三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化演變特征研究

焦軍麗，馬 巍，裴倩楠，班靜雅，王雨春，楊克君

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，水環(huán)境研究所，北京 100038；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610065）

1 研究背景

三峽工程是我國(guó)規(guī)模最大的水利樞紐工程，對(duì)保障長(zhǎng)江中下游地區(qū)的防洪安全、促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)與發(fā)展有著十分重要的戰(zhàn)略意義，但受外源性營(yíng)養(yǎng)鹽輸入、水體流動(dòng)條件變差、自然環(huán)境條件和人類社會(huì)活動(dòng)等因素影響，建庫(kù)后各支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化問題突出。早在三峽水庫(kù)蓄水之前，已有不少學(xué)者提出三峽大壩建成后會(huì)有水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題［1-3］。三峽水庫(kù)2003年首次蓄水，半年后部分支流庫(kù)灣就出現(xiàn)了藻類水華問題，在壩前區(qū)與支流回水區(qū)等水流較平緩區(qū)域浮游植物數(shù)量增加明顯，整體上由蓄水前的貧-中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹?富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)［4-5］。隨著壩前蓄水位的逐漸攀升，回水區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，有更多的支流庫(kù)灣面臨水體富營(yíng)養(yǎng)化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。學(xué)者們針對(duì)支流庫(kù)灣的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題開展了大量的研究工作，但涵蓋整個(gè)蓄水過程及高水位常態(tài)調(diào)度運(yùn)行期的研究文獻(xiàn)相對(duì)缺乏［6-7］。本文在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合支流庫(kù)灣較長(zhǎng)序列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從不同歷史蓄水期三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣的水質(zhì)變化特征及其富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)分析入手，識(shí)別并分析了支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化加重的驅(qū)動(dòng)力因素，以期為三峽水庫(kù)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化治理提供一定的參考。

2 三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)選用概況

按照三峽工程規(guī)劃，三峽水庫(kù)蓄水過程依次經(jīng)歷了135m（2003年）、156m（2006年）、175m試驗(yàn)性蓄水（2008年）和175m常態(tài)運(yùn)行（2010年及以后）四個(gè)階段，175m蓄水位的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著三峽水庫(kù)正式進(jìn)入正常運(yùn)行階段。隨著蓄水進(jìn)程的開展，庫(kù)區(qū)水文情勢(shì)、水動(dòng)力特性及水質(zhì)狀況均發(fā)生了明顯變化。為詳細(xì)了解三峽水庫(kù)蓄水進(jìn)程對(duì)庫(kù)區(qū)各支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響，依據(jù)水庫(kù)蓄水進(jìn)程將三峽水庫(kù)蓄水過程劃分為三個(gè)階段：即三峽水庫(kù)蓄水前（2003年及以前）、蓄水后初期運(yùn)行期（2004—2010年）和蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期（2011—2015年）。本文重點(diǎn)分析不同歷史蓄水期三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣的水質(zhì)狀況，與蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期支流庫(kù)灣的富營(yíng)養(yǎng)化狀況。數(shù)據(jù)來源于長(zhǎng)江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心2003年以來，開展多次的“三峽水庫(kù)蓄水期水環(huán)境質(zhì)量狀況專項(xiàng)調(diào)查”和“三峽水庫(kù)不同蓄水位庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣富營(yíng)養(yǎng)化專項(xiàng)調(diào)查研究”成果，以及2011—2015年支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)調(diào)查成果，選取的主要檢測(cè)指標(biāo)為pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和葉綠素a等。

3 不同蓄水期庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水質(zhì)變化特征

為客觀反映蓄水運(yùn)用期三峽水庫(kù)支流水質(zhì)的變化情況，選擇與蓄水前相同的8條流域面積大于1000 km2一級(jí)支流（香溪、大寧河、梅溪河、長(zhǎng)灘河、磨刀溪、湯溪河、小江和龍河），對(duì)2003—2015年期間每年3—4月同期的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以保證支流水質(zhì)變化分析的可比性。各支流均選擇上游來水、回水中段和支流口三個(gè)代表斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），選取pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷等5項(xiàng)參數(shù)，采用單因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)（總磷來水?dāng)嗝娌捎煤恿鳂?biāo)準(zhǔn)，其他斷面采用湖庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)）。

3.1 典型支流庫(kù)灣整體水質(zhì)變化特征蓄水前8條支流中有7條支流水質(zhì)滿足（或優(yōu)于）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中Ⅱ類水質(zhì)占66.7%，Ⅲ類水質(zhì)占22.2%，Ⅴ類水質(zhì)僅占比11.1%，支流水質(zhì)較好。蓄水后初期運(yùn)行期支流水質(zhì)總體較差，各支流庫(kù)灣Ⅳ～劣Ⅴ類斷面測(cè)次比例達(dá)52.6%，其中Ⅳ類占比最高，其次為Ⅱ～Ⅲ類，Ⅰ類和劣Ⅴ類均不足10%。蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期支流庫(kù)灣水質(zhì)繼續(xù)變差，Ⅳ～劣Ⅴ類斷面測(cè)次占比達(dá)69.8%，其中Ⅴ類水質(zhì)占比最高，達(dá)到33.5%，Ⅰ類水質(zhì)占比不足3%。不同蓄水期間各支流庫(kù)灣的整體水質(zhì)類別比例構(gòu)成詳見圖1。由圖1中結(jié)果可知，蓄水前支流水質(zhì)符合或優(yōu)于Ⅲ類的水質(zhì)斷面占比88.9%，蓄水后各支流水質(zhì)均以Ⅳ～Ⅴ類為主，其中初期運(yùn)行期滿足Ⅲ類的水質(zhì)斷面占比下降到47.4%，高水位常態(tài)運(yùn)行期滿足Ⅲ類的水質(zhì)斷面占比進(jìn)一步下降為30.2%。隨著蓄水進(jìn)程的推進(jìn)，各支流（庫(kù)灣）水質(zhì)類別總體呈現(xiàn)逐步變差的趨勢(shì)。

圖1 三峽水庫(kù)不同蓄水階段支流整體水質(zhì)類別比例構(gòu)成

3.2 支流庫(kù)灣主要污染物濃度變化總磷是8條支流水質(zhì)評(píng)價(jià)中的主要超標(biāo)參數(shù)，同時(shí)也是受水動(dòng)力條件變化影響較為敏感的指標(biāo)，因此可用總磷為代表來分析庫(kù)區(qū)各支流庫(kù)灣主要污染物含量水平變化。8條支流在蓄水后初期運(yùn)行期與蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期的總磷濃度時(shí)空分布特征見圖2。蓄水后初期運(yùn)行期8條支流（見圖2（a））中，龍河和香溪河總磷濃度整體較高（0.15～0.16 mg/L）小江和湯溪河總磷濃度居中（0.12 mg/L），其他支流總磷濃度均小于0.1 mg/L；蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期各條支流（見圖2（b））總磷整體濃度均較高，均超過Ⅲ類限值，其中大寧河、龍河、湯溪河相對(duì)較低，未超過0.1mg/L，而其他支流濃度均超過0.1 mg/L，其中香溪河最高，總磷均值濃度為0.36 mg/L。總磷在蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期含量較初期運(yùn)行期有所上升，部分河流總磷含量的變動(dòng)幅度也有所增大。

圖2 蓄水后初期運(yùn)行期與高水位常態(tài)運(yùn)行期8條支流總磷濃度特征統(tǒng)計(jì)

4 高水位常態(tài)運(yùn)行期支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化演變分析

4.1 高水位常態(tài)運(yùn)行期支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化演變規(guī)律三峽庫(kù)區(qū)支流水系眾多，對(duì)于不同的水域，由于區(qū)域地理特性、自然氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等諸多差異，會(huì)出現(xiàn)不同的優(yōu)勢(shì)藻類種群與不同類型水生生物的失衡［3］。但是，富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的必要條件基本上是一樣的，即TP、TN等營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)比較充足、緩慢的水流流態(tài)和適宜的溫度條件［3，8］。從上面的分析可以看出，三峽水庫(kù)蓄水后各支流水體的污染負(fù)荷日益增多，再加上蓄水所帶來的水動(dòng)力條件的變化，使得三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重。春、秋兩季是庫(kù)區(qū)各支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重的季節(jié)，表現(xiàn)為藻類生長(zhǎng)迅速，水華現(xiàn)象明顯［8］，主要源于這段時(shí)間水溫升高，光照充足，加快了藻類的光合作用速度，促使藻類的生長(zhǎng)繁殖。為了解高水位常態(tài)運(yùn)行期支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化演變規(guī)律，選取2011—2015年支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)調(diào)查成果，對(duì)三峽水庫(kù)16～28條支流春、秋兩季的富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行分析。本部分內(nèi)容選用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（Trophic State Index）TSI法［9］對(duì)調(diào)查研究水域的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為葉綠素a（chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：TSI＜30貧營(yíng)養(yǎng)；30≤TSI≤50中營(yíng)養(yǎng)；50＜TSI≤60輕度富營(yíng)養(yǎng)；60＜TSI≤70中度富營(yíng)養(yǎng)；TSI＞70重度富營(yíng)養(yǎng)。

2011—2015年三峽庫(kù)區(qū)支流富營(yíng)養(yǎng)狀況表明（圖3）：庫(kù)區(qū)各支流普遍為中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，其中春季富營(yíng)養(yǎng)以輕度富營(yíng)養(yǎng)為主，其次為中度營(yíng)養(yǎng)，還出現(xiàn)個(gè)別重度富營(yíng)養(yǎng)情況；秋季以中營(yíng)養(yǎng)和輕度富營(yíng)養(yǎng)為主，個(gè)別支流出現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)。春季庫(kù)區(qū)支流富營(yíng)養(yǎng)化維持較高水平，富營(yíng)養(yǎng)化的支流2011—2015年每年占比32.1%～58.6%，平均占比44.0%；其中2013年富營(yíng)養(yǎng)化支流比例最高，達(dá)58.6%，但未出現(xiàn)重度富營(yíng)養(yǎng)化支流。秋季庫(kù)區(qū)支流富營(yíng)養(yǎng)化變化較大，富營(yíng)養(yǎng)化的支流2011—2015年每年占比0%～58.9%，平均占比27.9%；2012年秋季未出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化支流，但2014年富營(yíng)養(yǎng)化支流占比達(dá)到最高的58.9%。所監(jiān)測(cè)的庫(kù)區(qū)支流的營(yíng)養(yǎng)水平從季節(jié)上整體表現(xiàn)為春季高于秋季。蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期（175 m）蓄水面積進(jìn)一步增大，水流條件的變化及新淹沒的大量土地等因素，都進(jìn)一步導(dǎo)致水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的大量富集，到春秋兩季適宜的溫度變化及降雨時(shí)，硅藻、甲藻等優(yōu)勢(shì)藻種開始大量繁殖，水體富營(yíng)養(yǎng)化加重。

4.2 三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化加重的驅(qū)動(dòng)力因素分析三峽水庫(kù)蓄水前，支流主要營(yíng)養(yǎng)鹽濃度本底值較高，不同水期的均值都超過了國(guó)際公認(rèn)的富營(yíng)養(yǎng)化閥值（TP 0.02 mg/L，TN 0.2 mg/L）［10］。但蓄水前大多數(shù)支流流速較大（平均流速在1.0 m/s以上），流速快使得水體透明度低、入河污染物擴(kuò)散能力強(qiáng)，因此，較大的水流流速導(dǎo)致的低透光率和有限的污染物滯留時(shí)間限制了河道內(nèi)的藻類生長(zhǎng)［6］。隨著三峽水庫(kù)蓄水進(jìn)程的逐漸推進(jìn)，三峽庫(kù)區(qū)水位的大幅度抬升極大的地降低了入庫(kù)支流的水流流速，其中175m試驗(yàn)性蓄水階段各支流庫(kù)灣的平均流速就已低于0.01 m/s，部分時(shí)段還會(huì)受長(zhǎng)江干流水位頂托而形成回水區(qū)，使支流庫(kù)灣流速進(jìn)一步降低［8］。國(guó)際上根據(jù)水庫(kù)的流速特征，一般將河流型水庫(kù)劃分為河流型水體（＞0.2 m/s）、過渡型水體（0.05～0.2 m/s）、湖泊型水體（0.05 m/s）［11］。按照此標(biāo)準(zhǔn)，三峽水庫(kù)蓄水后，部分支流回水區(qū)由蓄水前的河流型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡型與湖泊型，水動(dòng)力條件的變化使得庫(kù)區(qū)支流水體透明度及透光性顯著增加，入河污染物的滯留時(shí)間大幅度延長(zhǎng)，給水體營(yíng)養(yǎng)鹽累積與富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。庫(kù)灣水動(dòng)力條件的變化是支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)性演變的主驅(qū)動(dòng)力因素，這一觀點(diǎn)也得到前人類似研究的支持，比如邱光勝等［6］通過對(duì)三峽水庫(kù)蓄水前及蓄水后初期運(yùn)行期支流富營(yíng)養(yǎng)化及水華現(xiàn)狀的研究，提出三峽水庫(kù)支流中藻類生長(zhǎng)的限制因子不是營(yíng)養(yǎng)鹽，其富營(yíng)養(yǎng)化加重的原因是蓄水后支流流速的降低。本文以更長(zhǎng)系列的監(jiān)測(cè)資料分析結(jié)果再次證實(shí)了三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)加重的最主要原因是蓄水后水動(dòng)力條件的改變，而并非水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高［12］。

圖3 2011～2015年三峽庫(kù)區(qū)支流富營(yíng)養(yǎng)化比例變化

當(dāng)然，除了水動(dòng)力條件的改變，庫(kù)區(qū)污染負(fù)荷的不斷增加及蓄水所致支流庫(kù)灣處的水溫分層現(xiàn)象也是影響三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素。三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，導(dǎo)致三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣的污染負(fù)荷不斷增加。充足的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷、適宜的溫度與光照條件，加上隨著蓄水進(jìn)程不斷推進(jìn)所引起的回水范圍的擴(kuò)大，導(dǎo)致了庫(kù)灣水質(zhì)逐漸變差，富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)日益嚴(yán)重［8］。三峽水庫(kù)蓄水也可能導(dǎo)致部分支流庫(kù)灣形成局部水溫分層［13］，水溫分層使得水層間的物質(zhì)不易傳輸，而且底部在缺氧、低溫狀態(tài)下，有機(jī)污染物降解的速率會(huì)大大減弱，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放，從而使得底層水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高。當(dāng)季節(jié)變化等因素導(dǎo)致水溫分層消失后，水體的垂向紊動(dòng)作用增強(qiáng)，表、底層水體交換頻繁使得水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高［14］。

5 結(jié)論

（1）2003—2015年期間，在三峽庫(kù)區(qū)被調(diào)查的8條流域面積大于1000 km2的一級(jí)支流中，隨著蓄水進(jìn)程的推進(jìn)，各支流（庫(kù)灣）水質(zhì)類別總體呈現(xiàn)逐步變差的趨勢(shì)，其中滿足（或優(yōu)于）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比由66.7%銳減至30.20%；主要超標(biāo)因子總磷在蓄水后高水位常態(tài)運(yùn)行期含量較初期運(yùn)行期有所上升，同時(shí)部分河流總磷含量的變動(dòng)幅度也有所增大。

（2）2011—2015年期間，三峽水庫(kù)16～28條支流中春、秋兩季的富營(yíng)養(yǎng)化整體較為嚴(yán)重，普遍為中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)。所監(jiān)測(cè)的庫(kù)區(qū)支流的營(yíng)養(yǎng)水平從季節(jié)上整體表現(xiàn)為春季高于秋季，春季庫(kù)區(qū)支流富營(yíng)養(yǎng)化平均占比為44.0%，比秋季高16.1%。

（3）庫(kù)灣水動(dòng)力條件的變化是支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)性演變的主驅(qū)動(dòng)力因素，同時(shí)庫(kù)區(qū)污染負(fù)荷的不斷增加及蓄水所致支流庫(kù)灣處的水溫分層現(xiàn)象也是影響三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素。