2018～2022年長江流域總磷時空變化特征研究

陳 峰,李曉慧,王文靜,彭 戀,錢 寶

(長江水利委員會 水文局,湖北 武漢 430011)

0 引 言

磷是水體生物生長的必要元素,也是造成水體富營養化的主要影響因子。水體富營養化會嚴重破壞水體生態平衡、降低生物多樣性、導致水生態功能退化,引起一系列水環境問題,威脅生態系統安全[1]。長江經濟帶發展戰略實施以來,國家和地方出臺多類政策,助力長江水污染治理,成效顯著。近年來,習近平總書記從中華民族永續發展的戰略高度,謀劃、部署和推動實施長江經濟帶發展戰略,隨著《長江經濟帶生態環境保護規劃》的發布,流域內各省市積極落實相關制度要求,有序推進磷專項整治工作,長江生態環境保護已初見成效,但水資源、水環境、水生態、水風險等多重問題紛繁復雜,水生態環境形勢依然嚴峻。

自2016年起,長江流域總磷問題日漸凸顯,長江干支流、水庫群的水華暴發問題備受國內外關注[2]。陳善榮等[3]研究表明,2016～2019年總磷在長江流域水環境污染占比最大,其斷面超標率一直高居首位。晏維金等[4]通過模型與情景分析研究了總磷在空間分布格局上存在巨大的差異。尹煒等[5]對長江流域總磷和富營養化現象進行了機理分析,并提出管控建議。郭朝臣等[6]在時空尺度下開展對長江流域干、支流水系通量變化規律的研究,從斷面水量和水質及通量等方面分析其空間變化響應、年際變化趨勢和通量相關性關系分析,揭示了長江流域污染物通量時空貢獻特征。美國、加拿大研究學者在安大略湖區開展歷時37 a之久的野外試驗也表明,磷是控制水華暴發的重要因子[7]。運用美國地質調查局(USGS)開發的具有空間屬性的非線性流域回歸模型SPARROW模型,在密云水庫流域、艾比湖流域等一些地區開展了相關研究[8],模擬和評估了監測斷面營養物空間運輸、水質目標管理及總量控制、水質評價與預測、水環境影響等,開發了總磷等主要營養物的時空變化情景分析模塊[9],在河湖治理和改善方面取得了顯著成效。

本文系統梳理了2018～2022年長江流域總磷時空變化特征,分析了主要影響因素,發現總磷問題成為長江流域污染的首要超標因子,提出了長江流域總磷污染防控對策和有效治理方法,旨在為流域水環境保護和管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區域

依托長江水利委員會在長江流域布設的水文-水質監測站網,選取了325個長江流域地表水國家重點水質站水質監測數據進行了統計分析,監測斷面分布情況見表1。

表1 長江流域地表水監測斷面分布情況

1.2 采樣分析

采樣方式包括涉水采樣、船只采樣等,河流斷面和湖庫點位的布設原則依據HJ/T 91—2002《地表水和污水監測技術規范》。水樣采集后需靜置沉降30 min,取上層非沉降部分測定。

分析方法依據GB 11893-89《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》,總磷分析采用過硫酸鉀(或硝酸-高氯酸)為氧化劑,將未經過濾的水樣消解,用鉬酸銨分光光度法測定。

1.3 數據來源及處理

所有監測數據均來自于2018～2022年長江流域325個地表水國家重點水質站監測成果,監測方法和監測時間等具有較好的系統性和一致性。評價項目參照《水利部辦公廳關于做好<中國地表水資源質量年報>編制工作的通知》(辦水文函〔2020〕1061號)[10],河流湖庫以及省界水體水質評價項目為GB 3838-2002《地表水環境質量標準》表1中除水溫、總氮、糞大腸菌群以外的21個基本項目,對監測結果開展評價分析,總磷質量濃度按照不高于0.02,0.10,0.20,0.30,0.40 mg/L,分別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、劣Ⅴ類水質。

數據經過檢查、突出異常值等處理后,圖表繪制采用Microsoft Office Excel 2021和Origin 2016軟件進行處理、統計和分析。

2 結果與分析

2.1 長江流域總磷濃度時間變化特征

2.1.1 長江流域總磷濃度年際變化

水質污染具有顯著的時空關聯特征,可通過歷年數據的處理和收集實現對監測站點處總磷濃度的預測[11]。2018～2022年長江流域總磷濃度年際變化見表2和圖1。2018～2022年,長江流域整體總磷濃度基本呈下降趨勢,由2018年的0.08 mg/L下降至2022年的0.06 mg/L,降幅25%,2021年流域整體總磷濃度有小幅升高,較上一年增加約15%。長江流域是中國磷礦、磷化工企業和磷石膏庫(簡稱“三磷”)的主要分布區域,中上游尤為集中。“三磷”是導致長江中上游等局部區域總磷污染的主要原因[12]。2021年長江流域整體偏豐,攜帶面源污染物的徑流輸入以及河道水庫消落帶影響等因素,導致水體磷濃度升高。

表2 2018～2022年長江流域總磷濃度隨時間變化

圖1 2018～2022年長江流域地表水總磷濃度年均值變化

湖庫斷面總磷年均值要低于河流斷面,從2018年的0.07 mg/L降至2022年的0.05 mg/L。河流斷面占總斷面數量的91.4%,其變化趨勢與流域整體相一致。雖然湖庫斷面總磷濃度整體有所降低,但2020～2022年有逐年增大趨勢,2022年較2020年增大約24.4%,湖庫富營養化形勢仍然嚴峻。

2018～2022年長江流域總磷濃度不同水期年均值變化見表3和圖2。從不同水期來看,2018～2022年長江流域汛期總磷濃度略高于非汛期,汛期總磷均值與非汛期相比,最大增幅約為33.3%。汛期面源污染的輸入仍然是長江流域總磷的重要來源。

表3 2018～2022年長江流域總磷濃度不同水期變化

圖2 2018～2022年長江流域總磷濃度不同水期年均值變化

2.1.2 干流及主要支流總磷時間變化

2018～2022年長江干流沿程37個監測斷面總磷濃度變化如圖3所示。總體來看,2022年各監測斷面長江干流總磷濃度基本低于或與2018年持平。2018～2022年長江流域主要支流總磷濃度年際變化見圖4。9條支流中,清江總磷濃度最低,在0.01～0.03 mg/L之間波動;赤水河、嘉陵江、湘江、漢江、贛江、烏江總磷濃度總體上滿足“總磷濃度控制在0.1 mg/L 以下”的要求,但漢江下游、烏江偶有不達標,最高分別達0.11 mg/L和0.14 mg/L;岷江、沱江總磷濃度尚不達標,最小年均值仍達到0.11 mg/L。

圖3 2018～2022年長江干流總磷濃度時間變化

圖4 2018～2022年長江流域主要支流總磷濃度年際變化

從沿程變化來看,總體呈沿程升高趨勢,但近3 a 濃度差值逐年減小。其中,嘉陵江干流總磷濃度總體較平穩,可能受上游來水影響;而嘉陵江中下游逐漸靠近重慶主城區,受人類活動影響較大。湘江干流總磷濃度從2019年的0.05 mg/L下降至2022年的0.027 mg/L,降幅達46.0%。漢江干流除2021年受流域洪水影響濃度有所升高外,總磷年均值基本穩定。岷沱江干流總磷濃度均呈下降趨勢,岷沱江和烏江監測斷面降幅均超過30%。針對這些問題,從庫區及上游在農業面源、污染防治、水土流失治理、生態清潔小流域建設等方面開展了大量環境整治工作[13],對入庫河流總磷濃度的下降和穩定起到重要作用。雖然總磷濃度有所降低,但2022年總磷年均值仍大于0.100 mg/L,需要繼續加強總磷污染治理。

2.2 長江流域總磷濃度空間分布特征

中國生態環境保護研究者一直關注污染源的空間格局變化[14-15],相比于國外研究方法,中國水污染物減排是按行政區逐級分層開展的,以行政區為單元制定可行方案將污染負荷分配至各區域,無法從地區和行業類別來計算出水體污染物的排放量[16]。通過統計發現:總磷出現超標次數斷面占超標斷面的比例達到62.5%～80.0%,因此,總磷濃度空間分布與斷面水質類別評價結果基本一致。總磷超標斷面主要集中在洞庭湖和鄱陽湖以及長江上游大洪河水庫、長江中游龍感湖、黃蓋湖、長江下游石臼湖,漢江支流黃渠河、清河、神定河地區。

從空間上看,長江干流斷面2018～2022年總磷濃度沿程出現隨流經地區增加、匯入河流增加而波動上升的趨勢,但總體穩定在0.01～0.15 mg/L區間波動。其中,雅礱江匯入之前的青海、西藏、云南和四川干流斷面總磷濃度較低,在0.01～0.04 mg/L區間波動。雅礱江匯入后總磷濃度沿程增加,在0.05～0.15 mg/L之間波動,2022年上游朱沱斷面總磷年均值為0.05 mg/L,中游沌口斷面為0.07 mg/L,下游南通斷面為0.11 mg/L,長江口啟東港斷面為0.12 mg/L,2022年長江流域地表水總磷濃度空間分布變化見圖5。

圖5 2022年長江流域地表水總磷濃度空間分布變化

根據2018～2022年來長江干流六大主要控制站月度監測數據,干流總磷濃度均呈現自西向東逐漸增高趨勢。長江流域干支流總磷濃度總體平穩且良好,95%以上水質監測濃度數據達到Ⅱ類標準限值(0.5 mg/L),長江入海口地區總磷濃度依然最高,與該地經濟較為發達及點源污染較多有關[17]。2022年長江流域片各水資源二級區年度水質類別比例對比見圖6,如果按照GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中較為嚴格的湖、庫地表水環境質量限值標準,部分水系出現高于Ⅴ類區域。長江流域一直以來處于各類生產生活活動交替不迭的狀態,是富營養化的重災區。支流不同水系污染物濃度變化較大,整體保持從源區至嘉陵江水系前上升而后下降的趨勢,各污染物在支流嘉陵江水系處有顯著降低趨勢,可能與三峽大壩較強的攔截作用有關[18-19]。

圖6 長江流域片各水資源二級區年度水質類別比例對比

2.3 主要湖庫富營養化情況

長江流域面積廣闊,水系復雜多樣,不同湖庫生態系統存在強烈的時空異質性,不同湖庫水體富營養化程度及其影響因素均存在差異。2018～2022年長江流域主要湖庫總磷濃度年際變化見圖7。研究結果表明:2018～2022年,丹江口水庫總磷年均值符合Ⅱ類水質要求,洞庭湖、鄱陽湖、巢湖以Ⅳ類為主,滇池為Ⅴ類。總體來看,湖泊水體富營養化問題仍然存在。長江上游梯級水庫的建成運行,改變了水沙條件,顆粒態磷大幅減少,溶解態磷有所增加,磷輸移形態的改變加劇了中下游總磷問題,并產生了系列生態環境效應[20]。上游支流水體中磷的輸入加速了梯級水庫水體中磷的累積,水質污染和富營養化潛在風險增加;中下游顆粒態磷減少,改變了磷形態的分布,增加了環境脆弱性;下游淺水湖泊水體中磷超標驅動了內源循環,加速了湖庫的富營養化過程[21]。

圖7 2018～2022年長江流域主要湖庫總磷濃度年際變化

3 結論與建議

3.1 結 論

針對長江流域部分湖庫總磷污染處于富營養化狀態的現狀,本文基于2018～2022年流域325個地表水國家重點水質站的監測數據,開展了總磷污染時空特征研究與分析,主要結論如下。

(1) 總磷問題成為長江流域污染的首要超標因子,整體總磷濃度基本呈下降趨勢。由2018年的0.08 mg/L下降至2022年的0.06 mg/L,降幅25%。2018～2022年長江流域汛期總磷濃度略高于非汛期,汛期總磷均值相比非汛期最大增幅為33.3%。汛期面源污染的輸入仍是長江流域總磷的重要來源之一。

(2) 長江流域水質狀況總體較穩定,穩中向好。2020～2022年全年水質類別符合Ⅱ類及以上的占比77.95%,符合Ⅲ類及以上的占比94.15%。總磷是長江流域主要污染物之一。2018～2022年各超標斷面中,總磷出現超標次數的斷面占超標斷面的比例達到62.5%～80.0%。

(3) 長江干流與主要支流的總磷情況:2022年長江干流總磷濃度基本低于或與2018年持平。主要支流中,清江總磷濃度最低;赤水河、嘉陵江、湘江、漢江、贛江、烏江總體上總磷濃度控制在0.1 mg/L以下,但漢江下游、烏江偶有不達標;岷江與沱江總磷濃度尚不達標。

(4) 主要湖庫總磷情況:2018～2022年,丹江口水庫總磷年均值符合Ⅱ類水質要求,洞庭湖、鄱陽湖、巢湖以Ⅳ類為主,滇池為Ⅴ類。總體來看,湖泊水體富營養化問題仍然存在。

3.2 建 議

(1) 完善長江流域水環境標準體系,加強總磷污染環境監管力度。牢固樹立黨的二十大報告中關于“統籌水資源、水環境、水生態治理,推動重要江河湖庫生態保護治理”理念,修訂涉磷工業行業廢水排放標準,對涉磷工業行業提出總磷、總氮特別排放限值,提高排放要求。著眼于“十四五”期間長江流域向水生態環境質量改善為核心轉變的態勢,加快完善長江流域水環境標準體系頂層設計。以重要湖泊為管控對象,以防控富營養化為目標,統籌河流、湖泊的總磷污染控制指標,突破現有河湖營養鹽管控不銜接問題[22]。同時,加快水環境風險隱患排查整治,嚴守生態保護紅線,以提升水生態系統穩定性、持續性為目標,統籌水資源水環境水生態“三水”共治,系統保障河湖生態環境保護修復,持續推進長江流域水環境質量改善。

(2) 遵循“重點突出,多措并舉”的原則。以長江流域上游片區為重點控制單元,開展總磷污染綜合治理工作,推進區域綠色協調發展,強化磷污染點面源綜合管控,開展小流域總磷污染整治,突出涉磷重點污染源的治理,加強涉磷行業規范化管理,控制磷污染負荷排放造成部分河段水質嚴重超標的現象。加強基礎設施建設,防止城鎮生活污染源排放影響河流水質狀況。解決生態流量不足加劇水污染的問題,切實減少總磷輸入。由于水污染治理導向不全面和污染源監管措施不系統,影響水質同步改善。以汛期水質惡化斷面為抓手,開展河(湖)溯源分析,推進關鍵區域、時段面源綜合管控,強化對總磷等污染物的監測調查及生態效應評估,進一步分析難以解決的深層次原因,通過完善頂層設計、強化行業監管、規范市場運行、優化監管體系、培訓人才隊伍等方面措施,規范水利建設行為,完善行業監管機制[23]。

(3) 加快產業轉型升級,強化科技支撐。充分利用高校企業、科研院所的優勢,集中科研力量,通過相關科技基金項目,聯合省、市、縣、鄉各級專業團隊,加強水環境監控預警、水處理工藝技術設備等領域的交流合作。加快面源污染治理、高效除磷等技術成果的推廣與應用,切實提高流域水環境治理能力,積極推動總磷的源頭減量、綜合利用、廢污水處理、清潔生產、風險防控[24]等技術的研究與創新,完善磷污染物監測指標、測定方法以及河湖總磷控制標準或閾值要求。針對富營養化問題,通過室內實驗、現場實測和數值模擬等方法,探究藻類增殖或改變藻類生長環境對藻類生物量的影響,規劃抑制支流水華的調度策略,構建汛期、非汛期生態調度模型或者二維富營養化模型。重點發展高技術含量、高附加值的磷產品,增加專業技術人員投入,發展綠色產業鏈和產業園區,鼓勵產業結構的調整重組,形成綠色可持續發展態勢。