刘扬扬 苏新华 蔡洺垚

摘要：

为科学评估孤山航电枢纽工程建设对汉江干流水环境的影响，在汉江上游梯级枢纽径流调算的基础上选取丰、平、枯典型日，采用一维、二维水质模型，预测分析了非恒定流条件下孤山航电枢纽工程建设前和建设后总体水质、局部水质和岸边水域纳污能力的状况，并提出了针对性的水环境保护措施与建议。结果表明：孤山航电枢纽工程建设后，库区及坝下各典型断面丰、平、枯水期COD和氨氮平均浓度降低，总体水质趋于改善；但岸边水域流速显著减缓造成局部水质变差，库区典型排污口枯水期COD、氨氮污染带范围增加，库区COD、氨氮岸边纳污能力分别减少9%和11%。为保护库区水环境，分别从生活污水、畜禽养殖、农业面源污染控制和防治等方面提出了相应的对策措施。研究成果可为建设生态友好型水工程、促进汉江生态经济带高质量发展提供技术支撑。

关 键 词：

水质； 纳污能力； 对策措施； 孤山航电枢纽工程； 汉江

中图法分类号： TV213.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.010

0 引 言

水库在防洪、供水、航运、发电等方面具有重要作用，库区水环境安全直接关系到国家、区域安全和社会稳定［1-2］。近年来，众多学者采用不同方法、基于不同角度，开展了梯级枢纽库区水环境影响的相关研究。在水环境观测与变化趋势分析方面，针对备受关注的三峡库区，陈紫娟等［3］基于长江干流和主要支流的水质采样和室内分析，初步揭示了三峡水库低水位运行期水化学特征以及干流回水对支流水化学特征的影响；王丽婧等［4］基于水环境多要素跟踪观测，从水质、水生态、污染物输移角度，提出了三峡水库水环境演变过程中的“分化、同步、胁迫、迭加”效应；黄玥等［5］采用Mann-Kendall法分析三峡库区2004～2017年水质监测数据，得到出库断面水质在逐步改善且优于入库断面水质的结果；邹家祥等［6］基于长期观测资料，分析了三峡工程对水环境与水生态的影响，并提出水生态环境保护对策建议。此外，蔡金洲等［7］基于龙背湾水电站建设前后库区及坝下河段水质监测资料，采用单因子评价法和综合污染指数法对水质状况进行评价；程永隆等［8］基于闽江流域历年主要污染物排放量、控制断面水质浓度和径流量变化之间关系，分析了梯级电站对闽江水环境的影响；张蕊琪等［9］对湘江水利枢纽工程运行后长沙境内断面进行取样分析，采用主成分分析和卡尔森综合营养状态指数法，分析了湘江水体的营养状态。数值模拟分析和影响评估方面：李德旺等［10］采用一维和二维水质模型，研究了亭子口水利枢纽建设对嘉陵江水环境的影响；阮娅等［11］对金沙江乌东德水电站蓄水后攀枝花河段纳污能力和取水口水质变化进行了计算分析；陈黎明等［12］采用一维水动力和水质数学模型，对梯级电站建设前后干、支流水质变化进行模拟分析。库区水环境容量研究方面：曹玲玲等［13］以岷江干流汉阳水电站为例，采用一维模型计算方法研究建库前后水环境容量，发现建库后水流减缓、污染物降解时间增加有利于增大库区水环境容量，而降解系数减小降低了库区水环境容量；郑瑶等［14］建立了重庆三峡库区EFDC水环境数学模型，根据该模型量化各排污口对水质控制断面的响应系数，采用线性规划法研究了库区水环境容量。

汉江是中国重要的供水水源地，也是湖北省经济社会发展的水资源宝库。《汉江生态经济带发展规划》提出，推动汉江生态经济带发展必须牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，要求到2025年生态环境质量更加优化，汉江干流稳定达到Ⅱ类水质标准［15］。目前，汉江上游干流规划了包括孤山航电枢纽工程在内的8个梯级枢纽，梯级开发提高了水资源的利用效率，但也不可避免地造成库区水文情势和水环境变化，进而带来一些生态环境问题。王中敏等［16］曾对孤山库区鱼类产卵场水文情势的影响进行了研究，但目前尚未见对孤山枢纽水环境影响及其保护措施的研究。本文在前人研究的基础上，从断面总体水质、排污口污染带、岸边水域纳污能力等方面着手，着重研究孤山枢纽开发对汉江水环境的影响，并提出水环境保护对策措施，可为建设生态友好型水工程、促进汉江生态经济带高质量发展提供技术支撑。

1 研究区概况

汉江发源于秦岭南麓，干流流经陕西、湖北两省，于武汉市汇入长江，干流全长1 577 km，总落差1 964 m，流域面积15.9万km2。丹江口坝址以上为汉江上游，呈峡谷盆地交替特点，上游干流长925 km，流域面积9.52万km2，落差占整个干流的95%，水能资源较丰富。根据2012年国务院批复的《长江流域综合规划（2012～2030年）》［17］，漢江干流进行15级水电开发，继续建设黄金峡、旬阳、白河、孤山、新集、雅口、碾盘山等7级水电站。其中，汉江上游干流梯级开发方案从上至下为黄金峡、石泉、喜河、安康、旬阳、蜀河、白河、孤山8级水电站。

孤山航电枢纽工程位于汉江上游干流湖北省十堰市郧西县及郧县境内，上距白河水电站坝址约35.5 km，下距丹江口水利枢纽坝址177.6 km，是汉江上游干流开发的最后一级。孤山坝址所处河段左岸隶属十堰市郧西县，右岸隶属十堰市郧县，坝址控制流域面积60 440 km2，多年平均流量778 m3/s，多年平均径流量245亿m3。孤山枢纽正常蓄水位177.23 m，死水位175.00 m，正常蓄水位以下库容1.09亿m3，调节库容2 400万m3，具有日调节能力；水电站装机容量为180 MW（4×45 MW），规划航道等级为Ⅳ级［18］。孤山航电枢纽于2016年12月开工兴建，2020年7月首台机组发电，2021年1月4台机组顺利并网发电。

水环境影响研究范围重点为汉江孤山坝址-白河坝址35.5 km库区江段，并对孤山枢纽坝下丹江口水库库尾江段总体水质影响进行预测分析。孤山枢纽库区主要有白石河、夹河（金钱河）、将军河等3条支流汇入，坝下江段主要有天河汇入。考虑在孤山枢纽库尾、库中、库首与坝址下游，以及水文变化比较明显的支流汇合处设置分析断面，从上至下共选择白河坝址、白河县、白石河河口、羊尾镇、胡家营、将军河口、孤山坝址、天河口、塔峪滩9个断面，见图1。

2.3 模型计算条件

2.3.1 预测工况

根据孤山航电枢纽可行性研究报告并考虑工程建设进度，本次研究现状水平年为2012年，预测水平年与工程设计水平年一致，為2025年。以2025年孤山枢纽建库与否分别设置预测情景，通过对比孤山枢纽建库前、建库后两种情景主要水质指标及其污染带范围变化、岸边水域纳污能力变化，分析枢纽工程建设运行对汉江水环境的影响。为区分不同水期的水环境影响差异，采用汉江丰、平、枯水期来水条件分别进行预测。孤山枢纽开发任务以发电为主，电站日调节运用对应的下泄过程为非恒定流，因此在丰、平、枯水期分别选取典型日，与建库前、建库后两种情景进行组合，形成6组预测工况，见表2。

2.3.2 输入条件

（1） 水文边界条件。考虑孤山枢纽上游黄金峡、石泉、喜河、安康、旬阳、蜀河、白河等梯级联合调度的影响，对上述梯级枢纽长系列径流进行调算，筛选出丰水期、平水期、枯水期3个代表性的典型日入库和下泄方案。其中，枯水期（3月）典型日平均流量为265 m3/s、平水期（11月）典型日平均流量为727 m3/s、丰水期（8月）典型日平均流量为1 210 m3/s，以各典型日孤山枢纽入库、下泄非恒定流过程作为水质计算的上边界水文条件（详见表3）。孤山枢纽建库前，下边界水位按照坝址处流量水位关系确定相应水位值，孤山枢纽建库后下边界水位根据调节计算的坝前水位确定。源汇项条件主要考虑库区主要入库支流夹河、白石河、将军河以及天河入流［18］。

（2） 水质与污染源输入条件。采用孤山枢纽库尾（汉江干流）2012～2013年各水期水质实测数据作为水质计算的背景浓度，采用库区夹河、白石河、将军河、天河4条支流2012～2013年各水期水质实测数据作为水质计算的输入条件，见表4。根据调查，孤山库区主要涉及白河县、胡家营镇、羊尾镇、夹河镇，现状水平年点源主要以沿岸居民生活污水排放为主、无集中工业排污口。孤山枢纽坝址至下游堵河汇口的汉江干流江段，无集中入河排污口分布。孤山库区及坝下所在江段水质执行Ⅱ类标准，对排污严格限制，随着区域点、面源污染治理力度加大，预测水平年污染物负荷仍以生活污水和面源排放为主，并较现状水平年有削减趋势，因此水质计算采用现状水平年污染负荷。将库区点污染源概化为4个集中排污口，同时考虑畜禽养殖和农业面源污染，点、面源排放量基于计算江段涉及乡镇人口、畜禽养殖总数、耕地面积进行估算［18］。

3 结果与讨论

3.1 总体水质预测分析

一维总体水质预测表明，孤山枢纽建库后，库区及坝下各典型断面丰、平、枯水期COD和氨氮均可达到GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅱ类标准。孤山枢纽建库后，由于库区蓄水使得水体体积增大、稀释作用增强，污染物在库区停留时间延长、降解过程更充分，因此库区及坝下各典型断面COD、氨氮平均浓度有所降低，丹江口水库上游入库总体水质呈改善趋势。

孤山枢纽建库后与建库前相比，库区各典型断面丰水期COD浓度降低0.2%～16.1%，氨氮浓度降低1.2%～14.4%；平水期COD浓度降低2.0%～22.1%，氨氮浓度降低1.5%～20.5%；枯水期COD浓度降低0.5%～17.9%，氨氮浓度降低2.4%～46.2%。坝下江段各典型断面丰、平、枯水期COD浓度降低4.4%～16.4%，氨氮浓度降低4.0%～11.2%。预测分析发现，枯水期库区及坝下各断面水质改善相对较为明显，主要是因为建库后枯水期水体体积及其稀释作用增加最为显著；从孤山枢纽库尾至孤山枢纽坝址，沿程各断面COD、氨氮降幅呈逐渐增加趋势，这也是受建库后水域形态变化程度不同的影响。预测结果详见表5和表6。

3.2 典型排污口污染带预测分析

孤山枢纽建成运行后，对库区江段水域形态、水动力条件改变显著，尽管总体水质改善，但预测库区岸边水域COD、氨氮浓度有所增加，主要是因为建库后岸边水域流速显著减缓但岸边水深却变化不大，进而岸边水域污染物降解能力变弱，局部水质变差。以胡家营、白河县城、夹河镇3个概化排污口为分析对象，按照岸边水域污染物COD、氨氮浓度超过GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质标准统计污染带范围，结果见表7和表8。分析发现，孤山枢纽建库后，丰水期、平水期3个排污口及枯水期胡家营排污口，污染带都小于5 m，变化不大。枯水期，孤山枢纽建库后，白河县城排污口污染带长度介于0～30 m、污染带宽度介于0～10 m之间，夹河镇排污口污染带长度介于0～25 m、污染带宽度介于0～10 m之间，均较建库前污染带最大长度增加10 m、最大宽度增加5 m。

3.3 岸边水域纳污能力预测分析

进一步预测分析孤山库区岸边水域纳污能力变化情况。根据《全国重要江河湖泊水功能区划》，孤山库区涉及汉江陕鄂缓冲区、汉江丹江口水库调水水源地保护区2个水功能区［19］。孤山电站库尾（白河坝址）-羊尾镇19.8 km江段属于汉江陕鄂缓冲区，羊尾镇-孤山坝址15.7 km江段属于汉江丹江口水库调水水源地保护区，均执行Ⅱ类水质标准。以上游白河电站最小下泄流量（120 m3/s）为计算设计流量，采用二维水质模型计算白河坝址-羊尾镇、羊尾镇-孤山坝址2个江段COD、氨氮纳污能力。孤山库区河段宽200～300 m之间，根据典型排污口污染带预测分析，枯水期COD、氨氮污染带宽度不超过10 m，纳污能力计算考虑适当扩大岸边计算范围，岸边水域宽度取20 m。表9预测结果表明：孤山枢纽建库后，由于相同设计流量条件下岸边水域流速减缓，不利于污染物扩散输移，各计算单元纳污能力比建库前有所减少。白河坝址-羊尾镇江段COD、氨氮纳污能力分别减少7.2%和9.9%，羊尾镇-孤山坝址江段COD、氨氮纳污能力分别减少10.0%和11.6%。总体上，孤山枢纽建库后，库区35.5 km江段COD、氨氮纳污能力分别为870.8 t/a和83.8 t/a，较建库前分别减少9.0%，11.0%。

3.4 水环境保护措施与建议

孤山航电枢纽建成后，尽管预测结果表明其对库区及坝下江段总体水质无不利影响，但库区由于流速显著减缓，近岸浅水水域污染物降解能力变弱、纳污能力减少，在有污染物排放情况下容易造成岸边水质变差甚至局部富营养化。当前，孤山库区污染负荷以农业面源以及分散的畜禽养殖污染、生活污水排放为主。为保护库区水环境质量，提出如下针对性水环境保护措施与建议。

（1） 生活污染源防治。孤山库区主要涉及白河县、胡家营镇、羊尾镇、夹河镇，目前各地均已建设了城镇污水处理厂，点源控制取得一定成效。下一步应按《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划》要求，加快库区各乡镇污水处理基础设施补齐填平与升级改造工作，提高乡镇生活垃圾无害化处理率。同时，要大力推进雨污合流管网系统改造，实施“管网优先”并统筹考虑乡镇水域的水环境综合整治，提高乡镇污水的收集能力和处理效率。

（2） 畜禽养殖污染源防治。目前，汉江孤山段两岸沿线以分散式畜禽养殖为主，部分高浓度的畜禽养殖粪便随污水排入江中，造成了面源污染。下一步应发展可持续农业技术，借鉴国内外畜禽养殖场粪便污水处理经验，选择适合孤山庫区畜禽养殖场的粪便、污水资源化处理方法。积极推广“减量化”的还田利用模式［20］，根据地区农业种植对畜禽废弃物的消纳能力，科学合理地确定地区畜禽养殖量和养殖规模，实现畜禽养殖废弃物产生与农业种植需肥在时间与空间上的匹配，最大限度减少废弃物处理压力［21］。强化畜禽养殖污染的管理制度，将畜禽养殖业的环境管理纳入到环境保护税法、建设项目环境保护管理条例、汉江流域水环境保护条例等法律法规的管理范畴。建立畜禽养殖污染在线监测和评价体系，对超标排放或严重污染环境的畜禽养殖场进行限期治理。

（3） 农业面源污染防治。孤山库区农业结构主要以传统农业模式为主，使用化肥农药主要为氮肥、磷肥、复合肥，产生的面源污染具有分散性、隐蔽性、随机性和广泛性［22］。针对农业面源污染防治，建议从以下几个方面入手：① 实现科学施肥，在施氮量相等的情况下合理调整基追肥分配比例［23］以及运用减量平衡施肥技术［24］，以提高化肥利用率并减少流失量。② 大力发展替代性环保农业投入品，从财政、金融、税收等方面大力扶持发展高效新型环保农业投入品，大力推广新型农业投入品和先进实用技术。③ 促进面源污染农用品回收利用，在库区沿岸乡镇建立废旧农膜回收站（点）和乡村物业管理站，建设田间垃圾收集设施，对废旧农膜、塑料制品、农资包装瓶袋等农村垃圾进行定点堆放、定期处理。④ 实施环保农业财政补贴政策，把农业环保生产作为财政补贴的硬性指标纳入财政支农体系之中，并建立科学可行的考核办法，使农业财政补贴不仅有利于农业增产、农民增收，而且有利于防治农业面源污染。

4 结 论

孤山枢纽建成后，水域形态、水文情势的改变对库区及坝下江段水环境造成一定影响，主要表现为总体水质改善、局部排污口污染带扩大以及岸边水域纳污能力减少。总体水质预测结果表明：孤山枢纽建成前后，库区及坝下各典型断面丰、平、枯水期COD和氨氮平均浓度降低，降幅分别为0.2%～22.1%和1.2%～46.2%，这与建库后水体体积增大、稀释作用增强以及污染物在库区停留时间延长、降解过程更充分等密切相关。局部水质预测结果表明：孤山枢纽建库后，丰水期、平水期典型排污口COD、氨氮污染带变化不大且均小于5 m，枯水期白河县城排污口、夹河镇排污口污染带最大长度增加10 m、最大宽度增加5 m，孤山库区COD、氨氮岸边纳污能力分别减少9.0%和11.0%。这主要是因为建库后岸边水域流速显著减缓但岸边水深却变化不大，岸边水域污染物降解能力变弱，进而造成局部水质变差和纳污能力减少。针对孤山建库后近岸浅水水域纳污能力减少、岸边水质变差等影响，结合当前库区污染负荷来源与特征，提出了相应控制和防治措施：生活污水控制应加快库区各乡镇污水处理基础设施补齐填平与升级改造工作；畜禽养殖污染控制应选择适合孤山库区畜禽养殖场的粪便、污水资源化处理方法；农业面源污染控制应实现科学施肥，并大力推广新型农业投入品和先进实用技术，实施环保农业财政补贴政策等。

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（编辑：刘 媛）

Abstract：

In order to scientifically assess the influence of Gushan Navigation and Hydropower Project construction on water environment of the upper reaches of Hanjiang River，typical days of wet，average and dry seasons were selected on the basis of runoff calculation of cascades in the upper reaches of Hanjiang River，one-dimensional and two-dimensional water quality models were used to analyze and predict the overall water quality，local water quality and shoreside water pollution capacity before and after the construction of Gushan Navigation and Hydropower Project under unsteady flow conditions.And the countermeasures and suggestions for water environmental protection were put forward.The results showed that average concentrations of COD and ammonia nitrogen in wet，average and dry seasons at typical sections of the reservoir area and its downstream would reduce，indicating that overall water quality would improve.However，the significant reduce of flow velocity in shoreside water would result in the deterioration of local water quality.The pollution zone of COD and ammonia nitrogen of typical sewage outlets in the reservoir area would increase in dry season.Water environment capacity of COD and ammonia nitrogen in the reservoir area would reduce by 9% and 11% respectively.To protect water environment of this reservoir area，a set of measures are proposed in the terms of domestic sewage，livestock breeding and agricultural pollution to control and prevent non-point pollution.The research results can contribute to the construction of ecological-friendly water project and the high-quality development of the Hanjiang River Ecological Economic Belt.

Key words：

water quality；environment capacity；countermeasures；Gushan Navigation and Hydropower Project；Hanjiang River