三峡水库蓄水前后上下游溶解氧变化分析

李贵生 高千红 张馨月

(长江委水文局长江三峡水环境监测中心，湖北 宜昌 443000)



三峡水库蓄水前后上下游溶解氧变化分析

李贵生 高千红 张馨月

(长江委水文局长江三峡水环境监测中心，湖北 宜昌 443000)

三峡水库蓄水运行对上下游水体溶解氧浓度造成了一定影响，从而带来一系列生态环境问题。针对这一问题，分析了三峡工程蓄水前后上下游溶解氧变化以及沿程变化规律，并结合电站建设进度，分析了导致溶解氧变化的原因。结果表明，三峡水库蓄水运行以来，一定程度上扰动了大坝上下游的溶解氧，影响渔业生物群落结构及多样性，但通过合理调度，溶解氧环境正得到改善。

蓄水；水体溶解氧；溶解氧浓度；变化规律；三峡水利枢纽

1 概 述

三峡工程是当今世界上最大的综合性水利枢纽工程，是治理长江和开发利用长江水资源的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运、供水和节能减排等巨大的综合效益。与此同时，三峡工程的建设及运行以及由此带来的环境影响，一直以来也备受社会各界关注。如水库闸坝泄水时常会导致下游河道水体中溶解气体过饱和，这会引起某一时期鱼类患气泡病而死亡，进而引起下游鱼类数量减少，甚至渔业群落结构及多样性都会因此发生改变[1-3]。

基于以上现状，本文在分析1998～2013年间三峡水库蓄水前后上下游监测断面溶解氧指标的变化，以及沿程变化规律的基础上，分析了不同调度运行情况下，三峡水库上下游溶解氧含量的动态变化趋势，以求为今后的水生态保护提供一定的调度依据。

2 溶解氧的监测

长江三峡水环境监测中心从20世纪70年代开始监测三峡坝址上下游的水质状况，其溶解氧监测资料贯穿整个工程的前期准备、施工期间以及建成运行的全过程。监测期间每月严格按水环境监测规范布置采样点，按水质采样技术规程要求采集水样，现场固定后，按照水质溶解氧的测定碘量法(GB 7489-1987)带回实验室分析。从2008年开始，采用现场测定仪按照水质溶解氧测定电化学探头法(GB 11913—1989)现场测定溶解氧。改变检测方法前做了充分的方法比测和平行试验，确保资料连续可靠。

3 三峡水库上下游溶解氧特性分析

为了保证数据有足够的实效性和连续性，本文选择了1998～2013年三峡大坝坝上游官渡口断面和坝下游黄陵庙断面的逐月溶解氧监测资料。由于所处位置的不同，两断面在此期间所呈现的水文形态也不相同。官渡口断面位于坝上游，在蓄水过程中由于天然河流变为水库的一部分，水深变大、流速变缓；黄陵庙断面位于坝下游，水深、流速受影响相对较小。在现实的监测工作中，根据断面的宽度布设采样垂线，根据垂线水深布设采样点，不同垂线位置溶解氧的浓度各不相同，为了简化分析，按照等权重平均断面逐月各位置采样点的数据，并将其作为此断面的月平均浓度，同理得到其年平均浓度。两断面的年平均溶解氧浓度及饱和度，如表1与表2所示，两个断面溶解氧浓度及饱和度随时间的变化如图1与图2所示。

表1 官渡口、黄陵庙断面1998～2013年逐年溶解氧平均浓度 mg/L

表2 官渡口、黄陵庙断面1998～2013年逐年溶解氧饱和度 %

图1 官渡口、黄陵庙断面1998～2013年逐月溶解氧浓度

图2 官渡口、黄陵庙断面1998～2013年逐月溶解氧饱和度

由图1与图2可知，2003年6月三峡水库蓄水以前，上、下游断面各月溶解氧浓度大多满足国家《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅰ类水水体功能要求，年平均值保持在 8.6～9.0 mg/L，未监测到过饱和现象。2、3季度水温高，水体本身的纳氧能力弱，溶解氧浓度低；2、3季度为长江汛期，来流量大，水体流速快，往往携带大量泥沙，增加水体中的污染物及其对溶解氧的消耗，进一步造成了期间的低溶解氧浓度。此外，由于该河段水温最高点均出现在每年7～9月，纳氧能力最弱，最低溶解氧浓度出现在第3季度，约 7.1 mg/L，满足Ⅱ类水水体功能要求。1、4季度水温低，水体本身的纳氧能力强，溶解氧浓度高。水温最低点均出现在每年1～3月，最高溶解氧浓度出现在第1季度，约11.1 mg/L，溶解氧浓度随水温周期性变化起伏，上下游水体溶解氧饱和度基本维持在90%附近，水质状况良好；复氧与耗氧基本保持平衡。

2003年6月水库蓄水以后，上游断面溶解氧浓度普遍有所降低，年平均值在 6.6～7.7 mg/L之间。季节变化趋势不变，最小值仍出现在第3季度，极小值为5.4 mg/L，满足Ⅲ类水水体功能要求，年均值在2006年达到最低后，浓度水平缓慢恢复到 7.5 mg/L左右。

水库蓄水以前，水中溶解氧的恢复主要通过自然过流条件下水体和大气间的气体交换完成，平稳缓慢，下游溶解氧浓度及周期性变化与上游基本一致。水库蓄水以后，2003～2010年三峡水库建设高峰期间，下游溶解氧浓度在时间上已无明显周期性规律，呈不规则锯齿状波动，年极值出现时间不再与上游同步；下游溶解氧饱和度明显增大，2003年6月至2004年9月的16个月中，黄陵庙监测断面有11个月保持溶解氧过饱和，最高值达133%。2005～2010年汛期均监测到过饱和现象，一般出现在7～9月，但频次逐渐减少。2010年后，三峡水库基本建成试运行，下游溶解氧浓度变化渐依水温周期变化，年极值与上游同步出现，溶解氧饱和度与蓄水前相比波动较大，但基本上保持在68%～95%，未监测到过饱和现象。

4 水库蓄水后溶解氧特性变化原因分析

水库蓄水以后，上游溶解氧浓度及饱和度普遍降低，其原因有二：一方面，随着水位的抬高，淹没面积达632 km2，且淹没区大多为人类活动密集区，岸线附近多年堆积的未清除污染物随水带入，排入长江的有机污染物、氮、磷指标有一定增加，水质有所下降[4]，耗氧物质增多导致溶解氧指标下降；另一方面，蓄水导致库区流速减缓，水体复氧能力下降，污染物在水体中的滞留时间增加，加大了对溶解氧的消耗。经2～3 a的周期性淹没后，两岸污染物溶出效应减弱，对溶解氧的消耗降低，溶解氧水平有一定的恢复。

在水温相同的条件下，溶解氧饱和度与溶解氧浓度的变化趋势一致。但由于溶解氧饱和度排除了水温对水体纳氧能力的影响，因而能更合理地反映水体在通过坝体后因工程原因对下游水体溶解氧的影响。通过整理1998～2013年数据，结合电站运行情况，绘制出两断面年平均及年最高溶解氧饱和度图(见图3与图4)。

图3 官渡口、黄陵庙断面1998～2013年逐年平均溶解氧饱和度

图4 官渡口、黄陵庙断面1998～2013年逐年最高溶解氧饱和度

从图3与图4可以看出，下游溶解氧的变化主要是由于水流在过坝时通过方式不同造成的。水流过坝体有两种方式，即电站过流和泄水建筑物过流。电站过流时，因三峡电站良好的淹没入流与淹没出流条件，过流水体缺少掺气途径，但由于水深变小，流速加大，水体的复氧能力增强，与上游相比下游溶解氧浓度仍然得到一定的补充;泄水建筑物为23孔深孔，深孔过流时为消弱水流从高处冲击坝下河床所造成的影响而采用挑流下泄，根据所需泄流量大小，泄洪时开孔数量不一。下游溶解氧浓度较上游溶解氧饱和度显著增大，最大值高达近133%，从机理上分析，是由于挑流深孔作为最主要的泄洪途径[1]，使势能-动能转化过程中过流水体在高速水流表面形成负压，过坝水流表面与空气充分接触，将空气中的氧气吸入到坝下水体中，对坝下水体形成剧烈的曝气过程，受水体静压作用，空气中的氧气大量溶入水体中，导致了下游水体溶解氧饱和度的增加[4]。

三峡水库在2003年6月开始下闸蓄水后，电站由2003年第1台机组开始发电到2012年地下电站机组开始发电，总共34台机组，历时10 a[5]。随着投入发电机组的增多，水体逐渐由泄水建筑物深孔过流转向电站过流，在建设后期仅在汛期流量过大需泄洪时根据需要开启一定数量深孔。由此引起的坝下溶解氧饱和度扰动效应逐渐减弱，饱和度逐步降低。

建设初期，电站过流相对较小，导致坝下年均溶解氧饱和度比上游高10%～20%，最大月监测值比上游高62%。例如2004年9月，由于自然来水流量大，泄水建筑物过流流量相应增大，造成了水体的剧烈掺气和溶解氧的急剧增长，上游溶解氧饱和度达到全年最低值(约61%)，下游溶解氧饱和度却出现全年最高值(约133%)。建设后期随着发电机组的增多，电站过流已经是水流过坝的主要方式，坝下溶解氧饱和度的年最高值逐步下降，趋于稳定。即使在2010年长江入库流量为70 000 m3/s,2012年为71 200 m3/s情况下，通过合理调配(前期腾库，降低水位，后期削峰，减小下泄流量)，通过深孔泄洪导致的溶解氧过饱和水流在电站过流水流的稀释、混合下，坝下溶解氧饱和度年最高值保持在88%～105%，大大低于初期。

5 结论与建议

从以上分析可以看出，三峡水库从下闸蓄水到试运行以来，对于大坝上下游的溶解氧造成了一定的扰动，坝上游溶解氧降低，建设施工的一段时间里坝下溶解氧出现了较严重的过饱和现象，从而导致了渔业生物群落结构及多样性发生变化。通过科学合理的调度，水体主要过流方式发生改变，对于溶解氧的影响逐渐减弱,溶解氧过饱和现象受到明显抑制。

基于以上分析，建议从两方面来改善大坝上下游溶解氧环境：

(1) 加大大坝上下游溶解氧的监测频次及范围，摸清溶解氧饱和情况的时间和空间分布；

(2) 加强对大坝上下游溶解氧变化规律的研究，寻求合理、高效的生态调度方案，改善下游溶解氧环境。

[1] 程香菊 陈永灿.大坝泄洪下游水体溶解氧气体超饱和理论分析及应用[J]. 水科学进展 ，2007,18(3)：346-349.

[2] 楚凯峰，薛联芳，戴向荣,等.水电工程下泄水体气体过饱和影响及对策分析[C]∥水电2006国际研讨会论文集 .昆明，2006:971-976.

[3] 陈永灿,付健，刘昭伟,等.三峡大坝下游溶解氧变化特性及影响因素分析[J]. 水科学进展 ，2009,20(4):526-530.

[4] 胡响玲，黄钰铃，杨正健，等. 三峡水库蓄水前后点源污染物的排放比较及预测 [J].中国农村水利水电, 2013(4):13-16.

[5] 中国长江三峡集团公司.长江三峡工程运行实录(2003～2012年) [R].宜昌：中国长江三峡集团公司，2013.

(编辑：朱晓红)

2016-09-15

李贵生，男，长江委水文局长江三峡水环境监测中心，工程师.

水环境监测

1006-0081(2016)11-0003-03

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