三峽水庫蓄水前后上下游溶解氧變化分析

李貴生 高千紅 張馨月

(長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖北 宜昌 443000)

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三峽水庫蓄水前后上下游溶解氧變化分析

李貴生 高千紅 張馨月

(長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖北 宜昌 443000)

三峽水庫蓄水運(yùn)行對(duì)上下游水體溶解氧濃度造成了一定影響，從而帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題。針對(duì)這一問題，分析了三峽工程蓄水前后上下游溶解氧變化以及沿程變化規(guī)律，并結(jié)合電站建設(shè)進(jìn)度，分析了導(dǎo)致溶解氧變化的原因。結(jié)果表明，三峽水庫蓄水運(yùn)行以來，一定程度上擾動(dòng)了大壩上下游的溶解氧，影響漁業(yè)生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性，但通過合理調(diào)度，溶解氧環(huán)境正得到改善。

蓄水；水體溶解氧；溶解氧濃度；變化規(guī)律；三峽水利樞紐

1 概 述

三峽工程是當(dāng)今世界上最大的綜合性水利樞紐工程，是治理長(zhǎng)江和開發(fā)利用長(zhǎng)江水資源的關(guān)鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和節(jié)能減排等巨大的綜合效益。與此同時(shí)，三峽工程的建設(shè)及運(yùn)行以及由此帶來的環(huán)境影響，一直以來也備受社會(huì)各界關(guān)注。如水庫閘壩泄水時(shí)常會(huì)導(dǎo)致下游河道水體中溶解氣體過飽和，這會(huì)引起某一時(shí)期魚類患?xì)馀莶《劳觯M(jìn)而引起下游魚類數(shù)量減少，甚至漁業(yè)群落結(jié)構(gòu)及多樣性都會(huì)因此發(fā)生改變[1-3]。

基于以上現(xiàn)狀，本文在分析1998～2013年間三峽水庫蓄水前后上下游監(jiān)測(cè)斷面溶解氧指標(biāo)的變化，以及沿程變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析了不同調(diào)度運(yùn)行情況下，三峽水庫上下游溶解氧含量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，以求為今后的水生態(tài)保護(hù)提供一定的調(diào)度依據(jù)。

2 溶解氧的監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心從20世紀(jì)70年代開始監(jiān)測(cè)三峽壩址上下游的水質(zhì)狀況，其溶解氧監(jiān)測(cè)資料貫穿整個(gè)工程的前期準(zhǔn)備、施工期間以及建成運(yùn)行的全過程。監(jiān)測(cè)期間每月嚴(yán)格按水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范布置采樣點(diǎn)，按水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程要求采集水樣，現(xiàn)場(chǎng)固定后，按照水質(zhì)溶解氧的測(cè)定碘量法(GB 7489-1987)帶回實(shí)驗(yàn)室分析。從2008年開始，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定儀按照水質(zhì)溶解氧測(cè)定電化學(xué)探頭法(GB 11913—1989)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溶解氧。改變檢測(cè)方法前做了充分的方法比測(cè)和平行試驗(yàn)，確保資料連續(xù)可靠。

3 三峽水庫上下游溶解氧特性分析

為了保證數(shù)據(jù)有足夠的實(shí)效性和連續(xù)性，本文選擇了1998～2013年三峽大壩壩上游官渡口斷面和壩下游黃陵廟斷面的逐月溶解氧監(jiān)測(cè)資料。由于所處位置的不同，兩斷面在此期間所呈現(xiàn)的水文形態(tài)也不相同。官渡口斷面位于壩上游，在蓄水過程中由于天然河流變?yōu)樗畮斓囊徊糠?，水深變大、流速變緩；黃陵廟斷面位于壩下游，水深、流速受影響相對(duì)較小。在現(xiàn)實(shí)的監(jiān)測(cè)工作中，根據(jù)斷面的寬度布設(shè)采樣垂線，根據(jù)垂線水深布設(shè)采樣點(diǎn)，不同垂線位置溶解氧的濃度各不相同，為了簡(jiǎn)化分析，按照等權(quán)重平均斷面逐月各位置采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將其作為此斷面的月平均濃度，同理得到其年平均濃度。兩斷面的年平均溶解氧濃度及飽和度，如表1與表2所示，兩個(gè)斷面溶解氧濃度及飽和度隨時(shí)間的變化如圖1與圖2所示。

表1 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年溶解氧平均濃度 mg/L

表2 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年溶解氧飽和度 %

圖1 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐月溶解氧濃度

圖2 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐月溶解氧飽和度

由圖1與圖2可知，2003年6月三峽水庫蓄水以前，上、下游斷面各月溶解氧濃度大多滿足國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅰ類水水體功能要求，年平均值保持在 8.6～9.0 mg/L，未監(jiān)測(cè)到過飽和現(xiàn)象。2、3季度水溫高，水體本身的納氧能力弱，溶解氧濃度低；2、3季度為長(zhǎng)江汛期，來流量大，水體流速快，往往攜帶大量泥沙，增加水體中的污染物及其對(duì)溶解氧的消耗，進(jìn)一步造成了期間的低溶解氧濃度。此外，由于該河段水溫最高點(diǎn)均出現(xiàn)在每年7～9月，納氧能力最弱，最低溶解氧濃度出現(xiàn)在第3季度，約 7.1 mg/L，滿足Ⅱ類水水體功能要求。1、4季度水溫低，水體本身的納氧能力強(qiáng)，溶解氧濃度高。水溫最低點(diǎn)均出現(xiàn)在每年1～3月，最高溶解氧濃度出現(xiàn)在第1季度，約11.1 mg/L，溶解氧濃度隨水溫周期性變化起伏，上下游水體溶解氧飽和度基本維持在90%附近，水質(zhì)狀況良好；復(fù)氧與耗氧基本保持平衡。

2003年6月水庫蓄水以后，上游斷面溶解氧濃度普遍有所降低，年平均值在 6.6～7.7 mg/L之間。季節(jié)變化趨勢(shì)不變，最小值仍出現(xiàn)在第3季度，極小值為5.4 mg/L，滿足Ⅲ類水水體功能要求，年均值在2006年達(dá)到最低后，濃度水平緩慢恢復(fù)到 7.5 mg/L左右。

水庫蓄水以前，水中溶解氧的恢復(fù)主要通過自然過流條件下水體和大氣間的氣體交換完成，平穩(wěn)緩慢，下游溶解氧濃度及周期性變化與上游基本一致。水庫蓄水以后，2003～2010年三峽水庫建設(shè)高峰期間，下游溶解氧濃度在時(shí)間上已無明顯周期性規(guī)律，呈不規(guī)則鋸齒狀波動(dòng)，年極值出現(xiàn)時(shí)間不再與上游同步；下游溶解氧飽和度明顯增大，2003年6月至2004年9月的16個(gè)月中，黃陵廟監(jiān)測(cè)斷面有11個(gè)月保持溶解氧過飽和，最高值達(dá)133%。2005～2010年汛期均監(jiān)測(cè)到過飽和現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在7～9月，但頻次逐漸減少。2010年后，三峽水庫基本建成試運(yùn)行，下游溶解氧濃度變化漸依水溫周期變化，年極值與上游同步出現(xiàn)，溶解氧飽和度與蓄水前相比波動(dòng)較大，但基本上保持在68%～95%，未監(jiān)測(cè)到過飽和現(xiàn)象。

4 水庫蓄水后溶解氧特性變化原因分析

水庫蓄水以后，上游溶解氧濃度及飽和度普遍降低，其原因有二：一方面，隨著水位的抬高，淹沒面積達(dá)632 km2，且淹沒區(qū)大多為人類活動(dòng)密集區(qū)，岸線附近多年堆積的未清除污染物隨水帶入，排入長(zhǎng)江的有機(jī)污染物、氮、磷指標(biāo)有一定增加，水質(zhì)有所下降[4]，耗氧物質(zhì)增多導(dǎo)致溶解氧指標(biāo)下降；另一方面，蓄水導(dǎo)致庫區(qū)流速減緩，水體復(fù)氧能力下降，污染物在水體中的滯留時(shí)間增加，加大了對(duì)溶解氧的消耗。經(jīng)2～3 a的周期性淹沒后，兩岸污染物溶出效應(yīng)減弱，對(duì)溶解氧的消耗降低，溶解氧水平有一定的恢復(fù)。

在水溫相同的條件下，溶解氧飽和度與溶解氧濃度的變化趨勢(shì)一致。但由于溶解氧飽和度排除了水溫對(duì)水體納氧能力的影響，因而能更合理地反映水體在通過壩體后因工程原因?qū)ο掠嗡w溶解氧的影響。通過整理1998～2013年數(shù)據(jù)，結(jié)合電站運(yùn)行情況，繪制出兩斷面年平均及年最高溶解氧飽和度圖(見圖3與圖4)。

圖3 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年平均溶解氧飽和度

圖4 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年最高溶解氧飽和度

從圖3與圖4可以看出，下游溶解氧的變化主要是由于水流在過壩時(shí)通過方式不同造成的。水流過壩體有兩種方式，即電站過流和泄水建筑物過流。電站過流時(shí)，因三峽電站良好的淹沒入流與淹沒出流條件，過流水體缺少摻氣途徑，但由于水深變小，流速加大，水體的復(fù)氧能力增強(qiáng)，與上游相比下游溶解氧濃度仍然得到一定的補(bǔ)充;泄水建筑物為23孔深孔，深孔過流時(shí)為消弱水流從高處沖擊壩下河床所造成的影響而采用挑流下泄，根據(jù)所需泄流量大小，泄洪時(shí)開孔數(shù)量不一。下游溶解氧濃度較上游溶解氧飽和度顯著增大，最大值高達(dá)近133%，從機(jī)理上分析，是由于挑流深孔作為最主要的泄洪途徑[1]，使勢(shì)能-動(dòng)能轉(zhuǎn)化過程中過流水體在高速水流表面形成負(fù)壓，過壩水流表面與空氣充分接觸，將空氣中的氧氣吸入到壩下水體中，對(duì)壩下水體形成劇烈的曝氣過程，受水體靜壓作用，空氣中的氧氣大量溶入水體中，導(dǎo)致了下游水體溶解氧飽和度的增加[4]。

三峽水庫在2003年6月開始下閘蓄水后，電站由2003年第1臺(tái)機(jī)組開始發(fā)電到2012年地下電站機(jī)組開始發(fā)電，總共34臺(tái)機(jī)組，歷時(shí)10 a[5]。隨著投入發(fā)電機(jī)組的增多，水體逐漸由泄水建筑物深孔過流轉(zhuǎn)向電站過流，在建設(shè)后期僅在汛期流量過大需泄洪時(shí)根據(jù)需要開啟一定數(shù)量深孔。由此引起的壩下溶解氧飽和度擾動(dòng)效應(yīng)逐漸減弱，飽和度逐步降低。

建設(shè)初期，電站過流相對(duì)較小，導(dǎo)致壩下年均溶解氧飽和度比上游高10%～20%，最大月監(jiān)測(cè)值比上游高62%。例如2004年9月，由于自然來水流量大，泄水建筑物過流流量相應(yīng)增大，造成了水體的劇烈摻氣和溶解氧的急劇增長(zhǎng)，上游溶解氧飽和度達(dá)到全年最低值(約61%)，下游溶解氧飽和度卻出現(xiàn)全年最高值(約133%)。建設(shè)后期隨著發(fā)電機(jī)組的增多，電站過流已經(jīng)是水流過壩的主要方式，壩下溶解氧飽和度的年最高值逐步下降，趨于穩(wěn)定。即使在2010年長(zhǎng)江入庫流量為70 000 m3/s,2012年為71 200 m3/s情況下，通過合理調(diào)配(前期騰庫，降低水位，后期削峰，減小下泄流量)，通過深孔泄洪導(dǎo)致的溶解氧過飽和水流在電站過流水流的稀釋、混合下，壩下溶解氧飽和度年最高值保持在88%～105%，大大低于初期。

5 結(jié)論與建議

從以上分析可以看出，三峽水庫從下閘蓄水到試運(yùn)行以來，對(duì)于大壩上下游的溶解氧造成了一定的擾動(dòng)，壩上游溶解氧降低，建設(shè)施工的一段時(shí)間里壩下溶解氧出現(xiàn)了較嚴(yán)重的過飽和現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了漁業(yè)生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性發(fā)生變化。通過科學(xué)合理的調(diào)度，水體主要過流方式發(fā)生改變，對(duì)于溶解氧的影響逐漸減弱,溶解氧過飽和現(xiàn)象受到明顯抑制。

基于以上分析，建議從兩方面來改善大壩上下游溶解氧環(huán)境：

(1) 加大大壩上下游溶解氧的監(jiān)測(cè)頻次及范圍，摸清溶解氧飽和情況的時(shí)間和空間分布；

(2) 加強(qiáng)對(duì)大壩上下游溶解氧變化規(guī)律的研究，尋求合理、高效的生態(tài)調(diào)度方案，改善下游溶解氧環(huán)境。

[1] 程香菊 陳永燦.大壩泄洪下游水體溶解氧氣體超飽和理論分析及應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展 ，2007,18(3)：346-349.

[2] 楚凱峰，薛聯(lián)芳，戴向榮,等.水電工程下泄水體氣體過飽和影響及對(duì)策分析[C]∥水電2006國(guó)際研討會(huì)論文集 .昆明，2006:971-976.

[3] 陳永燦,付健，劉昭偉,等.三峽大壩下游溶解氧變化特性及影響因素分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展 ，2009,20(4):526-530.

[4] 胡響玲，黃鈺鈴，楊正健，等. 三峽水庫蓄水前后點(diǎn)源污染物的排放比較及預(yù)測(cè) [J].中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2013(4):13-16.

[5] 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司.長(zhǎng)江三峽工程運(yùn)行實(shí)錄(2003～2012年) [R].宜昌：中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，2013.

(編輯：朱曉紅)

2016-09-15

李貴生，男，長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，工程師.

水環(huán)境監(jiān)測(cè)

1006-0081(2016)11-0003-03

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