污染的根本途径。丹江口库区及上游水土流失范围广、强度高，加上农业生产多为单家独户的经营方式，污染治理配套措施不足，导致水土流失和农业面源污染治理难度较大。建议创新治理理念，以小流域为单元开展水土流失综合治理和面源污染防控，加强山水林田湖草系统防治；加快易实施、易推广的面源防控和水土流失综合治理技术的应用，提升流域污染滞留能力。通过流域综合治理和生态建设，从源头控制总磷来源。另外，水库消落区淹没产生的磷释放风险也需要关注。年丹江口水库首次蓄至 水位，人 民 长 江 年图 年丹江口水库入库流量变化和总磷通量月度分布 水位以上运行 。丹江口水库大坝加高蓄水前，高程以下分布有大量农田耕地，水库加高蓄水后淹没的农田耕地是主要的磷释放来源。年新淹没的 高程范围内，原有的农田耕地面积约 。研究表明，淹水条件下农田土壤总磷释放速率为 （）。淹水时间按照 进行计算，估算得到消落区淹没产生的磷释放负荷约 。消落区淹没释放量与入库河流输入总磷通量相比规模较小，但考虑到丹江口水库岸线曲折，库湾较多，消落区淹没释放可能对局部库湾水体产生影响，仍需引起重视。结 论（）近 水库总磷浓度总体稳定，入库河流总磷浓度稳中有降。库区内监测断面总磷基本稳定在类及以上水平，个别年份偶有升高；汉江、堵河、丹江、滔河、淇河等 条入库河流总磷浓度总体稳定，神定河、泗河、犟河、剑河、官山河、浪河、老灌河、天河等 条河流总磷浓度总体下降。（）年水库总磷浓度明显升高，升高时段集中在秋季，升高区域集中在汉库。库区内总磷 月基本稳定，月出现峰值；入库河流总磷 月上升并达到峰值。（）入库河流输入是水库总磷变化的主要影响因素。年秋季持续强降雨导致总磷入库通量大幅增加是水库总磷浓度升高的根本原因。建议加强丹江口库区及上游的水土流失和面源污染治理，从源头控制总磷来源。参考文献：王海军，王洪铸 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