南水北調中線水源地高水位蓄水水質變化及污染防治對策

萬育生 ，張樂群 ，黃 茁 ，林 莉 ，吳 敏 ，金海洋

（1.南水北調中線水源有限責任公司，442700，丹江口；2.長江水利委員會長江科學院流域水環境研究所，430010，武漢）

南水北調是解決我國水資源分布與社會生產力布局不相適應矛盾的戰略性水利工程，分為東、中、西三條線路。其中，中線工程水源地為丹江口水庫，一期工程計劃每年向北方輸水95億m3。為滿足調水需要的丹江口樞紐大壩加高工程實施后，水庫正常蓄水位從原157 m升至170 m。2014年12月12日中線工程正式通水，2017年水庫首次完成了樞紐164 m和167 m階段的蓄水試驗。蓄水后水庫的水文情勢發生了新的變化，勢必對水庫水質造成影響。

丹江口水庫水質狀況直接關系到用水區人民群眾的用水安全和身體健康。掌握丹江口水庫水質狀況，對保障中線工程順利運行意義重大。蓄水位升高后新增大面積淹沒區，其中包括大量農田。由于長期施用化肥和農藥，農田土壤中累積了氮磷物質和有機農藥等污染物，水庫蓄水后，污染物持續釋放，將會影響水庫局部水質和營養水平。鑒于丹江口水庫水質的極端重要性，學者們圍繞水庫水環境、總氮超標問題、浮游植物群落演變等問題開展了大量的研究工作，但都集中在丹江口樞紐高水位蓄水之前，而蓄水后的水質變化情況尚未見相關報道。本文分析了丹江口水庫及支流典型斷面2017年全年逐月水質結果，并與2016年同期值比較，以研究高水位蓄水后水質變化情況，為后期水庫運行管理以及水庫水環境保護提供科學依據。

一、材料與方法

1.研究區域與采樣點設置

丹江口水庫位于湖北省丹江口市漢江干流與其支流丹江的交匯處，由1973年建成的丹江口大壩截漢江、丹江形成的漢庫和丹庫兩部分組成。南水北調中線工程實施后，丹江口大壩由原162 m加高至176.6 m，設計蓄水位由157 m增加至170 m。丹江口水庫流域屬亞熱帶季風氣候，降雨量相對充沛，年均降水量881 mm，多年平均入庫流量為394.8×108m3。

為掌握丹江口水庫2017年全年水質變化情況，選取6個典型斷面開展每月監測工作，包括浪河口下、涼水河—臺子山、丹庫中心、陶岔渠首等4個庫中典型斷面，以及白河（漢庫支流）和淇河（丹庫支流）2個支流典型斷面。

2.樣品采集與測定

2017年1—12月，每月上旬于選定的典型斷面采集水樣。用玻璃采水器采集1 L表層混合水樣，采用濃硫酸酸化至pH略小于2，4℃冷藏保存帶回實驗室，按照《水與廢水監測分析方法》（第四版）相關指標方法進行檢測，測定總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數（CODMn）等表征水庫營養狀態的指標，總氮和總磷采用分光光度法測定，CODMn采用滴定法測定，各指標測定過程中按照規范進行相應的質量控制。

二、2017年丹江口水庫來水情況及水位變化分析

2017年丹江口水庫流域降雨以及水庫來水情況見圖1。2017年丹江口水庫流域全年共降雨1 049.6 mm，較多年均值（881 mm）高出19%。從各月分布情況來看，4、8月降雨量與多年均值持平，5、7、11和 12月較多年均值偏少，其余月份都有不同程度的偏高，尤其9、10月。9月降雨量為240.8 mm，較多年均值高出89%；10月降雨量為162.7 mm，較多年均值高出113%。2017年全年水庫累計來水 444.874 億 m3，較多年（1956—2010年）平均值362.643億m3多出23%，水庫來水整體偏豐。其中，汛期的5—10月累計來水353.792億m3，較多年均值（279.339 億 m3）多 27%，占全年來水量的80%。汛期來水豐枯不均，枯豐急轉；水庫出現明顯秋汛，來水特豐，9、10月尤為明顯，9月平均入庫流量為3 630 m3/s，較多年均值高60%；10月平均入庫流量為5570 m3/s，較多年均值多25%。

從圖2中可以看出，2017年丹江口水庫水位整體呈上升趨勢。水庫水位由年初的154.5 m逐步削落，3月11日最低降至152.3 m后止跌回升，5月底回漲至156.2 m，受來水增加影響，6月 15日超過 158 m，7、8月水庫根據來水和庫水位情況合理控制向漢江中下游供水流量，水庫保持較高的運行水位。受8—9月來水影響，9月13日水位超過歷史最高運行水位，9月23日超過初期規模壩頂高程（162 m），9月 29日上漲至 164.6 m 后緩慢回落，至月底降至164.2 m。10月164 m階段和167 m階段蓄水試驗工作完成，10月底庫水位上漲至167 m。11—12月控制漢江中下游供水流量，保持庫水位持續緩慢下降，到年底水位降至165.43 m。

圖1 2017年降雨量（左）和入庫流量（右）月度變化情況

圖2 2017年丹江口水庫水位變化情況

三、丹江口水庫典型斷面同期水質狀況評價分析

通過浪河口下、涼水河—臺子山及白河河口斷面反映漢庫及其支流水質狀況，通過丹庫中心、陶岔渠首及淇河斷面反映丹庫及其支流水質狀況。以上述斷面的總氮、總磷、高錳酸鹽指數作為水質指標代表，分析它們在2017年高水位運行條件下的時空分布情況，并與2016年同期對比，初步探討其濃度變化與水位之間的關系。

圖3 丹江口水庫（左）和支流（右）2017年總氮濃度變化

圖4 2016年和2017年丹江口水庫浪河口下斷面總氮濃度對比

圖5 丹江口水庫（左）和支流（右）2017年總磷濃度變化

圖6 2016年和2017年丹江口水庫浪河口下斷面總磷濃度對比

1.總氮

總氮濃度過高易引起水體富營養化。丹江口水庫的水體是典型的“富氮”型水體，總氮濃度較高是丹江口水庫持續關注的水質問題，總氮已經成為影響丹江口水庫水環境質量的主要指標。2017年丹江口水庫庫中及支流典型斷面水體中總氮濃度逐月變化趨勢如圖3所示。從空間分布上來看，漢庫水體的總氮濃度整體高于丹庫水體，支流水體的總氮濃度遠高于水庫水體。水庫水體中，浪河口下總氮濃度相對較高，年均值為1.21 mg/L，其次是涼水河—臺子山（年均值1.05 mg/L）以及丹庫中心 （年均值1.00 mg/L），陶岔渠首總氮濃度最低，年均值為0.93 mg/L。

從年度變化上來看，從1月到12月，總氮濃度整體呈升高趨勢，尤其浪河口下，總氮濃度從年初的約1.0 mg/L增加至年底的1.5 mg/L以上，變化幅度較大；支流總氮濃度變化更為明顯，1—8月，白河和淇河總氮濃度相對穩定，濃度在1.60 mg/L（淇河）和1.46 mg/L（白河）左右，8 月之后，兩條支流總氮濃度均有明顯上升，白河總氮濃度升至2.0 mg/L左右，淇河總氮濃度增加至4.5 mg/L。如圖4所示，以浪河口下斷面為例，與2016年同期相比，除6月外，2017年7—11月的總氮濃度均高于2016年同期值，平均高出了0.45倍，最高高出了1.13倍。

2.總磷

磷是浮游植物生長所需的關鍵性因子之一，決定了水體營養程度。2017年度丹江口水庫的總磷濃度變化情況如圖5所示。從圖中可以看出，所有斷面總磷濃度相對較低。參考《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）湖庫標準，各斷面總磷濃度基本滿足Ⅰ、Ⅱ類水標準限值要求。與總氮空間分布類似，漢庫水體總磷濃度略高于丹庫水體，浪河口下總磷濃度最高，年均值為0.019 mg/L，其次是涼水河—臺子山（年均值0.016 mg/L）以及陶岔渠首（年均值 0.013 mg/L），丹庫中心總磷濃度最低，年均值為0.012 mg/L。

從2017年度逐月變化來看，庫中4個監測斷面總磷濃度在0.005～0.022 mg/L間小范圍波動，整體上呈小幅度上升趨勢，在汛期表現尤為明顯。支流的白河河口和淇河河口斷面，1—8月總磷濃度穩定在0.05 mg/L左右波動不大，8月以后濃度出現較大幅度上升，11月達到最高，白河河口和淇河河口斷面濃度分別達到0.29 mg/L 和 0.22 mg/L，是年均值 4～6倍。如圖6所示，以浪河口下斷面為例，與2016年同期相比，除9月外，2017年6—11月的總磷濃度均高于2016年同期值，平均高出1.41倍。

3.高錳酸鹽指數

高錳酸鹽指數（CODMn）是表征水體中有機污染狀態的指標。已有監測數據顯示，丹江口水庫CODMn長期保持在Ⅰ、Ⅱ類水標準水平。2017年丹江口水庫高錳酸鹽指數質量濃度在1.70～2.10 mg/L之間，大部分時間滿足Ⅰ類水標準，個別月份滿足Ⅱ類水標準。從圖7中可以看出，總體上漢庫水體CODMn略高于丹庫水體，濃度范圍分別是浪河口下1.52～2.87 mg/L、涼水河—臺子山1.48～2.31 mg/L、丹庫中心1.13～2.68 mg/L、陶岔 1.62～1.91 mg/L。

從2017年逐月變化上來看，庫中4個監測斷面CODMn呈小幅上升趨勢，尤其是蓄水期間8—12月的CODMn略高于 1—7月，11月浪河口下斷面CODMn最高達到2.90 mg/L，也是庫中全年最高濃度。支流的白河河口和淇河河口斷面，蓄水期間的CODMn明顯高于其余時間段，尤其是淇河河口斷面CODMn在9月高達5.07 mg/L，比年均值高1.58倍。如圖8所示，以浪河口下斷面為例，與2016年同期相比，除9月外，2017年6—11月的CODMn均高于2016年同期值，平均高出了0.40倍。

圖7 丹江口水庫（左）和支流（右）2017年高錳酸鹽指數濃度變化

四、討論和對策建議

1.結果與討論

（1）歷年監測資料顯示，總氮是威脅丹江口水庫水質安全的最關鍵指標。2004—2013年，浪河口下斷面總氮年均值最低為1.12 mg/L，最高為1.50 mg/L，接近地表水Ⅳ類水標準限值。總氮的累積增大了丹江口水庫局部庫灣水域富營養化和水華風險。2017年6月實施實驗性蓄水后，水位升高過程中，總氮濃度也呈上升趨勢，與2017年其余月份及2016年同期月份相比，均顯著升高。

（2）丹江口水庫實驗性蓄水至165 m，產生的新增淹沒區中，農田土地類型占比最大，主要分布于入庫支流區域的丹庫東面和漢庫西北面。消落區的土壤將在“淹沒—出露”過程中釋放出營養鹽，增加氮、磷及有機質釋放風險。蓄水期間，丹江口水庫庫中4個斷面的總氮濃度、總磷濃度、CODMn等指標均有一定程度增加。新增淹沒區在出露期處于氧化狀態，可吸納大量來自庫岸的污染物，并吸附地表徑流中的氮磷元素；新增淹沒區在淹沒期處于厭氧環境中，磷酸鐵還原為磷酸亞鐵，磷酸鹽的溶解增加，磷的有效性上升。消落區土壤的“淹沒—出露”過程將增加庫區局部水域水環境污染和水體富營養化的風險。

（3）漢庫和丹庫支流斷面受面源污染影響，總氮濃度、總磷濃度和CODMn等指標在蓄水期間均大幅度上升，增幅超過庫中斷面。丹江口庫區新增淹沒區中，溶出氮、磷較高的區域主要來自水庫支流流域。降雨過程中，污染物在流域內不同土地利用類型的土壤中進行著沉淀、吸附、解吸等遷移轉化過程，導致土地利用結構與水質存在著顯著的響應關系。強降雨一方面沖刷土壤中積累的營養鹽進入水體，另一方面也可能沖擊庫底沉積物，使沉積物中的營養鹽再度釋放出來，從而導致營養鹽濃度升高。不適當的農田管理模式也會導致土壤侵蝕和過量氮磷隨地表徑流遷移，造成支流水質變差，最終影響庫區水質。

圖8 2016年和2017年丹江口水庫浪河口下斷面高錳酸鹽指數濃度對比

2.對策建議

為掌握水庫蓄水對庫區水體水質的作用，減輕水庫蓄水對庫區水體水質的不利影響，建議從以下幾個方面開展工作：

（1）定量評估新增消落帶的污染負荷。通過遙感和現場調查的方式，弄清新增消落帶目前的土地利用類型及其占比，結合不同土地利用類型的污染物背景值調查并進行情景 （降雨徑流和溶出）模擬實驗，掌握不同類型的土地可能流失的污染物總量，從而計算整個新增消落帶的污染物負荷，科學合理地評估其對庫區水體的污染貢獻及導致的潛在風險。根據消落帶地形地貌特征和污染物輸移規律，開展消落帶土壤生態功能保育研究。

（2）制定消落帶土地開發、利用和保護規劃，最大限度發揮消落帶的生態和經濟功能。通過規劃明確消落帶保護與利用的總體思路、原則和方法，確立管理政策與管理保護重點，使消落帶的保護與管理有章可循、有據可依，避免出現盲目利用局面。建立合理的政策扶持機制，對有益于消落帶保護的利用模式，如林業模式、牧草模式，國家和地方應在政策、項目、資金上給予扶持，促進好的模式在庫區的推廣。

（3）開展消落帶利用模式研究。結合庫區氣候特點和農業生產需求，除了發展林草進行植被恢復外，還可通過在消落帶不同高度分帶進行季節性農業耕作來保護庫岸生境。消落帶中部出露土地位置較高，不易被汛期洪水淹沒，可利用時間較長，基本可以保證在有限時間內完成短季農作物的栽種與收獲，也可考慮濕生植物和水生蔬菜的種植；消落帶上部可考慮種植適宜當地生境的濕生植物 （主要為喬灌木），形成消落帶生態保護緩沖區。

（4）加強支流污染治理工作。水庫水體總氮濃度既受庫周面源污染的影響，也受漢江、丹江等干支流輸入的影響，影響因素比較復雜。支流是重要的污染來源之一，因此急需開展流域內污染支流的治理工作。以實施河長制為抓手，從點源、面源污染控制出發，加快上游地區城鎮生活污水和生活垃圾處理設施的規劃與建設，實施生態農業，削減農業化肥、農藥的施用量，改善支流尤其是污染較為嚴重入庫支流如神定河、泗河、犟河和老鸛河的水質。