長(zhǎng)江和漢江總磷污染特征及成因分析

楊 衛(wèi)， 李瑞清

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064)

長(zhǎng)江是中華民族的母親河，也是中華民族發(fā)展的重要支撐。長(zhǎng)江在我國(guó)區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位[1]，習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)“要把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護(hù)，不搞大開(kāi)發(fā)，努力把長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)成為生態(tài)更優(yōu)美、交通更順暢、經(jīng)濟(jì)更協(xié)調(diào)、市場(chǎng)更統(tǒng)一、機(jī)制更科學(xué)的黃金經(jīng)濟(jì)帶，探索出一條生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展新路子”。漢江作為長(zhǎng)江最長(zhǎng)的支流，是南水北調(diào)中線工程的核心水源區(qū)和重要影響區(qū)，是湖北省的重要集中式生活飲用水水源地，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。

隨著南水北調(diào)中線工程正常運(yùn)行并逐步達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模以及“引漢濟(jì)渭”工程的推進(jìn)，丹江口水庫(kù)入庫(kù)流量逐漸減少，從長(zhǎng)江三峽水庫(kù)向漢江補(bǔ)水的需求愈來(lái)愈迫切，長(zhǎng)江和漢江水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。然而近年來(lái)，長(zhǎng)江水質(zhì)總體形勢(shì)不容樂(lè)觀，局部江段水污染較為嚴(yán)重，特別是總磷已成為長(zhǎng)江水體首要污染指標(biāo)，總磷超Ⅲ類的斷面比例達(dá)到18.3%[2]。針對(duì)長(zhǎng)江和漢江流域總磷污染現(xiàn)狀，開(kāi)展總磷時(shí)空特征研究，解析總磷污染的主要來(lái)源，對(duì)于長(zhǎng)江和漢江流域水環(huán)境保護(hù)和“引江補(bǔ)漢”等工程的開(kāi)展具有重要科學(xué)意義。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江流域橫跨中國(guó)東部、中部和西部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)，共計(jì)19個(gè)省、市、自治區(qū)，如圖1(a)所示。長(zhǎng)江干流全長(zhǎng)6 397 km，流域總面積約180 萬(wàn)km2，占中國(guó)國(guó)土面積的18.8%，流域內(nèi)有豐富的自然資源。長(zhǎng)江干流宜昌以上為上游，流域面積100 萬(wàn)km2，宜昌至湖口為中游，流域面積為68 萬(wàn)km2，湖口以下為下游，流域面積為12 萬(wàn)km2。

漢江位于長(zhǎng)江中游，全長(zhǎng)1 577 km，是長(zhǎng)江最長(zhǎng)的支流，流域面積15.9 萬(wàn)km2，流域涉及鄂、陜、豫、川、渝、甘6省市的20個(gè)地(市)區(qū)、78個(gè)縣(市)，如圖1(b)所示。流域北部以秦嶺、外方山及伏牛山與黃河分界；東北以伏牛山及桐柏山與淮河流域?yàn)榻?；西南以大巴山及荊山與嘉陵江、沮漳河為界；東南為江漢平原，無(wú)明顯的天然分水界限。漢江以丹江口為界，丹江口以上為上游，流域面積9.52 萬(wàn)km2；丹江口至鐘祥為中游，流域面積4.68 萬(wàn)km2；鐘祥至漢口為下游，流域面積1.7 萬(wàn)km2。

2 長(zhǎng)江和漢江總磷濃度現(xiàn)狀

2.1 總磷時(shí)間分布特征

目前，長(zhǎng)江干流Ⅰ類水質(zhì)斷面占13.6%，Ⅱ類占79.7%，Ⅲ類占6.8%，無(wú)Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)斷面(來(lái)自2020年2月全國(guó)地表水水質(zhì)月報(bào))。從2006-2017年長(zhǎng)江干流和漢江斷面總磷濃度變化情況(圖2)可以看出，長(zhǎng)江干流自2006年以來(lái)總磷平均濃度逐漸下降，2017年長(zhǎng)江干流總磷平均濃度較2006年下降了70.3%，超Ⅲ類的斷面比例有所減少，2012年后水質(zhì)由Ⅳ類轉(zhuǎn)為Ⅲ類。漢江總磷平均濃度常年保持在Ⅱ類，2010年后總磷平均濃度有所上升，總體來(lái)看，2006-2017年漢江總磷平均濃度均低于長(zhǎng)江干流。

2006-2016年長(zhǎng)江主要支流監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)情況如圖3所示，嘉陵江、漢江、贛江等支流總磷濃度較低，常年保持在Ⅱ類；岷江2011-2015年總磷濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，超過(guò)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，2016年總磷濃度有所降低，水質(zhì)為Ⅲ類；沱江總磷平均濃度在0.18～0.28 mg/L之間，整體為Ⅲ～Ⅵ類；烏江自2006年以來(lái)總磷濃度逐漸上升，2011年達(dá)到最高值(0.674 mg/L)，超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值2.37 倍，2011年后水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，2016年達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；清水江2011-2013 年總磷濃度均為劣Ⅴ類，2014-2016 年有所下降，但仍超過(guò)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 總磷空間分布特征

2016年長(zhǎng)江干流和漢江斷面總磷平均濃度分別如圖4和圖5所示，長(zhǎng)江干流總磷平均濃度在0.05～0.17 mg/L之間，漢江干流總磷平均濃度在0.01～0.09 mg/L之間，總體來(lái)看，漢江干流水質(zhì)優(yōu)于長(zhǎng)江干流。長(zhǎng)江干流上、中、下游平均濃度分別為0.10、0.12、0.128 mg/L，上游段大部分為Ⅱ～Ⅲ類水，三峽庫(kù)區(qū)壩前為Ⅲ類水，中下游以Ⅲ類水為主，中游柳口和調(diào)關(guān)等斷面總磷污染最嚴(yán)重。漢江上、中、下游平均濃度分別為0.026、0.046、0.076 mg/L，上游以Ⅰ～Ⅱ類水為主，總磷濃度較低，水質(zhì)較好，中下游大部分為Ⅱ類水，但總磷濃度相比上游較高，特別是武漢新溝和宗關(guān)等斷面，部分時(shí)段為Ⅲ類水。

3 總磷污染成因分析

3.1 自然地質(zhì)因素

截至2016年底我國(guó)磷礦基礎(chǔ)儲(chǔ)量為32.4 億t，資源儲(chǔ)量244.1 億t，占世界總儲(chǔ)量第二位，但是我國(guó)磷礦分布十分不均勻，多數(shù)分布在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶兩側(cè)，貴州省、云南省、湖北省和四川省這四省基礎(chǔ)儲(chǔ)量達(dá)27.59 億t，約占全國(guó)總基礎(chǔ)儲(chǔ)量的85%。2016年長(zhǎng)江流域磷礦基礎(chǔ)儲(chǔ)量為24.8 億t，占全國(guó)總基礎(chǔ)儲(chǔ)量的77%左右。其中長(zhǎng)江上游流域占全流域的62.0%，烏江流域、岷沱江流域、金沙江段和長(zhǎng)江干流宜昌段磷礦儲(chǔ)量較多，嘉陵江流域和長(zhǎng)江干流宜賓至重慶段磷礦儲(chǔ)量較少；長(zhǎng)江中游流域(不包括漢江流域)磷礦基礎(chǔ)儲(chǔ)量為7.63億t，占全流域的30.8%，干流宜昌至湖口段磷礦儲(chǔ)量較多，洞庭湖流域和鄱陽(yáng)湖流域磷礦基礎(chǔ)儲(chǔ)量較少；長(zhǎng)江下游流域磷礦儲(chǔ)量?jī)H占全流域的1.1%；漢江流域磷礦總儲(chǔ)量較少，主要分布在漢江中下游流域，丹江口以上磷礦儲(chǔ)量?jī)H為0.12 億t。

因長(zhǎng)江流域地表水、地下水交換間歇短，水土流失較為嚴(yán)重，若磷礦進(jìn)入地表，可造成水體總磷濃度上升[2]。從磷礦分布圖(圖6)可以看出，嘉陵江沿岸大型磷礦較少，烏江和岷江分別位于磷礦分布較為集中的貴州省和四川省，沿江磷礦資源較為豐富，這是造成烏江和岷江總磷濃度較高的重要原因。長(zhǎng)江干流上游段沿江區(qū)域磷礦較少，總磷濃度較低，湖北段特別是宜昌地區(qū)磷礦資源非常豐富，下游段磷礦較少。漢江上游流域磷礦資源較少，中下游流域特別是中游宜城和鐘祥市磷礦資源較為豐富，是影響長(zhǎng)江和漢江總磷濃度的重要因素。

3.2 沿江磷化工企業(yè)影響

磷礦石在開(kāi)發(fā)、加工過(guò)程中會(huì)對(duì)周邊環(huán)境及河湖水體造成一定影響[3]。由于運(yùn)輸成本、取水、環(huán)境承載力等方面的原因，我國(guó)磷化工企業(yè)多采取沿江、臨海布局模式。長(zhǎng)江流域圍繞磷礦開(kāi)采的相應(yīng)磷化工產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達(dá)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年中國(guó)磷礦石產(chǎn)量為12 043.88 萬(wàn)t，其中長(zhǎng)江流域產(chǎn)量達(dá)10 050.14 萬(wàn)t，占全國(guó)總產(chǎn)量的83.4%。長(zhǎng)江上游流域磷礦石產(chǎn)量為6 146.03 萬(wàn)t，占全流域的61.2%，主要集中在貴州烏江流域、云南金沙江段等；長(zhǎng)江中游流域磷礦石產(chǎn)量為3 164.12 萬(wàn)t，占全流域的31.5%，主要集中在長(zhǎng)江干流宜昌段；長(zhǎng)江下游磷礦石產(chǎn)量較少；漢江流域磷礦石產(chǎn)量為700.07 萬(wàn)t，主要集中在丹江口以下區(qū)域，丹江口以上磷礦石產(chǎn)量較少。

在我國(guó)磷礦石的消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，用于生產(chǎn)磷肥和磷復(fù)肥是磷礦石的主要消費(fèi)途徑，約占磷礦石消費(fèi)量的75%[4]。全國(guó)有近500多家大、中、小型磷化工企業(yè)，其中全國(guó)規(guī)模以上磷肥制造企業(yè)共計(jì)213家，僅長(zhǎng)江流域分布有199家，全國(guó)十大磷化工企業(yè)包括貴州開(kāi)磷、湖北宜化、湖北興發(fā)、湖北東圣、四川龍蟒、湖北新洋豐、云南煤業(yè)、浙江新安、安徽六國(guó)和貴州宏福(圖6)，均分布于長(zhǎng)江流域磷礦資源較為豐富的地區(qū)。2017年全國(guó)磷肥產(chǎn)量為1 627.44 萬(wàn)t，其中長(zhǎng)江流域磷肥產(chǎn)量為1 189.90 萬(wàn)t，占全國(guó)總產(chǎn)量的73%。長(zhǎng)江上游磷肥產(chǎn)量較高，占全流域的59.8%，主要集中于岷沱江流域、烏江流域和長(zhǎng)江干流宜賓至宜昌段，包括貴州、云南、湖北、四川等省份。漢江流域磷肥產(chǎn)量較低，特別是丹江口以上區(qū)域磷化工企業(yè)較少，磷肥產(chǎn)量低，是漢江上游水質(zhì)較好的重要原因。

磷礦開(kāi)采和磷化工企業(yè)的高負(fù)荷排放對(duì)所在流域水環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，是導(dǎo)致近年來(lái)長(zhǎng)江總磷濃度較高的重要原因。2016年長(zhǎng)江流域廢污水排放總量為353.2 億t，其中工業(yè)廢水(包括造紙業(yè)、化工企業(yè)、電力業(yè)、紡織業(yè)等)占55.1%[5]。排污主要集中在中下游太湖水系、洞庭湖水系、鄱陽(yáng)湖水系等。長(zhǎng)江流域工業(yè)廢水中總磷排放量達(dá)到2.45 萬(wàn)t，其中上、中、下游分別占36.4%、43.8%、19.8%，如表1所示，漢江流域工業(yè)廢水中總磷排放量較少，為0.062 萬(wàn)t，磷化工企業(yè)主要分布于丹江口以下保康縣、宜城市和鐘祥市等地區(qū)，丹江口以上地區(qū)工業(yè)廢水中總磷排放量較少。

表1 長(zhǎng)江流域2016年工業(yè)廢水中總磷排放量Tab.1 Total phosphorus emissions from industrial sewage in the Yangtze River Basin in 2016

3.3 城鎮(zhèn)生活污水排放

2016年長(zhǎng)江流域廢污水排放總量為353.2 億t，其中生活污水排放總量為158.6 億t，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施總磷平均排放濃度為0.68 mg/L，高于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(0.4 mg/L)。長(zhǎng)江流域生活污水總磷排放總量為2.2 萬(wàn)t，其中上、中、下游流域分別占32.8%、41.2%、25.9%，如表2所示。長(zhǎng)江中下游省(市)城鎮(zhèn)生活污水處理率較高，但由于漢江流域、洞庭湖流域、長(zhǎng)江下游等地區(qū)城鎮(zhèn)人口數(shù)量較多，生活污水總磷排放量仍然較高。而上游省(市)如四川、重慶、貴州等城鎮(zhèn)生活污水處理率低于全國(guó)平均水平，如四川省沱江流域2014 年污水處理率僅為64%，岷江、沱江流域269家城鎮(zhèn)生活污水處理廠中，4.1%總磷排放濃度超過(guò)總磷排放一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)(1 mg/L)，15.2%總磷排放濃度超過(guò)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L)，造成沱江、岷江等支流總磷濃度偏高[6]。

表2 長(zhǎng)江流域2016年生活污水中總磷排放量Tab.2 Total phosphorus emissions from domestic sewage in the Yangtze River Basin in 2016

漢江流域生活污水排放總量為6.17 億t，丹江口以下地區(qū)城鎮(zhèn)人口較多，生活污水總磷排放量較大，丹江口以上地區(qū)排放量較小，上游和中下游流域生活污水排放總量分別為1.69和4.48 億t，漢江流域生活污水中總磷排放量為2 014.5 t，上游和中下游流域分別為550.4和1 464.1 t。

3.4 農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)業(yè)面源污染主要是由于化肥農(nóng)藥、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活污水排放等造成的污染[7]，其中磷肥施用是造成長(zhǎng)江流域總磷污染的主要原因。長(zhǎng)江流域農(nóng)作物播種面積約占全國(guó)總播種面積的40%，施肥強(qiáng)度平均約為320 kg/hm2，除貴州外，其他省份施肥強(qiáng)度均遠(yuǎn)高出發(fā)達(dá)國(guó)家公認(rèn)的225 kg/hm2的安全上限[2]?；适┯觅Y源化利用率很低，肥料吸收利用率平均僅有約35%，未利用的化肥進(jìn)入水體將對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)造成影響。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》中各省磷肥施用量統(tǒng)計(jì)得到長(zhǎng)江流域2016年磷肥施用量為225.3 萬(wàn)t，總磷流失量約為8.73 萬(wàn)t，其中上、中、下游分別占38.4%、47.1%、14.5%，如表3所示。湖北、四川、江蘇等省份磷肥施用量較大，造成湖北三峽庫(kù)區(qū)、岷沱江流域和太湖流域等地區(qū)總磷污染嚴(yán)重。

農(nóng)業(yè)面源污染也是影響漢江總磷濃度的最主要因素。漢江流域農(nóng)村面源總磷排放總量為1.17 萬(wàn)t，主要集中在丹江口以下地區(qū)，特別是江漢平原地區(qū)，是湖北省農(nóng)業(yè)人口稠密、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，也是湖北省乃至全國(guó)重要的商品糧、棉、油生產(chǎn)基地和畜禽、水產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)[8]，由于水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)量投肥、種植區(qū)農(nóng)藥化肥過(guò)量使用等原因，農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。丹江口以上地區(qū)農(nóng)業(yè)面源總磷排放量相對(duì)較少。

3.5 各污染源貢獻(xiàn)率

進(jìn)一步對(duì)各污染成因的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，由于自然地質(zhì)因素的貢獻(xiàn)率難以量化，本文暫不分析這一因素的貢獻(xiàn)率，通過(guò)前文分析得到長(zhǎng)江流域總磷排放量為13.38 萬(wàn)t/a，其中生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源總磷排放量分別為2.20萬(wàn)、2.45萬(wàn)、8.73 萬(wàn)t，貢獻(xiàn)率分別為16.44%、18.28%和65.28%，如表4所示，可以看出農(nóng)業(yè)面源污染是造成長(zhǎng)江總磷超標(biāo)的最主要因素?？傮w來(lái)看，長(zhǎng)江中下游流域總磷排放量比上游流域多，是造成長(zhǎng)江干流下游水質(zhì)劣于上游的主要原因。長(zhǎng)江上游污染以農(nóng)業(yè)面源為主，生活污水和工業(yè)廢水污染貢獻(xiàn)率較小，長(zhǎng)江中下游生活污水和工業(yè)廢水污染均較為嚴(yán)重，其中洞庭湖流域、鄱陽(yáng)湖流域工業(yè)污染較嚴(yán)重，貢獻(xiàn)率分別為26.69%和25.69%。漢江流域以農(nóng)業(yè)面源污染為主，工業(yè)污染貢獻(xiàn)率較小。

表3 長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)面源總磷排放量Tab.3 Total phosphorus emissions from agricultural non-point sources in the Yangtze River Basin

表4 長(zhǎng)江流域各污染源總磷排放量及貢獻(xiàn)率Tab.4 Total phosphorus emissions and contribution rates from various pollution sources in the Yangtze River Basin

重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)江上游(三峽大壩以上)和漢江上游(丹江口以上)地區(qū)進(jìn)行分析。長(zhǎng)江上游總磷排放量為4.97 萬(wàn)t，占全流域總磷排放量的37.1%，其中嘉陵江流域由于總磷排放量較少，水質(zhì)較好；烏江流域雖然各污染源總磷排放量較小，但由于流域面積較小，單位面積排放量較高，水質(zhì)仍然較差，且該流域磷化工企業(yè)較多，工業(yè)污染較嚴(yán)重，造成烏江局部區(qū)域總磷濃度較高；干流宜賓至宜昌段總磷排放量較高，污染較為嚴(yán)重。漢江流域丹江口以上區(qū)域總磷排放量較少，水質(zhì)相對(duì)較好，總磷排放量以農(nóng)業(yè)面源污染為主，點(diǎn)源污染以生活污水為主，工業(yè)廢水排放較少。

4 結(jié) 論

總磷是目前長(zhǎng)江流域的首要污染指標(biāo)，總體來(lái)看漢江干流總磷濃度低于長(zhǎng)江干流，長(zhǎng)江上游段以Ⅱ～Ⅲ類水為主，三峽庫(kù)區(qū)壩前為Ⅲ類水，中下游大部分為Ⅲ類水，漢江上游水質(zhì)優(yōu)于中下游，上游以Ⅰ～Ⅱ類水為主，中下游以Ⅱ類水為主。嘉陵江、贛江等支流總磷污染程度較低，總磷濃度常年保持在Ⅱ類，岷江、烏江、沱江等支流總磷濃度較高。

造成長(zhǎng)江和漢江總磷污染的原因包括自然地質(zhì)因素、沿江磷化工企業(yè)影響、居民生活用水污染、農(nóng)村面源污染等。農(nóng)業(yè)面源污染是造成長(zhǎng)江總磷超標(biāo)的主要污染來(lái)源，長(zhǎng)江流域和漢江流域面源污染均較為嚴(yán)重。長(zhǎng)江上游烏江流域、岷沱江流域和長(zhǎng)江干流宜昌段等地區(qū)由于磷礦儲(chǔ)量較多、磷礦石開(kāi)采和磷肥產(chǎn)量較高，造成這些地區(qū)局部總磷濃度較高；漢江上游流域由于磷礦儲(chǔ)量較低，且受磷礦石開(kāi)采和磷化工企業(yè)影響較小，因此總磷濃度較低，水質(zhì)較好。城鎮(zhèn)生活污水排放是影響長(zhǎng)江和漢江水質(zhì)的重要因素，特別是長(zhǎng)江中下游地區(qū)和漢江中下游地區(qū)，由于城鎮(zhèn)人口較多，生活污水總磷排放量較大。

針對(duì)長(zhǎng)江和漢江總磷污染嚴(yán)重區(qū)域，可有針對(duì)性地開(kāi)展污染防治措施，加強(qiáng)規(guī)?；椎V開(kāi)采管理，強(qiáng)化磷化工企業(yè)污染治理；提高城鎮(zhèn)污水收集處理水平，加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施和配套管網(wǎng)建設(shè)；提高化肥利用效率，加大畜禽養(yǎng)殖污染防治力度，實(shí)施農(nóng)村清潔工程和農(nóng)村環(huán)境連片整治等，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，創(chuàng)建健康和諧的生態(tài)環(huán)境。

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