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(yǎng)化的主要影響因子。水體富營養(yǎng)化會嚴(yán)重破壞水體生態(tài)平衡、降低生物多樣性、導(dǎo)致水生態(tài)功能退化,引起一系列水環(huán)境問題,威脅生態(tài)系統(tǒng)安全[1]。長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)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(xí)近平總書記從中華民族永續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度,謀劃、部署和推動實(shí)施長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略,隨著《長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》的發(fā)布,流域內(nèi)各省市積極落實(shí)相關(guān)制度要求,有序推進(jìn)磷專項(xiàng)整治工作,長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)已初見成效,但水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水風(fēng)險等多重問題紛繁復(fù)雜,水生態(tài)環(huán)境形勢依然嚴(yán)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(fā)問題備受國內(nèi)外關(guān)注[2]。陳善榮等[3]研究表明,2016～2019年總磷在長江流域水環(huán)境污染占比最大,其斷面超標(biāo)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(yǎng)化現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)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(guī)律的研究,從斷面水量和水質(zhì)及通量等方面分析其空間變化響應(yīng)、年際變化趨勢和通量相關(guān)性關(guān)系分析,揭示了長江流域污染物通量時空貢獻(xiàn)特征。美國、加拿大研究學(xué)者在安大略湖區(qū)開展歷時37 a之久的野外試驗(yàn)也表明,磷是控制水華暴發(fā)的重要因子[7]。運(yùn)用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā)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(qū)開展了相關(guān)研究[8],模擬和評估了監(jiān)測斷面營養(yǎng)物空間運(yùn)輸、水質(zhì)目標(biāo)管理及總量控制、水質(zhì)評價與預(yù)測、水環(huán)境影響等,開發(fā)了總磷等主要營養(yǎng)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)總磷問題成為長江流域污染的首要超標(biāo)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(huán)境保護(hù)和管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

依托長江水利委員會在長江流域布設(shè)的水文-水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng),選取了325個長江流域地表水國家重點(diǎn)水質(zhì)站水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析,監(jiān)測斷面分布情況見表1。

表1 長江流域地表水監(jiān)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(diǎn)位的布設(shè)原則依據(jù)HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)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(jù)GB 11893-89《水質(zhì)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(jīng)過濾的水樣消解,用鉬酸銨分光光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均來自于2018～2022年長江流域325個地表水國家重點(diǎn)水質(zhì)站監(jiān)測成果,監(jiān)測方法和監(jiān)測時間等具有較好的系統(tǒng)性和一致性。評價項(xiàng)目參照《水利部辦公廳關(guān)于做好<中國地表水資源質(zhì)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(zhì)評價項(xiàng)目為GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1中除水溫、總氮、糞大腸菌群以外的21個基本項(xiàng)目,對監(jiān)測結(jié)果開展評價分析,總磷質(zhì)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(zhì)。

數(shù)據(jù)經(jīng)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(jìn)行處理、統(tǒng)計和分析。

2 結(jié)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(zhì)污染具有顯著的時空關(guān)聯(lián)特征,可通過歷年數(shù)據(jù)的處理和收集實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測站點(diǎn)處總磷濃度的預(yù)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(yè)和磷石膏庫(簡稱“三磷”)的主要分布區(qū)域,中上游尤為集中?！叭住笔菍?dǎo)致長江中上游等局部區(qū)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(dǎo)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(shù)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(yǎng)化形勢仍然嚴(yán)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(jiān)測斷面總磷濃度變化如圖3所示?？傮w來看,2022年各監(jiān)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(dá)標(biāo),最高分別達(dá)0.11 mg/L和0.14 mg/L;岷江、沱江總磷濃度尚不達(dá)標(biāo),最小年均值仍達(dá)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(wěn),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(qū),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(dá)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(wěn)定。岷沱江干流總磷濃度均呈下降趨勢,岷沱江和烏江監(jiān)測斷面降幅均超過30%。針對這些問題,從庫區(qū)及上游在農(nóng)業(yè)面源、污染防治、水土流失治理、生態(tài)清潔小流域建設(shè)等方面開展了大量環(huán)境整治工作[13],對入庫河流總磷濃度的下降和穩(wěn)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(xù)加強(qiáng)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(tài)環(huán)境保護(hù)研究者一直關(guān)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(qū)逐級分層開展的,以行政區(qū)為單元制定可行方案將污染負(fù)荷分配至各區(qū)域,無法從地區(qū)和行業(yè)類別來計算出水體污染物的排放量[16]。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):總磷出現(xiàn)超標(biāo)次數(shù)斷面占超標(biāo)斷面的比例達(dá)到62.5%～80.0%,因此,總磷濃度空間分布與斷面水質(zhì)類別評價結(jié)果基本一致。總磷超標(biāo)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(qū)。

從空間上看,長江干流斷面2018～2022年總磷濃度沿程出現(xiàn)隨流經(jīng)地區(qū)增加、匯入河流增加而波動上升的趨勢,但總體穩(wěn)定在0.01～0.15 mg/L區(qū)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(qū)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(jù)2018～2022年來長江干流六大主要控制站月度監(jiān)測數(shù)據(jù),干流總磷濃度均呈現(xiàn)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(wěn)且良好,95%以上水質(zhì)監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.5 mg/L),長江入?？诘貐^(qū)總磷濃度依然最高,與該地經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)及點(diǎn)源污染較多有關(guān)[17]。2022年長江流域片各水資源二級區(qū)年度水質(zhì)類別比例對比見圖6,如果按照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中較為嚴(yán)格的湖、庫地表水環(huán)境質(zhì)量限值標(biāo)準(zhǔn),部分水系出現(xiàn)高于Ⅴ類區(qū)域。長江流域一直以來處于各類生產(chǎn)生活活動交替不迭的狀態(tài),是富營養(yǎng)化的重災(zāi)區(qū)。支流不同水系污染物濃度變化較大,整體保持從源區(qū)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(qiáng)的攔截作用有關(guān)[18-19]。

圖6 長江流域片各水資源二級區(qū)年度水質(zhì)類別比例對比

2.3 主要湖庫富營養(yǎng)化情況

長江流域面積廣闊,水系復(fù)雜多樣,不同湖庫生態(tài)系統(tǒng)存在強(qiáng)烈的時空異質(zhì)性,不同湖庫水體富營養(yǎng)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(jié)果表明:2018～2022年,丹江口水庫總磷年均值符合Ⅱ類水質(zhì)要求,洞庭湖、鄱陽湖、巢湖以Ⅳ類為主,滇池為Ⅴ類?？傮w來看,湖泊水體富營養(yǎng)化問題仍然存在。長江上游梯級水庫的建成運(yùn)行,改變了水沙條件,顆粒態(tài)磷大幅減少,溶解態(tài)磷有所增加,磷輸移形態(tài)的改變加劇了中下游總磷問題,并產(chǎn)生了系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[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(zhì)污染和富營養(yǎng)化潛在風(fēng)險增加;中下游顆粒態(tài)磷減少,改變了磷形態(tài)的分布,增加了環(huán)境脆弱性;下游淺水湖泊水體中磷超標(biāo)驅(qū)動了內(nèi)源循環(huán),加速了湖庫的富營養(yǎng)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(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

針對長江流域部分湖庫總磷污染處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的現(xiàn)狀,本文基于2018～2022年流域325個地表水國家重點(diǎn)水質(zhì)站的監(jiān)測數(shù)據(jù),開展了總磷污染時空特征研究與分析,主要結(jié)論如下。

(1) 總磷問題成為長江流域污染的首要超標(biāo)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(zhì)狀況總體較穩(wěn)定,穩(wěn)中向好。2020～2022年全年水質(zhì)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%?？偭资情L江流域主要污染物之一。2018～2022年各超標(biāo)斷面中,總磷出現(xiàn)超標(biāo)次數(shù)的斷面占超標(biāo)斷面的比例達(dá)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(dá)標(biāo);岷江與沱江總磷濃度尚不達(dá)標(biāo)。

(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(zhì)要求,洞庭湖、鄱陽湖、巢湖以Ⅳ類為主,滇池為Ⅴ類?？傮w來看,湖泊水體富營養(yǎng)化問題仍然存在。

3.2 建 議

(1) 完善長江流域水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系,加強(qiáng)總磷污染環(huán)境監(jiān)管力度。牢固樹立黨的二十大報告中關(guān)于“統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理,推動重要江河湖庫生態(tài)保護(hù)治理”理念,修訂涉磷工業(yè)行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn),對涉磷工業(yè)行業(yè)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(tài)環(huán)境質(zhì)量改善為核心轉(zhuǎn)變的態(tài)勢,加快完善長江流域水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系頂層設(shè)計。以重要湖泊為管控對象,以防控富營養(yǎng)化為目標(biāo),統(tǒng)籌河流、湖泊的總磷污染控制指標(biāo),突破現(xiàn)有河湖營養(yǎng)鹽管控不銜接問題[22]。同時,加快水環(huán)境風(fēng)險隱患排查整治,嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線,以提升水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、持續(xù)性為目標(biāo),統(tǒng)籌水資源水環(huán)境水生態(tài)“三水”共治,系統(tǒng)保障河湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù),持續(xù)推進(jìn)長江流域水環(huán)境質(zhì)量改善。

(2) 遵循“重點(diǎn)突出,多措并舉”的原則。以長江流域上游片區(qū)為重點(diǎn)控制單元,開展總磷污染綜合治理工作,推進(jìn)區(qū)域綠色協(xié)調(diào)發(fā)展,強(qiáng)化磷污染點(diǎn)面源綜合管控,開展小流域總磷污染整治,突出涉磷重點(diǎn)污染源的治理,加強(qiáng)涉磷行業(yè)規(guī)范化管理,控制磷污染負(fù)荷排放造成部分河段水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象。加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),防止城鎮(zhèn)生活污染源排放影響河流水質(zhì)狀況。解決生態(tài)流量不足加劇水污染的問題,切實(shí)減少總磷輸入。由于水污染治理導(dǎo)向不全面和污染源監(jiān)管措施不系統(tǒng),影響水質(zhì)同步改善。以汛期水質(zhì)惡化斷面為抓手,開展河(湖)溯源分析,推進(jìn)關(guān)鍵區(qū)域、時段面源綜合管控,強(qiáng)化對總磷等污染物的監(jiān)測調(diào)查及生態(tài)效應(yīng)評估,進(jìn)一步分析難以解決的深層次原因,通過完善頂層設(shè)計、強(qiáng)化行業(yè)監(jiān)管、規(guī)范市場運(yùn)行、優(yōu)化監(jiān)管體系、培訓(xùn)人才隊(duì)伍等方面措施,規(guī)范水利建設(shè)行為,完善行業(yè)監(jiān)管機(jī)制[23]。

(3) 加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,強(qiáng)化科技支撐。充分利用高校企業(yè)、科研院所的優(yōu)勢,集中科研力量,通過相關(guān)科技基金項(xiàng)目,聯(lián)合省、市、縣、鄉(xiāng)各級專業(yè)團(tuán)隊(duì),加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)控預(yù)警、水處理工藝技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域的交流合作。加快面源污染治理、高效除磷等技術(shù)成果的推廣與應(yīng)用,切實(shí)提高流域水環(huán)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(chǎn)、風(fēng)險防控[24]等技術(shù)的研究與創(chuàng)新,完善磷污染物監(jiān)測指標(biāo)、測定方法以及河湖總磷控制標(biāo)準(zhǔn)或閾值要求。針對富營養(yǎng)化問題,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬等方法,探究藻類增殖或改變藻類生長環(huán)境對藻類生物量的影響,規(guī)劃抑制支流水華的調(diào)度策略,構(gòu)建汛期、非汛期生態(tài)調(diào)度模型或者二維富營養(yǎng)化模型。重點(diǎn)發(fā)展高技術(shù)含量、高附加值的磷產(chǎn)品,增加專業(yè)技術(shù)人員投入,發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)園區(qū),鼓勵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整重組,形成綠色可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢。