三峽水庫水質演變趨勢及保護對策

劉 輝,葉 丹,左 濤,余明星

(長江流域水環境監測中心,湖北武漢 430010)

1 三峽水庫概況

1.1 工程概況

三峽工程是治理和開發長江的關鍵性骨干工程。三峽大壩壩址位于宜昌市三斗坪,距葛洲壩水利樞紐上游約40km。三峽工程可有效控制長江上游洪水,具有防洪、發電、航運等方面巨大的綜合效益。三峽水電站總裝機容量1820萬kW,年均發電量846.8億kW?h;三峽水庫的形成顯著改善了宜昌至重慶660km的長江航道,萬噸級船隊可直達重慶港[1]。

1.2 水庫運行特征

三峽水庫正常蓄水位為175m,相應的庫區范圍從壩址至上游約660km的江津附近。三峽水庫穿行于川東低山丘陵和川鄂中低山峽谷區,干流庫面寬一般為700～1700m,大部分庫段河寬不超過1000m,寬于1300m的庫段僅分布在萬州至豐都約150km庫段,支流庫面寬一般為300～600m,是典型的河道型水庫。

大壩攔蓄和水庫調度改變了庫區河段的水文情勢。建庫前,庫區河道夏季水位最高,冬季水位最低;建庫以后,改變了庫區的水位變化特征,一般在夏季最低(水庫蓄洪時除外),汛末及枯水季初期水位最高。庫區高水位比天然洪水位抬高情況大致是:三峽壩址處約100m,萬州約40m,涪陵約10m,長壽約3 m。建庫前,天然情況下,重慶至宜昌660km庫區河道,河水流經丘陵和高山峽谷區的流速一般為2～3m/s,遇到峽谷急灘時流速更大;建庫后,過水斷面增大,灘涂消除,比降減少,在流量不變情況下,流速自庫尾至壩前逐漸減緩。

三峽水庫按照滿足防洪、發電、航運和排沙的綜合要求,進行水庫調度。每年的5月末至6月初,為騰出防洪庫容,壩前水位降至汛期防洪限制水位145m。汛期6至9月,水庫一般維持此低水位運行,水庫下泄流量與天然情況相同。在遇大洪水時,根據下游防洪需要,水庫攔洪蓄水,庫水位抬高,洪峰過后,仍降至145m運行。

汛末10月份,水庫蓄水,下泄流量有所減少,水位逐步抬高至175m,12月至次年4月,水電站按電網調峰要求運行,水庫盡量維持在高水位。4月末以前水位最低高程不低于155m,以保證發電水頭和上游航道必要的航深。每年5月開始進一步降低水位。因此,在中水年和豐水年枯水季下泄量比天然情況明顯增加。

根據三峽水庫調度方案,在蓄水后的枯水期,水庫延伸至重慶江津市,其他水期由于水庫調度的水位低于寸灘的同期水位,重慶江段呈天然河流狀態。對于庫中段涪陵和萬州區江段,由河道轉為水庫,水文情勢發生了很大的變化。

2 三峽庫區主要污染源排污狀況及演變趨勢

三峽庫區工業廢水排放量在近3年有較大程度的下降[2-4],但工業廢水中的主要污染物質COD及NH3-N濃度僅出現小幅下降。庫區城鎮生活污水排放量及污染物質濃度近3年均呈現先上升后下降的趨勢。與工業廢水相比,庫區城鎮生活污水盡管排放總量相對較小,但COD及NH3-N等污染物質總量卻明顯高于工業廢水。

庫區化肥施用量及化肥流失量逐年增加[2-4],且重氮磷肥、輕鉀肥的傾向有加重的趨勢,流失的氮和磷成為庫區水體污染的重要來源之一;農藥施用量趨向穩定,農藥流失比例及流失量逐漸減少,但是近年來高毒害的有機磷農藥用量增加的趨勢需要引起一定的重視。

庫區船舶油污水排放總量趨于穩定[2-4],油污水處理率近年來維持在95%左右,但處理達標率在近3年出現小幅下降趨勢。從油污水排放構成來看,受三峽航運構成變化影響,貨船排放量增加,旅游船、客船等排放量則有所減少。由于貨船是造成庫區水域石油類污染的最主要船舶類型,且油污水達標排放率相對較低(2007年貨船油污水達標排放率為79%),控制貨船油污水排放量是庫區防治船舶污染的關鍵。此外,需要引起重視的是,船舶生活污水排放量近年大幅增加,由于處理率和達標率極低,超標情況十分普遍。

近年來盡管庫區各類型污染源的排污情況逐漸趨于穩定,部分污染源的入庫污染負荷還略有減少,但總體來看,由于水庫蓄水后,水流變緩,水體納污能力降低,水庫水質保護形勢仍十分嚴峻。

3 庫區干流水質現狀及演變趨勢

庫區干流現狀水質較好[5],全部6個監測斷面的年度水質均符合GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ～Ⅲ類水質標準;豐水期的水質明顯劣于平水期和枯水期,占全部月超標斷面總數的66.7%;主要超標參數為TP、CODMn、石油類和TPb;庫尾江段水質明顯劣于庫中及庫首,寸灘以上斷面占全部月超標斷面總數的占73.7%;由于受上游來水水質影響的逐漸減弱及蓄清作用的影響,TP濃度從庫首至壩前呈逐步降低趨勢,CODMn總體上也呈相似趨勢。

從干流水質演變來看,三峽工程蓄水后,庫區干流水質總體穩定。在蓄水前、135m運行期和156m運行期3個不同階段,符合Ⅰ～Ⅲ類水質標準的斷面分別占監測總斷面數的64%、67%和70%,呈小幅上升趨勢,劣于Ⅲ類水質標準的斷面則呈小幅下降趨勢。除個別斷面的個別月份受石油類影響超標外,3個階段主要水質影響因子保持不變,均為TP、CODMn和Pb,主要超標月份也都集中在豐水期的6～9月份。

受上游來水影響,蓄水后庫尾及庫中江段的TP濃度略高于蓄水前,庫首江段則由于蓄清作用的影響,TP濃度較蓄水前略有降低。蓄水前后,溶解性TP濃度基本穩定。

4 庫區主要支流水質現狀及演變趨勢

a.三峽庫區主要支流水質現狀總體較差[6]。在實施監測的28條河流中,水質劣于Ⅲ類的占57.1%,其中茅坪溪、九畹溪、叱溪河、童莊河、草塘河、湯溪河、小江、壤渡河、汝溪河、東溪河10條支流水質為Ⅳ類;碧溪河和烏江2條支流水質為Ⅴ類;香溪、苧溪河、黃金河和珍溪河 4條支流為劣Ⅴ類。TP、CODMn、BOD5和NH3-N為主要超標因子。三峽庫區支流營養狀況以中-富營養狀態為主,達到中、富營養狀態的支流分別占監測支流總數的46.4%、42.9%。

b.從支流水質演變來看,與蓄水前相比,三峽庫區支流水體的水質總體有所下降。蓄水前支流水體總體水質尚好,水質劣于Ⅲ類標準的支流僅占11.1%;135m蓄水后,支流水體水質惡化,水質劣于Ⅲ類標準的支流占75.0%,42.9%的支流水質達劣Ⅴ類標準;156m蓄水后,水質劣于Ⅲ類標準的支流占57.1%,14.3%的支流水質達劣Ⅴ類;TP為蓄水前、135m蓄水后、156m蓄水后水質的主要影響參數。

c.從富營養化狀態變化看,135m蓄水位庫區支流以富營養化狀態為主,達到富營養化狀態的庫區支流占監測支流總數的53.6%;156m蓄水位庫區支流的富營養化狀況以中-富營養狀態為主,達到富營養化狀態的支流占監測支流總數的42.9%。

d.從水華趨勢變化看,蓄水前,庫區支流未發生水華;135 m蓄水后,庫區部分支流出現水華;156m蓄水后,水華發生敏感區域向上游推進,香溪等個別支流水華呈持續加重趨勢,小江等集水面積較大支流出現浮萍等水生植物爆發性生長等新的富營養化表征形式;水庫蓄水后,庫區支流水華類型總體上呈現由河流型硅藻類向湖泊型藍、綠藻的演變趨勢。營養物質濃度較高是部分支流水華發生的根本原因,蓄水后受回水頂托造成的流速減緩以及部分時段適宜的氣溫和光照等因素是水華發生的誘因。

5 對策與措施

5.1 針對工業污染源的治理措施

工業結構和布局不合理是造成水環境污染嚴重的主要原因之一。庫區工業污染源主要集中在重慶長壽區、涪陵區、大渡口區和江津區,主要排污企業分屬冶金、化工、醫藥、機械、造紙、紡織等行業,相當部分工業企業的設備陳舊、管理水平低下、生產工藝落后。三峽庫區應結合移民開發和國民經濟發展,制定有利于水污染防治的產業政策,指導和調整庫區工業結構,加快發展資源能源消耗少、污染物排放低的產業,推行清潔生產,堅決關停一批污染嚴重、生產工藝落后或規模以下的造紙、化工、制革等高污染企業,對其他企業,應通過技術改造,逐步改進生產工藝,提高工業用水重復利用率,減少污染物排放。

5.2 針對城鎮生活污染源的治理措施

治理城鎮生活污染源的主要措施是加快污水處理廠的建設。應以城鎮分布及人口現狀、污水排放現狀和垃圾產生現狀為依據,合理確定污水處理廠建設規模、污水處理執行標準和處理工藝。

污水處理廠建設規模的確定,應主要考慮區域內的居民生活污水、公共建筑生活污水及排入城市污水收集管網系統的工業廢水,并適度考慮發展的要求,確保污水處理能力與城市供水能力相適應,避免出現“大馬拉小車”的現象而導致污水處理投資的浪費與損失。污水處理廠處理工藝的選擇應充分考慮排污區域的水環境容量,對于已富營養化或存在富營養化威脅水域的污水處理廠,應選擇具有強化除磷脫氮功能而運行費用較高的處理工藝,對于無富營養化威脅的區域,在充分考慮水環境容量的基礎上,可采用除磷脫氮效果較差但運行費用較低的處理工藝,以降低建設和運行成本。

城市污水截流管網系統是城市污水處理系統的重要組成部分,三峽庫區多數城鎮的污水截流管網系統不完善,在建設污水處理廠的同時如果不能配套建設污水截流管網系統,將嚴重影響城市污水的收集率和處理率,使投入巨大資金的污水處理廠不能發揮作用。因此,在三峽庫區規劃建設污水處理廠的城市,應同時配套建設污水截流管網系統,確保城市污水的收集、處理率。

5.3 針對農田地表徑流污染源的治理措施

三峽水庫的面源污染物主要來源于三峽庫區及其上游地區的水土流失,以及暴雨形成的農田地表徑流。長江上游各省市應遵循“預防為主、防治結合、綜合治理、開發性治理和可持續發展“的基本原則,進一步建立和完善水土流失重點預防保護和預防監督區,建立健全水土流失預防監督體系和水土流失監測網絡,監測人為活動造成新的水土流失,鞏固水土流失治理成果。

在三峽庫區及其上游水土流失嚴重地區,應實行有計劃、按步驟的小流域綜合治理措施。貫徹分區防治方略,搞好土地綜合利用規劃,以坡耕地治理為重點、小流域為單元,合理配置工程措施、生物措施和農業技術措施,并充分發揮生態系統的自我修復能力,加快水土流失防治步伐。

實施坡改梯和坡面小型水利水保工程措施。改造坡耕地建設基本農田,是攔蓄農田徑流,控制水土流失,減少農田徑流污染,保證農業增產的最有效措施,同時也是實現土地合理利用,促進農、林、牧各業協調發展的基礎條件。

應重視推廣科學施肥和農藥使用技術,減少農田徑流污染。施肥時,應改撒施為深施,同時增施少量無毒副作用的硝化抑制劑,以減少氮的硝化流失;農藥使用要注意天氣變化,根據各種農作物、經濟作物對農藥的吸收效果,適當控制和增大降雨、排灌與施藥的時間間隔,以提高農藥使用效果。

5.4 針對流動污染源的治理措施

三峽水庫的流動污染源是船舶,它的污染負荷主要來自機艙廢水、客輪上旅客產生的生活污水和生活垃圾,主要污染指標有石油類、COD、BOD、SS和NH3-N。目前三峽水庫的流動污染仍比較嚴重,水庫形成后,航道條件將有較大改善,庫區內航行的船舶量將呈上升趨勢,污染排放量也將較大增加,對庫區水質造成影響,應采取有效措施控制船舶污染。

船舶廢污水處理設施能有效防治船舶污染,廢污水處理設施主要包括配置油水分離器和生活污水收集處理設施。為防治船舶污染,應該采取以下措施:①三峽庫區航行的所有船舶應裝配油水分離器,且船舶運行中必須保證油水分離器正常運行;②各類客運船舶尤其是旅游客輪應配置生活污水收集處理設施,生活污水經凈化處理后,方可排入庫區水體;③貨運船舶應配置一定體積的生活污水收集設施,同時在庫區主要港口碼頭配套建設一定規模的生活污水處理設施,將船舶產生的生活污水轉送到港口碼頭進行集中處理。

5.5 其他污染源的治理措施

a.網箱養魚。國內外對網箱養殖的研究成果均表明,不論養殖對象怎樣,人工投放的餌料及魚類的排泄物均會給水體帶來大量的氮、磷,增加了水體營養物的總濃度,導致了水體一定程度的富營養化。此外,網箱下方的沉積物中氮、磷濃度和耗氧量明顯增加,改變了底質的運輸和沉積方式以及溶氧狀態,在缺氧的條件下,可能導致底質化學特性和底棲動物群落結構的改變。因此,為切實保護庫區水質,應通過立法手段,嚴禁在庫區范圍內進行網箱養魚。

b.污水上溯。水庫蓄水后,庫區水文環境發生改變,在水庫正常運行期間的水位調節過程中(175m-145m-155m),受到回水頂托影響的下游污水團上溯可能對集中飲用水水源地水質產生影響。為保障庫區飲水安全,應開展相關的監測及科研工作,對庫區集中飲用水水源地的水質進行安全論證及評估。

[1] 余明星,邱光勝,劉輝,等.三峽水庫135m蓄水水環境質量狀況及放射性本底調查研究報告[R].武漢:長江流域水環境監測中心,2003.

[2] 國家環境保護總局.長江三峽工程生態與環境監測公報[R].北京:國家環境保護總局,2006.

[3] 國家環境保護總局.長江三峽工程生態與環境監測公報[R].北京:國家環境保護總局,2007.

[4] 國家環境保護部.長江三峽工程生態與環境監測公報[R].北京:國家環境保護部,2008.

[5] 長江水利委員會.長江三峽工程生態與環境監測系統水文水質同步監測重點站年度報告[R].武漢:長江水利委員會,2008.

[6] 長江流域水環境監測中心.三峽庫區主要支流水質監測成果(2003～2008年)[R].武漢:長江流域水環境監測中心,2008.