丹江口水庫總磷時空分布特征及其影響因素

尹 煒，王 超，王 立，辛 小 康，柳 根

(1.長江水資源保護科學研究所，湖北 武漢 430051； 2.長江水利委員會 湖庫水源地面源污染生態(tài)調控重點實驗室，湖北 武漢 430051； 3.南水北調中線水源有限責任公司，湖北 丹江口 442700)

0 引 言

磷作為湖庫富營養(yǎng)化的主要限制因子，一直是流域水環(huán)境研究關注的重點。對長江流域40多個湖泊多年比較研究的結果表明，總磷濃度是限制浮游藻類生長的最重要因素[1]。加拿大和美國的科學家在安大略湖區(qū)開展的歷時37 a的野外試驗也表明，磷是控制藻華暴發(fā)的重要因子[2]。“十三五”期間，總磷已經(jīng)成為影響長江中游湖泊水質類別的主要因子，也是湖泊富營養(yǎng)化的最主要驅動力[3-5]，控磷對于湖庫水質安全具有十分重要的意義。

丹江口水庫是南水北調中線工程水源地，水質保護十分重要。2014年中線工程運行通水以來，丹江口水質總體良好，但在磷污染方面也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些問題。如丹江口水庫部分城鎮(zhèn)型入庫河流磷濃度較高[6]，水庫消落區(qū)具有一定的磷釋放風險[7-8]等。另外，庫周小流域的磷輸出受農業(yè)面源影響較大[9]，庫區(qū)水土流失對總磷輸出也會產(chǎn)生影響[10]。為進一步認識丹江口水庫總磷的分布特征，本研究系統(tǒng)整理了丹江口水庫多年來總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析總磷變化規(guī)律和影響因素，為水庫總磷污染防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

丹江口水庫水域面積約1 050 km2，分為漢庫(湖北省境內部分)和丹庫(河南省境內部分)。水庫庫周分布有16條主要入庫河流，其中漢庫入庫河流包括漢江、天河、堵河、神定河、犟河、泗河、官山河、劍河、浪河、將軍河、曲遠河、淘溝河等12條，丹庫入庫河流包括丹江、淇河、滔河、老灌河等4條(見圖1)。水量較大的入庫河流有漢江、堵河、丹江、老灌河、滔河等，其中漢江來水占丹江口入庫流量的約70%，堵河來水占丹江口入庫流量的約20%(見表1)。

圖1 丹江口水庫水文水質監(jiān)測站點分布Fig.1 Distribution of hydrological and water quality monitoring stations of Danjiangkou Reservoir

表1 丹江口水庫主要入庫河流概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

基礎數(shù)據(jù)包括庫區(qū)內和入庫河流的逐月總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)。庫區(qū)內16個監(jiān)測斷面中壩上(龍王廟)、浪河口下、涼水河-臺子山、陶岔4個斷面總磷數(shù)據(jù)時段為2012～2022年，其余斷面數(shù)據(jù)時段為2021年。入庫河流監(jiān)測數(shù)據(jù)選取布設有國控斷面的13條河流，數(shù)據(jù)時段為2012～2021年。另外，漢江、堵河、丹江、老灌河、滔河等5條河布設有水質自動監(jiān)測站和水文站點，監(jiān)測頻次為逐日，數(shù)據(jù)時段為2018～2021年(見表2)。所有水質監(jiān)測斷面和水文站位置見圖1。

表2 數(shù)據(jù)來源和基本情況

1.3 分析方法

采用單因素方差法進行均值比較，斯皮爾曼秩次相關法檢驗總磷濃度的時間變化趨勢。斯皮爾曼秩次相關檢驗法的原理是檢驗序列的趨勢變化與其時間順序是否有關，若序列按某種趨勢排列的順序(秩)與時間順序(時序)越接近，則說明序列的趨勢變化越明顯[11]。在分析序列xt與時序t的相關關系時，xt用其秩次Rt(即把序列xt從小到大排列時xt所對應的序號)代表。t仍為時序(t=1，2，…，n)，秩次相關系數(shù)計算如式(1)所示：

(1)

式中：n為序列長度；dt=Rt-t。顯然，秩次Rt與時序t相近時dt越小，秩次相關系數(shù)越大，變化趨勢越顯著。以顯著性檢驗的p值作為判定標準，p≥0.05表示趨勢平穩(wěn)，p<0.05表示上升或下降趨勢顯著，p<0.01表示上升或下降趨勢極其顯著。統(tǒng)計檢驗過程在SPSS 19.0中實現(xiàn)。

對入庫總磷通量進行核算。漢江、堵河、丹江、老灌河、滔河采用逐日徑流量乘以對應的逐日總磷濃度后累加。徑流量數(shù)據(jù)來自白河、黃龍灘、磨峪灣、淅川、梅鋪5個水文站逐日流量監(jiān)測結果，總磷濃度數(shù)據(jù)來自羊尾、焦家院、淅川史家灣、淅川張營、王河電站5個水質自動監(jiān)測站逐日總磷濃度監(jiān)測結果。神定河、泗河、官山河、劍河、浪河、淇河、犟河、天河無水文站，因此采用年徑流總量乘以年總磷平均濃度。年徑流總量由多年平均流量計算，總磷平均濃度采用各國控斷面逐月監(jiān)測平均值。漢庫入庫通量為漢江、堵河、神定河、泗河、官山河、劍河、浪河、犟河、天河等9條河流總磷通量之和；丹庫入庫通量為丹江、老灌河、滔河、淇河等4條河流總磷通量之和。

2 結果分析

2.1 庫區(qū)內總磷濃度多年變化趨勢

從壩上(龍王廟)、浪河口下、涼水河-臺子山、陶岔等4個監(jiān)測斷面2012～2022年逐月總磷濃度變化可以看到，庫區(qū)內總磷濃度總體穩(wěn)定(p>0.05)，基本保持或優(yōu)于Ⅱ類，僅2021年出現(xiàn)升高(見圖2)。各斷面2021年以前總磷濃度基本穩(wěn)定在0.005～0.020 mg/L(Ⅰ～Ⅱ類)，個別時段超過0.025 mg/L(Ⅲ類)。除陶岔斷面外，其他斷面2021年9月開始出現(xiàn)上升，10月份左右達到峰值，2022年回落到0.025 mg/L以下。其中壩上(龍王廟)斷面總磷最高達到0.100 mg/L，2022年4月回落至0.012 mg/L；浪河口下斷面總磷最高達到0.090 mg/L，2022年5月回落至0.015 mg/L；涼水河-臺子山斷面總磷最高達到0.070 mg/L，2022年1月回落至0.020 mg/L。

圖2 丹江口水庫庫區(qū)內主要監(jiān)測斷面2012～2022年總磷逐月變化趨勢Fig.2 The monthly change trend of total phosphorus at main monitoring sections in Danjiangkou Reservoir from 2012 to 2022

2.2 入庫河流總磷濃度多年變化趨勢

入庫河流總磷變化趨勢可分為總體穩(wěn)定和總體下降兩類(見圖3)。2012～2021年，漢江、堵河、丹江、滔河、淇河等5條入庫河流總磷濃度總體穩(wěn)定(p>0.05)。漢江干流和丹江入庫總磷多年平均濃度分別為0.039 mg/L和0.042 mg/L，2021年入庫總磷平均濃度為0.071 mg/L和0.059 mg/L，顯著高于多年平均水平(p<0.05)。堵河、滔河、淇河入庫總磷多年平均濃度分別為0.050，0.021 mg/L和0.026 mg/L，其中堵河在2014年出現(xiàn)較大峰值，滔河、淇河未出現(xiàn)顯著波動。

圖3 丹江口水庫主要入庫河流近10 a入庫總磷濃度變化趨勢Fig.3 The change trend of the total phosphorus concentration in the main inflow rivers of Danjiangkou Reservoir in the past 10 years

2012～2021年，神定河、泗河、犟河、劍河、官山河、浪河、老灌河、天河等8條河流總磷濃度總體下降(p<0.05)。神定河、泗河、犟河、劍河、浪河呈現(xiàn)出先下降后趨穩(wěn)的特征，如神定河入庫總磷濃度2012～2016年平均0.680 mg/L，呈下降趨勢(p<0.01)；2017～2021年平均0.291 mg/L，變化趨勢平穩(wěn)(p>0.05)。官山河、天河分階段平穩(wěn)，如天河入庫總磷濃度2012～2016年平均0.122 mg/L，趨勢平穩(wěn)(p>0.05)；2017～2021年平均0.072 mg/L，趨勢平穩(wěn)(p>0.05)。老灌河2012～2016年總磷濃度平均為0.167 mg/L，呈上升趨勢(p<0.05)；2017～2021年總磷濃度平均為0.046 mg/L，呈下降趨勢(p<0.01)。

2.3 2021年總磷濃度時空分布特征

以總磷濃度較高的2021年為對象分析總磷濃度年內時空分布特征(見圖4)。庫區(qū)內總磷1～6月基本穩(wěn)定在0.025 mg/L(Ⅱ類上限)以下，秋季上升趨勢顯著。漢庫各監(jiān)測斷面中，總磷濃度7月份開始上升，9～10月達到峰值，且上游斷面峰值時間早于下游斷面。如孤山樞紐下、柳陂鎮(zhèn)山跟、青山-安陽等斷面總磷濃度9月份上升至0.170，0.190，0.140 mg/L，達到或接近峰值濃度；漢庫中心(楊溪鋪)、遠河河口、肖川-龍口、壩上(龍王廟)等斷面總磷濃度峰值均在10月份出現(xiàn)。丹庫各監(jiān)測斷面中，陶岔斷面總體平穩(wěn)，其他斷面總磷濃度9月開始上升，10～11月達到峰值。其中涼水河-臺子山、香花鎮(zhèn)張寨、清泉溝、倉房鎮(zhèn)趙溝等斷面總磷濃度峰值為0.070 mg/L，白渡灘斷面總磷濃度峰值為0.120 mg/L，均出現(xiàn)在10月；丹庫中心斷面11月份達到總磷濃度峰值0.080 mg/L。

圖4 2021年丹江口水庫庫內監(jiān)測斷面和入庫河流監(jiān)測斷面總磷濃度月度變化Fig.4 Monthly change of total phosphorus concentration at monitoring sections in the reservoir and rivers entering Danjiangkou Reservoir in 2021

入庫河流1～6月總磷濃度相對平穩(wěn)，7～10月上升并達到峰值，11月開始回落。其中流量最大的漢江、堵河入庫總磷濃度峰值分別為0.176 mg/L和0.071 mg/L，均出現(xiàn)在10月份；丹江、淇河、滔河、老灌河總磷濃度峰值分別為0.177，0.054，0.041 mg/L和0.029 mg/L，均在9月份出現(xiàn)。總體上，入庫河流總磷濃度變化與庫區(qū)內斷面基本同步，特別是流量貢獻最大的漢江干流總磷變化過程與庫區(qū)內斷面總磷變化過程基本一致。

3 討 論

近10 a來，丹江口水庫入庫河流總磷濃度穩(wěn)中有降，這與庫區(qū)及上游大力開展的治理保護工作密切相關。13條入庫河流中，神定河、泗河、犟河、劍河、老灌河等穿越大型城鎮(zhèn)，污染較重?！笆晃濉?2006～2010)和“十二五”(2011～2015)期間，國務院先后批復實施了兩期丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持規(guī)劃，投入數(shù)百億元開展工業(yè)點源治理、城鎮(zhèn)污水廠新建擴建、河道內源污染治理等[12-13]，對總磷污染負荷起到較好的削減作用，神定河、泗河、犟河、劍河等河流的總磷濃度在2012～2016年都出現(xiàn)了顯著的下降。但老灌河在這一時期反而出現(xiàn)總磷上升的現(xiàn)象，原因可能是污水收集管網(wǎng)建設滯后、環(huán)境基礎設施規(guī)模不足[13]。漢江干流、堵河、丹江等入庫河流總磷濃度受農業(yè)面源和水土流失影響較大[14]。針對這些問題，庫區(qū)及上游在農業(yè)面源污染防治、農村環(huán)境整治、水土流失治理、生態(tài)清潔小流域建設等方面也開展了大量工作[15]，對入庫河流總磷濃度的下降和穩(wěn)定起到重要作用。

相對于入庫河流，庫區(qū)內總磷濃度更低且更加穩(wěn)定，這說明丹江口水庫具有很強的緩沖和凈化作用。磷具有較強的吸附性[16]，河流攜帶磷進入水庫后，流速減緩，總磷濃度通過沉降作用得以降低[17]。然而2021年庫區(qū)內總磷濃度顯著升高，可能是入庫河流總磷輸入量過大的原因。2021年，漢江上游發(fā)生超20 a一遇洪水，降雨量列1960年以來歷史同期第1位，汛期入庫水量較歷史同期偏多3倍多，入庫總磷通量大幅增加。根據(jù)通量核算結果(見圖5)，2021年入庫總磷通量為8 666 t，是2018年的7.2倍，2019年的3.2倍，2020年的7.6倍。在輸入負荷大幅增加的條件下，磷的沉降時間延長，沉降凈化作用會受到影響[18]。但陶岔斷面在2021年并未出現(xiàn)總磷升高的現(xiàn)象，這與陶岔區(qū)域的水動力條件密切相關。陶岔斷面位于丹庫最東端，丹庫的開闊水域形成天然強化緩沖區(qū)，不論是漢江干流輸入還是上游丹江輸入，流速都會大幅減小，顆粒物沉降得到加強。這種水動力條件保障了陶岔區(qū)域的總磷濃度比庫區(qū)內其他區(qū)域更加穩(wěn)定。整體而言，入庫河流的輸入和水庫的緩沖凈化對庫區(qū)內總磷濃度長期變化都有重要的影響。

圖5 丹江口水庫主要入庫河流總磷通量分布Fig.5 Distribution of the total phosphorus flux in the main inflow rivers of Danjiangkou Reservoir

2021年，總磷升高主要集中在秋季，這與庫區(qū)及上游的降雨特征密切相關。2021年降雨主要集中在秋季，8月下旬至10月上旬，漢江流域共發(fā)生9次強降雨過程，累計面均雨量536 mm。強降雨沖刷產(chǎn)生的面源輸出對總磷濃度會產(chǎn)生顯著影響。短歷時強降雨會顯著提高土壤養(yǎng)分流失程度[19]，有效徑流事件發(fā)生越頻繁，降雨量越大，則營養(yǎng)流失的情況越嚴重[20]。在強降雨條件下，易形成面源污染集聚風險[21-22]。另外，丹江口庫區(qū)及上游水土流失面積達2.16萬km2[23]。由于總磷吸附性較強，水土流失產(chǎn)生的泥沙顆?？赡苓M一步加劇面源輸出[24-25]。從2021年入庫總磷通量月度分布來看，約85%集中在8～10月，與強降雨時段吻合(見圖6)。2021年漢江、堵河等入庫河流總磷濃度升高主要集中在8～10月，庫區(qū)內總磷濃度升高時段主要集中在9～11月?？紤]到水流傳遞的延遲效應[26]，庫區(qū)內總磷濃度的年內變化過程與降雨及總磷通量的變化過程基本吻合。因此，可以認為降雨是驅動總磷濃度年內變化的主要原因。

圖6 2021年丹江口水庫入庫流量變化和總磷通量月度分布Fig.6 Change of inflow and monthly distribution of total phosphorus flux of Danjiangkou Reservoir in 2021

總磷升高區(qū)域主要集中在漢庫，主要原因是漢江干流在總磷入庫通量上占絕對主導。2021年秋季強降雨過程中，丹江口水庫連續(xù)發(fā)生7次入庫流量超過10 000 m3/s的較大洪水過程，漢江入庫流量占90%以上。從總磷入庫通量的分布可以看到，漢庫入庫通量顯著高于丹庫(見圖6)。開展丹江口庫區(qū)及上游的水土流失和面源污染治理是防控丹江口水庫總磷污染的根本途徑。丹江口庫區(qū)及上游水土流失范圍廣、強度高，加上農業(yè)生產(chǎn)多為單家獨戶的經(jīng)營方式，污染治理配套措施不足，導致水土流失和農業(yè)面源污染治理難度較大。建議創(chuàng)新治理理念，以小流域為單元開展水土流失綜合治理和面源污染防控，加強山水林田湖草系統(tǒng)防治[27]；加快易實施、易推廣的面源防控和水土流失綜合治理技術的應用，提升流域污染滯留能力[28]。通過流域綜合治理和生態(tài)建設，從源頭控制總磷來源。

另外，水庫消落區(qū)淹沒產(chǎn)生的磷釋放風險也需要關注。2021年丹江口水庫首次蓄至170.00 m水位，167.00 m水位以上運行116 d。丹江口水庫大壩加高蓄水前，170.00 m高程以下分布有大量農田耕地，水庫加高蓄水后淹沒的農田耕地是主要的磷釋放來源。2021年新淹沒的167.00～170.00 m高程范圍內，原有的農田耕地面積約20 km2。研究表明，淹水條件下農田土壤總磷釋放速率為3.26 mg/(m2·d)2[8]。淹水時間按照120 d進行計算，估算得到消落區(qū)淹沒產(chǎn)生的磷釋放負荷約7.82 t。消落區(qū)淹沒釋放量與入庫河流輸入總磷通量相比規(guī)模較小，但考慮到丹江口水庫岸線曲折，庫灣較多，消落區(qū)淹沒釋放可能對局部庫灣水體產(chǎn)生影響，仍需引起重視。

4 結 論

(1) 近10 a水庫總磷濃度總體穩(wěn)定，入庫河流總磷濃度穩(wěn)中有降。庫區(qū)內監(jiān)測斷面總磷基本穩(wěn)定在Ⅱ類及以上水平，個別年份偶有升高；漢江、堵河、丹江、滔河、淇河等5條入庫河流總磷濃度總體穩(wěn)定，神定河、泗河、犟河、劍河、官山河、浪河、老灌河、天河等8條河流總磷濃度總體下降。

(2) 2021年水庫總磷濃度明顯升高，升高時段集中在秋季，升高區(qū)域集中在漢庫。庫區(qū)內總磷1～6月基本穩(wěn)定，9～11月出現(xiàn)峰值；入庫河流總磷7～10月上升并達到峰值。

(3) 入庫河流輸入是水庫總磷變化的主要影響因素。2021年秋季持續(xù)強降雨導致總磷入庫通量大幅增加是水庫總磷濃度升高的根本原因。建議加強丹江口庫區(qū)及上游的水土流失和面源污染治理，從源頭控制總磷來源。