三峽水庫蓄水前后干流總磷濃度比較*

婁保鋒，印士勇，穆宏強，張 翔

(1:長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心，武漢430010)

(2:長江流域水資源保護局，武漢430010)

(3:武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072)

三峽水庫蓄水前后干流總磷濃度比較*

婁保鋒1，印士勇1，穆宏強2，張 翔3

(1:長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心，武漢430010)

(2:長江流域水資源保護局，武漢430010)

(3:武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072)

為認識三峽工程蓄水對水庫總磷濃度的影響，于蓄水前(1998-2002年)和蓄水后(2004-2009年)每月對三峽水庫干流5個斷面總磷濃度進行監(jiān)測并對數(shù)據(jù)進行分析.結(jié)果表明，同蓄水前相比，蓄水后水庫近壩水體總磷濃度顯著降低，至2009年，巴東官渡口斷面和壩上太平溪斷面總磷濃度比蓄水前分別下降了42.8%和54.9%;蓄水后年內(nèi)總磷濃度雖然仍是豐水期＞平、枯水期，但是越近大壩，這種水期差別越小;蓄水后，庫區(qū)干流總磷濃度整體上表現(xiàn)為從庫尾至庫首沿程下降，從涪陵下游的清溪場斷面至壩上太平溪斷面，總磷濃度下降幅度約61%-65%，尤以豐水期沿程下降最為突出.總磷濃度以上變化特征主要是由于庫區(qū)水位抬高后，流速減小導致的泥沙沉降.

水電工程;三峽水庫;總磷;蓄水

湖泊、水庫富營養(yǎng)化問題是一個世界性難題.在引起富營養(yǎng)化的營養(yǎng)物質(zhì)中，磷是多數(shù)淡水水體中藻類生長的限制性因子.國際上一般認為水體總磷濃度超過0.02 mg/L，總氮濃度超過0.2 mg/L時，易發(fā)生富營養(yǎng)化.所以總磷在水質(zhì)評價中占有重要地位，及時對水體中總磷濃度進行監(jiān)測，了解其變化情況至關(guān)重要.三峽工程是舉世矚目的大型水電工程，其對長江水環(huán)境質(zhì)量的影響一直備受關(guān)注.1992年國家環(huán)境保護局審查和批準了《長江三峽水利樞紐環(huán)境影響報告書》，報告書全面分析了三峽工程對生態(tài)和環(huán)境的有利和不利影響.根據(jù)報告書，水庫蓄水后，流速減小，水深加大，水庫對氮、磷等元素具有一定攔截作用，但未預(yù)測蓄水后具體濃度變化.至今三峽工程已基本完工，依次進行了135 m蓄水(2003年6月1-10日)、156 m蓄水(2006年9月20日至10月27日)和試驗性蓄水(2008年9-11月，2009年9-11月)，從初次蓄水至2009年底已有6年時間.蓄水后，支流回水段和庫灣多次發(fā)生水華［1-3］，而且支流回水區(qū)的水華表現(xiàn)為明顯的磷限制特征［4-5］.干流和支流回水區(qū)存在著水的交換［6-7］，而且?guī)靺^(qū)支流富營養(yǎng)化主要發(fā)生在支流回水區(qū)，所以庫區(qū)干流磷元素含量對庫區(qū)支流富營養(yǎng)化和水華影響的研究具有重要意義.

經(jīng)查閱相關(guān)文獻，未見關(guān)于三峽水庫蓄水前后磷含量的對比研究.相關(guān)研究包括冉祥濱等［8］對蓄水前后入庫和出庫總磷負荷的計算，戴潤泉等［9］對蓄水前三峽水庫水質(zhì)的分析，王徹華等對［10］蓄水前后庫區(qū)干流水質(zhì)類別的比較.鑒于此，本文對蓄水前(1998-2002年)和蓄水后(2004-2009年)庫區(qū)干流總磷濃度的變化情況進行研究，以分析三峽工程修建對庫區(qū)總磷含量的影響.

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)來自長江水利委員會1998-2009年的監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測頻率為每月一次，斷面參數(shù)值為斷面各測點均值，年度均值為12個月份參數(shù)值的均值.懸浮物(SS)測定方法:GB11901-89;總磷(TP)測定方法:鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)(過硫酸鉀消解).水樣采集后，保持原水樣(稱為渾樣)進行TP預(yù)處理.

圖1 三峽庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Water quality monitoring sections in the Three Gorges Reservoir area

1.2 斷面選擇和分布

水質(zhì)分析空間范圍為庫區(qū)干流，從庫尾至庫首共選取寸灘(重慶城區(qū)下游)、清溪場(涪陵城區(qū)下游)、沱口(萬州城區(qū)上游)、官渡口(巴東城區(qū)上游)、太平溪(壩上)五個斷面(圖1)進行監(jiān)測.

1.3 時段劃分

除去蓄水實施年份2003年、2006年和2008年，將不同的實際運行水位所對應(yīng)年份劃分為四個階段(表1)，第一、第二、第三和第四階段分別代表蓄水前、135 m水位運行期、156 m水位運行期和172 m水位運行期.2009年秋季的蓄水，其最高水位沒有超過2008年最高蓄水位172.8 m.

表1 三峽水庫不同水位運行代表時段Tab.1 Phases corresponding to different water levels of the Three Gorges Reservoir

另外，本文中，年度內(nèi)長江豐水期指6-9月，平水期指4、5、10、11月，枯水期指1-3、12月.

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理.

2 結(jié)果

2.1 同一斷面蓄水前后濃度比較

2003年135 m蓄水后至2009年，近壩段水域懸浮物濃度和總磷濃度顯著下降.對每個斷面總磷濃度及對其有重要影響的懸浮物濃度［11］蓄水前后的差別進行顯著性檢驗(表2)，可見官渡口斷面和太平溪斷面總磷濃度蓄水前后具有顯著差別，而且蓄水后濃度減小，太平溪斷面P值小于官渡口斷面，說明太平溪斷面蓄水后總磷濃度下降幅度大于官渡口斷面.懸浮物濃度也具有類似特點.蓄水后，萬州沱口斷面、巴東官渡口斷面、壩上太平溪斷面懸浮物濃度比蓄水前顯著降低.

表2 蓄水前后水質(zhì)參數(shù)濃度差別的顯著性檢驗*Tab.2 Significance test to differences between concentrations before and after impoundment

如果將1998-2002年的濃度值作為背景值，則135 m蓄水后的2004-2005年，巴東官渡口和壩上太平溪斷面總磷濃度分別下降了約19.9%和59.6%，而隨著蓄水位的繼續(xù)升高，官渡口斷面總磷濃度繼續(xù)下降，實現(xiàn)172 m蓄水位后的2009年，官渡口斷面和太平溪斷面總磷濃度比135 m蓄水前減小的比例分別為42.8%和54.9%(圖2a).從萬州沱口至大壩的干流水域懸浮物濃度大幅下降，而且離大壩越近，下降幅度越大，萬州沱口、巴東官渡口、壩上太平溪斷面懸浮物濃度分別下降了約32.9%、70.9%、85.9%，而隨著蓄水位的繼續(xù)升高，三個斷面懸浮物濃度變化不大，實現(xiàn)172 m蓄水位后的2009年，三個斷面懸浮物濃度比135 m蓄水前減小的比例分別為 43.3%、77.3%、90.4%(圖 2b).

圖2 庫區(qū)干流渾樣總磷濃度(a)和懸浮物濃度(b)四個階段變化情況Fig.2 TP(a)and suspended solids(b)concentrations of initial samples of Yangtze River within the Three Gorges Reservoir in four phases

2.2 年內(nèi)濃度隨水期的變化特點

蓄水后2004-2009年間各年度水期特征基本一致，用2009年情況為代表，無論是蓄水前，還是蓄水后，都表現(xiàn)出總磷濃度豐水期＞平水期＞枯水期(圖3a，b)，但蓄水后呈現(xiàn)出新的特點，一是越近庫首，豐水期和其它水期之間的總磷濃度差別越小，二是蓄水后平水期和枯水期之間的總磷濃度差別變小，尤其是近大壩水域.懸浮物濃度水期特征與總磷具有高度相似性(圖3c，d).

圖3 庫區(qū)干流渾樣總磷和懸浮物濃度在蓄水前(1998-2002年)(a，c)和蓄水后(以2009年為代表)(b，d)的水期特征Fig.3 TP and SS concentrations of initial samples in different periods before impoundment(1998-2002)(a，c)and after impoundment(2009 regarded as a representative year)(b，d)

2.3 濃度沿程變化特點

135 m蓄水后直到2009年，總磷濃度表現(xiàn)為從庫尾至庫首沿程明顯降低(圖2a)，2004-2005年135 m水位運行期，從清溪場斷面至太平溪斷面，總磷濃度由0.298 mg/L下降為0.103 mg/L，下降幅度為65.4%;2007年156 m水位運行期，從清溪場斷面至太平溪斷面，總磷濃度由0.250 mg/L下降為0.093 mg/L，下降幅度為62.8%;2009年172 m水位運行期，從清溪場斷面至太平溪斷面，總磷濃度由0.295 mg/L下降為0.115 mg/L，下降幅度為61.0%.這種結(jié)果與懸浮物的沿程變化(圖2b)也具有很高的相似性.從清溪場斷面至太平溪斷面，2004-2005年135 m水位運行期，懸浮物濃度下降幅度約為84.3%;2007年156 m水位運行期，下降幅度為68.5%;2009年172 m水位運行期，下降幅度為87.3%.蓄水后，總磷和懸浮物濃度的沿程下降都以豐水期最為突出(圖3b，d).在135 m蓄水前，總磷和懸浮物濃度沒有表現(xiàn)出如此程度的沿程下降特點(圖2).

3 討論

地表水體中磷主要以顆粒態(tài)存在［11-15］，河流水體中的總磷含量與懸浮物濃度密切相關(guān);對三峽庫區(qū)干流總磷賦存形態(tài)和懸浮物濃度的關(guān)系研究結(jié)果［11］表明:懸浮物大于500 mg/L時，80%以上的磷以顆粒態(tài)存在.蓄水后，庫區(qū)干流水位、流速等水文特征變化巨大，壩上水位蓄水前一般為60-90 m，2009年為145-171 m;巴東官渡口水域流速由蓄水前的1.0-5.3 m/s下降至蓄水后的0.1-0.9 m/s.流速減緩導致泥沙大量沉積.據(jù)《中國河流泥沙公報》，2001-2002年，大壩下游的宜昌站年均輸沙量為2.635×108t/a;2008-2009年，宜昌站年均輸沙量為0.336×108t/a，比2001-2002年下降約87.2%.而135 m蓄水目標實現(xiàn)后至2009年，萬州沱口斷面懸浮物比蓄水前下降約33%-43%;巴東官渡口斷面下降約65%-77%;近壩的太平溪斷面下降約81%-90%.河流泥沙公報上所提供的蓄水后輸沙量減小比例和本文計算所得懸浮物濃度下降比例可互相印證計算的可靠性.

泥沙淤積導致大量的磷發(fā)生沉降.三峽水庫總磷濃度的影響因素主要包括泥沙沉降程度和磷入庫量等.蓄水后作為入庫斷面的寸灘江段磷濃度比蓄水前并未減小(圖2a)，而且該斷面年徑流量(中國河流泥沙公報)蓄水前后也未有明顯變化，如1991-2000年間年徑流量為3361×108m3/a，2004-2009年間年徑流量為3243×108m3/a，僅相差約3.5%.由此可知，蓄水后泥沙沉降是總磷濃度下降的主要原因.圖3b和圖3d所表現(xiàn)的豐水期懸浮物和總磷沿程下降的相似性也可以說明這一點.

4 結(jié)論

(1)三峽水庫蓄水后，近壩水體泥沙沉降作用顯著.同蓄水前相比萬州沱口附近水域懸浮物濃度下降約33%-43%;巴東官渡口附近水域下降約65%-77%;太平溪斷面代表的壩上水域下降約81%-90%.越近大壩，泥沙沉降作用越顯著;

(2)泥沙沉降作用導致蓄水后水庫近壩水域總磷濃度顯著降低，至2009年，巴東官渡口斷面和壩上太平溪斷面總磷濃度比蓄水前分別下降了42.8%和54.9%;

(3)蓄水后年內(nèi)總磷濃度仍然是豐水期＞平、枯水期，但越近大壩，這種水期差別越小;

(4)蓄水后，庫區(qū)干流總磷濃度整體上表現(xiàn)為從庫尾至庫首沿程下降，從涪陵下游的清溪場斷面至壩上太平溪斷面，總磷濃度下降幅度約61%-65%.

致謝:感謝長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心王英才博士為本文提出的建議，同時也感謝審稿人給予的寶貴意見.

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Comparison of total phosphorus concentration of Yangtze River within the Three Gorges Reservoir before and after impoundment

LOU Baofeng1，YIN Shiyong1，MU Hongqiang2＆ ZHANG Xiang3
(1:Yangtze Valley Water Environmental Monitoring Center，Wuhan 430010，P.R.China)
(2:Yangtze Valley Water Resource Protection Bureau，Wuhan 430010，P.R.China)
(3:State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，P.R.China)

In order to study the impact of the Three Gorges Project on concentration of total phosphorus(TP)，TP concentration of five sections in Yangtze River within the Three Gorges Reservoir was monitored monthly between 1998 and 2009(impoundment began in 2003).Results showed that there have appeared new characteristics in spatial and temporal distribution of TP concentration after impoundment.TP concentration of water column near the dam decreased significantly comparing with that before impoundment.For example，the average TP concentration of Guandukou section and Taipingxi section in 2009 decreased by 42.8%and 54.9%than that before impoundment，respectively.TP concentration in wet season was still higher than that in even and dry seasons.Nearer the dam，smaller difference was observed between values in different seasons.After impoundment TP concentration declined from the tail to the head of the reservoir，and it decreased by 61%-65%from Qingxichang section(in the downstream of Fuling)to Taipingxi section(near the dam).The decrease was prominent especially in wet season.The reason for changes of TP concentration mentioned above was mainly due to sedimentation of sand in the reservoir，which resulted from water level increased and the velocity decreased.

Hydropower project;Three Gorges Reservoir;total phosphorus;impoundment

* 水利部公益性行業(yè)科研專項項目(200901013)、國家自然科學基金項目(71073115)和國家重大水專項項目(2009ZX07104-001)聯(lián)合資助.2010-11-30收稿;2011-05-06收修改稿.婁保鋒，男，1968年生，博士，高級工程師;E-mail:lbfsdlc@126.com.