2016—2019年長江流域水質(zhì)時空分布特征

陳善榮, 何立環(huán), 張鳳英, 馬廣文, 林蘭鈺

中國環(huán)境監(jiān)測總站, 北京 100012

長江流域橫跨我國東部、中部和西部三大經(jīng)濟區(qū)，共計19個省(自治區(qū)、直轄市)，是我國和亞洲第一大流域、世界第三大流域，流域總面積約180×104km2，約占我國國土面積的18.8%. 流域內(nèi)自然資源豐富，人口約占全國的1/3,生產(chǎn)總值超過全國的40%，在國家發(fā)展戰(zhàn)略上處于重要地位.

2016年1月5日，習(xí)近平總書記在推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展座談會上的重要講話中強調(diào)：“長江是中華民族的母親河，也是中華民族發(fā)展的重要支撐. 推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展必須從中華民族長遠利益考慮，走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路，使綠水青山產(chǎn)生巨大生態(tài)效益、經(jīng)濟效益、社會效益，使母親河永葆生機活力”. 同時指出“長江擁有獨特的生態(tài)系統(tǒng)，是我國重要的生態(tài)寶庫. 當(dāng)前和今后相當(dāng)長一個時期，要把修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護，不搞大開發(fā)”. 黨的十九大報告又將“以共抓大保護、不搞大開發(fā)為導(dǎo)向推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展”納入新時代實施區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容. 2018年4月26日，習(xí)近平總書記主持召開第二次長江經(jīng)濟帶發(fā)展座談會，再次強調(diào)“共抓大保護、不搞大開發(fā)，努力把長江經(jīng)濟帶建設(shè)成為生態(tài)更優(yōu)美、交通更順暢、經(jīng)濟更協(xié)調(diào)、市場更統(tǒng)一、機制更科學(xué)的黃金經(jīng)濟帶，探索出一條生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展新路子”.

在國家重大決策部署下，我國各級政府和部門相繼開展了長江流域生態(tài)環(huán)境保護工作，取得了積極進展. 2019年，長江經(jīng)濟帶11個省市“三線一單”成果開始實施，全面完成長江流域入河、入海排污口排查，長江經(jīng)濟帶95%的省級及以上工業(yè)園區(qū)建成污水處理設(shè)施并安裝在線監(jiān)測裝置，推進長江“三磷”專項排查整治.

很多學(xué)者對長江流域水環(huán)境進行了分析，例如，汪金成等[1]對長江干流水質(zhì)變化趨勢進行了分析;Griffiths等[2]對長江下游水質(zhì)變化進行了分析;也有學(xué)者[3-6]對長江流域三峽庫區(qū)、長江源區(qū)、江蘇省等部分區(qū)域水質(zhì)變化進行了分析;李茜等[7]對2005—2009年長江流域水質(zhì)污染特征進行了研究;同時,還有水質(zhì)分析方法[8-10]、水資源承載與利用[11-12]、污染傳輸[13-14]、生態(tài)環(huán)境保護需求和壓力[15-18]等方面的研究. 但對“十三五”以來長江流域的水質(zhì)變化尤其是從全流域的尺度進行時空分析的研究還非常少，因此，深入全面分析習(xí)近平總書記號召長江經(jīng)濟帶大保護以來，長江流域水質(zhì)改善狀況，科學(xué)評價判斷長江流域水質(zhì)時空分布特征，對于進一步提升長江流域水質(zhì)、保護長江流域生態(tài)環(huán)境具有重要意義.

該研究以2016—2019年長江流域615個可比斷面的21項地表水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果為樣本，開展全流域水質(zhì)時空變化特征、指標(biāo)濃度時序變化和污染物空間分布特征研究；分析長江流域近年來地表水水質(zhì)變遷特征，總結(jié)目前存在的主要環(huán)境問題，并提出針對性的對策建議，以期為科學(xué)認識長江流域水環(huán)境治理成效和制定未來的生態(tài)環(huán)境保護措施等提供借鑒.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù).

1.2 研究范圍

研究區(qū)域為長江流域江河水系，研究時段為2016—2019年. 2015年7月，國務(wù)院印發(fā)了《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》(國辦發(fā)〔2015〕56號)，明確了“十三五”期間國家地表水監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)置方案，將國控斷面由972個優(yōu)化調(diào)整至2 767個，2016年開始實施. 從數(shù)據(jù)連續(xù)性的角度考慮，該研究挑選《“十三五”國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)設(shè)置方案》(環(huán)監(jiān)測〔2016〕30號)確定的長江流域國控斷面，2016—2019年有615個可比斷面，全部為河流斷面. 其中，干流斷面71個，一級支流斷面280個，二級支流斷面191個，三級支流斷面63個，四級支流斷面6個，五級支流斷面1個，獨流入海斷面3個.

1.3 研究方法

1.3.1水質(zhì)評價方法

斷面水質(zhì)評價指標(biāo)為pH、DO、CODMn、BOD5、NH3-N、石油類、揮發(fā)酚、Hg、Pb、COD、TP、Cu、Zn、F-、Se、As、Cd、Cr6+、氰化物、陰離子表面活性劑和硫化物共21項，評價依據(jù)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》，評價結(jié)果分為Ⅰ類～劣Ⅴ類共6個類別. 采用單因子評價法，即根據(jù)評價時段內(nèi)該斷面參評的指標(biāo)中類別最高的一項來確定其水質(zhì)類別，若某評價指標(biāo)值超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準值，則該評價指標(biāo)超標(biāo).

斷面超標(biāo)率按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》的要求進行評價，計算公式：

k=n/N×100%

(1)

式中：k為斷面超標(biāo)率，%；n為某評價指標(biāo)超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準的斷面?zhèn)€數(shù)；N為斷面總數(shù)，個.

1.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

某項指標(biāo)某年的年均濃度為各斷面該項指標(biāo)該年年均濃度的算數(shù)平均值；某項指標(biāo)某幾年的年均濃度平均值為該項指標(biāo)各年年均濃度的算數(shù)平均值. 斷面所在區(qū)域、河流級別、上中下游等屬性參照《“十三五”國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)設(shè)置方案》(環(huán)監(jiān)測〔2016〕30號)建立的國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng). 除上中下游分析使用干流斷面外，其他分析均使用615個可比斷面.

2 結(jié)果與討論

2.1 長江流域水質(zhì)污染特征分析

分析顯示，2019年長江流域水質(zhì)為優(yōu). 615個可比斷面中，Ⅰ類占5.0%，Ⅱ類占65.9%，Ⅲ類占23.1%，Ⅳ類占4.7%，Ⅴ類占1.0%，劣Ⅴ類占0.3%. TP、NH3-N和COD是主要超標(biāo)指標(biāo)，三者斷面超標(biāo)率分別為2.8%、2.3%和2.3%.

2016—2019年，長江流域615個可比斷面水質(zhì)類別變化情況見圖1. 4年間長江流域總體水質(zhì)較好，且逐年好轉(zhuǎn)，由良好變?yōu)閮?yōu). 與2016年相比，2019年Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面比例上升7.2百分點，Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類分別下降2.1、2.3和2.8百分點. 長江是我國水資源量最豐富的河流，水資源總量約9 755×108m3，遠超我國其他流域，環(huán)境容量非常大[19]，其歷年水質(zhì)總體相對較好，但仍有部分斷面污染較重[7,20-21]. 2016年以來，國家提出“共抓大保護、不搞大開發(fā)”以及生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展等戰(zhàn)略思想，制定長江保護修復(fù)攻堅戰(zhàn)行動計劃，推進水污染治理、水生態(tài)修復(fù)、水資源保護“三水共治”，開展劣Ⅴ類水體整治、實施入河排污口排查整治、推進“綠盾”專項行動、啟動“三磷”排查整治、推動“清廢”專項行動、持續(xù)開展飲用水水源地專項行動、持續(xù)實施城市黑臭水體整治、開展省級及以上工業(yè)園區(qū)污水處理設(shè)施整治等一系列專項行動，流域內(nèi)污染水體水質(zhì)明顯改善，促進了長江流域總體水質(zhì)的進一步提升[22-23].

2016—2019年，長江流域地表水共有12項指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，斷面超標(biāo)率總體水平均較低(見表1). 除As和Hg分別有一個斷面在2017年和2019年超標(biāo)外，其他10項指標(biāo)的斷面超標(biāo)率均呈逐年下降趨勢. 其中，TP、NH3-N和COD斷面超標(biāo)率每年都位居前三位，是長江流域的主要超標(biāo)指標(biāo). 農(nóng)業(yè)源和生活源排放是水體NH3-N和COD污染的主要來源[24]，長江流域人口眾多，約占全國的1/3；是我國最主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，流域內(nèi)耕地占全國耕地總面積的1/4；也是我國畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要基地，尤其是長江中下游，養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)都很發(fā)達. 河流中TP主要來自工業(yè)點源(包括磷礦開采、磷化工、食品、制藥等行業(yè))、城鎮(zhèn)生活源、面源(畜禽養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)和農(nóng)村生活等)，長江流域磷礦資源豐富，圍繞磷礦開采的相應(yīng)磷化工產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達，磷礦開采和磷化工對所在小流域水環(huán)境產(chǎn)生顯著影響.

注： 水質(zhì)類別評價參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》.

圖1 2016—2019年長江流域水質(zhì)類別變化情況
Fig.1 Water quality categories of the Yangtze River Basin during 2016-2019

表1 2016—2019年長江流域超標(biāo)指標(biāo)斷面超標(biāo)率

2.2 主要超標(biāo)指標(biāo)濃度時序變化分析

2.2.1年際變化

圖2 2016—2019年長江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值變化Fig.2 Annual levels of TP, NH3-N and COD in the Yangtze River Basin during 2016-2019

2016—2019年，長江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)均呈逐年下降趨勢(見圖2). 與2016年相比，2019年長江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值分別下降了28.3%、35.0%和8.0%. 從斷面指標(biāo)變化情況看，4年間，對于ρ(NH3-N)年值，139個斷面上升，30個斷面持平，446個斷面下降；對于ρ(COD)年值，254個斷面上升，5個斷面持平，356個斷面下降；對于ρ(TP)年值，178個斷面上升，11個斷面持平，426個斷面下降. NH3-N和COD自2006年被納入總量控制指標(biāo)體系后，在以COD、NH3-N控制為導(dǎo)向的水污染防治政策體系下，管理部門采取了多項措施從源頭進行污染控制，NH3-N和COD治理效果顯著[25-26]. 2016年以來，長江流域逐步推進“共抓大保護、不搞大開發(fā)”，進一步加強水污染治理，各項污染物濃度持續(xù)下降，促進水質(zhì)不斷改善[22-23].

2.2.2月際變化

2016—2019年，長江流域主要超標(biāo)指標(biāo)月值變化情況如圖3所示.

圖3 2016—2019年長江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)月值變化Fig.3 Monthly levels of TP, NH3-N and COD in the Yangtze River Basin during 2016-2019

由圖3可見，2016—2019年長江流域ρ(TP)月值變化無明顯規(guī)律，總體差距不大. 長江流域磷礦資源豐富、磷肥企業(yè)集中，生產(chǎn)企業(yè)及配套磷石膏庫由于歷史布局多沿河而建，豐水期時，雨水將TP直接沖刷入河造成污染[27-28]，因此豐水期降水量增加并沒有使TP得到稀釋，減輕污染.ρ(TP)月值無明顯變化也說明長江流域TP污染呈面源污染特征.

2016—2019年長江流域ρ(NH3-N)月值變化規(guī)律較為明顯，1—3月數(shù)值較高、7—9月數(shù)值較低，呈明顯的峰谷變化. 從“十一五”開始，NH3-N被列為我國總量減排約束性指標(biāo)，各級政府和相關(guān)部門多措并舉減少NH3-N排放，加強城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設(shè)，污水處理廠提標(biāo)改造等，NH3-N污染得到進一步控制. 5—9月是長江流域豐水期，降水較多[29]，水體自凈能力上升，NH3-N被有效稀釋，ρ(NH3-N)相對較低；而12月—翌年3月是長江流域枯水期，降水較少，徑流量少，水體自凈能力差，ρ(NH3-N)相對較高. 這說明長江流域NH3-N污染負荷主要來自點源.

2016—2019年長江流域ρ(COD)月值表現(xiàn)為5—9月較高、11月—翌年2月較低，總體差距不大. 測定COD濃度時采用重鉻酸鉀做氧化劑，在進行氧化時沒有針對性，水體中所有能被氧化的物質(zhì)全部都作為COD被檢出[30]. 5—9月長江流域降水較多，將大量還原性物質(zhì)沖入流域中，因此ρ(COD)較高，降水較少的11月—翌年2月ρ(COD)較低. 這說明長江流域COD污染負荷主要來自面源.

2.3 主要超標(biāo)指標(biāo)空間分布

2.3.1全流域

2019年，長江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值分布情況如圖4所示. 結(jié)果顯示，有17個斷面ρ(TP)年值超標(biāo)，分布在6個省市，其中云南省和湖北省較多；14個斷面ρ(NH3-N)年值超標(biāo)，分布在8個省市，其中湖北省較多；14個斷面ρ(COD)年值超標(biāo)，分布在5個省，其中湖北省較多. 云南省和湖北省磷礦資源豐富，涉磷企業(yè)造成本地TP污染；同時湖北省大部分水質(zhì)監(jiān)測斷面位于長江流域中游，承接了大量上游來水，主要支流多河道曲折狹窄，水流緩慢，水體納污能力較差，造成湖北省TP、NH3-N和COD超標(biāo)斷面相對較多.

圖4 2019年長江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of TP, NH3-N and COD in the Yangtze River Basin in 2019

2.3.2不同級別河流

需要關(guān)注的是，四級、五級支流和獨流入海河流監(jiān)測斷面較少，監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏代表性和全面性，與其他級別河流進行整體分析時，其統(tǒng)計結(jié)果可能會有偏差，但仍能看出斷面污染程度較重. 為更好地反映長江流域地表水環(huán)境質(zhì)量，為生態(tài)環(huán)境保護提供更好的技術(shù)支撐，建議增加四級、五級支流和獨流入海河流監(jiān)測斷面數(shù)量.

2.3.3干流沿程變化

根據(jù)地理條件和水文特征差異，將長江干流劃分為上、中、下游三段，湖北宜昌以上為上游，湖北宜昌至江西湖口為中游，江西湖口以下為下游. 2016—2019年，長江干流ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值平均值沿程變化如圖5所示. 由圖5可見，ρ(TP)在長江干流上游上半段較低，之后迅速上升并維持高位，ρ(TP)較高的斷面主要集中在上游下半段、中游和下游；ρ(NH3-N)在長江干流上游上半段較低，之后小幅上升，ρ(NH3-N)較高的斷面主要集中在中游；ρ(COD)在長江干流上、中、下游變化不大，中游個別斷面稍高. 長江流域人口呈東密西疏的分布特點[31]，上游經(jīng)濟發(fā)展整體較為緩慢，中下游較發(fā)達[32]，加之中下游地區(qū)礦山企業(yè)眾多，發(fā)展規(guī)?；潭容^低，大量礦區(qū)鄰近長江干流、烏江及湘江流域[33]，使得長江干流上游水質(zhì)總體優(yōu)于中下游.

表2 2016—2019年長江流域各級河流中ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值

Table 2 Concentrations of TP, NH3-N and COD in different branches of the Yangtze River Basin during 2016-2019 mgL

表2 2016—2019年長江流域各級河流中ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值

項目ρ(TP)ρ(NH3-N)ρ(COD)P25P50P75PP25P50P75PP25P50P75P干流0.0720.0870.0990.0820.080.110.140.126.78.210.08.4一級支流0.0500.0770.1170.0950.140.220.360.327.810.413.511.2二級支流0.0380.0610.1100.0890.130.210.400.357.49.513.010.6三級支流0.0400.0650.1360.1000.150.230.460.428.412.716.412.9四級支流0.0350.0440.0800.1340.130.190.240.218.910.912.810.8五級支流0.1290.1380.1500.1410.530.580.600.5516.217.517.916.7獨流入海河流0.1490.1600.1670.1550.400.560.710.5514.617.619.517.2

圖5 2016—2019年長江干流ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值平均值沿程變化情況Fig.5 Annual levels of TP, NH3-N and COD along the main stream of the Yangtze River during 2016-2019

3 結(jié)論與建議

a) 2016—2019年，長江流域水質(zhì)總體較好，且呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢. 從各類水質(zhì)斷面比例來看，與2016年相比，2019年Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面比例上升7.2百分點，Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類分別下降2.1、2.3和2.8百分點；各項超標(biāo)指標(biāo)的斷面超標(biāo)率均呈逐年下降趨勢；從主要超標(biāo)指標(biāo)濃度來看，與2016年相比，2019年ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值均下降，尤其是ρ(TP)和ρ(NH3-N)，降幅分別達28.3%和35.0%，說明流域整體水質(zhì)進一步提升. 從政策背景上看，國家提出“共抓大保護、不搞大開發(fā)”，流域內(nèi)各省(自治區(qū)、直轄市)落實長江經(jīng)濟帶發(fā)展的方針政策和決策部署，積極采取各種措施，開展專項檢查、提升污水處理能力、取締“十小”企業(yè)、削減主要污染物排放量等，有效保護了流域內(nèi)水生態(tài)環(huán)境. 分析結(jié)果顯示，長江流域內(nèi)水質(zhì)改善成效非常顯著.

b) 2016—2019年，長江流域ρ(NH3-N)月值變化規(guī)律較為明顯，1—3月較高、7—9月較低，呈明顯的峰谷變化特征，說明ρ(NH3-N)在長江流域豐水期較低，枯水期較高；ρ(COD)月值在5—9月較高，11月—翌年2月較低，總體差距不大，說明豐水期將更多的還原性物質(zhì)沖入河流，造成COD污染加重；ρ(TP)月值變化無明顯規(guī)律，總體差距不大，說明豐水期時雨水將沿岸污染物沖刷入河造成污染. 分析結(jié)果顯示，2016—2019年，長江流域NH3-N污染負荷主要來自點源，TP和COD污染負荷主要來自面源. 建議進一步加強TP和COD面源污染管控，進一步提升NH3-N集中處理能力.

c) 從空間分布上來看，長江干流地表水污染斷面主要分布在長江中下游，尤以中游居多. 從長江流域地理和水文特征來看，長江上游主要流經(jīng)高原、高山、峽谷地帶，河床比降大，河流水量豐沛，水流湍急，水力資源豐富；中游流經(jīng)江漢平原，河道迂回曲折，江面寬展，河床比降銳減，水流遲緩，支流眾多；下游江闊水深，支流短小. 因此，中游水體自凈功能相對較差，是污染水平相對較高的原因之一；加之中下游人口多，農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)發(fā)達，生活源和農(nóng)業(yè)源排放也是地表水污染的主要原因.

d) 長江流域污染主要以TP、NH3-N和COD為主，2016—2019年每年斷面超標(biāo)率均排在前三位，其中，TP斷面超標(biāo)率一直居超標(biāo)指標(biāo)之首，是影響水質(zhì)的主要指標(biāo). 在不同級別河流中，ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)在干流均相對較低，隨著河流級別的降低呈上升趨勢. 但四級、五級支流和獨流入海河流監(jiān)測斷面布設(shè)數(shù)量較少，建議進一步加強四級、五級支流和獨流入海水質(zhì)監(jiān)測能力建設(shè)，更加科學(xué)全面地反映相關(guān)水體水質(zhì).

e) 雖然長江流域總體水質(zhì)好轉(zhuǎn)，但尚有個別斷面污染嚴重，水質(zhì)為劣Ⅴ類，個別斷面出現(xiàn)重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，部分斷面ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)呈上升趨勢，河流級別越低水質(zhì)相對越差. 長江流域內(nèi)主要超標(biāo)指標(biāo)、主要超標(biāo)區(qū)域均較為清晰，可列為污染治理的主要目標(biāo). 在長江經(jīng)濟帶大保護的發(fā)展戰(zhàn)略下，“十四五”必將提出更高的生態(tài)環(huán)境保護要求，長江流域的水質(zhì)改善壓力不容忽視.