三峽庫區(qū)上游沱江流域總磷濃度時空變化特性及影響因素分析

柳強(qiáng)，張鵬，史箴，張秋英，張丹，周淼，李發(fā)東

1.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院

4.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所

磷是生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中必不可少的營養(yǎng)元素之一[1]，同時也是地表水中藻類生長和水體富營養(yǎng)化的重要影響因子[2-4]。大量的研究表明，河道、湖泊和水庫等地表水中磷表現(xiàn)出復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物行為[5-7]，是最為活躍的環(huán)境因子，控制地表水中磷的輸入已經(jīng)成為地表水富營養(yǎng)化控制和生態(tài)質(zhì)量管理的熱點問題之一。

河道傳輸是磷元素進(jìn)入水庫的主要途徑[8-11]。估算水庫污染物通過量對于確保庫區(qū)水環(huán)境安全具有重要意義。三峽水庫是我國重要戰(zhàn)略水資源庫，蓄水運(yùn)行后庫區(qū)富營養(yǎng)化問題日益凸顯，總磷（TP）是影響庫區(qū)水質(zhì)的主要污染因子之一，85%入庫磷污染負(fù)荷來源于庫區(qū)上游流域[12]。由于TP負(fù)荷的增加，三峽水庫上游38條主要支流中，富營養(yǎng)化斷面數(shù)量占比從2007年的16%上升到2010年的34%[13]，三峽水庫開始蓄水運(yùn)行后，庫區(qū)支流河口回水區(qū)水華發(fā)生頻率從2003年的3次上升到2010年的26次[14]。沱江是三峽庫區(qū)上游重要的入庫河流之一，1950—2010年平均徑流量為20.9×109m3/a[15]，入庫徑流量為 431.5×109m3/a，占三峽庫區(qū)入庫總徑流量的5%[16]。沱江入江口TP濃度是長江上游河段TP平均濃度的300%，沱江入江口TP通量占三峽水庫總?cè)霂炝康?.48%。沱江流域在四川省境內(nèi)面積為2.78萬km2，僅占全省面積的5.25%，卻涵養(yǎng)和支持了全省20%以上的人口和經(jīng)濟(jì)總量[17]，因此，研究沱江流域TP污染變化特征對于保障三峽庫區(qū)水環(huán)境和水生態(tài)安全以及流域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

受氣候條件和下墊面影響，沱江流域TP負(fù)荷表現(xiàn)出顯著的時空特性，流域水文條件、點源[18]和農(nóng)業(yè)面源污染排放[19-20]對流域干支流主要控制斷面復(fù)合影響程度尚不清楚。針對這一問題，筆者利用2011—2018年沱江流域干支流20個站點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及斷面匯流區(qū)內(nèi)污染源排放數(shù)據(jù)，綜合分析沱江流域干支流控制斷面TP濃度空間和時間變化特性以及影響因素，以期為流域TP負(fù)荷削減和三峽水庫TP允許通過量達(dá)標(biāo)提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

沱江流域（103°54′E～105°44′E，27°39′N～31°42′N）主源綿遠(yuǎn)河發(fā)源于綿竹九頂山南麓，流至漢旺鎮(zhèn)出山區(qū)進(jìn)入成都平原，與中源石亭江和右源湔江于金堂縣趙鎮(zhèn)相匯并接納岷江毗河、青白江后，穿龍泉山金堂縣，經(jīng)簡陽市、資陽市、內(nèi)江市和自貢市至瀘州市注入長江。干流全長629 km，流域面積為2.78萬km2。沱江水系總體上呈樹枝狀，上游包括成都市和資陽市，中游包括內(nèi)江市，下游包括自貢市和瀘州市，沿途有大小支流60余條，主要支流包括左岸的瀨溪河、大清河、陽化河和右岸的釜溪河、球溪河等（圖1）。沱江流域降水量隨地勢由北向南遞減，多年平均降水量為1 029 mm，其中上游山區(qū)為1 200～1 700 mm，成都平原為850～1 100 mm，中下游丘陵區(qū)為800～1 500 mm，流域6—10月降水量占全年降水量的70%。沱江豐水年徑流量為26.2×109m3/a，枯水年徑流量為6.62×109m3/a，6—9月為豐水期，10月—次年3月為枯水期[6,21]。

圖1 沱江流域干支流、行政區(qū)以及監(jiān)測斷面Fig.1 Main and tributary streams, administrative regions and monitoring sections in Tuojiang River Basin

1.2 樣品的采集與分析

采用沱江流域20個國控和省控監(jiān)測斷面2011—2018年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對沱江流域TP濃度時空變化特性及影響因素進(jìn)行分析。斷面包括沱江干流上游的三皇廟、宏緣、拱城鋪渡口，中游的幸福村、順河場、銀山鎮(zhèn)、腳仙村，下游的釜沱口前、李家灣、大磨子、沱江大橋11個監(jiān)測斷面以及沱江支流9個監(jiān)測斷面（綿遠(yuǎn)河八角、石亭江雙江橋、鴨子河三川、球溪河球溪河口、釜溪河碳研所、瀨溪河胡市大橋、清白江三邑大橋、北河梓桐村、威遠(yuǎn)河廖家堰）。主要監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)包括TP、總氮（TN）、高錳酸鹽指數(shù) (CODMn)、化學(xué)需氧量（CODCr）、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、溫度等，各指標(biāo)采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中分析方法測定。

1.3 多元統(tǒng)計分析法

選擇SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，采用Pearson相關(guān)性分析法進(jìn)行與TP污染過程有關(guān)的TN、CODMn、CODCr、pH、溶解氧、溫度等指標(biāo)間相關(guān)性分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）判斷不同水文期各因素對TP濃度變化影響的顯著水平，采用層次聚類分析方法對沱江流域20個監(jiān)測斷面TP濃度進(jìn)行層次聚類分析，揭示TP時空分布的相似性和差異性。

2 結(jié)果與討論

2.1 TP濃度空間分布特性

2011—2018 年沱江流域干支流各監(jiān)測斷面TP濃度及其統(tǒng)計特征分別如表1和圖2所示。由表1可知，2011—2018年沱江干流上游、中游和下游TP離散系數(shù)分別為0.262，0.208和0.201，顯著小于同期支流的離散系數(shù)（0.424），且中下游的離散系數(shù)顯著小于上游。支流中，八角和碳研所2個斷面的離散系數(shù)最大，分別為0.595和0.498；胡市大橋和球溪河口2個斷面的離散系數(shù)最小，分別為0.317和0.343。由圖2可以看出，沱江上游干流受源頭支流綿遠(yuǎn)河、鴨子河和石亭江匯入影響，年均TP濃度在三皇廟斷面出現(xiàn)峰值〔(0.251±0.213)mg/L〕，干流三皇廟—宏緣—拱城鋪渡口段TP濃度逐漸下降，宏緣和拱城鋪渡口年均TP濃度分別為(0.221±0.118)和 (0.194±0.104)mg/L；中游自幸福村流至腳仙村，TP濃度趨于平穩(wěn)并有所降低，最小值出現(xiàn)在銀山鎮(zhèn)斷面〔（0.194±0.048）mg/L〕；在下游，受水質(zhì)較差的釜溪河、瀨溪河支流匯入影響，TP濃度表現(xiàn)出上升的趨勢，分別在李家灣〔（0.224±0.063）mg/L〕、大磨子〔（0.232±0.057）mg/L〕出現(xiàn)濃度較大值。2011—2018年沱江干流上、中、下游3個區(qū)段TP平均濃度均高于GB 3838—2002中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（0.2 mg/L）；各支流監(jiān)測斷面中，自貢市釜溪河碳研所和德陽市石亭江雙江橋斷面TP年均濃度分別為0.563和0.287 mg/L，屬于劣Ⅴ類和Ⅴ類水質(zhì)。單因素方差分析結(jié)果表明，2011—2018年沱江干流TP濃度總體表現(xiàn)為上游>下游>中游，這與陳雨艷等[22]的研究結(jié)果一致，中游TP濃度分別與上游和下游表現(xiàn)出顯著差異性（P<0.05），而上游和下游TP濃度差異性不顯著。

圖2 2011—2018年沱江流域干支流TP濃度空間分布Fig.2 Spatial distribution of TP concentration in the main and tributary streams of Tuojiang River from 2011 to 2018

表1 2011—2018年沱江流域干支流各監(jiān)測斷面TP濃度Table 1 TP concentrations in the monitoring sections at the main and tributary streams of Tuojiang River from 2011-2018

2.2 TP濃度時間分布特性

2011—2018 年沱江干流11個監(jiān)測斷面不同水文期（年平均、枯水期和豐水期）TP濃度變化如圖3所示。年度平均值采用當(dāng)年全部月份（不少于8個月）的算術(shù)平均值，水文期代表值采用豐水期、枯水期對應(yīng)月份的月平均值。由圖3可知，除宏緣和大磨子斷面外，沱江干流其他斷面TP濃度年均值在2011—2016年呈上升趨勢，2016年出現(xiàn)峰值或較高值，2017—2018年則明顯下降。上游干支流斷面中，三皇廟—拱城鋪渡口段2011—2018年TP年平均濃度為0.234 mg/L，波動范圍為0.097～0.371 mg/L，其中2011—2016年三皇廟斷面增長趨勢達(dá)顯著水平（Mann-Kendall的z=3.01）；沱江中游干支流斷面中，腳仙村、幸福村、球溪河口和銀山鎮(zhèn)斷面年均值分別為0.232、0.191、0.213和0.194 mg/L，腳仙村斷面TP濃度全年均高于其他3個斷面；下游干支流斷面中，釜沱口前—沱江大橋斷面TP平均濃度為0.226 mg/L，波動范圍為0.223～0.232 mg/L，其中李家灣斷面由于受釜溪河匯入影響，2011年、2014—2017年TP濃度高于釜沱口前斷面。大磨子和沱江大橋斷面TP濃度年際變化特性基本相同，均表現(xiàn)出先降低、再增加、最后降低的趨勢。

圖3 2011—2018年沱江流域監(jiān)測斷面不同水文期TP濃度變化趨勢Fig.3 Trend of TP concentration in different hydrological periods at the water quality monitoring stations in Tuojiang River Basin from 2011 to 2018

沱江流域干、支流監(jiān)測斷面豐水期與枯水期TP濃度變化差異性顯著。2011—2018年宏緣斷面TP濃度枯水期大于豐水期，拱城鋪渡口斷面則是2013年、2015—2016年豐水期大于枯水期，其余年份枯水期大于豐水期。幸福村以下干流河段TP濃度表現(xiàn)出豐水期較高、枯水期較低的特點。單因素方差分析結(jié)果表明，2011—2018年，沱江流域TP濃度總體表現(xiàn)為枯水期>豐水期，枯水期與豐水期TP濃度差異性顯著（P<0.05）。

2.3 干支流主要水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

2011—2018 年沱江流域干支流各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，TP濃度與電導(dǎo)率、CODMn、CODCr及TN濃度呈顯著正相關(guān)，且與TN濃度之間的相關(guān)系數(shù)最高；TP濃度與流量、DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，CODCr、CODMn和TN濃度則與流量呈顯著負(fù)相關(guān)。由2017年污染源普查數(shù)據(jù)，計算得到沱江流域干支流主要控制斷面匯流區(qū)內(nèi)點源污染物排放量和入河量占比（圖4），可以看出，點源排放量和入河量在流域內(nèi)存在著顯著差異性。 TP濃度與電導(dǎo)率、CODMn、CODCr及TN濃度之間顯著相關(guān)，CODCr、CODMn與TN濃度之間顯著相關(guān)，以上4種污染物與流量有顯著的相關(guān)性，表明TP、CODMn、CODCr及TN主要來源于面源[23-24]，而不同區(qū)域點源TP入河量的差異是TP與CODMn、CODCr、TN、DO等污染物相關(guān)性程度不同的重要原因。

圖4 沱江流域各監(jiān)測斷面點源污染物排放量及入河量占比Fig.4 Discharge and inflow of point source pollutants at each section of Tuojiang River Basin

表2 沱江干支流各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)Pearson相關(guān)性Table 2 Pearson correlation of water quality indexes at each monitoring section of the main and tributary streams of Tuojiang River

2.4 沱江流域干支流斷面TP濃度層次聚類分析

采用層次聚類分析方法對2011—2018年TP濃度月均值親疏程度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，沱江流域干支流各監(jiān)測斷面可聚類為4組。A組斷面集中在沱江流域中下游內(nèi)江、自貢、瀘州等地，包括沱江干流拱城鋪渡口、幸福村、銀山鎮(zhèn)、釜沱口前、李家灣、腳仙村和沱江大橋7個斷面，支流瀨溪河胡市大橋、清白江三邑大橋、北河梓桐村及綿遠(yuǎn)河八角4個斷面，共11個斷面，其特點是TP濃度月均值和變化率均較小，其中TP濃度在6月、8月和10月出現(xiàn)峰值（圖6）。B組斷面主要包括沱江干流宏緣、順河場、三皇廟和支流三川、威遠(yuǎn)河廖家堰及球溪河口共6個斷面，其特點是TP濃度最大值出現(xiàn)在4月，枯水期TP濃度顯著低于年均值。C組僅包括沱江下游一級支流釜溪河的碳研所斷面，其特點為TP濃度3—5月持續(xù)增加并達(dá)到峰值，5月—次年1月持續(xù)降低并達(dá)到最小值。D組僅包括沱江上游支流石亭江雙江橋斷面，其特點是TP濃度從1月開始逐漸升高，并在7—8月達(dá)到峰值，之后下降。

圖5 2011—2018年沱江流域TP濃度聚類樹狀關(guān)系Fig.5 Cluster tree of TP concentrations of the sections in Tuojiang River Basin from 2011 to 2018

圖6 沱江流域干支流不同聚類所屬斷面TP濃度月度變化特性Fig.6 Monthly variation characteristics of TP concentration at the sections belonging to different clusters in Tuojiang River Basin

根據(jù)2017年污染源普查數(shù)據(jù)，沱江流域主要點源（包括工業(yè)點源、城鎮(zhèn)污水處理廠、工業(yè)園區(qū)污水處理廠）分布和面源（包括農(nóng)村生活、農(nóng)田種植、畜禽 養(yǎng)殖）污染物TP年均排放量如圖7所示。與層次聚類分析結(jié)果對比可知，A組斷面主要分布在沱江流域中下游，TP濃度雖低于上游但年內(nèi)波動不穩(wěn)定，峰值依次出現(xiàn)在豐水期的6月、8月和10月，表明該區(qū)域主要受面源污染影響[25]。肖宇婷等[21]采用排污系數(shù)法測算沱江流域面源污染負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)沱江流域中下游球溪河口仁壽縣段、沱江簡陽市段、資陽市雁江區(qū)段以及瀘州市瀘縣段TP排放量較高，與圖7(b)顯示的流域面源污染負(fù)荷強(qiáng)度空間分布特征基本一致。B組斷面主要分布在沱江流域上游地區(qū)，枯水期TP濃度超過Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中4月出現(xiàn)濃度峰值，這可能是受城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)集中區(qū)污水排放的影響，加之支流流量不足造成的。C組碳研所斷面位于自貢市城區(qū)下游，枯水期1—5月TP濃度呈明顯上升趨勢，6月TP濃度降低，這是由于自貢市市區(qū)城鎮(zhèn)化率大于70%，常住人口從2011年的58.3萬人增至2017年的74.2萬人[26]，受城鎮(zhèn)生活污水排放的影響TP濃度升高。D組雙江橋斷面豐水期TP濃度大于枯水期，這是由于斷面匯流區(qū)（德陽郊區(qū)）畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)藥及化肥流失等面源污染對水體TP濃度的貢獻(xiàn)顯著，特別是該區(qū)約60%的規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污處理設(shè)施不夠完善，專業(yè)戶和散養(yǎng)戶存在糞污露天堆放、隨意外排現(xiàn)象，導(dǎo)致大量面源污染物入河[27]。

圖7 2017年沱江流域TP點源與面源排放源強(qiáng)空間分布Fig.7 Spatial distribution of TP pollutions from point and non-point sources in Tuojiang River Basin in 2017

3 結(jié)論

（1）在空間上，沱江干流上游區(qū)（三皇廟斷面以上）TP濃度主要受起始支流TP污染匯入的影響，中游區(qū)（三皇廟—腳仙村斷面）TP濃度平緩變化且總體沿程降低，下游區(qū)（腳仙村斷面以下）TP濃度顯著波動。TP 濃度在三皇廟〔（0.251±0.213）mg/L〕、銀山鎮(zhèn)〔（0.146±0.028）mg/L〕和大磨子〔（0.232±0.057）mg/L〕等監(jiān)測斷面出現(xiàn)極值。

（2）在時間上，沱江流域TP濃度總體表現(xiàn)為枯水期>平水期>豐水期的特性，枯水期、平水期與豐水期TP濃度差異性顯著（P<0.05），枯水期與平水期TP濃度差異性不顯著（P>0.05）。

（3）2011—2018年沱江流域干支流TP濃度層次聚類分析結(jié)果表明，流域上游與中下游TP濃度空間變化差異性顯著，由于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水排放加之干、支流河道流量不足，上游枯水期污染嚴(yán)重；豐水期TP污染嚴(yán)重主要與匯流區(qū)內(nèi)面源入河有關(guān)，沱江中、下游干流普遍流量較大，TP濃度主要受畜禽養(yǎng)殖污染源、畜禽養(yǎng)殖-農(nóng)村生活源、農(nóng)村生活源等面源污染影響。沱江流域TP污染具有明顯的流域區(qū)域性特征。