长江水环境与水生态问题的思考

长江水环境与水生态问题的思考

长江是中国的第一条河流和世界的第三条河流，淡水资源总量约占中国的57%。长江沿江拥有贯穿东西、承南启北的优越地理区位,丰富的水、土、生物和矿产等自然资源,得天独厚的港口和航运开发潜力,成为国家与沿海地区并驾齐驱的生产力布局的主轴线之一。1990’s初,国家“以上海浦东开发开放为龙头,进一步开放沿江城市,尽快把上海建成国际经济、金融、贸易中心之一,带动长江三角洲和长江流域地区经济的新飞跃”的长江开发战略实施和举世瞩目的三峡工程开工建设,带动长江流域经济持续快速发展,流域以占全国不足18%的国土面积,集聚了全国40%左右的人口,产出的GDP约占全国50%。与此同时,流域水环境质量逐步下降、洪水灾害损失不断加重、水生态持续退化等一系列水问题也日益凸显,成为国内外关注的焦点。进入21世纪以来,三峡工程蓄水运行和长江开发战略深入推进,特别是2010’s来,以长三角区域规划、重庆“两江”新区规划、鄱阳湖生态经济区规划、皖江城市带承接产业转移示范区规划以及武汉城市圈和长株潭城市群两型社会综合配套改革试验区、成渝城乡统筹综合配套改革试验区等一系列区域发展国家战略的实施,长江保护压力进一步加大,不仅业已存在的水环境、水灾害和水生态问题更加受到关注,而且还出现了中游平原湖区局域季节性干旱缺水和三峡工程生态环境影响逐步显现等新的水问题。从宏观层面系统剖析长江水问题基本态势、梳理导致长江水问题形成发展的原因,提出长江水问题防控策略,不仅有益于澄清社会各界对长江水问题的片面认识和相关争论,而且还有助于相关部门和沿江地区各级政府采取针对性的防控措施有效遏制长江水问题的发展。1长江水问题的表现和基本趋势1.1水质污染较重,富营养化长江水环境总体态势为干流和主要支流水质总体较好,但局部污染较重;长江沿岸湖泊水质普遍较差,富营养化问题严重;三峡水库库湾和主要入库支流蓄水运行以来水质下降明显;沿江各类集中式饮用水水源地供水安全存在隐患和潜在风险。1.1.1干流主要污染指标长江作为我国第一大河流,干流多年平均入海径流量达9760亿m3,且河流比降大,水动力强,水体污染自净能力和水环境容量相对较大,干流和主要入江支流水质总体较好。2009年,长江流域103个国控监测断面中,Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例为87.4%;Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面为12.6%。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量和石油类,主要表现为干流水质总体为优,支流劣于干流,岸边劣于中泓,城市江段劣于非城市江段。与2007年水质状况相比,Ⅰ~Ⅲ类水质断面比例增加5.9个百分点,Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面减少6.8个百分点,近两年来水质略有改善(图1)(1)。长江流经城市的干流江段和一些支流水质普遍较差,有些支流河段污染还较为严重。2009年,长江干流岸边污染带累计超过600km,且有逐渐扩大趋势。岷江、沱江、湘江、黄浦江等支流以及流经城市的中小支流普遍污染严重,一些流经城市的中小支流水质普遍为V类和劣V类,一些河段甚至终年黑臭。1.1.2水质状况及存在的问题湖泊水质普遍较差是长江水环境最为突出的问题。在鄱阳湖、太湖、巢湖、洞庭湖、滇池等32个重点湖泊中,除云贵高原泸沽湖水质为Ⅰ类、程海整体水质为Ⅲ类外,其它湖泊水质均为Ⅳ~劣V类,2009年湖泊水质评价,Ⅰ~Ⅲ类水面面积仅占27.1%,Ⅳ~劣V类占72.9%,其中V~劣V类占55.4%,主要超标项目为总磷、总氮和高锰酸盐指数。据2007~2010年对长江中下游面积大于10km2的主要湖泊水质调查,采用TN、TP、Chla、SD、SS和CODMn6个水化学指标进行评价的湖泊营养指数(TSI)显示,中下游湖群77个湖泊中有88.3%的湖泊超过了富营养化标准,其中达到重富营养化标准的占23.4%,中营养和贫营养湖泊总计仅为11.7%(图2)。国家重点治理的“三湖”中,滇池水质为劣Ⅴ类,处于中度富营养状态,蓝藻水华灾害严重;巢湖东半湖水质为Ⅳ~V类,西半湖水质为劣V类,均处于中度富营养状态;太湖Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水域面积分别占7.6%、18.5%和73.9%,全年处于中度富营养状态,蓝藻水华灾害连年暴发。其它大型淡水湖泊,鄱阳湖水质总体为Ⅳ类,为中度富营养状态;洞庭湖为Ⅴ类水质,为轻度至中度富营养状态,两湖水质均呈现逐渐恶化的趋势。2009年监测的几个城市内湖中,东湖(武汉)为Ⅳ类水质,中度富营养状态;玄武湖(南京)为Ⅴ类水质,轻度富营养,各湖主要污染指标为总氮、总磷和石油类(表1)。1.1.3干流水质变化趋势三峡水库自2003年6月开始蓄水,2010年水位首次达到175m设计高度,蓄水导致三峡水库出现大范围回水水域,坝前库首水域水流速度急剧下降,水力滞留时间延长、水体污染物迁移转化和横向扩散能力减弱,库区干流水质虽总体稳定,全年水质基本都达到或优于Ⅲ类,但自2005年以来,干流部分江段出现不同程度的Ⅳ类~劣Ⅴ类水体,预示出库区干流水体水质下降趋势(图3)。干流重庆、涪陵、忠县、万州、云阳、奉节、巫山、巴东等城市江段岸边污染带明显扩大,长度为1.0~15.0km,宽度约50~150m左右,主要超标项目为高锰酸盐指数、总磷、总氮等,邻近大坝的江段汛期已出现轻度富营养化,库湾和入库支流水质下降更为明显。蓄水后库区部分支流受回水顶托影响,在回水区末端形成水流缓慢、局部水域相对静止的库湾,水体氮、磷含量显著增加,水体明显向富营养化过渡,局部水域部分时段富营养化水平较高,成为易出现水华的敏感水域,时常暴发水华。在监测的26条入库支流中,12条出现不同程度富营养化及“水华”现象,水华暴发频次,2004年累计发生6起,2005年发生19起,2006年发生20余起,呈逐年加重、扩大趋势。香溪河、大宁河、小江等支流富营养化严重,局部水域在春夏季呈重度富营养状态,如香溪河吴家湾水域、大宁河大昌水域等(图4)。1.1.4污染源较多,影响用电安全长江水质下降给饮用水安全带来的威胁日益明显,长江干流有集中式饮用水取水口近500个,部分取水口不同程度地受到岸边污染带的影响,导致供水水质时常不达标。同时,突发性水污染事件也时刻威胁着长江用水安全,2006年初全国化工石化项目排查显示,全国2万家化工企业中,位于长江沿岸的就有近万家,与此相对应,近年来长江化学品运输增长迅猛,每年有毒危险化学品吞吐量超过500万t,有毒化学品泄露污染事故偶有发生,给长江供水安全带来巨大风险,如2004年2月下旬,位于沱江上游的四川化工集团违法排放高浓度氨氮废水,致使沱江中下游河段氨氮严重超标,污染持续近一个月,事故造成沱江中下游百万人饮水中断、出现大量死鱼、水生态遭受严重破坏,给社会生产、生活造成巨大影响,直接经济损失超过3亿元。此外,水质下降引起湖泊水源地蓝藻水华暴发对供水安全也造成一定的危害。如2007年5月,太湖藻类水华持续长时间暴发,大量藻类在风场的作用下在贡湖西北岸大量堆积死亡、腐烂,并在东南风产生风浪掀起的沉积物作用下,形成腥臭刺鼻的黑水团,污染江苏省无锡市南泉水厂取水口,造成无锡几乎全城停水,形成矿泉水抢购风潮,震惊中外。1.2长江洪水1.2.1同流量情形下的年最高洪水特征长江自古以来洪水不断,历来是流域乃至国家的心腹之患。历史文献记载的特大和大洪水发生频率,18世纪平均为3.5a1次,19世纪约3a1次,20世纪90年代前平均约1.6a1次,90年代则为1a1次,洪水灾害几乎年年发生。近几十年来,长江洪水表现为小流量高水位的“小水大灾”特征,即同流量情况下水位呈增高趋势,导致部分不成灾的降水成灾,成小灾的降雨成大灾。中游螺山站近60a年均流量和年最高水位关系分析表明,在同流量情形下,1980~2010年平均年最高水位远高于1954~1979年平均(图5)。长江1954和1998年洪水为近60a来最具代表性的两次流域性特大洪水,中游沙市、城陵矶、汉口和湖口站4站除沙市站外,1954年最大洪峰流量均高于1998年,而4站1998年最高洪水位均接近或高于1954年(图6)。1998年特大洪水,造成长江中下游地区直接经济损失达1600多亿元,因灾死亡1800余人。1954、1991和1999年为近60a下游太湖流域3次代表性特大洪水,虽然1991年和1999年洪水太湖水量远小于1954年,但最高洪水位则分别高于1954年0.14和0.42m,经济损失更是1954年10和13倍。1.2.2湖体水位分析近10a来,长江出现持续性枯水,尤其是2006年以来,长江中游鄱阳湖和洞庭湖两个大型通江湖泊枯季频现超低水位。继2006年夏秋季、2007年春秋季、2009年秋季鄱阳湖和洞庭湖汛末低水位提前出现以来,各年份12月至翌年3月均持续出现超低水位,2011年4月鄱阳湖更是出现1960年以来的最低水位。2006~2010年枯季,除2008年洞庭湖水位略高于多年平均外,其余年份两湖水位均远低于多年平均(图7)。2007年10月上旬~11月上旬,鄱阳湖湖体水量锐减,水位持续降低,10月10~17日,星子站平均水位13.07m,相应鄱阳湖水面面积1017km2,容积16.4亿m3,与历史同期均值相比,水位偏低1.78m,水面面积、容积分别偏小1266km2和29.1亿m3;11月9~16日,星子站平均水位9.53m,相应鄱阳湖水面面积95.4km2,容积2.56亿m3,与历史同期均值相比,水位偏低3m,水面面积、容积分别偏小651.5km2和9.45亿m3。两湖超低水位频现,给湖区居民生产生活和湖泊湿地与水域生态带来严重影响。2010~2011年枯水季节,两湖地区干旱受灾人口229.8万人,渔业经济损失超45亿元。湖南沿湖157个集镇不能正常供水。1.3长江生态1.3.1鱼类组成和数量分析长江水生生物多样性丰富,具有水生生物门类齐全、物种特有程度高、孑遗物种数量多、水产种质资源优良、生态类型和生活习性复杂多样等特点,在我国乃至全球生物多样性保护中均有非常重要的地位。除中华鲟等9种生物已列入国家重点保护动物名录外,还有鲥鱼、岩原鲤、长身鳅等鱼类被列入易危品种。据《中国濒危动物红皮书》统计,分布于长江水系的水生动物在全国内陆水域中受威胁比例最高,其中受威胁鱼类69种,占全国18.3%;两栖类69种,占47.6%;爬行类54种,占32.5%。长江鱼类不仅种类繁多,而且水产养殖优良品种多,水系中共有淡水定居性、半洄游性和洄游性鱼类378种。近20a来,长江鱼类资源急剧衰退,长江“四大家鱼”、中华绒毛蟹和日本鳗等主导水生经济动物,苗种发生量急剧下降,已不能形成苗汛。长江鲢鳙草鱼捕获量50年代占渔获物比例为80%,70年代为40%,80年代后则降至14%,目前仅为5%左右。天然鱼类的捕捞量显著下降,1950s平均年捕捞产量为31万t,1960s下降为平均25.3万t,1970s平均为20.4万t,现在仅为10万t左右,不足最高年份的1/4(图8)。1.3.2鱼类多样性增加近几十年来,流域湖泊水生生物总体上也处于不断退化状态,集中表现为鱼类资源种类减少、数量大幅下降,生物多样性不断降低,高等水生维管束植物与底栖生物分布范围缩小,而浮游植物(藻类)等大量繁殖并不断集聚形成生态灾害。鄱阳湖为我国第一大湖,20世纪80年代前水域水草繁茂,水生植物面积占全湖面积超过80%,之后鄱阳湖水生高等植物种类减少,浮游藻类数量增加,鄱阳湖盛产的鲤鱼和鲫鱼产卵场由1961年的5.2×104hm2减少到1984年的2.6×104hm2,每年损失的渔业资源相当于鄱阳湖常年捕捞量的6~8倍。第二大淡水湖洞庭湖,20世纪50年代捕捞的经济鱼类有100多种,产量达到4×104t,到20世纪90年代,能捕捞到的天然鱼类降低为70种,天然捕捞量降低到不足1.3×104t。第三大淡水湖太湖,鱼类资源种类由20世纪60年代106种下降到目前60~70种,洄游性鱼类几乎绝迹;底栖动物中螺、蚌等大型软体动物减少,耐污染水蚯蚓、水生昆虫幼体增加;浮游动物中大型的枝角类、桡足类种群、数量减少,而小型的轮虫、原生动物数量大幅增加。中游洪湖,1950s初期有鱼类114种,水生植物92种、10个植被类型;现仅见鱼类57种,水生植物68种、5个植被类型,在湖区栖息的水禽也由167种下降到40种左右,短嘴天鹅、灰鹤、白鹳、鸳鸯等珍稀鸟类1990s后几乎绝迹。云贵高原滇池,20世纪50年代沉水植物有42种,80年代下降到13种,90年代有12种,目前只存8种(图9)。水生浮游藻类种类减少,但是生物量快速增加,许多湖泊蓝藻的优势度已经超过90%,并出现大面积蓝藻水华。鱼类结构也发生很大变化,滇池原有土著鱼类24种,现在湖区仅有4种,其它20种鱼已多年未采到标本,外来鱼种成为湖泊鱼类资源的主体。2长江水问题加剧的原因2.1人类活动干扰强度持续加近30a来,长江流域工业化城市化进程不断加快,经济社会发展成就显著。统计数据显示,仅沿江重庆、四川、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海7省2市城市化率就由1978年的14%增加到2008年的46.5%,30a间增长了32.5个百分点。经济总量则由1978年的1329亿元增加到2008年的119260亿元,年均增长16.2%,占全国经济总量比重由36.7%增加到41.3%,其中工业总产值由1978年的658亿元增加到2008年的58914亿元。在工业内部,重工业化趋势明显,重工业产值占工业总产值比重由1978年44.8%增长到2008年60%以上。经济社会快速发展,人类活动干扰强度不断加大,无疑是加剧长江水问题的重要因素之一。尤其是重化工业在沿江地区大规模地扩张和积聚,污染物排放总量不断增加,流域年废污水排放量1980’s末为150亿t、1990’s末为202.4亿t、2005年为296.4亿t,至2010年达到324.5亿t,导致流域水环境和水生态保护等面临巨大的压力。2.2土地利用变化伴随长江流域人类活动强度的增大和工业化城市化进程加速推进,流域土地利用结构呈现耕地不断减少和建设用地快速增加的变化态势。土地利用/覆被变化将影响生态系统生物多样性,水、碳和养分循环,引起温室气体排放增加、洪水灾害加剧和水体富营养化等一系列环境灾害问题。长江下游太湖流域人口稠密、经济发达、土地集约化利用程度高,近30a来,以太湖富营养化为标志的水环境恶化问题已经成为流域经济可持续发展的严重制约,与土地利用强度和方式密切相关的农田过量施用引起的氮、磷面源污染排放量不断增加是主要原因。利用1980~2000年雨情,模拟并比较1985、1995和2005年等不同年份流域土地利用变化导致的总氮、总磷输出差异,结果显示,在同样雨情下,2005年土地利用格局下全流域总氮和总磷输出分别比1985年土地利用格局下增加3345和208t,增加率分别为27.8%和27.7%,其中城镇开展快速的苏南和上海地区,总氮和总磷输出平均增加率分别达36.5%~60.9%和35.1%~58.6%。同时,土地利用变化改变下垫面特征,对流域暴雨径流过程和水量平衡等产生重要影响,进而加剧洪水灾害。采用长序列模拟方法,建立基于格网的太湖流域分布式水文模型,评估1980~2000年雨情下1985、2000年土地利用格局产流量的差异,结果显示,全流域2000年土地利用格局下产流量比1985年平均增加7.6亿m3,增加率为4.1%,最大增加量为10.0亿m3,增加率为11.8%(图10)。2.3峡水库蓄积工程分析继长江葛洲坝水利工程建成以来,2003年三峡水利枢纽工程开始蓄水运行,以正在建设的向家坝、溪洛渡为标志的上游大规模水电梯级开发进程不断加快,加上南水北调中线和东线工程以及大型支流水库工程等,长江重大水利工程建设正进入快速发展时期。重大水利工程在带来巨大防洪、发电和供水等综合效益的同时,也将对长江水问题产生不同程度的影响。三峡为世界上最大的水利枢纽工程,在发挥巨大的发电、防洪和航运效益的同时,也将对坝下河道冲刷与防洪大堤安全、水库水环境、长江水生态与水生生物多样性以及鄱阳湖和洞庭湖两个大型通江湖泊水资源利用产生不利影响。三峡蓄水导致清水下泄,河床快速冲刷,威胁中游荆江河段防洪大堤安全。2003~2007年,长江宜昌、沙市、监利、螺山、汉口和大通站年输沙量分别比蓄水前多年平均减少86%、79%、72%、72%、68%和64%,宜昌至湖口段累积冲刷总量达5.5亿m3,荆江河段二郎矶2003~2006年累计最大冲刷深度达11m,导致长江荆江河段干堤多次发生崩岸,坍塌江岸最宽处达10多m。据调查(1),三峡水库蓄水后的2004~2010年,库区调查到特有鱼类23种,种数较蓄水前减少51.1%,库区不同江段特有鱼类年均出现率较蓄水前下降38.9%~83.4%,库区渔获物中特有鱼类重量百分比下降28.9%~99.1%,尾数百分比下降42.2%~99.7%,优势度下降35.3%~99.9%。同时,水库蓄水还导致坝下河道“四大家鱼”等鱼类产卵场、索饵场面积缩小,越冬场水位变浅,威胁鱼类生存环境。同时,水库蓄水,导致中游通江湖泊低水位提前,鄱阳湖湖口站和洞庭湖城陵矶站2006~2010年9~12月水位与1990~2000年同期平均相比,10月最大水位差分别达3.2和3.1m(图11);而且,由于长江河床冲刷,导致中、枯流量下中下游河道同流量水位偏低,造成对两湖枯季蓄水拉空作用,加剧两湖枯季超低水位频现事件的发生,对中游两湖湖区水资源利用产生一定影响。2.4水域景观现状人类对湖泊资源不合理占用是加剧流域内湖泊水环境、水生态和水灾害问题的重要原因。一是湖泊大规模围垦。围垦导致湖泊面积和蓄水量大量减少,加剧洪水灾害。据不完全统计,1950s初以来,长江中下游地区有1/3以上的湖泊面积被围垦,围垦总面积超过13000km2,因围垦减少湖泊容积超过500×108m3,相当于目前五大淡水湖总面积和蓄水总量的1.3倍左右。大通水文站以上长江中游地区的湖泊面积由1950s初的17198km2,减少到现不足6600km2,2/3以上的湖泊因围垦而消失(图12)。其中,洞庭湖因围垦,湖泊面积已由1949年前后的4350km2急剧缩小至2625km2,损失容积119×108m3;鄱阳湖面积由1949年前后的5200km2减少到目前的2933km2,损失容积80×108m3;太湖面积由1949年前后的2586km2减少至目前的2425km2,减少面积161km2。据估算,围垦使鄱阳湖多年平均最高洪水位由1950s的18.51m、1970s的18.93m、跃升至1990s的20.10m;洞庭湖每围垦1000km2,将使城陵矶水位抬高0.38m。二是江湖阻隔。江湖阻隔,导致湖泊与江河自然水力联系被大坝或涵闸阻断,一些洄游性物种濒危或消失,水生生物多样性下降,湖泊环境净化等生态服务功能不断退化。如江湖间水生生物联系被人为阻断,导致湖泊鱼类、水生植物及底栖动物种类和数量明显减少,长江中下游洄游性及半洄游性鱼类,失去直接入湖生长繁殖或溯湖而上至上游水系产卵繁殖的条件,一些珍稀濒危水生物种和多种江湖洄游性鱼类趋于消失,1960s巢湖建闸控制前,洄游、半洄游性鱼类产量占天然捕捞总产量的40%以上,湖泊定居性鱼类仅占35%左右,建闸控制后,洄游、半洄游性鱼类基本绝迹,定居性湖鲚的产量占全部捕捞产量的88%以上。同时,江湖阻隔导致湖泊洲滩湿地水文情势变化,湖泊涨落区、浅滩等多种类型湿地丧失,生境单一化,湿地生态和野生生物生境遭受破坏,许多野生生物物种和数量均在减少。而且湖泊失去与江河天然水力联系,湖泊换水周期延长,湖泊污染物净化和水体自净能力下降,加剧长江中下游湖泊富营养化和蓝藻水华暴发灾害。三是湖泊过度养殖。近10多a来,淡水养殖业由池塘转向湖泊大水面,一些中小型湖泊以及一些大型湖泊湖湾,几乎全被围网割裂。长荡湖1980s初期基本没有网围养殖,至1990s后期,网围养殖面积扩展到3907hm2,占全湖水面的58.6%;白马湖1990s中期开始大规模发展养殖业,目前养殖区面积占这个湖面近80%;东太湖1990年网围养殖范围仅占湖泊水面的约9.5%,至2003年养殖水面超过湖面81.2%,目前保留的养殖湖区面积仍占东太湖湖面的22.8%。高密度养殖大量向水体中大量投放高蛋白饵料、甚至氮肥、磷肥和禽粪,以及产生大量鱼虾排泄物等,导致水体环境急剧恶化,加速湖泊水体富营养化进程。同时,不合理湖泊过度养殖,大量消耗水生植物,占据水生植物的生长空间,造成湖泊湿地水生植被消失,促使草型湖泊向藻型湖泊退化。2.5历史气候变化因素主要发生在流域性洪水长江地理位置、走向和地形等因素,决定了长江水文情势深受气候波动变化的影响,流域降雨时空分布不均,成为洪旱灾害频发的根本原因,而水文情势的变化又将直接或间接影响水环境和水生态问题的发生。历史气候变化与长江洪水关系研究表明,气候变暖往往伴随较高的洪旱灾害,尤其是特大洪水的发生,1920~1940年和1980~2000年为20世纪长江流域两个变暖集中的时段,分别发生9次和8次大洪水,其中包括1931和1998年流域性特大洪水。据对长江流域重点气象站点近50a降水量观测数据分析,1990’s平均降水量比1961~1990年平均多33.4mm,2001~2005年平均则比1961~1990年平均少12.0mm,2006~2010年更是显著减少,导致长江和中游两大通江湖泊持续出现低水位(图13)。3长江水问题的防控策略3.1合理划分生态-经济功能区,科学开展水质目标管理根据长江不同区段开发容量,合理确定开发方向和强度,规范空间开发秩序,协调经济社会发展与资源环境保护的矛盾,是解决长江水问题的根本途径。依据长江河流健康要求,结合各区段生态服务功能价值与经济社会基础,合理划分长江沿江生态-经济功能区,明确不同分区的主导生态-经济功能和开发管制要求,切实转变发展理念和发展方式,将长江水资源、水环境和水生态保护摆在长江保护与发展的优先位置。特别是科学核定不同河段水环境与水生态功能,按水功能区的要求,严格实施水质目标管理;在一些河流与河段划定禁止开发区和限制开发区,限定水工程建设和取排水范围,对江河源头区、重要水源地、渔业水域及珍稀濒危水生野生动物密集分布区、天然湿地等实施有效保护。同时,通过分类考核、财政转移支付、生态补偿等措施,统筹协调流域发展与保护以及上下游各区段之间的关系,实现统筹发展、和谐发展和科学发展。3.2以开发与保护并重管理为目标,构建流域法律体系改变现行的流