尹 煒，王 超，王 立，辛 小 康，柳 根

(1.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051； 2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 湖庫(kù)水源地面源污染生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430051； 3.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，湖北 丹江口 442700)

0 引 言

磷作為湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子，一直是流域水環(huán)境研究關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)長(zhǎng)江流域40多個(gè)湖泊多年比較研究的結(jié)果表明，總磷濃度是限制浮游藻類(lèi)生長(zhǎng)的最重要因素[1]。加拿大和美國(guó)的科學(xué)家在安大略湖區(qū)開(kāi)展的歷時(shí)37 a的野外試驗(yàn)也表明，磷是控制藻華暴發(fā)的重要因子[2]?！笆濉逼陂g，總磷已經(jīng)成為影響長(zhǎng)江中游湖泊水質(zhì)類(lèi)別的主要因子，也是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的最主要驅(qū)動(dòng)力[3-5]，控磷對(duì)于湖庫(kù)水質(zhì)安全具有十分重要的意義。

丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程水源地，水質(zhì)保護(hù)十分重要。2014年中線工程運(yùn)行通水以來(lái)，丹江口水質(zhì)總體良好，但在磷污染方面也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。如丹江口水庫(kù)部分城鎮(zhèn)型入庫(kù)河流磷濃度較高[6]，水庫(kù)消落區(qū)具有一定的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)[7-8]等。另外，庫(kù)周小流域的磷輸出受農(nóng)業(yè)面源影響較大[9]，庫(kù)區(qū)水土流失對(duì)總磷輸出也會(huì)產(chǎn)生影響[10]。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)丹江口水庫(kù)總磷的分布特征，本研究系統(tǒng)整理了丹江口水庫(kù)多年來(lái)總磷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總磷變化規(guī)律和影響因素，為水庫(kù)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(kù)水域面積約1 050 km2，分為漢庫(kù)(湖北省境內(nèi)部分)和丹庫(kù)(河南省境內(nèi)部分)。水庫(kù)庫(kù)周分布有16條主要入庫(kù)河流，其中漢庫(kù)入庫(kù)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(yuǎn)河、淘溝河等12條，丹庫(kù)入庫(kù)河流包括丹江、淇河、滔河、老灌河等4條(見(jiàn)圖1)。水量較大的入庫(kù)河流有漢江、堵河、丹江、老灌河、滔河等，其中漢江來(lái)水占丹江口入庫(kù)流量的約70%，堵河來(lái)水占丹江口入庫(kù)流量的約20%(見(jiàn)表1)。

圖1 丹江口水庫(kù)水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of hydrological and water quality monitoring stations of Danjiangkou Reservoir

表1 丹江口水庫(kù)主要入庫(kù)河流概況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括庫(kù)區(qū)內(nèi)和入庫(kù)河流的逐月總磷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。庫(kù)區(qū)內(nèi)16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中壩上(龍王廟)、浪河口下、涼水河-臺(tái)子山、陶岔4個(gè)斷面總磷數(shù)據(jù)時(shí)段為2012～2022年，其余斷面數(shù)據(jù)時(shí)段為2021年。入庫(kù)河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取布設(shè)有國(guó)控?cái)嗝娴?3條河流，數(shù)據(jù)時(shí)段為2012～2021年。另外，漢江、堵河、丹江、老灌河、滔河等5條河布設(shè)有水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和水文站點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頻次為逐日，數(shù)據(jù)時(shí)段為2018～2021年(見(jiàn)表2)。所有水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面和水文站位置見(jiàn)圖1。

表2 數(shù)據(jù)來(lái)源和基本情況

1.3 分析方法

采用單因素方差法進(jìn)行均值比較，斯皮爾曼秩次相關(guān)法檢驗(yàn)總磷濃度的時(shí)間變化趨勢(shì)。斯皮爾曼秩次相關(guān)檢驗(yàn)法的原理是檢驗(yàn)序列的趨勢(shì)變化與其時(shí)間順序是否有關(guān)，若序列按某種趨勢(shì)排列的順序(秩)與時(shí)間順序(時(shí)序)越接近，則說(shuō)明序列的趨勢(shì)變化越明顯[11]。在分析序列xt與時(shí)序t的相關(guān)關(guān)系時(shí)，xt用其秩次Rt(即把序列xt從小到大排列時(shí)xt所對(duì)應(yīng)的序號(hào))代表。t仍為時(shí)序(t=1，2，…，n)，秩次相關(guān)系數(shù)計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：n為序列長(zhǎng)度；dt=Rt-t。顯然，秩次Rt與時(shí)序t相近時(shí)dt越小，秩次相關(guān)系數(shù)越大，變化趨勢(shì)越顯著。以顯著性檢驗(yàn)的p值作為判定標(biāo)準(zhǔn)，p≥0.05表示趨勢(shì)平穩(wěn)，p<0.05表示上升或下降趨勢(shì)顯著，p<0.01表示上升或下降趨勢(shì)極其顯著。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)過(guò)程在SPSS 19.0中實(shí)現(xiàn)。

對(duì)入庫(kù)總磷通量進(jìn)行核算。漢江、堵河、丹江、老灌河、滔河采用逐日徑流量乘以對(duì)應(yīng)的逐日總磷濃度后累加。徑流量數(shù)據(jù)來(lái)自白河、黃龍灘、磨峪灣、淅川、梅鋪5個(gè)水文站逐日流量監(jiān)測(cè)結(jié)果，總磷濃度數(shù)據(jù)來(lái)自羊尾、焦家院、淅川史家灣、淅川張營(yíng)、王河電站5個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站逐日總磷濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果。神定河、泗河、官山河、劍河、浪河、淇河、犟河、天河無(wú)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(jì)算，總磷平均濃度采用各國(guó)控?cái)嗝嬷鹪卤O(jiān)測(cè)平均值。漢庫(kù)入庫(kù)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(kù)入庫(kù)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(jié)果分析

2.1 庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度多年變化趨勢(shì)

從壩上(龍王廟)、浪河口下、涼水河-臺(tái)子山、陶岔等4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2012～2022年逐月總磷濃度變化可以看到，庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度總體穩(wěn)定(p>0.05)，基本保持或優(yōu)于Ⅱ類(lèi)，僅2021年出現(xiàn)升高(見(jiàn)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(lèi))，個(gè)別時(shí)段超過(guò)0.025 mg/L(Ⅲ類(lèi))。除陶岔斷面外，其他斷面2021年9月開(kāi)始出現(xiàn)上升，10月份左右達(dá)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(dá)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(dá)到0.090 mg/L，2022年5月回落至0.015 mg/L；涼水河-臺(tái)子山斷面總磷最高達(dá)到0.070 mg/L，2022年1月回落至0.020 mg/L。

圖2 丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)主要監(jiān)測(cè)斷面2012～2022年總磷逐月變化趨勢(shì)Fig.2 The monthly change trend of total phosphorus at main monitoring sections in Danjiangkou Reservoir from 2012 to 2022

2.2 入庫(kù)河流總磷濃度多年變化趨勢(shì)

入庫(kù)河流總磷變化趨勢(shì)可分為總體穩(wěn)定和總體下降兩類(lèi)(見(jiàn)圖3)。2012～2021年，漢江、堵河、丹江、滔河、淇河等5條入庫(kù)河流總磷濃度總體穩(wěn)定(p>0.05)。漢江干流和丹江入庫(kù)總磷多年平均濃度分別為0.039 mg/L和0.042 mg/L，2021年入庫(kù)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(kù)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(dòng)。

圖3 丹江口水庫(kù)主要入庫(kù)河流近10 a入庫(kù)總磷濃度變化趨勢(shì)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(kù)總磷濃度2012～2016年平均0.680 mg/L，呈下降趨勢(shì)(p<0.01)；2017～2021年平均0.291 mg/L，變化趨勢(shì)平穩(wěn)(p>0.05)。官山河、天河分階段平穩(wěn)，如天河入庫(kù)總磷濃度2012～2016年平均0.122 mg/L，趨勢(shì)平穩(wěn)(p>0.05)；2017～2021年平均0.072 mg/L，趨勢(shì)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(shì)(p<0.05)；2017～2021年總磷濃度平均為0.046 mg/L，呈下降趨勢(shì)(p<0.01)。

2.3 2021年總磷濃度時(shí)空分布特征

以總磷濃度較高的2021年為對(duì)象分析總磷濃度年內(nèi)時(shí)空分布特征(見(jiàn)圖4)。庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷1～6月基本穩(wěn)定在0.025 mg/L(Ⅱ類(lèi)上限)以下，秋季上升趨勢(shì)顯著。漢庫(kù)各監(jiān)測(cè)斷面中，總磷濃度7月份開(kāi)始上升，9～10月達(dá)到峰值，且上游斷面峰值時(shí)間早于下游斷面。如孤山樞紐下、柳陂鎮(zhèn)山跟、青山-安陽(yáng)等斷面總磷濃度9月份上升至0.170，0.190，0.140 mg/L，達(dá)到或接近峰值濃度；漢庫(kù)中心(楊溪鋪)、遠(yuǎn)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(kù)各監(jiān)測(cè)斷面中，陶岔斷面總體平穩(wěn)，其他斷面總磷濃度9月開(kāi)始上升，10～11月達(dá)到峰值。其中涼水河-臺(tái)子山、香花鎮(zhèn)張寨、清泉溝、倉(cāng)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(kù)中心斷面11月份達(dá)到總磷濃度峰值0.080 mg/L。

圖4 2021年丹江口水庫(kù)庫(kù)內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面和入庫(kù)河流監(jiān)測(cè)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(kù)河流1～6月總磷濃度相對(duì)平穩(wěn)，7～10月上升并達(dá)到峰值，11月開(kāi)始回落。其中流量最大的漢江、堵河入庫(kù)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)?？傮w上，入庫(kù)河流總磷濃度變化與庫(kù)區(qū)內(nèi)斷面基本同步，特別是流量貢獻(xiàn)最大的漢江干流總磷變化過(guò)程與庫(kù)區(qū)內(nèi)斷面總磷變化過(guò)程基本一致。

3 討 論

近10 a來(lái)，丹江口水庫(kù)入庫(kù)河流總磷濃度穩(wěn)中有降，這與庫(kù)區(qū)及上游大力開(kāi)展的治理保護(hù)工作密切相關(guān)。13條入庫(kù)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。“十一五”(2006～2010)和“十二五”(2011～2015)期間，國(guó)務(wù)院先后批復(fù)實(shí)施了兩期丹江口庫(kù)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(kāi)展工業(yè)點(diǎn)源治理、城鎮(zhèn)污水廠新建擴(kuò)建、河道內(nèi)源污染治理等[12-13]，對(duì)總磷污染負(fù)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(shí)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(shè)滯后、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不足[13]。漢江干流、堵河、丹江等入庫(kù)河流總磷濃度受農(nóng)業(yè)面源和水土流失影響較大[14]。針對(duì)這些問(wèn)題，庫(kù)區(qū)及上游在農(nóng)業(yè)面源污染防治、農(nóng)村環(huán)境整治、水土流失治理、生態(tài)清潔小流域建設(shè)等方面也開(kāi)展了大量工作[15]，對(duì)入庫(kù)河流總磷濃度的下降和穩(wěn)定起到重要作用。

相對(duì)于入庫(kù)河流，庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度更低且更加穩(wěn)定，這說(shuō)明丹江口水庫(kù)具有很強(qiáng)的緩沖和凈化作用。磷具有較強(qiáng)的吸附性[16]，河流攜帶磷進(jìn)入水庫(kù)后，流速減緩，總磷濃度通過(guò)沉降作用得以降低[17]。然而2021年庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度顯著升高，可能是入庫(kù)河流總磷輸入量過(guò)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(lái)歷史同期第1位，汛期入庫(kù)水量較歷史同期偏多3倍多，入庫(kù)總磷通量大幅增加。根據(jù)通量核算結(jié)果(見(jiàn)圖5)，2021年入庫(kù)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(fù)荷大幅增加的條件下，磷的沉降時(shí)間延長(zhǎng)，沉降凈化作用會(huì)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(dòng)力條件密切相關(guān)。陶岔斷面位于丹庫(kù)最東端，丹庫(kù)的開(kāi)闊水域形成天然強(qiáng)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(huì)大幅減小，顆粒物沉降得到加強(qiáng)。這種水動(dòng)力條件保障了陶岔區(qū)域的總磷濃度比庫(kù)區(qū)內(nèi)其他區(qū)域更加穩(wěn)定。整體而言，入庫(kù)河流的輸入和水庫(kù)的緩沖凈化對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度長(zhǎng)期變化都有重要的影響。

圖5 丹江口水庫(kù)主要入庫(kù)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(kù)區(qū)及上游的降雨特征密切相關(guān)。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(qiáng)降雨過(guò)程，累計(jì)面均雨量536 mm。強(qiáng)降雨沖刷產(chǎn)生的面源輸出對(duì)總磷濃度會(huì)產(chǎn)生顯著影響。短歷時(shí)強(qiáng)降雨會(huì)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(yíng)養(yǎng)流失的情況越嚴(yán)重[20]。在強(qiáng)降雨條件下，易形成面源污染集聚風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。另外，丹江口庫(kù)區(qū)及上游水土流失面積達(dá)2.16萬(wàn)km2[23]。由于總磷吸附性較強(qiáng)，水土流失產(chǎn)生的泥沙顆?？赡苓M(jìn)一步加劇面源輸出[24-25]。從2021年入庫(kù)總磷通量月度分布來(lái)看，約85%集中在8～10月，與強(qiáng)降雨時(shí)段吻合(見(jiàn)圖6)。2021年漢江、堵河等入庫(kù)河流總磷濃度升高主要集中在8～10月，庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度升高時(shí)段主要集中在9～11月。考慮到水流傳遞的延遲效應(yīng)[26]，庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷濃度的年內(nèi)變化過(guò)程與降雨及總磷通量的變化過(guò)程基本吻合。因此，可以認(rèn)為降雨是驅(qū)動(dòng)總磷濃度年內(nèi)變化的主要原因。

圖6 2021年丹江口水庫(kù)入庫(kù)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(kù)，主要原因是漢江干流在總磷入庫(kù)通量上占絕對(duì)主導(dǎo)。2021年秋季強(qiáng)降雨過(guò)程中，丹江口水庫(kù)連續(xù)發(fā)生7次入庫(kù)流量超過(guò)10 000 m3/s的較大洪水過(guò)程，漢江入庫(kù)流量占90%以上。從總磷入庫(kù)通量的分布可以看到，漢庫(kù)入庫(kù)通量顯著高于丹庫(kù)(見(jiàn)圖6)。開(kāi)展丹江口庫(kù)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(kù)總磷污染的根本途徑。丹江口庫(kù)區(qū)及上游水土流失范圍廣、強(qiáng)度高，加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多為單家獨(dú)戶的經(jīng)營(yíng)方式，污染治理配套措施不足，導(dǎo)致水土流失和農(nóng)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?yàn)閱卧_(kāi)展水土流失綜合治理和面源污染防控，加強(qiáng)山水林田湖草系統(tǒng)防治[27]；加快易實(shí)施、易推廣的面源防控和水土流失綜合治理技術(shù)的應(yīng)用，提升流域污染滯留能力[28]。通過(guò)流域綜合治理和生態(tài)建設(shè)，從源頭控制總磷來(lái)源。

另外，水庫(kù)消落區(qū)淹沒(méi)產(chǎn)生的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)也需要關(guān)注。2021年丹江口水庫(kù)首次蓄至170.00 m水位，167.00 m水位以上運(yùn)行116 d。丹江口水庫(kù)大壩加高蓄水前，170.00 m高程以下分布有大量農(nóng)田耕地，水庫(kù)加高蓄水后淹沒(méi)的農(nóng)田耕地是主要的磷釋放來(lái)源。2021年新淹沒(méi)的167.00～170.00 m高程范圍內(nèi)，原有的農(nóng)田耕地面積約20 km2。研究表明，淹水條件下農(nóng)田土壤總磷釋放速率為3.26 mg/(m2·d)2[8]。淹水時(shí)間按照120 d進(jìn)行計(jì)算，估算得到消落區(qū)淹沒(méi)產(chǎn)生的磷釋放負(fù)荷約7.82 t。消落區(qū)淹沒(méi)釋放量與入庫(kù)河流輸入總磷通量相比規(guī)模較小，但考慮到丹江口水庫(kù)岸線曲折，庫(kù)灣較多，消落區(qū)淹沒(méi)釋放可能對(duì)局部庫(kù)灣水體產(chǎn)生影響，仍需引起重視。

4 結(jié) 論

(1) 近10 a水庫(kù)總磷濃度總體穩(wěn)定，入庫(kù)河流總磷濃度穩(wěn)中有降。庫(kù)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面總磷基本穩(wěn)定在Ⅱ類(lèi)及以上水平，個(gè)別年份偶有升高；漢江、堵河、丹江、滔河、淇河等5條入庫(kù)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(kù)總磷濃度明顯升高，升高時(shí)段集中在秋季，升高區(qū)域集中在漢庫(kù)。庫(kù)區(qū)內(nèi)總磷1～6月基本穩(wěn)定，9～11月出現(xiàn)峰值；入庫(kù)河流總磷7～10月上升并達(dá)到峰值。

(3) 入庫(kù)河流輸入是水庫(kù)總磷變化的主要影響因素。2021年秋季持續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致總磷入庫(kù)通量大幅增加是水庫(kù)總磷濃度升高的根本原因。建議加強(qiáng)丹江口庫(kù)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(lái)源。