丹江口水庫水環(huán)境變化特點及其改善對策

肖 燁, 黃志剛

(1.湖南文理學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南 常德415000； 2.遵義師范學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,貴州 遵義 563006; 3.南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 南陽 473061)

丹江口水庫是我國南水北調(diào)中線工程的重要水源地，承擔(dān)著向京、津、翼、豫四省地區(qū)的輸水任務(wù)。水庫水質(zhì)和庫區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況直接關(guān)系到受水區(qū)居民的用水安全和身體健康。為更好滿足調(diào)水輸水需求，丹江口水庫大壩于2012年實施加高工程，蓄水位上升致使庫周形成落差達13 m(水位從157 m上升到170 m)的消落帶，新增淹沒區(qū)面積305 km2[1]。庫區(qū)季節(jié)性水位的漲落不僅加速了消落帶土壤養(yǎng)分、重金屬等污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化，而且?guī)熘艽罅哭r(nóng)田積累的氮磷、重金屬、農(nóng)藥等在周期性淹沒過程中得以陸續(xù)釋放。受水土流失、面源污染和人類活動等影響，丹江口水庫部分匯水區(qū)及庫灣區(qū)域呈現(xiàn)中度及以上程度的水體富營養(yǎng)化，重金屬含量也趨于中等生態(tài)風(fēng)險，水質(zhì)狀況未達到Ⅱ類水質(zhì)要求，一些污染嚴(yán)重的入庫支流甚至出現(xiàn)了Ⅴ類水質(zhì)的情況。本文分析了丹江口水庫大壩加高后庫區(qū)水質(zhì)變化情況及特點，探討了庫區(qū)水質(zhì)發(fā)生變化的環(huán)境原因，同時為改善庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量提出了合理的對策與建議，對加強庫區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，保障調(diào)水安全具有重要意義。

1 庫區(qū)水質(zhì)變化情況及其特點

1.1 氮、磷含量

水體富營養(yǎng)化是丹江口水庫水質(zhì)的主要威脅。米瑋潔等[2]對丹江口水庫湖北段十堰市水源地主要入庫河流進行水質(zhì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水質(zhì)整體狀況不佳，監(jiān)測的11個斷面中有9個均未到達Ⅱ類水質(zhì)要求，丹江口庫區(qū)水體P指標(biāo)為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(表1)。張樂群等[3]研究同樣發(fā)現(xiàn)丹江口水庫2015年不同入庫支流水質(zhì)狀況存在顯著性差異，優(yōu)于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測斷面僅達到70%，部分入庫支流局部污染較為嚴(yán)重，其中全年為Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的支流監(jiān)測斷面比率各占4%。

表1 丹江口水庫及入庫支流水質(zhì)監(jiān)測狀況

由表1可知，2015年庫區(qū)16條入庫河流水質(zhì)污染因子以總氮(濃度為0.83～15.50 mg/L)為主，其次是總磷(濃度為0.02～0.58 mg/L)[4]。夏玲玉[5]根據(jù)2016年的監(jiān)測結(jié)果得出庫區(qū)62個典型庫灣水體氮磷濃度具有季節(jié)性波動特征，雨季總氮(0.46～7.83 mg/L)和總磷(0.01～0.56 mg/L)濃度通常低于旱季，其總氮和總磷濃度分別為0.53～7.84 mg/L和0.02～0.62 mg/L。劉成[6]研究表明，62個庫灣中有18個具有中度富營養(yǎng)化，5個為重度富營養(yǎng)化，1個已達極度富營養(yǎng)化。由此可見，2015年和2016年丹江口水庫及部分入庫支流氮磷含量偏高，水質(zhì)狀況已出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化。

1.2 重金屬污染

土壤中富集的重金屬隨著徑流或者淹水條件進入水體而導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量惡化的問題，一直是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。如表2可知，與河南省[7]和全國[8]土壤重金屬元素背景值相比，2014—2015年丹江口水庫庫區(qū)和主要入庫河流[9]、新增淹沒區(qū)[10]、庫區(qū)及其支流[11]主要重金屬元素(Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，As)含量均表現(xiàn)出不同程度的富集趨勢。而2016年監(jiān)測的丹江口水庫表層沉積物中重金屬元素含量(除Cd和Zn元素外)均低于兩個背景值[12]，說明此時水體中主要重金屬含量降低了，水質(zhì)得到改善。但2014—2016年庫區(qū)Zn元素的污染形勢不容樂觀，其含量(83.89～319.21 mg/kg)顯著高于河南省(62.50 mg/kg)和全國(74.20 mg/kg)土壤Zn元素背景值。趙麗等人[9]評價了丹江口水庫表層沉積物中8種主要重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險，認(rèn)為中等生態(tài)風(fēng)險主要位于豫西北和湖北庫區(qū)的大部分地區(qū)。總體而言，2016年庫區(qū)水體重金屬含量與2014，2015年相比已大幅降低，水質(zhì)得到改善，但空間差異顯著，主要以河流入庫區(qū)水質(zhì)較差。

表2 丹江口水庫土壤重金屬含量對比 mg/kg

2 庫區(qū)水質(zhì)變化的主要原因分析

丹江口水庫從2014—2018年丹江口水庫入庫流量逐年減少，出庫流量基本呈增加的趨勢。水庫汛期來水豐枯不均，秋汛9月，10月來水豐沛。豐水期水質(zhì)主要受農(nóng)業(yè)面源污染的影響，而枯水期水質(zhì)主要受人類活動如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)徑流等點源污染的干擾。近年來，盡管政府先后采取了一系列措施(如關(guān)停庫區(qū)重污染企業(yè)、退耕還林、生態(tài)修復(fù)等)以保障庫區(qū)水質(zhì)安全，并且取得了良好成效。但是丹江口庫周局部地區(qū)水土流失、農(nóng)村點源污染、農(nóng)業(yè)面源污染等生態(tài)環(huán)境問題依然存在，影響水庫水質(zhì)安全。

2.1 庫區(qū)周圍及上游流域的坡耕地水土流失未得到有效的治理

水土流失主要來自植被覆蓋度小的坡耕地、荒坡、幼林，以坡耕地最為嚴(yán)重。丹江口庫區(qū)及其上游流域的水土流失主要發(fā)生在庫周及漢江干流至漢中盆地周邊地區(qū)，以坡耕地最為嚴(yán)重，其水土流失面積達到土地總面積的53.1%，年均土壤侵蝕量為1.82×108t[13]。研究表明，坡耕地的坡度越大，水土流失越嚴(yán)重，坡度15°～25°的坡耕地水土流失量為6 000～15 000 t/(km2·a)，坡度大于25°水土流失加劇，治理困難，恢復(fù)緩慢[14]。杜軍等[15]調(diào)查分析了2010—2015年丹江口水庫匯水區(qū)土壤侵蝕情況，結(jié)果顯示土壤重度以上侵蝕強度主要發(fā)生在坡度大于15°的坡耕地。在坡度15°～25°的坡耕地中實施退耕還林/還草生態(tài)恢復(fù)工程雖然具有良好的生態(tài)效益，但因經(jīng)濟效益很少而難以讓老百姓接受，因此有效的水土流失防治措施難以實施。而在坡度大于25°的陡坡耕地實施退耕還林/還草生態(tài)修復(fù)工程不僅投入較大且水土流失治理效果并不理想，因而此類坡耕地水土流失情況依舊比較嚴(yán)重。

2.2 水庫大壩加高后造成的環(huán)庫消落帶局部區(qū)域水土流失嚴(yán)重

隨著水庫大壩加高蓄水，庫區(qū)淹沒面積逐漸擴大，庫區(qū)水文情勢也隨之發(fā)生改變，環(huán)庫區(qū)消落帶面積逐步增加。在地形、氣候與人類活動等多重因素的影響下，環(huán)庫區(qū)消落帶局部區(qū)域水土流失現(xiàn)象比較嚴(yán)重，已成為影響庫區(qū)水質(zhì)的重要面源污染源。隨著庫區(qū)季節(jié)性水位的漲落，環(huán)庫區(qū)消落帶局部地區(qū)由于水力侵蝕作用存在滑坡、崩塌現(xiàn)象。2016年丹江口水庫及上游流域水土流失占流域總面積的44.8%；環(huán)庫區(qū)69%的消落帶出現(xiàn)了不同程度的水土流失問題，其中有23%的消落帶受到強烈及其以上程度的土壤侵蝕[16]。水土流失主要發(fā)生在降雨頻繁、降雨強度較大的雨季，其中7—9月的水土流失量占全年總流失量的70%左右。總體而言環(huán)庫區(qū)消落帶水土流失面積分布范圍廣，形成原因復(fù)雜，強烈的水土流失不僅降低了土壤肥力，而且加劇了水污染，嚴(yán)重的威脅到了生態(tài)安全。

2.3 土地利用類型多樣，農(nóng)業(yè)面源污染問題突出

丹江口庫區(qū)土地利用類型主要分為農(nóng)業(yè)用地、林地、居民地、草地、灌叢和林地等6種類型，其中以農(nóng)業(yè)用地為主。由于山區(qū)人多地少，為追求耕地高產(chǎn)出量不斷加大化肥、農(nóng)藥施用量。2017年丹江口市氮、磷、鉀肥施用總量達14 100 t，每1 hm2平均用量折純?yōu)?15 kg，而氮、磷肥占95%以上；農(nóng)藥用量達到1 431 t，每畝均1 hm2平均用量31.5 kg[17]。相關(guān)研究[16]表明，水源地氮肥施用已經(jīng)處于風(fēng)險狀態(tài)，施用量大的地區(qū)土壤酸化嚴(yán)重，致使?fàn)I養(yǎng)元素流失而污染水體。庫區(qū)湖北段的農(nóng)業(yè)面源污染主要來自農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)村生活污水、畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖幾個方面，農(nóng)業(yè)面源污染防控的重點是農(nóng)田氮磷流失。環(huán)庫區(qū)消落帶內(nèi)有近17 333.33 hm2的農(nóng)田，其化肥使用量為188～356 kg/hm2，但其利用效率僅為15%～35%[18]。當(dāng)庫區(qū)水位上升消落帶處于淹沒狀態(tài)時，累積在其中的氮磷物質(zhì)、重金屬和農(nóng)藥等有毒有害物質(zhì)則逐漸釋放到水體中，從而影響水質(zhì)安全。

2.4 工業(yè)、城鎮(zhèn)村人類活動造成的點源污染加重了環(huán)境污染

丹江口水庫水位上升會使新增淹沒區(qū)內(nèi)因工礦企業(yè)和居民生活的各種固、液廢棄物的不合理排放而累積在土壤中的重金屬釋放到水體中，從而影響庫區(qū)水質(zhì)安全。近年來，庫區(qū)周邊城市工業(yè)發(fā)展迅速，不同工礦企業(yè)所排放的廢水嚴(yán)重威脅到庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量。雷沛[19]等研究發(fā)現(xiàn)皮革和造紙業(yè)的COD及氨氮排放量最高，制藥、食品和石化企業(yè)為丹江口庫區(qū)貢獻了16%～40%的高COD排放量，石化、采掘和冶金則分別為庫區(qū)貢獻了17%～45%的高氨氮排放量，庫區(qū)的點源污染主要來自生活污水和養(yǎng)殖業(yè)。大部分集鎮(zhèn)雖然建有污水處理廠但大部分居民生活污水未經(jīng)處理就直接排放，嚴(yán)重影響到地表水質(zhì)。此外，庫區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)較分散，一些規(guī)模化養(yǎng)殖基地發(fā)展迅速并轉(zhuǎn)移到庫周，畜禽廢棄物隨意排放、利用率低、無害化處理不及時加重了庫周環(huán)境污染。漢強等[20]研究表明，2014年丹江口典型小流域內(nèi)人畜糞便總氮污染負(fù)荷是流域平均負(fù)荷量的13倍。因此合理處理工礦企業(yè)廢棄物、城鎮(zhèn)村居民生活垃圾和養(yǎng)殖場中的畜禽糞便可以有效控制庫區(qū)點源污染源的排放，保障水庫水質(zhì)安全。

3 保護改善庫區(qū)水環(huán)境的對策與建議

綜合上述分析，丹江口水庫蓄水后水源區(qū)面臨著水土流失、工農(nóng)業(yè)點面源污染等諸多問題，嚴(yán)重的影響了水庫水質(zhì)安全。針對丹江口庫區(qū)存在的生態(tài)環(huán)境問題，提出以下對策與建議，以期通過綜合防治水土流失和控制水污染源的排放措施來確保庫區(qū)水質(zhì)安全。

3.1 繼續(xù)穩(wěn)定實施退耕還林/還草政策，防治水土流失

丹江口水庫水源區(qū)調(diào)整基本農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)，限制耕地過度開發(fā)。對于坡度大于15°的坡耕地繼續(xù)穩(wěn)定實施退耕還林/還草政策，種植根系發(fā)達的香根草、蘆葦、狗牙根等優(yōu)勢植物群落以達到護坡固土的作用；對于坡度小于15°的坡耕地，以坡改梯的方式控制水土流失。嚴(yán)禁亂砍亂伐環(huán)庫周圍地區(qū)的天然林地，禁止毀林開荒，加強人工林和混交林培育以修復(fù)退化林地；在環(huán)庫區(qū)消落帶規(guī)劃種植耐淹水植物構(gòu)建植被緩沖帶以防治水土流失，優(yōu)化環(huán)庫生態(tài)林保護屏障。

3.2 優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少農(nóng)業(yè)面源污染

因地制宜調(diào)整庫周的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在兼顧經(jīng)濟效益的情況下大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，建立經(jīng)濟果木林。改變傳統(tǒng)耕作模式，實施免耕、少耕和秸稈還田等種養(yǎng)結(jié)合的保護性耕作方式，減少農(nóng)藥化肥的使用量；加強有機肥、高效肥和生物農(nóng)藥的施用；建設(shè)農(nóng)田生態(tài)攔截溝渠，在排水渠中種植高效吸附氮磷植物以凈化水質(zhì)；大力推廣種養(yǎng)結(jié)合的生態(tài)農(nóng)業(yè)混合模式，繼續(xù)推廣生物肥料生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)，充分利用人畜糞肥，減少農(nóng)業(yè)面源污染。

3.3 加強工礦企業(yè)排污監(jiān)管，控制人類活動的點源污染

完善監(jiān)管體系，嚴(yán)格控制排污企業(yè)的污水違法排放問題；開展科學(xué)研究工作，建立適合丹江口水庫水質(zhì)達標(biāo)的工礦企業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。對于造紙、化工、印染等高污染企業(yè)，在污水排放區(qū)建立人工濕地緩沖區(qū)，利用濕地植被吸附分解功能降低有毒有害物質(zhì)濃度再進行污水系統(tǒng)處理。合理充分利用已經(jīng)建成的城鎮(zhèn)村生活污水處理設(shè)施，構(gòu)建人工濕地以減少生活污水的排放。在庫周禁止家禽畜牧的養(yǎng)殖，防止畜禽糞便直接入庫造成污染。利用生物技術(shù)對生活垃圾、人畜糞便集中堆放發(fā)酵漚肥加以農(nóng)業(yè)利用，大力推廣農(nóng)村清潔化生產(chǎn)、美化鄉(xiāng)村環(huán)境。

3.4 優(yōu)化監(jiān)測站點，加強居民環(huán)保意識

在入庫河流及其支流合理布局監(jiān)測站點，優(yōu)化監(jiān)測設(shè)備。利用南水北調(diào)中線渠首環(huán)境監(jiān)測應(yīng)急中心平臺，對入庫支流、庫周、庫心的水質(zhì)進行長期監(jiān)測以提供預(yù)警預(yù)報，對各個水質(zhì)監(jiān)測站點的水環(huán)境進行定期分析、評價其生態(tài)風(fēng)險，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)控管網(wǎng)系統(tǒng)以達到水質(zhì)空間化、動態(tài)化的監(jiān)控，便于及時采取有效的防控措施。根據(jù)庫區(qū)流域降雨徑流特點，借助流域水文綜合模擬模型，結(jié)合水量與水質(zhì)變化情況，綜合模擬水庫加高前后水環(huán)境狀況，以便適時預(yù)測水環(huán)境的變化趨勢。各級政府部門也要積極號召丹江口水庫及上游區(qū)域居民加強環(huán)境保護意識，共同做好庫區(qū)的水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作，以確保南水北調(diào)中線工程的順利運行。

4 結(jié) 論

南水北調(diào)中線工程自2014年通水運行以來，丹江口水庫及其上游流域依然存在不同程度的水土流失情況，以坡度大于15°的坡耕地較為嚴(yán)重。由于農(nóng)業(yè)面源污染、工礦企業(yè)及城鎮(zhèn)村居民生活污水的不合理排放致使庫區(qū)部分庫灣及支流水體氮磷等營養(yǎng)元素含量過高、重金屬污染嚴(yán)重。此外，環(huán)庫區(qū)和主要入庫河流新增消落帶在季節(jié)性淹水時溶解吸附了多種類型的污染物致使一些支流污染較重，部分支流與庫灣水體已出現(xiàn)不同程度富營養(yǎng)化，加劇了消落帶區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與庫區(qū)水質(zhì)安全保障工作之間的矛盾。庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣直接關(guān)系到受水區(qū)水質(zhì)的安全，也決定了南水北調(diào)工程的成敗。雖然政府采取了一些有效的措施來保障庫區(qū)水質(zhì)安全，但是由于跨流域調(diào)水運行過程中庫線長而曲折，在自然因素和人為因素的雙重作用下依然存在一些環(huán)境問題，因此庫區(qū)水質(zhì)保障工作依舊十分艱巨，為保障庫區(qū)水質(zhì)的安全，需要政府的大力支持及全民的積極參與，采取積極有效的措施進行防治結(jié)合，確保庫區(qū)水質(zhì)安全。