三峽水庫蓄水前后洞庭湖區水環境演化過程研究進展

黃 韜， 張俊宏,2， 鄧志民， 陳 璐，王黨偉， 張 芹， 馮羅杰

(1.中南民族大學 資源與環境學院， 湖北 武漢 430074； 2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.長江水資源保護科學研究所， 湖北 武漢 430051； 4.華中科技大學 水電與數字化工程學院，湖北 武漢 430074； 5.中國水利水電科學研究院， 北京 100038； 6.湖北省交通規劃設計院， 湖北 武漢 430051)

1 研究背景

三峽大壩位于洞庭湖水系上游，洞庭湖水系由三口(原為四口，調弦口于1958年建閘堵塞)與長江相連。洞庭湖水系來水、來沙量主要由四水、三口(四口)匯入，研究區域如圖1所示。三峽工程2003年6月開始試驗性蓄水，并于該月蓄水至136 m，同年11月蓄水至139 m，2006年10月蓄水至156 m，2008年開始175 m的試驗性蓄水，在2010年10月26日首次蓄水至175 m。三峽有效庫容為393×108m3，約為長江干流徑流量的9.2%，由于水庫的調度影響，三口匯入洞庭湖水系的水量在不同調度時段發生了變化，主要表現為汛期入湖流量減少，枯水期入湖流量增加。三峽蓄水水位139 m對三口分流影響不大，蓄水至156 m三口年分流量減少7.7×108m3，蓄水至175 m使三口年徑流總量減少83.1×108m3，荊江干流中高流量決定了三口分流量，特別是大流量持續天數對三口分流量有著顯著影響[1]。三峽水庫汛期有明顯的削峰效應，汛期調度使得三口分流年徑流量年均值減少約29×108m3，而枯水期由于三峽水庫的補償調度，三口分流量增加了約為8×108m3[2]。此外，受極端天氣、上游梯級水庫調度等因素的影響，使得上游來水量減少，并且荊江河段受水庫清水下泄沖刷，導致河床下切、水位下降，進而使得三口分流量再度減少。水庫調節后不僅入湖水量發生了變化，入湖泥沙也同樣受到影響，三峽大壩攔蓄泥沙，下泄水流含沙量減少，因而三口分沙量也急劇降低，極大地改善了湖區多年淤積情況。王濤等[3]對湖區南咀等水文站來沙量進行了分析，通過1993-2002年與2003-2012年的多年平均含沙量對比，發現含沙量從0.426 kg/m3減少到0.136 kg/m3，并且在2006年蓄水至156 m時，多年平均含沙量減少到0.107 kg/m3。

湖區含沙量減少，透明度增大，水生植物光合作用增強促進植物生長，植物大量消耗水中溶解氧影響水生動物生長繁殖，從而影響洞庭湖區水環境變化。洞庭湖流域是湖南省重要的工農業生產基地，在城鎮建設過程中，每年向洞庭湖區排放的污水達到8×108t[4]。在工業上，湖區周圍造紙、化工、食品、紡織、冶金等工業排污量增大，荊江河段主要為化工、復合肥、熱電廠等向荊江連續排污，工廠廢水通常含Zn、Pb、Ni等重金屬，廢水排入水體中通過四水與三口分流匯入湖區導致水中營養物質、重金屬濃度增大，據統計，2014年洞庭湖生態區湖南部分工業廢水排放總量達28 162×104t/a，氮磷濃度分別以35、3 mg/L計算則總氮排放量為6 487.05 t、總磷為287.65 t；在農業上，大量使用農藥、有機復合肥等，且Cu、Zn、Cd常用作農藥添加劑，殘留的農藥在雨水或者水攜帶作用下進入河流，再匯入湖區中，進一步影響湖區水質，據統計，2014年湖區農業面源污染排放總氮、總磷分別為442.81、18.7 t/d[5-6]。由于三口分流入湖水量減少，湖區在春秋季發生不同程度的旱情，濕地出露時間提前且面積增加，湖區水生動植物與微生物死亡，降低了湖區水體環境容量與自凈能力[7-8]。在洪水期，出露的濕地被淹沒，動植物殘骸在水中分解與降解，大量消耗水中的溶解氧，導致水中溶解氧濃度降低，影響水生動植物的生長，對湖區水體水質產生嚴重影響[9-10]。在三峽蓄水影響下，洞庭湖多年水沙平衡被打破，調蓄功能下降，濕地系統受不同程度影響，湖區水環境問題日益凸顯，湖區水質治理已迫在眉睫。

圖1 洞庭湖流域區域圖

2 研究現狀

2.1 洞庭湖水系水體質量變化趨勢

近30年來，關于洞庭湖區水環境演化趨勢的研究成果不斷涌現，雖然對水質的分析方法和表征指標各有差異，但分析的內容相接近，均表明洞庭湖水質污染愈發嚴重。研究指出，洞庭湖區三個湖區富營養化程度逐年上升，2008-2015年，東洞庭湖區呈輕度富營養化，西、南洞庭湖湖區總體呈中營養水平，其中東洞庭湖水質富營養化程度上升顯著[11-12]。2003年經三峽工程蓄水調度之后，下游洞庭湖區的水質在汛期污染更加嚴重，水質各指標呈上升趨勢，總體仍處于中-富營養化程度，湖區水質從Ⅱ類水逐漸過渡到Ⅳ類水[13-19]，2005年監測數據發現Ⅴ類水與劣Ⅴ類水出現頻率增大，尤其是Ⅴ類水出現最多，雖然在枯水期水質有所改善，但仍有40%～70%的Ⅴ類水。王琦等[15]分析了1990-2012年出入湖水質監測數據，結果如圖2所示。

圖2 不同時期洞庭湖各類水質占比圖

由圖2可見，在三峽蓄水之后，湖區的水質下降明顯，Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水增多，Ⅱ、Ⅲ類水消失，污染加重，以卡爾森綜合營養狀態指數(TLI)等評價方法對湖區水質指標進行了評價，2008年-2010年的TLI指數呈上升趨勢，呈輕度富營養，說明湖區污染加重，水質變化形勢嚴峻。

2.2 三峽蓄水前后洞庭湖區水環境指標變化趨勢

大量學者對湖區水質的主要表征指標TP、TN等進行了深入的分析[20-22]?？偟?、總磷年際變化如圖3所示，1990-2002年，TN呈現上下波動狀態，TP呈波動上升趨勢[23]。在三峽蓄水期(2003-2008年)，TN指標呈波動上升趨勢，但在2008年至2012年呈現出劇烈的上升的趨勢。 TP在三峽蓄水前波動上升，于2008年達到峰值，在2008-2012年呈下降趨勢。磷主要是附著于泥沙表面，隨泥沙入湖，三峽蓄水后下泄泥沙減少，三口分流入湖泥沙也大幅減少，因此TP呈下降趨勢，但湖區水體總磷指標仍處于較高水平?？偟偭字饕獊碓礊樗乃拥乐袇R集的生活、生產排污水、農業殘留農藥、化肥被雨水沖刷進入水體，導致四水入湖水體中含有大量溶解態的氮磷，使得湖區總氮總磷含量增加，且湖區整體氮磷的污染以面源污染為主[7]。此外，重金屬污染在有關部門的整治之下，污染程度遠遠小于上述兩大指標。特別在三峽蓄水以后，庫區重金屬污染在靠近壩前河段水質得到明顯改善，對比庫區清溪場、奉節兩斷面水質TP、TN、CODMn、Pb、Cu、Cd等指標發現TP、CODMn、Pb、Cu的含量沿程降低，其使得下泄水流水質也得到了改善[24]。畢斌[6]對湖區重金屬污染研究指出，湖區Zn、As、Cu、Ni、Pb、Cr、Cd、Hg等重金屬指標中，并未在水體中檢測出Hg，且其余金屬含量均低于地表水環境質量Ⅲ類標準值，但重金屬污染物大多數吸附于顆粒物體，并于流速緩慢區域沉積于底泥中，研究表明湖區沉積層中Cd、Zn、Hg 超標嚴重；在2003-2013年，沉積層中Cd、As、Pb、Cu、Cr 含量呈波動上升的趨勢，Cr在湖區沉積物中的含量由2003年100 mg/kg增長到2013年140 mg/kg，因此重金屬污染物的含量應根據底泥沉積物以及表層水體兩個方面進行評價。

圖3 洞庭湖區水質總氮、總磷濃度年際變化圖

湖區水情變化同樣影響到湖區藻類生長，藻類的豐富程度能夠在一定程度上反映水體的富營養狀態。藻類中含有葉綠素a，葉綠素作為衡量水體中藻類數量豐富程度的重要指標，同樣也是反映水質狀況的一個重要指標。洞庭湖區水體葉綠素含量與水體總氮、總磷含量呈正相關，當湖區水體氮磷濃度呈增大趨勢，葉綠素a指標也隨之增高，湖區葉綠素a指標還具有一定的季節變化特性，呈現出夏季含量最大，春季最小的特點，且湖內各區域水體葉綠素含量也有所差異，其中東洞庭湖高于西、南洞庭湖[25-27]。三峽蓄水攔沙，入湖沙量減少，湖區水體透明度增加，四水水體含大量氮磷污染物注入洞庭湖區，增加了藻類生長所需營養物質與光照條件，有利于藻類的繁殖，因此也加速了湖區水質的惡化[28-31]。此外，不僅湖區水體水環境受到影響，湖區濕地系統水環境問題也日益突出，李有志等[9]采用了非參數統計檢驗法(Mann-Kendall)對洞庭湖濕地水環境指標進行了趨勢分析，結果表明濕地系統TP、TN指標與湖區水體TP、TN指標同樣呈上升趨勢，COD、BOD5等水體指標也呈上升趨勢，濕地環境整體水質下降。

2.3 湖區濕地生態系統環境現狀

在三峽大壩的調蓄作用下，入湖水量在汛期有所減少，枯水期增多，但三口斷流天數有所增加[32-34]。三峽蓄水運用以后，三口分流量減少，湖區濕地系統受到影響，湖區水位下降，濕地提前出露，導致濕地土壤開裂，濕地植物枯萎死亡[35-38]。湖區濕地生態系統平衡的破壞，對湖區水質也產生了一定程度的影響。湖區濕地出露對土壤潛育化、血吸蟲病傳播、釘螺的繁殖擴散也產生了不同程度的影響。三峽蓄水后使得枯水期提前，濕地、灘地出露時間也隨之提前，加快了釘螺繁衍、血吸蟲病傳播，釘螺繁殖加快直接影響湖區周圍農業生產，血吸蟲病也會對人們的健康造成嚴重威脅[39-41]。同時，三峽水庫調蓄對洞庭湖濕地的生態結構變化還產生了一定的影響，三峽蓄水減少了湖區泥沙的淤積量，泥沙灘地面積明顯減少，各類灘地相互轉化，旱地大面積轉化為水田，水體面積減少，泥沙灘地轉變成旱地，水田轉換成苔草灘地，灘地的相互轉化促使著植被群落的演替。入湖水量減少，蘆葦等水生植物群落向前推進，促進湖區植被群落的正向演替[37,42]。此外，洞庭湖作為國家級的濕地自然保護區，其湖區濕地生態系統具有很強的景觀效應，其服務價值亦不容忽視[43-44]。因此，三峽蓄水影響下的湖區濕地生態系統修復與保護問題十分重要，需要得到相關管理部門的高度重視。

3 主要水質指標變化成因分析

3.1 重金屬含量

湖區周圍為居民區和工農業基地，城鎮化過程中會產生大量的生活污水以及工業廢水，污水、廢水排入水體造成水體污染，其中連接洞庭湖區的四水流域承接了大量的工農業污水排放，是湖區重金屬污染物的主要來源。重金屬污染物進入湖區后一部分隨水流流向下游，一部分附著于泥沙表面在流速變緩處沉積富集。經三峽調蓄后，經三口進入洞庭湖的江水含沙量大幅降低，湖區多年淤積情況發生變化，湖區泥沙在汛期淤積、非汛期沖刷[45-46]。三峽蓄水前湖區在長期淤積的情況下底泥重金屬含量豐富，在蓄水后沖刷過程中，底泥中的重金屬污染物再懸浮、溶解于水中或吸附于泥沙表面，增大了水體重金屬污染物濃度。在湖區底泥沖淤發生變化情況下，不同時期底泥對湖區水質重金屬指標也發生變化。張光貴[47-48]以加拿大安大略省保護和管理淡水水生環境沉積物質量評價標準對洞庭湖區沉積層中的重金屬生態評價指標進行評測，結果指出Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr等金屬對生態環境風險較低，但部分湖區的Cd、As有較高的生態環境風險，因此，在湖區底泥沖刷情況下，湖區水質重金屬指標對湖區生態環境風險同樣存在著影響。而萬群等[16]認為重金屬污染物中Cu是對生態風險貢獻最大的指標，并指出除Cu外其余重金屬含量未超過國家標準。湖區重金屬污染物擴散傳輸不僅受到四水工農業污水匯入影響，還與荊江河段工業排污口連續排污密切相關[49-50]。荊江沙市河段分布的石油化工廠、熱電廠煉油車間以及氮肥廠等生產產生的廢氣經降雨作用流入水體，荊江河段還排布著各城市工廠的排污口，連續向江中排污，造紙廠排污帶有砷污染物，化肥廠排污帶有銅污染物，經三口分流匯入洞庭湖區。此外，荊江河段和洞庭湖航線作為我國長江黃金水道的重要組成部分，長江航運船舶每年產生污油約為6×104t[51-52]，船舶運行時產生的污染物排入水中，對湖泊水質的影響亦不能忽視。上游來水經三峽調蓄后，枯水期下泄補水，三口分流入湖水量增加，所攜帶污染物增多，但湖區水環境容量增大，湖區整體重金屬污染情況有所好轉，在汛后蓄水期，由三口分流入湖水量減少，湖區水環境容量減小，但三口分流與四水入匯所攜帶污染物共同作用下，湖區重金屬污染物濃度反而上升，因此三峽調度在一定程度上改變了湖區水質的季節特征[7,51]。因此為降低洞庭湖重金屬風險，各生產排污部門應該嚴格把控排污水中的重金屬污染物濃度，也有學者提出改進工廠工藝技術，減少重金屬污染物的排放。

3.2 總氮及總磷含量

三峽蓄水運用以后，大量泥沙被攔蓄在庫內，因此吸附于泥沙表面的磷等污染物同樣也被攔蓄其中，同時分流入湖氮磷等污染物也隨泥沙減少而減少，因而由干流水質變化而引起湖區水質惡化的情況得到一定程度遏制，但湖區總磷指標仍處于超標狀態。這是因為湖區總氮總磷濃度調控的主要因素是湖區周圍城鎮鄉村工農業地區氮磷污染物的排放量。三峽蓄水減少入湖沙量在一定程度上降低了總磷濃度， 但在湖區周圍城鎮化快速發展過程中，企業發展迅速，農業需水量增大，城鎮生活用水增多，排放的水中氮磷污染物大量增加，同時洪水或降雨將沿岸農業殘留肥料沖刷入湖，也大幅增加了水體氮磷含量[20-21]。此外，氮磷污染物還由荊南三口分流匯入湖區水體，荊江河段排布了大量冶金、化學、紡織、造紙廠的排污口，由排污口向河流連續排放工業廢水，廢水中含有大量的氮磷化物，枝江、荊州、公安等城市工廠連續向水體排放廢水，排放流量在0.0061～0.6200 m3/s不等，主要排放的污染物為氮磷、砷、銅、懸浮物、BOD、COD等，不僅增加了水體氮磷含量，也增大了水體的生化需氧量、化學需氧量，需氧量增大，水體中的溶解氧含量降低[53]?？傊?，造成洞庭湖水環境的總氮總磷超標的主要原因是農業殘留肥料沖刷入湖的面源污染以及各工廠排污口排放廢水的污染。圖4為2014年洞庭湖工業、農業、生活污水排放總量統計圖，由圖4可知湖區總氮總磷污染物主要由生活污水排放以及農業污染物排放占主導地位。因此應大力控制湖區周邊工農業排污，或提高污水處理能力，減少污染物的排放。

圖4 2014年洞庭湖各部門總氮總磷排放總量統計圖

湖區總氮總磷含量的變化直接反映在其表征指標的變化，如葉綠素a含量逐年上升，其中東洞庭湖葉綠素a含量大于西、南洞庭湖。主要原因是東洞庭湖緊鄰岳陽市，承納較多的工農業廢水以及生活污水，而污水、廢水中氮磷含量較高，水體氮磷濃度增大，補充了藻類生長所需營養元素，生長環境改善，營養物質充足，促使藻類大量繁殖，進而葉綠素a含量上升。此外，TN、TP變化還受到三峽蓄水湖區來沙量減少的影響。三峽蓄水后，湖區含沙量也有所降低，水體透明度增大，有利于藻類的光合作用，加快藻類繁殖。同時，三峽水庫蓄水后江湖關系發生變化，洞庭湖湖區水質更新周期變長，藻類可利用的氮磷等營養物質在湖中富集、濃度增大，也致使其繁殖加快，導致葉綠素a含量上升。目前湖區尚未發生水華現象，其原因之一是三峽水庫調蓄運行加快了局部湖區水體流速，水體流速增大將藻類隨水流帶到下游，分散了藻類的生存環境，使得藻類生長受到抑制[54]。

4 存在的問題及展望

洞庭湖湖區承接荊江三口、四水的來水，三峽工程的調蓄下，湖區水環境變化情勢復雜，總氮總磷指標變化不容樂觀，水文條件變化對水環境變化影響較大，洞庭湖水環境進行治理面臨重大挑戰。三峽蓄水減少三口分流量，入湖水量減少同時降低洞庭湖水環境容量，湖區周圍城鎮持續向水體排污，影響洞庭湖水質，為對洞庭湖水環境進行治理，應對湖區進行更全面細致的分析，精確評價湖區水環境現狀。湖區水環境研究現存問題主要有：

(1)三峽蓄水后，湖區沖淤情況發生變化，缺乏不同時期底泥沖淤的定量分析，難以確定沉積層中污染物再懸浮對水環境的風險分析。

(2)三峽蓄水后，湖區水情發生變化，在三峽不同的調度形式之下，尚未見到對各部門用、排水量變化的研究和分析，湖區周圍工農業以及生活用水量發生變化，排污量同樣受到影響，入湖水量減少同時降低了水環境容量，在水環境容量發生變化時，各用水部門排污量應有定量分析，以減少對湖區水環境的影響。

(3)對湖區水質進行評價時，缺乏系統全面和統一的評價標準，各學者的評價指標以及評價方法迥異，導致對湖區水環境評價分析結果有所差別，這將影響有關部門對湖區水體治理的決策。

(4)三峽蓄水運用后，湖區生態濕地系統遭受了不同程度的破壞，目前仍缺乏水環境、水生態惡化的細致評估指標體系以及恢復生態系統的有效整治措施。

(5)湖區氮磷污染物主要來源為生活用水以及農業排污水，水環境治理應從源頭治理，如何有效減少生產、生活污染水，降低排污水體中污染物濃度，實現在不同水文條件下湖區廢水排放量的管控?？傊?，在研究湖區水環境變化過程時，應注意湖區污染源的調查，不同水文條件下湖區污染物狀態的異同點，以及不同用水部門之間用排水量的變化等，這些因素對湖區水環境變化影響較大。

荊江-洞庭湖區由眾多水系共同影響，確切評價其水質及其污染來源十分困難。污染物在時空分布上發生變化，且各污染物在不同環境的降解和容量也有所差異。人類活動頻繁導致了污染物來源的不確定性，且河道不斷發生沉積、沖刷，動態變化難以確定。湖區在不同沖淤條件下引起湖區底泥污染物的再懸浮，因此，在對湖區水環境進行研究時，應加強監測的頻率，采用多點源采樣分析，分析污染物來源，確定水質動態變化過程。同時根據三峽水量調度規則，優化各部門的用水、排污過程，提高水資源的利用效率，降低排放廢水的污染物濃度。此外，三峽水庫運行的調度方式不同，對湖區水環境影響也不一致，因此在治理湖區水環境問題時，還需結合三峽水量調度規則，對湖區水質水環境進行治理，實現湖區水量水質的綜合調控。