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1、近18年长江干流水质和污染物通量变化趋势分析摘要: 长江是我国第一大河，2000年以来长江流域水环境形势发生了巨大变化，长江水质现状及其变化和原因备受关注.采用水质、水量、污染物通量、污染负荷等多要素综合分析方法，研究了近18年长江干流水质和污染物通量的时空分布、变化趋势及原因.结果表明：宜宾以下长江干流总磷浓度高于金沙江；从源区至入海口，长江干流氨氮浓度总体呈沿程上升趋势.20112013年是长江干流水质重要转折期.20032010年，长江下游江段氨氮浓度总体呈明显上升趋势，20132018年大幅下降，下降约65%；20122018年，长江干流大部分江段总磷浓度呈明显下降趋势，其中上游下降最
2、大，为45%60%；20032018年，长江干流高锰酸盐指数、重金属和石油类污染均明显减轻.2000年以来，长江水量未有明显增大或减小趋势，但输沙量大幅下降.总磷年通量与年径流量密切相关，年内丰水期总磷通量较高.20012006年宜昌断面、汉口37码头断面氨氮年通量大幅下降；20132018年，大通断面氨氮年通量呈明显下降趋势.2018年，大通断面总磷、氨氮年通量分别约为9.37104和21.47104 t.总磷汇入量中游强于下游，氨氮汇入量下游强于中游.上游向下游磷的输送由21世纪初以颗粒态为主转变为20172018年以溶解态为主.长江下游江段氨氮浓度和大通断面氨氮年通量的显著下降，以及长江
3、整体石油类超标率大幅下降均主要归因于水污染防治；长江干流大部分江段总磷的明显下降主要归因于随泥沙汇入水体磷的减少，以及长江流域水污染防治.研究显示，近18年来长江干流污染物浓度、时空特征、输送形态发生了巨大变化.长江是我国第一大河，起点位于“世界屋脊”青藏高原的唐古拉山脉格拉丹冬雪峰西南侧，从起点至入海口长约6 300 km，流域面积达180104 km2，约占我国陆地总面积的1/51.格拉丹东雪峰至当曲口为沱沱河，当曲口至巴塘河口为通天河，一般将沱沱河、当曲、楚玛尔河、通天河称为长江源区.巴塘河口至宜宾“三江口”(金沙江、岷江、长江三江交汇处)为金沙江，宜宾以下称长江.就整个长江干流而言，宜
4、昌以上为上游，长4 504 km，流域面积100104 k；宜昌至湖口为中游，长955 km，流域面积68104 km2；湖口以下为下游，长938 km，流域面积12104 k.长江干流自西向东横贯我国中部，数百条支流辐辏南北区，是我国水量最丰富的河流，水资源总量9 616108 m，约占全国河流径流总量的36%.长江在全国经济、社会发展中的地位举足轻重，在国家对生态环境保护愈发重视的背景下，长江水环境保护摆在突出重要地位，尤其是长江经济带战略明确要求“生态优先，绿色发展”“共抓大保护，不搞大开发”. 2000年以来，长江水文和水环境形势发生了巨大变化，实施了一系列生态环境保护政策措施，如中华
5、人民共和国水污染防治法的颁布实施、污染隐患企业的“关停并转”、入河排污口整治、污染物排放总量和水质改善双约束指标体系与机制、河湖长制的实施以及水土保持等.在上述各因素综合作用下，长江干流水质所发生的变化及原因备受关注.尽管有研究涉及长江干流水质的变化，如对长江口近10年水质时空演变趋势的研究，对长江流域主要污染物总量减排及水质响应特征的研究，对近年来长江水功能区水质达标的分析4，对三峡水库蓄水前后长江枝城至沙市段水质的评价，对长江干流局部江段水质变化的分析6-8，以及对长江源区水质参数和水化学参数的分析9-10，但从水质、水量、泥沙、污染物通量、污染负荷等多方面对长江干流水质历年变化趋势进行系
6、统性、综合性分析以及原因或机理探究的研究较为鲜见.鉴于此，该研究分析了长江水质和污染物通量时空分布及历年变化趋势，从水量、泥沙、水电工程、水污染防治等方面辨析水质变化原因，诊断长江主要水质问题，以期为长江水生态环境保护决策提供科学依据.1 材料与方法1.1 研究范围长江源区沱沱河、通天河人迹罕至，接近原生态，基于历史监测数据的实际情况，研究范围定为金沙江和长江.污染物浓度现状分析中选择50个监测断面(部分为水文水质综合断面)，分布于奔子栏至入海口约4 400 km的江段；历年水质变化趋势分析选择具有长系列资料的16个典型断面(见图 1)，其中，攀枝花、宜宾、朱沱、寸滩、万州沱口、官渡口、太平溪
7、以及宜昌8个断面属长江上游江段；沙市五七码头、汉口37码头、黄石西塞山、九江化工厂下游4个断面属长江中游江段; 大通、南京化工厂下游、镇江青龙山、徐六泾4个断面属长江下游江段.选择宜昌、汉口37码头、大通3个断面计算污染物年通量.宜昌断面污染物通量代表了来自上游的污染物量，为上游控制断面；汉口37码头位于洞庭湖和鄱阳湖之间，其污染物通量代表了来自武汉以上江段的污染物量，为中游代表断面；大通位于长江口感潮河段上游端，是长江入海最后一个径流控制站，控制流域面积的90%，控制全江流量的95%，其污染物通量代表了来自大通以上江段的污染物量.1.2 研究时段总研究时段为20012018年，但是污染物浓度
8、历年变化趋势分析时段为20032018年，没有追溯至2003年前，主要是考虑到2002年我国颁布了GB 38382002地表水环境质量标准，取代之前的GB 38381988地面水环境质量标准。 GB 38382002要求对高锰酸盐指数、总磷、砷、汞、铅、镉、铬等参数进行测定，采样后对水样(现为原样)静置30 min，得到去除沉降物的水样(现为澄清样)来测定水质参数，而GB 38381988要求原样混匀后进行测定，两种前处理方式的不同导致了GB 38382002实施前、后的水质参数监测值缺乏可比性1.3 水质参数选择依据20012018年长江主要污染物情况，重点选择总磷、氨氮进行浓度和污染物通量
9、长期变化趋势分析；另外，对高锰酸盐指数、重金属、石油类、粪大肠菌等进行了简单分析.1.4 污染物通量计算方法污染物在某时段内的通量通用计算公式:式中：W为污染物通量，t；C(t)为t时刻污染物浓度，mg/L；Q(t)为t时刻流量，m/s；k为单位换算系数.实际工作中无法实现污染物浓度的连续监测，只能获得一定时段内的代表值；长江干流常规水质监测频率为每月1次.根据现实条件及通量估算方法筛选中误差最小原则，采用式(2)(3)计算污染物月通量(Wmi)和年通量(Wa)：式中：Ci为第i个月的污染物浓度值，mg/L；Qi为第i个月的月径流量，108 m.1.5 数据来源总磷、氨氮、高锰酸盐指数、石油类
10、、铅、汞、粪大肠菌群等监测数据来源于长江流域水环境数据库；水量数据来源于水利部长江水利委员会长江水文年鉴.2 结果与分析2.1 污染物浓度分析2.1.1 污染物浓度空间分布特征图 2为2018年长江干流总磷和氨氮浓度年均值空间分布.由图 2可见：宜宾以下长江干流总磷浓度高于金沙江.宜宾以下干流总磷浓度年均值波动范围为0.060.14 mg/L，平均值为0.10 mg/L，低于GB 38382002中河流类标准限值(0.20 mg/L)，但高于类湖库标准限值(0.05 mg/L)；金沙江总磷浓度较低，约82%的断面在0.05 mg/L以下，仅巧家县乌东德至金阳县江段总磷浓度超过了0.05 mg/
11、L.长江作为河流，其总磷浓度跟湖库标准限值比较的意义在于，河湖连通、引调水工程中，长江水常常会进入缓流状态，所以需要从整个长江流域视角认识长江总磷浓度偏高问题.关于地表水中总磷浓度的基准或标准一直存有争议，也是一个难点.总磷不同于其他水质参数的一个重要特点是，同样的浓度在一个水域无不利影响，而在另一个水域则可引发藻类或大型植物过度生长，其是否产生不利影响取决于所在区域的水文情势、气候、水温、日照等因素.美国早期的水质基准15建议，为防止不直接汇入湖库的河流中植物过度生长，理想的河流总磷浓度标准值(基准值)为0.1 mg/L，而注入湖库的河流水体则不得超过0.05 mg/L.后来美国有关机构和研
12、究建议河流总磷浓度的指导值为0.08 mg/L16.对长江干流总磷的影响分析显示：总磷的主要成分是磷酸盐，属于非毒性盐类物质(水体中的磷某些情况下以黄磷和有机磷农药形式存在时是有毒的，作为单独的污染物进行监测和评价，不属于此处讨论范围)，现有浓度水平对水源地功能、人体健康均无不利的直接影响. 磷属于主要营养因子，总磷浓度偏高的长江水在进入缓流状态时可能产生不利的生态效应，如导致富营养化、引发水华等；另外，总磷偏高往往对底栖无脊椎动物的群落结构具有不利影响，但具体影响仍有待研究.所以，总磷偏高的主要影响在于水生态方面，而对水生态的不利影响在某些情况下也会影响水质安全，如水华引发水源地水质下降、自
13、来水厂暂停正常供水等.由图 2可见，长江干流氨氮浓度沿程上升，长江口氨氮浓度最高，长江上游尾段、长江中游上半段和长江下游氨氮浓度相对较高，金沙江以及宜宾以下长江上游上半段、中游下半段(洞庭湖和鄱阳湖之间)的氨氮浓度相对较低.长江下游氨氮浓度总体高于上游和中游，与长三角地区经济发展水平较高以及氨氮来源主要以点源为主有关.根据20162018年长江干流石油类监测结果，石油类污染主要存在于上海江段，长江干流出现石油类污染的约100 km河长中上海江段约占80%.长江干流粪大肠菌超标现象较为普遍，其超标河长甚至高于总磷超标河长.2.1.2 污染物浓度历年变化趋势20012005年，长江干流的主要污染物
14、为总磷、氨氮、高锰酸盐指数、重金属铅和汞、石油类等.以总磷、氨氮为重点对其历年变化情况进行分析.图 3为20032018年长江干流不同江段总磷浓度年际变化.由图 3可见，20032012年总磷浓度呈上升趋势，之后至2018年呈下降趋势，以上游下降最大，由0.16 mg/L降至0.07 mg/L，下降约56%.各江段所含断面总磷浓度变化趋势分析表明：上游江段的攀枝花断面总磷浓度在20032008年较低，2009年出现高值，之后大幅下降，由2009年的0.19 mg/L降至2018的0.02 mg/L，下降约89%；宜宾和朱沱断面的总磷浓度在20122018年分别下降了64%和52%；三峡库区江段
15、的寸滩断面、沱口断面、太平溪断面总磷浓度在20122018年分别下降了53%、56%、50%.图 4为20032018年长江干流不同江段氨氮浓度年际变化.由图 4可见：武穴(位于中下游分界点湖口上游约70 km)至入海口江段的氨氮浓度变幅最大，20032012年基本呈上升趋势，之后至2018年显著下降，由2012年的0.51 mg/L降至2018年的0.18 mg/L，下降约65%.对该江段所含各断面浓度的变化分析表明，九江化工厂下游断面氨氮降幅最大，由2012年的0.63 mg/L降至2018年的0.13 mg/L，下降约79%；大通、南京化工厂下游和镇江青龙山断面在20132018年下降分
16、别为53%、78%、77%;徐六泾断面氨氮浓度从2010年起总体呈下降趋势，由2010年的0.41 mg/L降至2018年的0.22 mg/L，下降约为46%.上游和下游变幅远小于武穴至入海口江段，仅个别断面变幅较大，如三峡库区江段的重庆寸滩断面20102018年总体呈下降趋势，由2010年的0.16 mg/L降至2018年的0.06 mg/L，下降达63%. 2011年起，中游江段的沙市五七码头断面氨氮浓度呈下降趋势，由2011年的0.28 mg/L降至2018年的0.10 mg/L，下降约60%.上游攀枝花至江津段氨氮浓度从2013年起也呈明显下降趋势.对其他参数历年变化情况分析表明，20032005年经常超标的高锰酸盐指数在20162018年已鲜见超标. 20032005年铅、
