三峽庫區典型支流水質污染現狀及水生態承載力分析

蘆秀青，劉偉，馬志剛，陳莎莎，吳曉

摘要：為探究三峽庫區典型支流水質污染現狀和水資源生態承載力，以童莊河、神農溪、大寧河、漢豐湖和草堂河為對象，于2020年9月（蓄水前）和10月（蓄水后）進行水樣采集和分析，并通過綜合水質標識指數法進行水質評價。同時依據流域所在區縣2020年的統計年鑒、水資源公報和生態環境統計公報對流域水資源生態足跡和生態承載力進行分析。結果表明：三峽庫區典型支流9月份水質評價結果為Ⅱ類和Ⅲ類水，而在10月份其評價結果為Ⅲ類和Ⅳ類水，兩個月份均以大寧河水質最佳。5個典型支流均為生態盈余狀態，其中大寧河的生態盈余最大（796.42萬hm2），其余依次為神農溪（774.08萬hm2）、草堂河（724.26萬hm2）、漢豐湖（384.90萬hm2）和童莊河（352.17萬hm2）。草堂河和漢豐湖水資源負載系數分別為2.739和4.383，等級為Ⅲ級，水資源利用程度和開發程度均為中等，而其余3個典型支流的負載系數對應等級為Ⅱ級，水資源利用程度較低，水資源開發較容易。研究結果可為三峽庫區典型支流水資源的開發和管理提供基礎數據，支撐流域保護的重大戰略。

關鍵詞：典型支流； 水質評價； 生態足跡； 生態承載力； 三峽水庫

中圖法分類號：X171.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.016

文章編號：1006-0081（2024）03-0096-08

0引言

自2010年10月三峽水庫試驗性蓄水成功達到正常蓄水位175 m以來，庫區的支流由天然河流變為水庫型河流，水體自凈過程受阻，支流富營養化現象頻發［1-2］。水體富營養化的主要原因是營養物質的過量輸入，從而導致水體碳、氮、磷元素超標，引起浮游藻類的過度生長。此外，變成水庫型河流后，水體更新周期變長，自凈作用減弱，水生態系統穩定性變差，極易受到水污染的影響。因而，分別于豐水期和蓄水期對三峽庫區支流的水質現狀進行評價，有利于對其富營養化的預警和預防。

水質參數評價是水污染狀況評估的基礎，研究者們開發了一系列方法來進行水質評估［3-6］，包括單因素評估法（SF）、綜合污染指數法（CPI）、水質指數（WQI）和綜合水質標識指數法（CWQII）。在這些方法中，CWQII不僅可以對被評估水體進行分類，還可對同一類別水體的水質進行定量比較［4］。此外，CWQII主要依據GB 3838-2002《國家地表水水質標準》進行分類。因此，該方法可在時空尺度上對水質進行比較。

已有研究主要集中在三峽庫區支流的水環境狀況、營養狀態時空變化和水質污染影響因素分析［7-9］，而少有研究關注三峽庫區典型支流的水資源生態足跡和生態承載力的大小。許典子等［10］研究了三峽庫區2002～2016年的水資源生態足跡的時空變化趨勢。通過水資源生態足跡模型可分析重要經濟區域和流域的水資源生態狀況［11-13］，從而為重要的水利工程如三峽工程和南水北調工程提供數據支撐。此外，水資源生態足跡還可作為引江濟淮工程水源地生態補償標準的重要參考［14］。水資源生態足跡和生態承載力研究可為水利戰略規劃和方案提供參考，因而有必要對三峽庫區支流的生態承載力進行研究，從而為流域保護、修復和管理提供支撐。

1研究區概況

1.1典型支流選取

根據《長江三峽工程生態與環境監測公報》，2011～2020年發生水華的支流維持在12條左右，其中包括童莊河、神農溪、大寧河、草堂河等典型湖盆型流域［15］。此外，巴東縣神農溪為國家5A級旅游景區、引江補漢工程的比選源頭之一，開州區漢豐湖是三峽庫區最大的庫中湖，也是開州區三峽庫區移民安置重點區域。

綜合考慮治理緊迫性（水華發生頻率）、功能重要性（自然保護區、重要水源地）和利益相關性（重要移民安置區）等方面，本次選取秭歸縣童莊河、巴東縣神農溪（平陽壩濕地）、巫山縣大寧河（大昌湖）、奉節縣草堂河（草堂湖）、開州區漢豐湖等5條典型湖盆型流域為對象，開展流域水質現狀調查和水資源生態承載力分析。

1.2典型支流概況

童莊河流域位于秭歸縣南部、長江西陵峽南岸、三峽工程壩上庫首，童莊河發源于郭家壩鎮云臺荒北麓羅家坪村桃樹埫，河道全長36.9 km，流域面積248 km2。流域屬亞熱帶季風氣候區，雨量充沛。

神農溪流域位于巴東縣正北側，為長江左岸的一級支流，發源于神農架林區南麓下谷坪的石門洞，干流全長60.6 km，流域面積1 047 km2［8］。流域屬亞熱帶大陸性季風濕潤氣候區，具有明顯的垂直分布差異，多年平均降雨量1 400 mm。

大寧河為長江左岸一級支流，發源于大巴山東段南麓巫溪與城口交界的光頭山一帶，流域全長181 km，總面積4 366 km2。流域屬亞熱帶暖濕季風氣候區，多年平均降雨量1 124 mm［16］。

草堂河屬長江一級支流，發源于奉節與巫溪二縣交界處山岡，干流全長33.3 km，流域面積394.8 km2［17］。流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫和年降雨量分別為19.1 ℃和1 151.2 mm。

漢豐湖位于開州區小江烏楊橋水位調節壩以上，是三峽水庫蓄水后形成的人工湖，流域面積2 534.70 km2［9］。流域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均降雨量1 385 mm［18-19］。

2研究方法

2.1污染現狀分析和評價

2.1.1樣品采集和分析

分別于2020年9月（豐水期）和10月（蓄水期）對童莊河、神農溪、大寧河、草堂河和漢豐湖進行表層水樣采集，其中，草堂河流域設置5個采樣點，其余4個流域均設置4個采樣點，采樣點的位置和分布如圖1所示。將采集好的水樣保存于100 mL的塑料瓶中，然后立即帶回實驗室進行分析。分析的水質指標包括水溫（WT）、pH、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、葉綠素a（Chla）、總氮（TN）、總磷（TP）和氨氮（NH+4-N）。其中，WT、pH和DO通過水質多參數YSI Professional Plus水質分析儀測量。水樣CODMn通過GB 11892-1989《水質高錳酸鹽指數的測定》酸式滴定管（50 mL）滴定的方法測定。水樣Chla（SL 88-2012《丙酮提取-分光光度法》）、TN（HJ 636-2017《堿性過硫酸鉀消化-紫外分光光度法》）、NH+4-N（HJ 535-2009《納氏試劑分光光度法》）、TP（GB 11893-1989《鉬銻抗分光光度法》）的濃度經過標準方法預處理后用紫外-可見光分光光度計測定。

2.1.2污染現狀評價

本研究采用綜合水質標識指數法［20-21］對水質指標進行評價，評價標準為GB 3838-2002《地表水環境質量標準》，評價指標為綜合水質標識指數（P），其分級標準參照顧曉昀等［22］的研究，即當1.0≤P≤2.0時為Ⅰ類水，2.07.0為劣Ⅴ類且黑臭。

2.2水資源生態足跡和生態承載力分析

2.2.1分析方法

2.2.1.1水資源生態足跡

水資源生態足跡反映了在特定時間內人類生存發展對水資源的消耗量，通過將其轉化為生產性土地面積來量化，一般可分為水污染生態足跡和淡水生態足跡兩個部分。其中，淡水生態足跡可分為生產用水、生活用水和生態用水3個部分，計算公式參照黃林楠等［23］的研究。水污染生態足跡包括對COD、NH+4-N和TP降解所需的水資源量，取其最大值，計算參照洪輝等［24］和劉子剛等［25］的研究。其中，COD的綜合降解系數取0.01 d-1，NH+4-N和TP的綜合降解系數均取0.008 d-1［26-27］，COD、NH+4-N和TP的目標濃度分別為20，1.0和0.2 mg/L（湖庫0.05 mg/L）。

2.2.1.2生態承載力

水資源生態承載力反映了在特定時間特定區域內水資源量供當地人口、經濟和社會可持續發展的承載能力，根據相關研究，其占水資源量的上限為40%［23，28］。

2.2.1.3生態盈虧

通過生態盈虧即生態承載力與生態足跡的差值，反映流域水資源利用狀況［10］。正值表明生態承載力大于生態足跡，為生態盈余，水資源可持續利用；負值表明生態足跡大于生態承載力，為生態赤字，水資源短缺，發展不可持續。

2.2.1.4萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡為水資源生態足跡與GDP的比值［13］，主要用于衡量水資源利用效率，其數值越大，表明當地水資源利用效率越低；反之，則表明當地水資源利用效率越高。

2.2.1.5水資源負載系數

水資源負載系數綜合考慮了地區的水資源總量、降水、人口和經濟生產總值，其值可反映當地的水資源利用狀況，并能對未來的水資源開發難易程度進行評價，其計算公式參照岳晨等［11］和賈詩琪等［12］的研究。

2.2.2數據來源

水資源生態足跡和生態承載力評價所用的數據均來源于童莊河、神農溪、大寧河、漢豐湖和草堂河流域流經的重慶、恩施、宜昌3個城市2020年的統計年鑒、水資源公報和生態環境統計年報，采用內插法和平均法來補全個別缺失的數據。

3結果與討論

3.1水質狀況和評價

3.1.1水質狀況

各典型流域不同月份的水質指標如圖2所示，各流域的透明度范圍為20～130 cm，10月份的透明度均高于9月份，其中神農溪和草堂河透明度提升明顯，分別提高了81.25 cm和49 cm，其余3個流域則在兩個月份均保持較高的透明度。各流域的水溫范圍為21.2～33 ℃，9月份水溫則均高于10月，其平均溫差為6.4 ℃。5個流域的pH范圍為7.6～8.9，水質均呈弱堿性，其9～10月的pH變化無明顯規律。各流域的DO范圍為5.2～8.9 mg/L，DO均處于較高值，且有的位點甚至達到DO過飽和狀態；10月份的DO值相對于9月份有所波動，但均不超過0.6 mg/L。各流域的Chla濃度范圍為4.2～12.7 μg/L，9月份各流域的平均Chla濃度均高于10月份。各流域CODMn濃度范圍為1.1～18.8 mg/L，9月份和10月份的CODMn濃度相差不大，其變化量均小于0.9 mg/L。各流域TN、TP和NH+4-N的變化范圍分別為0.36～3.36 mg/L，0.01～0.88 mg/L和0.04～1.5 mg/L，各指標9月份的濃度均小于10月份，其中神農溪TN濃度增長幅度最大，平均增加了0.92 mg/L。對于TP和NH+4-N濃度，童莊河9月到10月的增長幅度較大，其平均值分別增加了0.57 mg/L和0.23 mg/L。

相比于9月份，10月份透明度明顯提升，而Chla濃度明顯下降，表明透明度的提升部分依賴于藻類的減少。此外，隨著溫度的下降，飽和DO呈現出上升的趨勢，而本研究中，10月份相對于9月份其DO出現波動而無明顯變化規律，表明DO不僅受到溫度影響，還與其他因素有關。當地表水COD濃度較高時，其自凈降解需要消耗更多的溶氧，因而CODMn濃度的變化一般與DO相反，在本研究中，除童莊河流域外，其余流域均呈現出此種趨勢，表明地表水DO也受到CODMn濃度影響。各流域NH+4-N濃度在TN中的占比在9月份和10月份分別為16.32%和16.96%，表明地表水中NH+4-N占比較低。9，10月份NH+4-N占比最低的分別為童莊河（9.26%）、神農溪（5.08%）。此外，從9月到10月，TN和TP濃度的升高還可能與Chla濃度的下降相關，藻類的降解會直接導致地表水中TN和TP濃度的升高。

通過不同水質指標的相關性分析（圖3），可以發現水溫與透明度呈顯著的負相關關系（-0.454，P=0.003），這可能是由于較高的水溫適宜于浮游動植物生存，從而導致透明度的下降，然而水溫與Chla的相關關系不顯著（P=0.238）。Chla與TP（-0.433，P=0.004）和NH+4-N（-0.371，P=0.016）呈顯著的負相關，這主要是由于浮游藻類降解后，N，P釋放到水體中，從而提高了地表水TP和NH+4-N含量。此外，水溫與TN（-0.455，P=0.002）和TP（-0.638，P<0.01）呈顯著的負相關關系，這主要因為較高溫度下，水生植物生長旺盛，營養鹽消耗較高，微生物的降解作用也較強，促進了營養鹽在生物體內的循環；而在溫度較低時，營養鹽消耗較慢，此時水體中的微生物降解作用也減弱，導致此時TN，TP濃度較高。

3.1.2水質評價

根據綜合水質標識指數法，各流域9月和10月的評估結果如圖4所示。其中，9月份各流域的綜合水質標識指數變化范圍為2.35～3.30，主要為Ⅱ類和Ⅲ類水，其中大寧河水質最佳。10月份，各流域的綜合水質標識指數變化范圍為3.06～4.32，分別為Ⅲ類和Ⅳ類水，其中以大寧河水質最佳，其次為神農溪，漢豐湖，童莊河和草堂河。相比于9月份，10月份各流域水質惡化一個級別。

根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》，9月份各流域評價為Ⅳ類水及其以下級別的點位占76.19%，其中評價為Ⅴ類水的點位占23.81%，評價為劣Ⅴ類水的點位占19.05%。10月份各流域評價為Ⅳ類水以及其以下級別的點位占100%，其中評價為Ⅴ類水的點位占19.05%，評價為劣Ⅴ類水的點位占71.43%，且主要污染指標為TN，TP。對于綜合水質標識指數，9月評價為Ⅲ類水及其以上級別的點位占95.24%，其中評價為Ⅱ類水的點位占61.90%，評價為Ⅰ類水的點位占4.76%。10月份評價為Ⅲ類水及其以上級別的點位占61.90%，其中評價為Ⅲ類水的點位占38.10%，評價為Ⅱ類水的點位占23.81%。9月和10月的平均水質級別分別為Ⅱ類（2.85）和Ⅲ類（3.76）。由此可見，單一的水質指標評價與綜合水質標識指數法的評價結果相差甚遠。相比于單一的水質評價指標，綜合水質標識指數綜合考慮了多項指標的權重，且能在不同流域間進行定量比較，因而其評價結果優于單一的指標評價。面對日益復雜的流域環境，水質綜合評價逐漸成為優先選擇［29-30］。

3.2水資源生態足跡和生態承載力分析

3.2.1水資源生態足跡分析

三峽庫區典型支流的生態足跡如表1所示，在淡水生態足跡中，生產用水生態足跡最高（占比59.12%～76.60%），其次為生活用水（占比21.67%～39.78%）和生態用水（占比1.10%～1.76%）。水資源生態足跡中，以水污染生態足跡為主，其占比為68.91%～87.14%。在各個典型流域中，漢豐湖的水資源生態足跡最大（310.12萬hm2），其次為草堂河（58.93萬hm2）和大寧河（35.77萬hm2），神農溪的水資源生態足跡最?。?3.45萬hm2）。淡水和水污染生態足跡在流域間的變化趨勢與水資源生態足跡一致，即漢豐湖的淡水和水污染生態足跡最大，分別為39.88萬hm2和270.24萬hm2，其次為草堂河（16.70萬hm2和42.23萬hm2）、大寧河（10.45萬hm2和25.32萬hm2）、童莊河（9.98萬hm2和22.90萬hm2）和神農溪（7.29萬hm2和16.16萬hm2）。

對比湖北省水生態足跡［12］，其水資源生態足跡以淡水生態足跡為主，其淡水生態足跡甚至比水污染生態足跡高100倍，這主要與其較高的生產用水量和較大的污染物綜合降解系數相關。本研究中的5個流域均位于三峽庫區，工業生產較為薄弱，因而生產用水較少。此外，受到三峽蓄水的影響，其污染物綜合降解系數也受到較大削減［27］，從而導致本研究中水資源生態足跡以水污染生態足跡為主。許典子等［10］的研究也發現三峽庫區各縣區2002～2016的淡水生態足跡以生產用水生態足跡為主，然而其淡水生態足跡卻高于水污染生態足跡，這與其相對較高的COD綜合降解系數取值（0.1 d-1）相關，而在小江和漢豐湖的相關研究中其取值分別為0.007～0.016 d-1和0.004 d-1［26-27］。本研究綜合考慮三峽水庫蓄水的影響，COD綜合降解系數取值為0.01 d-1，因而導致其與本研究中淡水和水污染生態足跡數量關系呈相反的趨勢。

水資源生態足跡在流域間的變化趨勢與縣區的GDP變化相一致，同時其人口在流域間的變化趨勢也與淡水生態足跡較一致，僅童莊河和神農溪的變化趨勢相反，表明淡水生態足跡與流域人口和經濟社會發展有密切關系。漢豐湖流域人口最多，GDP最高，且為湖泊型流域，因而其TP目標濃度更低，所需的稀釋水量最大，水污染生態足跡最高。同時重慶庫區流域的水資源生態足跡均高于湖北庫區流域，這與重慶的人口和經濟社會發展水平相關。此外，本研究中計算水污染生態足跡時選取的污染物指標包括COD、NH4+-N和TP，綜合考慮了有機物和營養鹽的稀釋降解情況，其結果更具有科學意義和價值。

3.2.2水資源生態承載力和生態盈虧分析

根據水資源總量和產水模數，得到典型流域的水資源生態承載力（表2），其中大寧河的水資源生態承載力最高（832.19萬hm2），其次為神農溪（797.53萬hm2），草堂河（783.19萬hm2）和漢豐湖（695.02萬hm2），童莊河的水資源生態承載力最?。?85.05萬hm2），由于除童莊河外，各流域的水資源總量相差不大，因而水資源生態承載力的變化趨勢主要與產水模數密切相關，流域間產水模數的變化趨勢為大寧河（11 560 m3/hm2）>神農溪（10 850 m3/hm2）>草堂河（9 540 m3/hm2）>漢豐湖（9 131 m3/hm2）>童莊河（8 690 m3/hm2）。對5個流域進行水資源生態盈虧分析發現均為生態盈余狀態，這與許典子等［10］的研究結果一致。對湖北省水資源的生態盈虧分析發現，其從2005～2018年均處于生態盈余的狀態［12］，表明三峽庫區水資源生態承載力較大，水資源豐富。

3.2.3萬元GDP水資源生態足跡和水資源負載系數分析

典型支流的萬元GDP水資源生態足跡如表2所示，漢豐湖的萬元GDP水資源生態足跡最大（0.579 hm2），而草堂河的萬元GDP水資源生態足跡最低（0.182 hm2），表明漢豐湖流域水資源利用效率最低，而草堂河的水資源利用效率最高。對于水資源負載系數，草堂河和漢豐湖負載系數分別為2.739和4.383，等級為Ⅲ級，水資源利用程度和開發程度均為中等，而其余3個典型流域的負載系數對應等級為Ⅱ級，水資源利用程度較低，水資源開發較容易，表明大寧河、神農溪和童莊河水資源豐富，具備較大的開發潛力，應加大對其水資源的開發和利用。

4結論

（1） 三峽庫區典型支流的Chla濃度范圍為4.2～12.7 μg/L，CODMn濃度范圍為1.1～18.8 mg/L，TN、TP和NH+4-N的變化范圍分別為0.36～3.36 mg/L，0.01～0.88 mg/L和0.04～1.5 mg/L。

（2） 三峽庫區典型支流9月份綜合水質標識指數變化范圍為2.35～3.30，評價結果為Ⅱ類和Ⅲ類水，而在10月份，各流域的綜合水質標識指數變化范圍為3.06～4.32，評價結果為Ⅲ類和Ⅳ類水，兩個月份均以大寧河水質最佳。

（3） 三峽庫區典型支流水資源生態足跡以水污染生態足跡為主（68.91%～87.14%）。從支流分布上看，漢豐湖的水資源生態足跡最大（310.12萬hm2），神農溪的水資源生態足跡最?。?3.45萬hm2）；而大寧河的水資源生態承載力最高（832.19萬hm2），童莊河的水資源生態承載力最?。?85.05萬hm2）。

（4） 對于萬元GDP水資源生態足跡，漢豐湖的萬元GDP生態足跡最大（0.579 hm2），而草堂河的萬元GDP生態足跡最低（0.182 hm2）。對于水資源負載系數，草堂河和漢豐湖負載系數對應等級為Ⅲ級，水資源利用程度和開發程度均為中等，而其余3個典型流域的負載系數對應等級為Ⅱ級，水資源利用程度較低，水資源開發較容易。

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（編輯：李晗）

Water pollution status and ecological capacity of typical tributaries in Three Gorges Reservoir area

LU Xiuqing，LIU Wei，MA Zhigang，CHEN Shasha，WU Xiao

（ChangJiang Ecology （Hubei） Technology Development Co.，Ltd.，Wuhan 430071，China）

Abstract：?To explore the water pollution status and ecological capacity of typical tributaries in Three Gorges Reservoir area，water samples from Tongzhuang River，Shennong River，Daning River，Hanfeng Lake and Caotang River in September （wet season） and October （impoundment season） in 2020 were collected and analyzed.The water quality was evaluated by comprehensive water quality identification index method.The ecological footprint and ecological capacity of the basin were analyzed according to the 2020 yearbook，water resources bulletin，ecological environment statistical bulletin of the county near the basin was located.The results showed that the water quality of typical tributaries in the Three Gorges Reservoir area were Class Ⅱ and Class Ⅲ in September，and Class Ⅲ and Class Ⅳ in October.The water quality of Daning River was the best.All the five river basins had ecological surplus，among which Daning River had the largest ecological surplus of 7.96 million hectares，followed by Shennong River （7.74 million hectares），Caotang River （7.24 million hectares），Hanfeng Lake （3.85 million hectares） and Tongzhuang River （3.52 million hectares）.Among the five typical tributaries，the water resources load index of Caotang River and Hanfeng Lake were 2.739 and 4.383，respectively，the grades were classified as Class Ⅲ，and the degree of water resources utilization and development was medium，while the other three typical tributaries have load indexes corresponding to class Ⅱ which indicated low degree of water resources utilization degree and easy water resources development.The results can provide basic data for the development and management of typical tributaries in Three Gorges Reservoir area，and support the major strategy of watershed protection.

Key words：?typical tributaries； water quality assessment； ecological footprint； ecological capacity； Three Gorges Reservoir