長江是我國第一大河，2000年以來長江流域水環境形勢發生了巨大變化，長江水質現狀及其變化和原因備受關注。採用水質、水量、汙染物通量、汙染負荷等多要素綜合分析方法，研究了近18年長江幹流水質和汙染物通量的時空分布、變化趨勢及原因。結果表明：
①宜賓以下長江幹流總磷濃度高於金沙江；從源區至入海口，長江幹流氨氮濃度總體呈沿程上升趨勢。
②2011—2013年是長江幹流水質重要轉折期。2003—2010年，長江下遊江段氨氮濃度總體呈明顯上升趨勢，2013—2018年大幅下降，下降約65%；2012—2018年，長江幹流大部分江段總磷濃度呈明顯下降趨勢，其中上遊下降最大，為45%~60%；2003—2018年，長江幹流高錳酸鹽指數、重金屬和石油類汙染均明顯減輕。
③2000年以來，長江水量未有明顯增大或減小趨勢，但輸沙量大幅下降。總磷年通量與年徑流量密切相關，年內豐水期總磷通量較高。2001—2006年宜昌斷面、漢口37碼頭斷面氨氮年通量大幅下降；2013—2018年，大通斷面氨氮年通量呈明顯下降趨勢。
④2018年，大通斷面總磷、氨氮年通量分別約為9.37×104和21.47×104t。總磷匯入量中遊強於下遊，氨氮匯入量下遊強於中遊。上遊向下遊磷的輸送由21世紀初以顆粒態為主轉變為2017—2018年以溶解態為主。
⑤長江下遊江段氨氮濃度和大通斷面氨氮年通量的顯著下降，以及長江整體石油類超標率大幅下降均主要歸因於水汙染防治；長江幹流大部分江段總磷的明顯下降主要歸因於隨泥沙匯入水體磷的減少，以及長江流域水汙染防治。研究顯示，近18年來長江幹流汙染物濃度、時空特徵、輸送形態發生了巨大變化。
長江是我國第一大河，起點位於「世界屋脊」——青藏高原的唐古拉山脈格拉丹冬雪峰西南側，從起點至入海口長約6300 km，流域面積達180×104km2，約佔我國陸地總面積的1/5[1]。格拉丹東雪峰至當曲口為沱沱河，當曲口至巴塘河口為通天河，一般將沱沱河、當曲、楚瑪爾河、通天河稱為長江源區。巴塘河口至宜賓「三江口」(金沙江、岷江、長江三江交匯處)為金沙江，宜賓以下稱長江。就整個長江幹流而言，宜昌以上為上遊，長4504km，流域面積100×104k㎡；宜昌至湖口為中遊，長955 km，流域面積68×104km2；湖口以下為下遊，長938km，流域面積12×104k㎡。
長江幹流自西向東橫貫我國中部，數百條支流輻輳南北區，是我國水量最豐富的河流，水資源總量9616×108m³，約佔全國河流徑流總量的36%。長江在全國經濟、社會發展中的地位舉足輕重，在國家對生態環境保護愈發重視的背景下，長江水環境保護擺在突出重要地位，尤其是長江經濟帶戰略明確要求「生態優先，綠色發展」「共抓大保護，不搞大開發」。 2000年以來，長江水文和水環境形勢發生了巨大變化，實施了一系列生態環境保護政策措施，如《中華人民共和國水汙染防治法》的頒布實施、汙染隱患企業的「關停並轉」、入河排汙口整治、汙染物排放總量和水質改善雙約束指標體系與機制、河湖長制的實施以及水土保持等。在上述各因素綜合作用下，長江幹流水質所發生的變化及原因備受關注。儘管有研究涉及長江幹流水質的變化，如對長江口近10年水質時空演變趨勢的研究，對長江流域主要汙染物總量減排及水質響應特徵的研究，對近年來長江水功能區水質達標的分析[4]，對三峽水庫蓄水前後長江枝城至沙市段水質的評價，對長江幹流局部江段水質變化的分析[6-8]，以及對長江源區水質參數和水化學參數的分析[9-10]，但從水質、水量、泥沙、汙染物通量、汙染負荷等多方面對長江幹流水質歷年變化趨勢進行系統性、綜合性分析以及原因或機理探究的研究較為鮮見。鑑於此，該研究分析了長江水質和汙染物通量時空分布及歷年變化趨勢，從水量、泥沙、水電工程、水汙染防治等方面辨析水質變化原因，診斷長江主要水質問題，以期為長江水生態環境保護決策提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 研究範圍
長江源區沱沱河、通天河人跡罕至，接近原生態，基於歷史監測數據的實際情況，研究範圍定為金沙江和長江。汙染物濃度現狀分析中選擇50個監測斷面(部分為水文水質綜合斷面)，分布於奔子欄至入海口約4400 km的江段；歷年水質變化趨勢分析選擇具有長系列資料的16個典型斷面(見圖 1)，其中，攀枝花、宜賓、朱沱、寸灘、萬州沱口、官渡口、太平溪以及宜昌8個斷面屬長江上遊江段；沙市五七碼頭、漢口37碼頭、黃石西塞山、九江化工廠下遊4個斷面屬長江中遊江段; 大通、南京化工廠下遊、鎮江青龍山、徐六涇4個斷面屬長江下遊江段。選擇宜昌、漢口37碼頭、大通3個斷面計算汙染物年通量。宜昌斷面汙染物通量代表了來自上遊的汙染物量，為上遊控制斷面；漢口37碼頭位於洞庭湖和鄱陽湖之間，其汙染物通量代表了來自武漢以上江段的汙染物量，為中遊代表斷面；大通位於長江口感潮河段上遊端，是長江入海最後一個徑流控制站，控制流域面積的90%，控制全江流量的95%，其汙染物通量代表了來自大通以上江段的汙染物量。
1.2 研究時段
總研究時段為2001—2018年，但是汙染物濃度歷年變化趨勢分析時段為2003—2018年，沒有追溯至2003年前，主要是考慮到2002年我國頒布了GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，取代之前的GB 3838—1988《地面水環境質量標準》。 GB 3838—2002要求對高錳酸鹽指數、總磷、砷、汞、鉛、鎘、鉻等參數進行測定，採樣後對水樣(現為原樣)靜置30min，得到去除沉降物的水樣(現為澄清樣)來測定水質參數，而GB 3838—1988要求原樣混勻後進行測定，兩種前處理方式的不同導致了GB 3838—2002實施前、後的水質參數監測值缺乏可比性。
1.3 水質參數選擇
依據2001—2018年長江主要汙染物情況，重點選擇總磷、氨氮進行濃度和汙染物通量長期變化趨勢分析；另外，對高錳酸鹽指數、重金屬、石油類、糞大腸菌等進行了簡單分析。
1.4 汙染物通量計算方法
汙染物在某時段內的通量通用計算公式：
式中：W為汙染物通量，t；C(t)為t時刻汙染物濃度，mg/L；Q(t)為t時刻流量，m³/s；k為單位換算係數。
實際工作中無法實現汙染物濃度的連續監測，只能獲得一定時段內的代表值；長江幹流常規水質監測頻率為每月1次。根據現實條件及通量估算方法篩選中誤差最小原則，採用式(2)(3)計算汙染物月通量(Wmi)和年通量(Wa)：
式中：Ci為第i個月的汙染物濃度值，mg/L；Qi為第i個月的月徑流量，108m³。
1.5 數據來源
總磷、氨氮、高錳酸鹽指數、石油類、鉛、汞、糞大腸菌群等監測數據來源於長江流域水環境資料庫；水量數據來源於水利部長江水利委員會《長江水文年鑑》。
2 結果與分析
2.1 汙染物濃度分析
2.1.1 汙染物濃度空間分布特徵
圖 2為2018年長江幹流總磷和氨氮濃度年均值空間分布。由圖 2可見：宜賓以下長江幹流總磷濃度高於金沙江。宜賓以下幹流總磷濃度年均值波動範圍為0.06~0.14mg/L，平均值為0.10mg/L，低於GB 3838—2002中河流Ⅲ類標準限值(0.20mg/L)，但高於Ⅲ類湖庫標準限值(0.05 mg/L)；金沙江總磷濃度較低，約82%的斷面在0.05mg/L以下，僅巧家縣烏東德至金陽縣江段總磷濃度超過了0.05mg/L。
長江作為河流，其總磷濃度跟湖庫標準限值比較的意義在於，河湖連通、引調水工程中，長江水常常會進入緩流狀態，所以需要從整個長江流域視角認識長江總磷濃度偏高問題。關於地表水中總磷濃度的基準或標準一直存有爭議，也是一個難點。總磷不同於其他水質參數的一個重要特點是，同樣的濃度在一個水域無不利影響，而在另一個水域則可引發藻類或大型植物過度生長，其是否產生不利影響取決於所在區域的水文情勢、氣候、水溫、日照等因素。美國早期的水質基準[15]建議，為防止不直接匯入湖庫的河流中植物過度生長，理想的河流總磷濃度標準值(基準值)為0.1 mg/L，而注入湖庫的河流水體則不得超過0.05 mg/L.後來美國有關機構和研究建議河流總磷濃度的指導值為0.08 mg/L[16].對長江幹流總磷的影響分析顯示：①總磷的主要成分是磷酸鹽，屬於非毒性鹽類物質(水體中的磷某些情況下以黃磷和有機磷農藥形式存在時是有毒的，作為單獨的汙染物進行監測和評價，不屬於此處討論範圍)，現有濃度水平對水源地功能、人體健康均無不利的直接影響。 ②磷屬於主要營養因子，總磷濃度偏高的長江水在進入緩流狀態時可能產生不利的生態效應，如導致富營養化、引發水華等；另外，總磷偏高往往對底棲無脊椎動物的群落結構具有不利影響，但具體影響仍有待研究。所以，總磷偏高的主要影響在於水生態方面，而對水生態的不利影響在某些情況下也會影響水質安全，如水華引發水源地水質下降、自來水廠暫停正常供水等。
由圖 2可見，長江幹流氨氮濃度沿程上升，長江口氨氮濃度最高，長江上遊尾段、長江中遊上半段和長江下遊氨氮濃度相對較高，金沙江以及宜賓以下長江上遊上半段、中遊下半段(洞庭湖和鄱陽湖之間)的氨氮濃度相對較低。長江下遊氨氮濃度總體高於上遊和中遊，與長三角地區經濟發展水平較高以及氨氮來源主要以點源為主有關。
根據2016—2018年長江幹流石油類監測結果，石油類汙染主要存在於上海江段，長江幹流出現石油類汙染的約100 km河長中上海江段約佔80%.長江幹流糞大腸菌超標現象較為普遍，其超標河長甚至高於總磷超標河長。
2.1.2 汙染物濃度歷年變化趨勢
2001—2005年，長江幹流的主要汙染物為總磷、氨氮、高錳酸鹽指數、重金屬鉛和汞、石油類等。以總磷、氨氮為重點對其歷年變化情況進行分析。
圖 3為2003—2018年長江幹流不同江段總磷濃度年際變化。由圖 3可見，2003—2012年總磷濃度呈上升趨勢，之後至2018年呈下降趨勢，以上遊下降最大，由0.16 mg/L降至0.07 mg/L，下降約56%.各江段所含斷面總磷濃度變化趨勢分析表明：上遊江段的攀枝花斷面總磷濃度在2003—2008年較低，2009年出現高值，之後大幅下降，由2009年的0.19 mg/L降至2018的0.02 mg/L，下降約89%；宜賓和朱沱斷面的總磷濃度在2012—2018年分別下降了64%和52%；三峽庫區江段的寸灘斷面、沱口斷面、太平溪斷面總磷濃度在2012—2018年分別下降了53%、56%、50%。
圖 4為2003—2018年長江幹流不同江段氨氮濃度年際變化。由圖 4可見：武穴(位於中下遊分界點湖口上遊約70 km)至入海口江段的氨氮濃度變幅最大，2003—2012年基本呈上升趨勢，之後至2018年顯著下降，由2012年的0.51 mg/L降至2018年的0.18 mg/L，下降約65%.對該江段所含各斷面濃度的變化分析表明，九江化工廠下遊斷面氨氮降幅最大，由2012年的0.63 mg/L降至2018年的0.13 mg/L，下降約79%；大通、南京化工廠下遊和鎮江青龍山斷面在2013—2018年下降分別為53%、78%、77%;徐六涇斷面氨氮濃度從2010年起總體呈下降趨勢，由2010年的0.41 mg/L降至2018年的0.22 mg/L，下降約為46%.上遊和下遊變幅遠小於武穴至入海口江段，僅個別斷面變幅較大，如三峽庫區江段的重慶寸灘斷面2010—2018年總體呈下降趨勢，由2010年的0.16 mg/L降至2018年的0.06 mg/L，下降達63%. 2011年起，中遊江段的沙市五七碼頭斷面氨氮濃度呈下降趨勢，由2011年的0.28 mg/L降至2018年的0.10 mg/L，下降約60%.上遊攀枝花至江津段氨氮濃度從2013年起也呈明顯下降趨勢。
對其他參數歷年變化情況分析表明，2003—2005年經常超標的高錳酸鹽指數在2016—2018年已鮮見超標。 2003—2005年鉛、鎘、汞出現超標現象的斷面比例分別為67%、43%、33%，至2016—2018年基本未出現鉛、鎘、汞超標現象，說明長江幹流重金屬汙染已明顯減輕。 2003—2005年出現石油類超標的斷面比例為81%，而2016—2018年降至10%，說明石油類汙染控制效果顯著。
2.2 徑流量和汙染物通量時空變化特徵
2.2.1 徑流量和輸沙量時空特徵
圖 5、6分別為長江幹流朱沱、宜昌、漢口37碼頭、大通斷面年徑流量和年輸沙量的空間分布特徵及歷年變化趨勢。由圖 5可見，2001—2018年朱沱、宜昌、漢口37碼頭、大通斷面年徑流量均在一定幅度內波動，無明顯上升或下降趨勢。各斷面水量豐、枯年的出現不完全一致，如2018年朱沱、宜昌斷面表現為豐水年，而漢口37碼頭、大通斷面表現為枯水年，主要原因是2018年洞庭湖、鄱陽湖來水偏少。對整個長江而言，豐水年為2002年、2010年、2012年、2016年，枯水年為2006年、2011年。 2001—2018年大通斷面年徑流量平均值為8 652×108 m3，比1950—2000年年徑流量平均值(9 051×108 m3)[19]低了4.4%.由圖 6可見，2001年後長江幹流年輸沙量變幅較大，朱沱、宜昌、漢口37碼頭、大通斷面2018年年輸沙量比2001年分別下降了76.6%、87.9%、72.1%、69.9%，以宜昌斷面降幅最大，2001年宜昌斷面年輸沙量為2.99×108 t，2018年降至0.362×108 t，發生了數量級的變化。
2.2.2 汙染物通量歷年變化趨勢
選取宜昌、漢口37碼頭、大通三個斷面，計算2001—2018年總磷和氨氮兩項典型汙染物的年通量，並與年徑流量進行變化趨勢對比，結果如圖 7所示。 表 1為2001—2018年宜昌、漢口37碼頭、大通斷面年徑流量和汙染物年通量特徵值。
由圖 7和表 1可見，總磷年通量、氨氮年通量的低值和高值出現的年份與年徑流量關係密切，2001—2018年中，宜昌斷面有11個年份、大通斷面有10個年份的年徑流量、總磷年通量、氨氮年通量同時出現明顯的高值或低值，漢口37碼頭斷面有9個年份的年徑流量、總磷年通量同時出現明顯的高值和低值。結果表明，水量對汙染物年通量影響較大，但二者時空特徵關係錯綜複雜，汙染物通量既是水量的函數，又是汙染物濃度的函數；同時水量又影響泥沙含量，影響進入水體中的汙染物量(尤其是面源)，影響汙染物的吸附、擴散、降解等環境行為，但這並不意味著無法通過年徑流量與汙染物年通量的關係來辨析汙染減排效果。比較某斷面在年徑流量相近年份間汙染物通量的變化，即可推斷汙染物減排效果，如宜昌斷面2001年與2004年徑流量接近，其2004年氨氮通量遠小於2001年，且氨氮年通量在2001—2006年基本呈單邊下降趨勢，鑑於水溶性氨氮受泥沙含量影響很小，氨氮通量的下降應主要歸因於相應區域氨氮減排的效果，漢口37碼頭斷面亦如此；大通斷面2012年與2016年的年徑流量接近，但2016年氨氮年通量遠小於2012年，而且2012—2018年氨氮年通量基本呈單邊下降趨勢，氨氮通量的下降應主要歸因於相關水域氨氮減排效果，與武穴至入海口江段2012—2018年氨氮濃度呈顯著下降趨勢的結果(見圖 4)高度一致。
另外，2006年以來，上遊末端宜昌斷面總磷年通量只是略高於氨氮年通量(如2018年總磷年通量比氨氮年通量高約10%)，而漢口37碼頭斷面總磷年通量遠高於氨氮年通量(2018年總磷年通量比氨氮年通量高約150%)，至下遊大通斷面氨氮年通量反而遠超總磷年通量，說明宜昌至漢口段總磷的入河量較大，而漢口至大通段氨氮入河量較大。以上結果體現了不同區域間水環境形勢的差異性。
上述某斷面的總磷年通量不是純粹意義上通過該斷面的磷量，根據GB 3838—2002測定總磷時，水樣採集後(稱為原樣)先靜置30 min，取上層非沉降部分(稱為澄清樣)測定總磷濃度，靜置過程中大顆粒泥沙和吸附於其上的磷會發生沉降，因而澄清樣總磷值會低於原樣總磷值，尤其是在汛期泥沙含量較高時[20]，但這種情況不影響總磷通量年際變化趨勢。澄清樣總磷濃度和原樣總磷濃度之比隨懸浮物濃度呈規律性變化，二者存在一定的經驗關係[20]，據此可將澄清樣總磷值換算(校正)為原樣總磷值。依據校正得到宜昌、漢口37碼頭、大通斷面2018年總磷年通量分別為6.33×104、8.96×104、9.37×104 t，均為各自未校正總磷年通量值的1.2倍。宜昌、漢口37碼頭、大通斷面2018年氨氮年通量分別為4.77×104、3.13×104、21.47×104 t。
2.2.3 汙染物通量季節性變化特徵
觀測近5年宜昌、漢口37碼頭、大通斷面總磷、氨氮月通量的季節性變化特徵， 發現對同一個斷面同一種汙染物而言，不同年份汙染物通量的季節性變化特徵基本相似。選取介於豐水年和枯水年之間的2017年作為典型年，給出兩種汙染物在宜昌、漢口37碼頭、大通斷面各月的通量(見圖 8)。由圖 8可見：總磷月通量和月徑流量的變化趨勢高度一致，3個斷面的總磷月通量均隨水量的增大而增大，隨水量減小而減小。而氨氮月通量變化趨勢在不同斷面間差別較大，宜昌斷面氨氮月通量和月徑流量變化趨勢一致；大通斷面氨氮月通量在大多數月份與月徑流量變化趨勢一致，但在4月和6月不一致；漢口37碼頭斷面氨氮月通量與月徑流量的變化趨勢相關性較差，在月徑流量最大的7月，其氨氮月通量遠低於月徑流量相對較小的1月和4月。 5—10月總磷月通量較高，約佔全年通量的63%~74%，而氨氮年通量不同斷面年內分布差別較大，宜昌和大通斷面5—10月的氨氮通量約佔全年的70%，而漢口斷面僅佔36%。
根據式(2)，年內Q變化趨勢一定的情況下，W的年內變化趨勢取決於C.而C的年內變化趨勢可分3種情況：①C的變化趨勢與Q基本一致；②C波動較小；③C與Q的變化趨勢出現背離。在前兩種情況下，汙染物月通量跟月徑流量變化趨勢一致；在第三種情況下，汙染物月通量和月徑流量的年內變化趨勢是否一致取決於C和Q的變化哪一方佔主導地位。對總磷和氨氮濃度年內變化趨勢分析發現，總磷濃度年內變化符合第一種或第二種情況，所以總磷月通量年內變化趨勢與月徑流量基本一致。而氨氮濃度年內變化在不同斷面間差異較大，在宜昌斷面波動較小；在漢口37碼頭斷面波動較大，出現汛期未檢出情況；在大通斷面年內波動較大。所以宜昌斷面氨氮月通量年內變化趨勢與月徑流量基本一致，而漢口37碼頭斷面氨氮月通量與月徑流量的變化相關性較差，大通斷面氨氮月通量與月徑流量的變化趨勢更為複雜，在某些月份表現為一致，在另外一些月份表現為不一致，如7月月徑流量最大，但氨氮月通量最高值出現在6月。
從汙染物性質、賦存形態和來源等方面對以上現象進行分析。地表水體中總磷主要成分是多種形態的磷酸鹽，有相當一部分通過吸附作用以顆粒態存在，泥沙是磷的重要載體[21].將磷的來源分為兩部分，包括來自點源的量和來自面源的量。長江幹流含沙量與流量呈顯著正相關[22]，汛期水量大，降雨徑流對陸面土壤顆粒的裹挾力大，導致長江含沙量增大；同時，吸附態磷通過徑流大量進入水體，導致來自面源的量急劇增大，成為主導因素，而來自點源的量則相對穩定，所以磷的匯入總量急劇增大，使單位時間內的總磷通量增大。因此，汛期大量的磷隨泥沙顆粒通過地表徑流進入水體，導致總磷月通量與月徑流量變化趨勢基本一致，這種推演過程與三峽水庫入庫河流中顆粒態磷佔總磷約75%的結論[23]相符。長江上遊江段流量、懸浮物/泥沙含量[22-24]、總磷[25-26]三者之間顯著正相關，也是上述原因所致。
長江水體中的氨氮與磷在以下兩個方面存在差異：①磷主要來自面源，而氨氮主要來自點源，且點源中生活源又大於工業源[3]；②氨氮基本上以溶解態存在，不受泥沙裹挾。宜昌斷面氨氮月通量和月徑流量變化趨勢基本一致(見圖 8)，是因為宜昌斷面氨氮濃度年內季節間比較穩定(2016—2018年各年份均如此)，而且年際之間氨氮濃度也較為穩定，所以出現了氨氮月通量和徑流量變化趨勢基本一致的現象。而宜昌斷面氨氮穩定的合理解釋是，來自於庫區上遊和庫區的氨氮在三峽水庫這一大型「蓄水池」得到了比較充分的緩衝。
漢口37碼頭斷面氨氮月通量表現為6—11月較低，且與月徑流量變化趨勢不一致的現象，原因是6—11月氨氮濃度較低，相關區域氨氮匯入少，稀釋作用強。宜昌斷面氨氮年通量略小於總磷年通量，而在漢口37碼頭斷面氨氮年通量卻遠小於總磷年通量，進一步證明了這種推斷的合理性。在大通斷面，氨氮月通量與月徑流量的趨勢基本一致，合理的解釋是年內氨氮濃度的波動小於水量的波動；另外，大通斷面氨氮年通量遠大於總磷年通量，與漢口斷面相比出現了反轉，再結合圖 2中氨氮濃度沿程升高的現象，說明從漢口至入海口，進入長江的氨氮增量超過總磷增量。
宜昌斷面為長江上遊控制斷面，是反映長江幹流金沙江梯級水庫、三峽水庫、葛洲壩水庫累積影響的第一個斷面。對該斷面2001—2002年、2017—2018年兩個時段總磷通量季節性變化特徵和賦存形態進行了對比(見圖 9)。由圖 9可見：兩個時段總磷通量均為汛期高於非汛期，但2017—2018年季節間變幅明顯小於2001—2002年，這與其上遊水庫尤其是三峽水庫對流量和泥沙的調控及緩衝作用密切相關；另一個明顯特徵是磷的輸移形態發生了較大變化，2001—2002年宜昌斷面通過顆粒態輸送的磷在磷輸送總量中佔比為50%~87%，而在2017—2018年降為14%~35%，磷的輸移形態由以顆粒態輸送為主轉變為以溶解態輸送為主。
3 討論
綜合觀測圖 3、4、7可以發現，對長江幹流水質而言，2011—2013年是一個重要轉折期，之後長江幹流總磷濃度明顯下降，武穴至入海口江段氨氮濃度大幅下降。
影響河流水質的主要因素有汙染物入河量、水量、泥沙含量等，在汙染負荷一定的情況下，水量越大則汙染物濃度越低。在水量一定的情況下，汙染物入河量越大，則汙染物濃度越高；汙染物入河量越小，則汙染物濃度越低。泥沙含量則會顯著影響可吸附汙染物的濃度，如總磷[27]、高錳酸鹽指數[28]、重金屬[13, 29]等。汙染物入河量取決於水汙染防治效果等因素，泥沙含量的變化則取決於水土保持效果、水庫攔沙作用等因素。
表 2為不同時期長江流域水汙染防治[30]和水土保持相關情況[31-33]，以及長江幹流具有攔沙作用的水電工程。 2001年後，長江幹流典型斷面輸沙量(與含沙量、懸浮物含量均成正比)大幅下降，尤其是三峽大壩下遊的宜昌斷面(見圖 5)，其原因有以下兩點：①水土保持作用(見表 2)。 2006—2015年長江流域治理水土流失面積是2006年之前累計治理面積的52%，是泥沙含量下降的重要原因，朱沱斷面在金沙江下遊兩大梯級水庫建成之前輸沙量減少(見圖 6)，應歸因於上遊水土保持作用。 ②2003年三峽工程蓄水成庫[34-35]、2012年向家壩水電站蓄水成庫、2013年溪洛渡水電站蓄水成庫所產生的攔沙作用[36-37].從時間節點上看，宜昌斷面輸沙量降幅最大的2003年、2006年、2011年、2013年正好對應三峽工程首次蓄水成庫(至135 m蓄水位)、156 m蓄水位實現、175 m設計目標蓄水位實現、金沙江下遊兩大梯級水庫形成，因此水庫修建是上遊向下遊輸送泥沙大幅下降的重要原因。匯入長江水體的泥沙減少，導致通過泥沙裹挾進入水體的磷減少，使得長江幹流總磷近年來呈減小趨勢。宜昌斷面磷的輸送由2001—2002年的以顆粒態為主轉變為2017—2018年的溶解態為主(見圖 9)也是由於宜昌江段泥沙含量大幅減小。當然，不應否認水汙染防治在總磷濃度減小中的作用。
與總磷不同，氨氮主要以溶解態存在，長江幹流武穴至入海口江段氨氮濃度2013年以來大幅下降(見圖 4)不應歸因於泥沙含量的減小。大通斷面相近徑流量年份(2012年與2016年以及2013年與2018年)的氨氮年通量(見圖 7)和相應江段汙染物濃度(見圖 4)的大幅下降，說明武穴至入海口江段氨氮濃度的下降歸因於水量變化也是不合理的，應主要歸因於水汙染防治。高錳酸鹽指數與氨氮同屬耗氧有機物，地表水體中二者濃度密切相關，所以水汙染防治是高錳酸鹽指數下降的原因之一；此外，高錳酸鹽指數與懸浮物中有機質的含量有一定相關性(濃度測定的消解過程會使一部分有機質發生消解)，泥沙含量的減少導致水樣中有機質的減少，從而導致高錳酸鹽指數下降。石油類物質主要存在於表層水體，受水量和泥沙的影響很小，其超標率大幅下降的主要原因也與水汙染防治有關，包括船舶航運業對汙染物排放的大力整治。所以，從水質、水量、汙染物濃度、汙染物通量綜合分析，近年來水汙染防治效果顯著。
從時間節點上來看，相比於「十五」「十一五」，國家「十二五」計劃實施期間是具有突破性的5年，水環境保護上升為國家戰略，在長江流域水汙染治理方面，無論是投資規模、治汙設施建設規模，還是制度建設、管理和技術水平都有跨越式進展(見表 2)，而該研究所得出的水質變化重要轉折期(2011—2013年)正處於「十二五」期間，這不是巧合，而是治理效果的顯現。武穴以下江段氨氮濃度在2003—2013年一直呈升高趨勢(見圖 4)，說明「十五」「十一五」期間長江下遊氨氮汙染未得到有效遏制，但宜昌斷面和漢口斷面在2001—2006年氨氮年通量大幅下降(見圖 7)，說明「十五」期間上遊和中遊氨氮減排取得了顯著成效。
該研究僅從物理化學指標方面得出長江幹流水質明顯好轉的結論，但廣義的水質不僅包括物理化學指標，還包括水生生物指標、棲息地指標、病原體指標等[38].實際上，長江生態惡化、環境風險、汙染排放等問題仍然突出，生態環境形勢依然嚴峻[39].長江經濟帶石化、化工、醫藥、有色金屬採選冶煉、磷礦渣堆積、危化品運輸等方面仍存在諸多隱患，存在地震等自然災害引發大型汙
水處理廠潰瀉的風險，建議加強隱患治理和應急預案研究。今後的治理方向應側重基於大數據信息平臺的精細化管理和監督，並強化責任機制。長江水環境保護任重道遠，應常抓不懈，只緊不松。
儘管從2013年起長江總磷濃度明顯下降，但仍處於偏高水平，是首要超標汙染物。鑑於總磷在河湖連通、引調水工程、水庫回水情況下進入緩流狀態可能產生不利的生態效應，以及對底棲生物群落結構具有不利影響[40]，需要從流域水生態安全的角度認識長江總磷偏高問題。建議實施流域性控磷措施，應面源和點源共治。未來長江流域面源總磷的控制既是重點也是難點。與長江類似，作為美國第一大河的密西西比河，其總磷第一大來源也是面源[41-42]，總磷濃度偏高問題至今仍未解決。
關於長江幹流糞大腸菌群超標問題，從我國不習慣喝生水的角度看，糞大腸菌群超標儘管不會影響飲用水水源地功能，但會影響水體的景觀娛樂功能(如遊泳)，而且作為飲用水水源地的幹流江段如果糞大腸菌濃度較高，勢必會增加自來水廠水處理過程中的投氯量，從而產生更多的消毒副產物(如三氯甲烷等)，這些副產物多具有潛在致癌性，可降低自來水出水品質，從群眾對生活品質和健康關注度越來越高的角度考慮，長江幹流糞大腸菌群超標仍屬問題之一。鑑於糞大腸菌群主要來源於生活汙水和畜禽養殖廢水[43-44]，建議進一步加大未納入水處理管網系統的生活汙水的管控處理，加大畜禽養殖廢汙水以及垃圾違規堆放等治理。
4 結論
a 宜賓以下長江幹流總磷濃度高於金沙江；從上遊至入海口，氨氮濃度總體呈沿程上升趨勢；另外，長江幹流存在糞大腸菌群汙染。
b 2011—2013年是長江幹流水質重要轉折期，之後長江幹流總磷濃度明顯下降，武穴至入海口江段氨氮濃度大幅下降。2003—2018年，長江幹流高錳酸鹽指數、重金屬和石油類汙染均大幅減輕。
c 近18年來，長江水量未呈明顯增大或減小趨勢，但輸沙量大幅下降。總磷年通量與年徑流量密切相關，5—10月總磷月通量較高。 2001—2006年宜昌斷面、漢口37碼頭斷面氨氮年通量大幅下降，2013—2018年，大通斷面氨氮年通量呈明顯下降趨勢。
d 總磷匯入量中遊強於下遊，氨氮匯入量下遊強於中遊。上遊向下遊磷的輸送由21世紀初以顆粒態為主轉變為2017—2018年以溶解態為主。
e 長江幹流下遊江段氨氮濃度和通量大幅下降以及長江整體石油類超標率大幅下降主要歸因於水汙染防治；長江幹流大部分江段總磷和高錳酸鹽指數的明顯下降主要歸因於泥沙匯入量減少及水汙染防治。
f 建議以兼顧面源和點源進行流域性總磷控制；進一步加大長江幹流沿岸影響區未達標生活汙水、畜禽養殖廢水及垃圾違規堆放等治理，控制糞大腸菌群等病原體汙染；加強潛在風險評估和應急預案研究。
作者：婁保鋒，卓海華，周正，吳雲麗，王瑞琳
原標題：近18年長江幹流水質和汙染物通量變化趨勢分析