环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (5): 1100-1108  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.04.03

引用本文  

陈善荣, 何立环, 张凤英, 等. 2016—2019年长江流域水质时空分布特征[J]. 环境科学研究, 2020, 33(5): 1100-1108.
CHEN Shanrong, HE Lihuan, ZHANG Fengying, et al. Spatiotemporal Characteristics of Surface Water Quality of the Yangtze River Basin during 2016-2019[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(5): 1100-1108.

基金项目

国家自然科学基金项目(No.41601608);国家重点研发计划项目(No.2016YFD0800904-3)
National Natural Science Foundation of China (No.41601608); National Key Research and Development Program of China (No.2016YFD0800904-3)

责任作者

林兰钰(1974-), 女, 吉林省吉林市人, 正高级工程师, 硕士, 主要从事环境质量综合分析研究, linly@cnemc.cn.

作者简介

陈善荣(1963-), 男, 江苏海门人, 高级工程师, 主要从事环境监测研究, chensr@cnemc.cn

文章历史

收稿日期:2020-02-05
修订日期:2020-03-28
2016—2019年长江流域水质时空分布特征
陈善荣, 何立环, 张凤英, 马广文, 林兰钰    
中国环境监测总站, 北京 100012
摘要:为掌握“十三五”以来长江流域的水环境质量时序变化和空间分布特征,基于国家生态环境监测网2016—2019年长江流域615个可比断面监测数据,从流域主要污染特征、主要超标指标浓度时空变化等方面分析了长江流域水质变化情况.结果表明:2016—2019年,长江流域水质总体好转.依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》评价,Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例上升7.2百分点,劣Ⅴ类下降2.8百分点.TP、NH3-N和COD是长江流域的主要超标指标,2019年三者的浓度较2016年分别下降了28.3%、35.0%和8.0%;从流域不同级别河流来看,三者浓度在干流均为最低;从干流来看,三者浓度较高的断面主要分布在长江中游;TP和COD污染主要来自面源,NH3-N主要来自点源.研究期间,TP对长江流域水环境污染贡献最大,其断面超标率一直排在首位.针对流域水质分布特征,建议继续加强流域内TP防控,重点加强中游污染治理;同时,优化流域产业结构,进一步改善流域水质和生态环境质量.
关键词长江流域    水质    污染特征    超标指标    
Spatiotemporal Characteristics of Surface Water Quality of the Yangtze River Basin during 2016-2019
CHEN Shanrong, HE Lihuan, ZHANG Fengying, MA Guangwen, LIN Lanyu    
China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China
Abstract: In order to study the temporal-spatial characteristics of water quality in the Yangtze River Basin (YRB), since 2016 (the first year of the 13th Five-Year Plan), monitoring data from 615 comparable sections of the YRB in the national monitoring network during 2016-2019 were analyzed, the main pollution characteristics and the spatiotemporal characteristic changes of the concentrations of main indicators were summarized. The results showed that the water quality of the YRB improved during 2016-2019. According to the Environmental Quality Standards for Surface Water (GB 3838-2002), the percentage of water sections meeting Grade Ⅰ-Ⅲ water quality standard increased by 7.2 percentage points, and those inferior to Grade Ⅴ dropped by 2.8 percentage points. The main exceeding standard indicators of the YRB were TP, NH3-N and COD. Compared with 2016, the concentration of TP, NH3-N and COD in 2019 decreased by 28.3%, 35.0% and 8.0%, respectively. These were the lowest concentrations of the three pollutants in the main stream of Yangtze River. The sections with higher concentrations of the three pollutants mainly distributed in the middle reaches of the Yangtze River. The pollution of TP and COD mainly came from non-point sources and NH3-N came from point sources. TP was always the main indicator affecting the water quality of the YRB, and the exceedance rate of TP cross sections always ranked first. According to the spatiotemporal characteristics of water quality in the YRB, in order to improve the water quality and ecological environment quality of the basin, prevention and control of TP should be strengthened continuously, pollution control in the middle reaches needs to be strengthened, and industrial structure of river basin should be optimized.
Keywords: Yangtze River Basin    water quality    characteristics of pollution    exceeding standard indicators    

长江流域横跨我国东部、中部和西部三大经济区,共计19个省(自治区、直辖市),是我国和亚洲第一大流域、世界第三大流域,流域总面积约180×104 km2,约占我国国土面积的18.8%.流域内自然资源丰富,人口约占全国的1/3, 生产总值超过全国的40%,在国家发展战略上处于重要地位.

2016年1月5日,习近平总书记在推动长江经济带发展座谈会上的重要讲话中强调:“长江是中华民族的母亲河,也是中华民族发展的重要支撑.推动长江经济带发展必须从中华民族长远利益考虑,走生态优先、绿色发展之路,使绿水青山产生巨大生态效益、经济效益、社会效益,使母亲河永葆生机活力”.同时指出“长江拥有独特的生态系统,是我国重要的生态宝库.当前和今后相当长一个时期,要把修复长江生态环境摆在压倒性位置,共抓大保护,不搞大开发”.党的十九大报告又将“以共抓大保护、不搞大开发为导向推动长江经济带发展”纳入新时代实施区域协调发展战略的重要内容. 2018年4月26日,习近平总书记主持召开第二次长江经济带发展座谈会,再次强调“共抓大保护、不搞大开发,努力把长江经济带建设成为生态更优美、交通更顺畅、经济更协调、市场更统一、机制更科学的黄金经济带,探索出一条生态优先、绿色发展新路子”.

在国家重大决策部署下,我国各级政府和部门相继开展了长江流域生态环境保护工作,取得了积极进展. 2019年,长江经济带11个省市“三线一单”成果开始实施,全面完成长江流域入河、入海排污口排查,长江经济带95%的省级及以上工业园区建成污水处理设施并安装在线监测装置,推进长江“三磷”专项排查整治.

很多学者对长江流域水环境进行了分析,例如,汪金成等[1]对长江干流水质变化趋势进行了分析; Griffiths等[2]对长江下游水质变化进行了分析; 也有学者[3-6]对长江流域三峡库区、长江源区、江苏省等部分区域水质变化进行了分析; 李茜等[7]对2005—2009年长江流域水质污染特征进行了研究; 同时, 还有水质分析方法[8-10]、水资源承载与利用[11-12]、污染传输[13-14]、生态环境保护需求和压力[15-18]等方面的研究.但对“十三五”以来长江流域的水质变化尤其是从全流域的尺度进行时空分析的研究还非常少,因此,深入全面分析习近平总书记号召长江经济带大保护以来,长江流域水质改善状况,科学评价判断长江流域水质时空分布特征,对于进一步提升长江流域水质、保护长江流域生态环境具有重要意义.

该研究以2016—2019年长江流域615个可比断面的21项地表水水质指标监测结果为样本,开展全流域水质时空变化特征、指标浓度时序变化和污染物空间分布特征研究;分析长江流域近年来地表水水质变迁特征,总结目前存在的主要环境问题,并提出针对性的对策建议,以期为科学认识长江流域水环境治理成效和制定未来的生态环境保护措施等提供借鉴.

1 研究方法 1.1 数据来源

研究数据来源于国家地表水环境质量监测网监测数据.

1.2 研究范围

研究区域为长江流域江河水系,研究时段为2016—2019年. 2015年7月,国务院印发了《生态环境监测网络建设方案》(国办发〔2015〕56号),明确了“十三五”期间国家地表水监测网的设置方案,将国控断面由972个优化调整至2 767个,2016年开始实施.从数据连续性的角度考虑,该研究挑选《“十三五”国家地表水环境质量监测网设置方案》(环监测〔2016〕30号)确定的长江流域国控断面,2016—2019年有615个可比断面,全部为河流断面.其中,干流断面71个,一级支流断面280个,二级支流断面191个,三级支流断面63个,四级支流断面6个,五级支流断面1个,独流入海断面3个.

1.3 研究方法 1.3.1 水质评价方法

断面水质评价指标为pH、DO、CODMn、BOD5、NH3-N、石油类、挥发酚、Hg、Pb、COD、TP、Cu、Zn、F-、Se、As、Cd、Cr6+、氰化物、阴离子表面活性剂和硫化物共21项,评价依据为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》,评价结果分为Ⅰ类~劣Ⅴ类共6个类别.采用单因子评价法,即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定其水质类别,若某评价指标值超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质标准值,则该评价指标超标.

断面超标率按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》和《地表水环境质量评价办法(试行)》的要求进行评价,计算公式:

$ k=n / N \times 100 \% $ (1)

式中:k为断面超标率,%;n为某评价指标超过Ⅲ类水质标准的断面个数;N为断面总数,个.

1.3.2 数据统计方法

某项指标某年的年均浓度为各断面该项指标该年年均浓度的算数平均值;某项指标某几年的年均浓度平均值为该项指标各年年均浓度的算数平均值.断面所在区域、河流级别、上中下游等属性参照《“十三五”国家地表水环境质量监测网设置方案》(环监测〔2016〕30号)建立的国家地表水环境质量监测网.除上中下游分析使用干流断面外,其他分析均使用615个可比断面.

2 结果与讨论 2.1 长江流域水质污染特征分析

分析显示,2019年长江流域水质为优. 615个可比断面中,Ⅰ类占5.0%,Ⅱ类占65.9%,Ⅲ类占23.1%,Ⅳ类占4.7%,Ⅴ类占1.0%,劣Ⅴ类占0.3%. TP、NH3-N和COD是主要超标指标,三者断面超标率分别为2.8%、2.3%和2.3%.

2016—2019年,长江流域615个可比断面水质类别变化情况见图 1. 4年间长江流域总体水质较好,且逐年好转,由良好变为优.与2016年相比,2019年Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例上升7.2百分点,Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类分别下降2.1、2.3和2.8百分点.长江是我国水资源量最丰富的河流,水资源总量约9 755×108 m3,远超我国其他流域,环境容量非常大[19],其历年水质总体相对较好,但仍有部分断面污染较重[7, 20-21]. 2016年以来,国家提出“共抓大保护、不搞大开发”以及生态优先、绿色发展等战略思想,制定长江保护修复攻坚战行动计划,推进水污染治理、水生态修复、水资源保护“三水共治”,开展劣Ⅴ类水体整治、实施入河排污口排查整治、推进“绿盾”专项行动、启动“三磷”排查整治、推动“清废”专项行动、持续开展饮用水水源地专项行动、持续实施城市黑臭水体整治、开展省级及以上工业园区污水处理设施整治等一系列专项行动,流域内污染水体水质明显改善,促进了长江流域总体水质的进一步提升[22-23].

注:水质类别评价参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》. 图 1 2016—2019年长江流域水质类别变化情况 Fig.1 Water quality categories of the Yangtze River Basin during 2016-2019

2016—2019年,长江流域地表水共有12项指标出现超标现象,断面超标率总体水平均较低(见表 1).除As和Hg分别有一个断面在2017年和2019年超标外,其他10项指标的断面超标率均呈逐年下降趋势.其中,TP、NH3-N和COD断面超标率每年都位居前三位,是长江流域的主要超标指标.农业源和生活源排放是水体NH3-N和COD污染的主要来源[24],长江流域人口众多,约占全国的1/3;是我国最主要的农业生产基地,流域内耕地占全国耕地总面积的1/4;也是我国畜牧业生产的重要基地,尤其是长江中下游,养殖业、渔业都很发达.河流中TP主要来自工业点源(包括磷矿开采、磷化工、食品、制药等行业)、城镇生活源、面源(畜禽养殖业、种植业和农村生活等),长江流域磷矿资源丰富,围绕磷矿开采的相应磷化工产业非常发达,磷矿开采和磷化工对所在小流域水环境产生显著影响.

表 1 2016—2019年长江流域超标指标断面超标率 Table 1 Exceedance rate of pollutants cross sections in the Yangtze River Basin during 2016-2019
2.2 主要超标指标浓度时序变化分析 2.2.1 年际变化

2016—2019年,长江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)均呈逐年下降趋势(见图 2).与2016年相比,2019年长江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值分别下降了28.3%、35.0%和8.0%.从断面指标变化情况看,4年间,对于ρ(NH3-N)年值,139个断面上升,30个断面持平,446个断面下降;对于ρ(COD)年值,254个断面上升,5个断面持平,356个断面下降;对于ρ(TP)年值,178个断面上升,11个断面持平,426个断面下降. NH3-N和COD自2006年被纳入总量控制指标体系后,在以COD、NH3-N控制为导向的水污染防治政策体系下,管理部门采取了多项措施从源头进行污染控制,NH3-N和COD治理效果显著[25-26]. 2016年以来,长江流域逐步推进“共抓大保护、不搞大开发”,进一步加强水污染治理,各项污染物浓度持续下降,促进水质不断改善[22-23].

图 2 2016—2019年长江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值变化 Fig.2 Annual levels of TP, NH3-N and COD in the Yangtze River Basin during 2016-2019
2.2.2 月际变化

2016—2019年,长江流域主要超标指标月值变化情况如图 3所示.

图 3 2016—2019年长江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)月值变化 Fig.3 Monthly levels of TP, NH3-N and COD in the Yangtze River Basin during 2016-2019

图 3可见,2016—2019年长江流域ρ(TP)月值变化无明显规律,总体差距不大.长江流域磷矿资源丰富、磷肥企业集中,生产企业及配套磷石膏库由于历史布局多沿河而建,丰水期时,雨水将TP直接冲刷入河造成污染[27-28],因此丰水期降水量增加并没有使TP得到稀释,减轻污染. ρ(TP)月值无明显变化也说明长江流域TP污染呈面源污染特征.

2016—2019年长江流域ρ(NH3-N)月值变化规律较为明显,1—3月数值较高、7—9月数值较低,呈明显的峰谷变化.从“十一五”开始,NH3-N被列为我国总量减排约束性指标,各级政府和相关部门多措并举减少NH3-N排放,加强城镇污水管网建设,污水处理厂提标改造等,NH3-N污染得到进一步控制. 5—9月是长江流域丰水期,降水较多[29],水体自净能力上升,NH3-N被有效稀释,ρ(NH3-N)相对较低;而12月—翌年3月是长江流域枯水期,降水较少,径流量少,水体自净能力差,ρ(NH3-N)相对较高.这说明长江流域NH3-N污染负荷主要来自点源.

2016—2019年长江流域ρ(COD)月值表现为5—9月较高、11月—翌年2月较低,总体差距不大.测定COD浓度时采用重铬酸钾做氧化剂,在进行氧化时没有针对性,水体中所有能被氧化的物质全部都作为COD被检出[30]. 5—9月长江流域降水较多,将大量还原性物质冲入流域中,因此ρ(COD)较高,降水较少的11月—翌年2月ρ(COD)较低.这说明长江流域COD污染负荷主要来自面源.

2.3 主要超标指标空间分布 2.3.1 全流域

2019年,长江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值分布情况如图 4所示.结果显示,有17个断面ρ(TP)年值超标,分布在6个省市,其中云南省和湖北省较多;14个断面ρ(NH3-N)年值超标,分布在8个省市,其中湖北省较多;14个断面ρ(COD)年值超标,分布在5个省,其中湖北省较多.云南省和湖北省磷矿资源丰富,涉磷企业造成本地TP污染;同时湖北省大部分水质监测断面位于长江流域中游,承接了大量上游来水,主要支流多河道曲折狭窄,水流缓慢,水体纳污能力较差,造成湖北省TP、NH3-N和COD超标断面相对较多.

图 4 2019年长江流域ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值空间分布特征 Fig.4 Spatial distribution of TP, NH3-N and COD in the Yangtze River Basin in 2019
2.3.2 不同级别河流

2016—2019年,长江流域各级河流ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)统计情况见表 2.各级别河流监测断面中,干流ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值的平均值(P)、第25百分位数(P25)、第50百分位数(P50)和第75百分位数(P75)数值均低于其他级别河流,ρ(TP)的P25和P50数值略高于二级、三级和四级支流,其他数值均低于其他级别河流.总体来看,河流级别越低,ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)越高.

表 2 2016—2019年长江流域各级河流中ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值 Table 2 Concentrations of TP, NH3-N and COD in different branches of the Yangtze River Basin during 2016-2019  

需要关注的是,四级、五级支流和独流入海河流监测断面较少,监测数据缺乏代表性和全面性,与其他级别河流进行整体分析时,其统计结果可能会有偏差,但仍能看出断面污染程度较重.为更好地反映长江流域地表水环境质量,为生态环境保护提供更好的技术支撑,建议增加四级、五级支流和独流入海河流监测断面数量.

2.3.3 干流沿程变化

根据地理条件和水文特征差异,将长江干流划分为上、中、下游三段,湖北宜昌以上为上游,湖北宜昌至江西湖口为中游,江西湖口以下为下游. 2016—2019年,长江干流ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值平均值沿程变化如图 5所示.由图 5可见,ρ(TP)在长江干流上游上半段较低,之后迅速上升并维持高位,ρ(TP)较高的断面主要集中在上游下半段、中游和下游;ρ(NH3-N)在长江干流上游上半段较低,之后小幅上升,ρ(NH3-N)较高的断面主要集中在中游;ρ(COD)在长江干流上、中、下游变化不大,中游个别断面稍高.长江流域人口呈东密西疏的分布特点[31],上游经济发展整体较为缓慢,中下游较发达[32],加之中下游地区矿山企业众多,发展规模化程度较低,大量矿区邻近长江干流、乌江及湘江流域[33],使得长江干流上游水质总体优于中下游.

图 5 2016—2019年长江干流ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值平均值沿程变化情况 Fig.5 Annual levels of TP, NH3-N and COD along the main stream of the Yangtze River during 2016-2019
3 结论与建议

a) 2016—2019年,长江流域水质总体较好,且呈逐年好转趋势.从各类水质断面比例来看,与2016年相比,2019年Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例上升7.2百分点,Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类分别下降2.1、2.3和2.8百分点;各项超标指标的断面超标率均呈逐年下降趋势;从主要超标指标浓度来看,与2016年相比,2019年ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)年值均下降,尤其是ρ(TP)和ρ(NH3-N),降幅分别达28.3%和35.0%,说明流域整体水质进一步提升.从政策背景上看,国家提出“共抓大保护、不搞大开发”,流域内各省(自治区、直辖市)落实长江经济带发展的方针政策和决策部署,积极采取各种措施,开展专项检查、提升污水处理能力、取缔“十小”企业、削减主要污染物排放量等,有效保护了流域内水生态环境.分析结果显示,长江流域内水质改善成效非常显著.

b) 2016—2019年,长江流域ρ(NH3-N)月值变化规律较为明显,1—3月较高、7—9月较低,呈明显的峰谷变化特征,说明ρ(NH3-N)在长江流域丰水期较低,枯水期较高;ρ(COD)月值在5—9月较高,11月—翌年2月较低,总体差距不大,说明丰水期将更多的还原性物质冲入河流,造成COD污染加重;ρ(TP)月值变化无明显规律,总体差距不大,说明丰水期时雨水将沿岸污染物冲刷入河造成污染.分析结果显示,2016—2019年,长江流域NH3-N污染负荷主要来自点源,TP和COD污染负荷主要来自面源.建议进一步加强TP和COD面源污染管控,进一步提升NH3-N集中处理能力.

c) 从空间分布上来看,长江干流地表水污染断面主要分布在长江中下游,尤以中游居多.从长江流域地理和水文特征来看,长江上游主要流经高原、高山、峡谷地带,河床比降大,河流水量丰沛,水流湍急,水力资源丰富;中游流经江汉平原,河道迂回曲折,江面宽展,河床比降锐减,水流迟缓,支流众多;下游江阔水深,支流短小.因此,中游水体自净功能相对较差,是污染水平相对较高的原因之一;加之中下游人口多,农业、养殖业、渔业发达,生活源和农业源排放也是地表水污染的主要原因.

d) 长江流域污染主要以TP、NH3-N和COD为主,2016—2019年每年断面超标率均排在前三位,其中,TP断面超标率一直居超标指标之首,是影响水质的主要指标.在不同级别河流中,ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)在干流均相对较低,随着河流级别的降低呈上升趋势.但四级、五级支流和独流入海河流监测断面布设数量较少,建议进一步加强四级、五级支流和独流入海水质监测能力建设,更加科学全面地反映相关水体水质.

e) 虽然长江流域总体水质好转,但尚有个别断面污染严重,水质为劣Ⅴ类,个别断面出现重金属超标现象,部分断面ρ(TP)、ρ(NH3-N)和ρ(COD)呈上升趋势,河流级别越低水质相对越差.长江流域内主要超标指标、主要超标区域均较为清晰,可列为污染治理的主要目标.在长江经济带大保护的发展战略下,“十四五”必将提出更高的生态环境保护要求,长江流域的水质改善压力不容忽视.

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