三峽水庫運(yùn)行對近壩區(qū)水質(zhì)時(shí)空變化的影響分析

黃宇波，潘婷婷，楊霞，范向軍，郭棉明

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司 流域樞紐運(yùn)行管理中心,湖北 宜昌 443133;2.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051)

水質(zhì)是水環(huán)境的重要組成部分，由于人類活動(dòng)強(qiáng)度增大和自然環(huán)境變化，河流、湖泊、水庫等水體水質(zhì)受到一定威脅.水質(zhì)惡化會損害水生生態(tài)系統(tǒng)健康，例如造成水生生物多樣性下降、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題.分析探討水質(zhì)變化的特征和驅(qū)動(dòng)力，對于水資源的合理開發(fā)具有重要實(shí)踐意義.土地利用變化[1-3]、污染排放[4]和水利工程建設(shè)對河流水質(zhì)均會帶來一定影響.如楊琴等[5]研究表明旱地與城鎮(zhèn)用地是造成淮河流域(河南段)水污染的主要原因[5].白洋淀水質(zhì)綜合污染指數(shù)7月最高，2月最低，污染指數(shù)排序由大到小為夏季,秋季,春季,冬季[6];閩江流域4至12月水質(zhì)較好，上游污染物以農(nóng)業(yè)面源污染為主，下游污染源主要為工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)和禽畜養(yǎng)殖污水[7].水利工程包括用于防洪發(fā)電的攔河筑壩，用于灌溉飲水修建的水庫或調(diào)水工程，以及水土保持、灘涂治理等工程.水利工程會改變水質(zhì)狀況，例如河流筑壩會滯留營養(yǎng)物質(zhì)[8]，降低水環(huán)境容量和水體自凈能力.同時(shí)，水庫存在深層缺氧、水溫偏低等問題[9].王昱等[10]研究發(fā)現(xiàn)外源污染源是導(dǎo)致甘肅黑河水質(zhì)變差的主要因素，梯級筑壩則是導(dǎo)致水質(zhì)變差的間接因素[10].

三峽工程在防洪、發(fā)電、航運(yùn)和水資源利用等方面發(fā)揮著巨大作用，三峽水庫運(yùn)行對水質(zhì)的影響也受到專家學(xué)者的較多關(guān)注.三峽水庫蓄水后，壩上呈河道型水庫特征，壩下為自然河流形態(tài)，受水庫運(yùn)行影響，水庫中物質(zhì)的遷移擴(kuò)散減弱，導(dǎo)致污染物蓄積[11].同時(shí)，流速減緩容易誘發(fā)庫灣水華等環(huán)境問題[12].王麗婧等[13]總結(jié)了三峽水庫運(yùn)行后水動(dòng)力改變對支流回水區(qū)水華暴發(fā)的“脅迫效益”，以及水動(dòng)力改變對同等負(fù)荷條件下水體危害的“迭加效應(yīng)”.目前對于三峽大壩上、下游水質(zhì)特征及其與調(diào)度的關(guān)系有一定研究[14-15]，而針對敏感水域如近壩區(qū)的水質(zhì)狀況研究較少，水質(zhì)參數(shù)在長時(shí)間尺度上對水庫調(diào)度的響應(yīng)還不夠清楚.為闡明三峽水庫運(yùn)行對近壩區(qū)水質(zhì)特征的影響，本研究通過分析2015-2019年近壩區(qū)主要水質(zhì)參數(shù)，探究近壩區(qū)水體水質(zhì)在不同調(diào)度時(shí)期的分布特征和變化趨勢，以期為水庫水資源管理和保護(hù)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

三峽樞紐區(qū)位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)，東至樂天溪大橋，西至秭歸縣城，南到雞公嶺，北到樂天溪鎮(zhèn)八河口村，總面積約12.8 km2，轄區(qū)內(nèi)污染源來自水電生產(chǎn)、生活、旅游、航運(yùn)等社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng).三峽樞紐區(qū)近壩區(qū)水域是重要的飲用水水源地，為三峽壩區(qū)及秭歸縣提供生活用水.本研究在三峽大壩的壩前和壩下水域進(jìn)行水質(zhì)樣品采集，上下游縱向距離為10 km，其中壩前水域設(shè)有上游太平溪(S1)、上引航道(S2)和副壩(S3)3個(gè)斷面，壩下設(shè)有下引航道(S4)和樂天溪斷面(S5)2個(gè)斷面(樣點(diǎn)布設(shè)見圖1).

干流及近岸監(jiān)測包括干流太平溪與樂天溪兩個(gè)斷面，每個(gè)斷面在左岸、中泓、右岸布設(shè)3條采樣垂線，以及左岸上引航道和下引航道、右岸副壩的3個(gè)測點(diǎn).采樣頻次為每月1次，采樣方法參照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL219-2013).水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧采用便攜式水質(zhì)分析儀HQ40d(美國)現(xiàn)場測定，其余指標(biāo)測定參照《水和廢水監(jiān)測方法》[16].水質(zhì)數(shù)據(jù)主要為三峽集團(tuán)流域管理中心組織開展的《三峽樞紐區(qū)生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測》，水位、流量數(shù)據(jù)摘自中國長江三峽集團(tuán)有限公司水情信息.

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

將樣點(diǎn)以三峽大壩為界劃分為壩上(S1-S3)和壩下(S4-S5).根據(jù)水庫全年調(diào)度運(yùn)行規(guī)律劃分為4期，第1期為消落期(1至5月)，第2期為低水位時(shí)期(6至8月)，第3期為蓄水期(9至10月)，第4期為高水位時(shí)期(11至12月).采用方差分析比較水質(zhì)參數(shù)在不同運(yùn)行期的差異，采用Spearman相關(guān)分析檢驗(yàn)2015-2019年入庫流量(Q1)、出庫流量(Q2)、庫區(qū)水位與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，采用主成分分析近壩區(qū)不同運(yùn)行時(shí)期水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子；方差分析和相關(guān)分析用SPSS 19 完成，PCA分析及作圖在R軟件中用FactoMineR包完成.所有的檢驗(yàn)以P<0.05作為顯著水平.

2 結(jié) 果

2.1 三峽水庫出、入庫流量與庫區(qū)水位特征

三峽水庫庫區(qū)水位及出、入庫流量逐月變化過程如圖2所示，三峽水庫隨季節(jié)進(jìn)行水位調(diào)控，消落期水位開始下降；低水位時(shí)期平均入庫流量達(dá)到全年峰值，為21 674.53 m3/s，平均水位降至最低148.34 m；蓄水期，水位逐漸上升；到高水位維持在175 m左右，平均入庫流量由18 677.8 m3/s降至8 169.4 m3/s，平均出庫流量由15 049.3 m3/s降至8 360.2 m3/s.

2.2 水質(zhì)變化特征

近壩區(qū)水體水質(zhì)在不同運(yùn)行期的均值見表1.研究區(qū)域整體為弱堿性，近壩區(qū)水質(zhì)評價(jià)執(zhí)行國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)(TN，F(xiàn)C不參評)，近壩水域全年均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中1，4期為Ⅱ類，2，3期由于TP質(zhì)量濃度上升，達(dá)到Ⅲ類.近壩水域水質(zhì)參數(shù)空間差異不顯著.

分析壩上水域水質(zhì)可知，pH值在第4期顯著高于1～3期(P<0.05)，DO在1，4期顯著高于2，3期(P<0.05).COD在2，3期顯著高于1期，低于4期(P<0.05).TN,FC在2期高于其他時(shí)期，NH3-N 4期最高，BOD5，TP在各運(yùn)行期無顯著差異.

分析壩下水域水質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，pH，DO在1，4期的值高于2，3期，其中pH值1，4期顯著大于2，3期(P<0.05)，1，4期之間無差異；DO質(zhì)量濃度1期顯著大于4期，也顯著大于2，3期(P<0.05).2期BOD5，COD，TP，TN，F(xiàn)C高于其他運(yùn)行期.

表1 2015-2019年三峽近壩區(qū)不同運(yùn)行期各水質(zhì)參數(shù)均值

2.3 水質(zhì)長期變化趨勢

為探究水庫運(yùn)行后庫區(qū)水質(zhì)的長期變化趨勢，應(yīng)用Mann-Kendall'test分別對壩上、壩下以及所有樣點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)變化趨勢進(jìn)行分析(見表2)，結(jié)果表明,壩上TN，TP，F(xiàn)C濃度呈逐年顯著降低趨勢；與2015年相比，壩下NH3-N有一定升高，TP，TN質(zhì)量濃度顯著降低.對所有樣點(diǎn)的參數(shù)趨勢分析顯示，DO，pH，NH3-N呈逐年顯著升高趨勢，而TP，TN，F(xiàn)C濃度顯著降低，其他水質(zhì)參數(shù)無明顯變化.研究表明近年來長江流域Ⅰ至Ⅲ類水質(zhì)斷面比例上升7.2個(gè)百分點(diǎn)，說明三峽近壩區(qū)水域水質(zhì)逐步改善,與長江流域水質(zhì)整體好轉(zhuǎn)的趨勢一致[17].TN，TP，F(xiàn)C濃度持續(xù)降低說明近年來長江保護(hù)工作取得一定成效，通過采取水土保持、污染物總量控制、污水治理等措施，有效改善了水質(zhì)[18].

表2 各水質(zhì)參數(shù)的Mann-Kendall'test的Z得分

2.4 相關(guān)性分析

水質(zhì)參數(shù)與Q1,Q2和庫區(qū)水位進(jìn)行Spearman相關(guān)分析可知(表3)，近壩區(qū)DO，pH與Q1,Q2顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與庫區(qū)水位正相關(guān)(P<0.01).COD，F(xiàn)C，NH3-N與Q1,Q2顯著正相關(guān)(P<0.05)，與水位顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05).TP，TN均與庫區(qū)水位顯著負(fù)相關(guān)，TN僅與Q2正相關(guān)，而TP與Q1,Q2無顯著相關(guān)關(guān)系.BOD5在壩上水域與Q1,Q2無顯著關(guān)系，但在壩下水域與Q1,Q2顯著正相關(guān)(P<0.05).

表3 水質(zhì)參數(shù)與入庫流量、出庫流量、庫區(qū)水位相關(guān)性系數(shù)

對壩上水域水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行主成分分析(圖3)，結(jié)果表明，前2個(gè)主成分(Dim1和Dim2)解釋了75.30%的變量變化，第一主成分中DO，Q1，Q2得分系數(shù)較高，反映了短期水文變化引起的水質(zhì)參數(shù)(DO)的變化(表4).第二主成分中COD，BOD5，NH3-N得分系數(shù)較高，反映了有機(jī)污染物對水質(zhì)的影響.第三主成分中TP，TN，F(xiàn)C，庫區(qū)水位(water level,WL)得分系數(shù)高，反映了水位變化對水質(zhì)參數(shù)的影響.將所有樣本按照不同運(yùn)行期分組，環(huán)境參數(shù)在組內(nèi)箭頭長短表示影響的大小.分析結(jié)果表明，1期和4期水質(zhì)的主要影響參數(shù)為DO，2期和3期水質(zhì)的主要影響參數(shù)為TP，TN和FC.

表4 三峽大壩壩上水域主成分得分系數(shù)表

壩下水域水質(zhì)參數(shù)主成分分析表明(圖4)，前2個(gè)主成分(Dim1和Dim2)解釋了70.70%的變量變化，第一主成分中，DO，COD，F(xiàn)C，Q1得分系數(shù)高，反映了短期水文變化引起的水質(zhì)參數(shù)變化；第二主成分中，TP，TN，庫區(qū)水位(WL)得分系數(shù)較高，反映了水位對營養(yǎng)鹽的影響；第三主成分中， BOD5，NH3-N，Q2得分系數(shù)高，反映了Q2對區(qū)域污染因子的影響(表5).1，4期水質(zhì)的主要影響參數(shù)為DO，2期水質(zhì)的主要影響參數(shù)為COD，NH3-N，F(xiàn)C，TN，3期水質(zhì)的影響參數(shù)在2期的基礎(chǔ)上增加BOD5和TP(圖4).

表5 三峽大壩壩下水域主成分得分系數(shù)表

3 討 論

三峽水庫運(yùn)行對近壩區(qū)水質(zhì)的影響既有水庫調(diào)度與季節(jié)的交互效應(yīng)，也有水文情勢改變后對部分物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的影響.

按照GB 3838—2002水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，年內(nèi)高水位時(shí)期(4期)和消落期(1期)水質(zhì)為Ⅱ類，低水位期(2期)TP質(zhì)量濃度上升，水質(zhì)出現(xiàn)Ⅲ類.DO在高水位和消落期高于其他時(shí)期，壩上TN，F(xiàn)C在低水位期高于其他時(shí)期;壩下COD，BOD5，TP，TN，F(xiàn)C在低水位期最高(表1).由此可見，部分污染物濃度在低水位期增大.

壩上與壩下水質(zhì)在不同調(diào)度運(yùn)行階段的影響參數(shù)不同.壩上主成分分析表明，高水位期(11至12月)和消落期(1至5月)影響水質(zhì)的主要參數(shù)為DO，低水位(6至8月)和蓄水期(9至10月)主要為TP，F(xiàn)C(圖3).DO與Q1,Q2在第一主成分中得分系數(shù)高(表4)，反映了流量變化影響水體產(chǎn)氧與好氧過程.高水位時(shí)期，流量較小，近壩區(qū)藻類生長，有利于產(chǎn)氧，DO含量升高，而隨著消落期流量逐漸增大，水體濁度增大，近壩區(qū)干流藻類生長受抑制.由于壩上COD，NH3-N，F(xiàn)C與Q1顯著正相關(guān)(表3)，說明流量增加使得水體中陸源輸入的污染物增加，導(dǎo)致耗氧過程增強(qiáng)，使DO降低.COD，NH3-N，BOD5在第二主成分中得分系數(shù)高，主要反映了水質(zhì)污染狀況.近壩COD，NH3-N，BOD5更多來源于城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活、船舶污染排放，近壩區(qū)在低水位時(shí)期漂浮物聚集，也會導(dǎo)致COD，NH3-N質(zhì)量濃度升高[19].研究表明NH3-N與BOD5在蓄水前后基本沒有變化[20]，說明外源污染是主因.TP，TN，F(xiàn)C和水位在第三主成分中得分系數(shù)高，反映了水位變化帶來的水體營養(yǎng)改變.當(dāng)三峽水庫處于高水位和消落期時(shí)，庫區(qū)蓄積的水量大，水庫對污染物的稀釋作用強(qiáng)，并且此時(shí)流量小，有利于TP，F(xiàn)C等顆粒態(tài)為主的營養(yǎng)物質(zhì)的沉降，導(dǎo)致TP，F(xiàn)C降低.在低水位時(shí)期和蓄水期，處于長江流域雨季，F(xiàn)C與Q1,Q2顯著正相關(guān)(表3)，說明此時(shí)水質(zhì)變化主要受降雨徑流沖刷的面源污染輸入影響.

壩下主成分分析表明，高水位期和消落期的主要影響參數(shù)為DO(圖4)，低水位運(yùn)行階段，水質(zhì)主要影響參數(shù)為NH3-N，COD和FC，壩下蓄水期的主要影響參數(shù)為BOD5，COD，TP，TN，NH3-N，F(xiàn)C.第一主成分中，DO，COD，F(xiàn)C和Q1的得分系數(shù)高(表5)，COD是反映受工農(nóng)業(yè)、生活有機(jī)污染物和還原性無機(jī)物質(zhì)污染程度的指標(biāo)[21-22]，F(xiàn)C則是生活排污指標(biāo)，說明壩下水質(zhì)與上游來流生產(chǎn)生活面源污染物輸入有關(guān).第三主成分中， BOD5，NH3-N和Q2得分系數(shù)高(表5)，說明BOD5和NH3-N受Q2影響.研究表明，Q2在雨季時(shí)較大，會加劇壩下河流底部擾動(dòng)，促進(jìn)有機(jī)氮向NH3-N轉(zhuǎn)化進(jìn)入水體，是NH3-N升高的原因之一[23].除此以外，BOD5和NH3-N來自于生活排污和主要支流匯入(高家溪)，隨著近壩區(qū)城鎮(zhèn)生活和旅游人數(shù)增加以及翻壩航運(yùn)增長，壩下的BOD5和NH3-N增加.相關(guān)分析顯示，壩下BOD5和NH3-N與Q1，Q2顯著正相關(guān)(表3)，說明庫區(qū)匯集的面源污染物隨出庫進(jìn)入到壩下，進(jìn)一步升高了壩下BOD5和NH3-N質(zhì)量濃度，導(dǎo)致近年來NH3-N質(zhì)量濃度顯著增加(表2)，因此，壩下水質(zhì)受外源污染與水庫運(yùn)行的交互影響.

分析表明，近壩水域TN和TP受水位影響顯著(表3)，且TN,TP質(zhì)量濃度近5年來顯著下降(表2).TN，TP呈降低趨勢，一方面得益于移民政策和水庫環(huán)境保護(hù)措施，使得三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)化肥施用量降低，城鎮(zhèn)污水處理廠增加，減少了TN，TP的負(fù)荷[24].另一方面是由于水庫運(yùn)行后，水位抬升，水庫的自凈能力有所增加.長江中上游梯級水庫的相繼運(yùn)行，有效減少了長江泥沙含量，顆粒污染物隨之降低.長江流域磷礦資源豐富，磷肥、磷石膏等企業(yè)多沿河而建，水體TP質(zhì)量濃度與面源污染有關(guān)，泥沙顆粒物對氮、磷有一定吸附作用[25]，水庫中顆粒物的沉降促進(jìn)了氮、磷等物質(zhì)的沉降，是近十年來TP含量下降的重要原因[26]，對COD等其他物質(zhì)降低也有一定作用[27].與淺水湖泊相比，深水水庫中營養(yǎng)物質(zhì)沉降后，進(jìn)入內(nèi)源循環(huán)過程比較緩慢，污染物以吸附為主，難以進(jìn)入上層水體，這是深水湖泊和水庫控制外源污染比淺水湖泊更有效的原因[28].因此，水庫運(yùn)行改變了水文情勢，隨之改變了TN，TP的遷移轉(zhuǎn)化過程，一定程度上促進(jìn)了TN，TP質(zhì)量濃度的下降.

4 結(jié) 論

(1)三峽水庫近壩區(qū)水質(zhì)空間差異不大，時(shí)間差異顯著.主成分分析顯示壩上水域水質(zhì)主要受季節(jié)因素影響，壩下水域水質(zhì)受水庫運(yùn)行與季節(jié)因素的交互影響.高水位和消落期水質(zhì)優(yōu)于低水位和蓄水期水質(zhì)，且高水位和消落期水質(zhì)主要影響參數(shù)為DO；壩上低水位和蓄水期影響水質(zhì)的主要參數(shù)為TP和FC，壩下低水位期影響水質(zhì)的主要參數(shù)為COD，NH3-N，F(xiàn)C，TN，蓄水期為TN，TP，BOD5，NH3-N，COD和FC.

(2)水庫運(yùn)行改變了水文情勢，一定程度上促進(jìn)了近壩水域TN，TP質(zhì)量濃度的下降，但是受旅游、航運(yùn)等人類活動(dòng)的影響，壩下NH3-N有升高趨勢.控制面源污染，提高近壩區(qū)域城鎮(zhèn)污水收集處理率，加大船舶污染治理，是改善近壩區(qū)水壩的重要措施.