三峡水库蓄水运行初期(2003—2012年)水环境演变特征的“四大效应”
2020-06-01王丽婧杨正健张佳磊邓春光郑丙辉
王丽婧， 李 虹， 杨正健， 张佳磊， 邓春光， 杨 凡,， 郑丙辉
1.中国环境科学研究院长江经济带生态环境研究中心， 北京 100012
2.中国环境科学研究院， 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室， 北京 100012
3.三峡大学水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002
4.湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068
5.重庆市生态环境科学研究院， 重庆 401147
三峡工程目前是世界上最大的水利枢纽工程，具有防洪、航运和发电等综合效益. 三峡水库是国家战略性淡水资源库，也是长江上游重要的生态屏障. 水库位于长江中上游川、渝、鄂三地结合部，工程坝址位于长江西陵峡中段、湖北省宜昌市三斗坪. 水库正常蓄水位时水域面积为 1 084 km2，总库容393×108m3. 库区流域面积5.7×104km2，范围涉及重庆市22个区县及湖北省4个区县，其中库区重庆段占库区面积的85%[1-2]，湖北段占15%. 库区以山地丘陵为主，气候湿润，水系发达. 2017年，库区生产总值为 7 792.6×108元，以第二、三产业值占主导地位，其中，第二产业占37%，工业占第二产业的93%. 库区2017年常驻人口 2 084.65×104人，其中城镇人口1 419.46×104人，城镇化率达68.0%[3-7]. 三峡工程采用一次建成、分期蓄水的建设方案，2003年水库首次蓄水，坝前水位为135 m，2006年蓄水至156 m，2008年启动175 m试验性蓄水. 根据水库调度及水位变化情况，水库年内可分为4个时期，分别是泄水期、低水位运行期、蓄水期和高水位运行期，175 m正常蓄水位条件下，水位变幅达30 m.
2003年三峡水库蓄水运行后，大坝拦截使坝址以上长江江津区至秭归县660 km江段成为狭长的河道型水库，原有天然河道特征发生改变，库区内干支流水位升高、水力停留时间增加，流速减缓，水生态环境发生深刻变化[8-11]；支流营养盐浓度升高，支流回水区富营养化、水华频发成为库区突出的水环境问题[12-16]. 新生大型水库水生态系统演替一般可以划分为两个阶段，即水库成库发育阶段(reservoir evolution process)和水库湖沼化阶段(reservoir limnology process). 三峡工程于2012年全面启动竣工验收，2003—2012年是三峡水库水生态系统成库发育的重要时期，也是水环境变化最明显的时段. 该时期国内外学者针对三峡库区水文泥沙特征、营养盐分布特征、污染物输移转化规律、支流水华暴发机理等开展了大量研究[17-23]，然而总体上单要素单一角度研究较多，水动力-水质-水生态多要素耦合的综合分析较少，水库成库以来水环境演变的整体性、系统性认识仍然缺乏.
基于笔者所在团队连续10余年的工作基础，系统掌握了三峡水库蓄水初期运行(2003—2012年)水环境多要素性观测资料. 综合采用现场观测、室内试验、数理统计、模型模拟、同位素及保守离子示踪等技术手段，从三峡水库蓄水运行初期产生的水动力条件变化过程入手，探索特大型、高水位变幅运行背景下所伴生的水动力特性、水质演化、水华暴发和水污染物输移等规律，形成了以“分化”-“同步”-“胁迫”-“迭加”这“四大效应”为代表的理论科学认识，旨在进一步丰富特大型、高水位变幅水库蓄水运行初期水动力变异及其伴生水环境演变理论，期望为我国河道型水库水环境保护与科学调度管理提供参考.
1 三峡水库运行初期水动力变化特征——水动力特性“分化”效应
1.1 三峡水库水体流速特征
三峡水库蓄水后，坝前的干流水位因蓄水而被动抬高，支流受到干流回水顶托作用的影响，出现了长短不一的回水河段. 干流、支流河水流速均下降，但下降幅度和年内变幅存在时空异质性.
干流水体夏季水流流速(0.8 m/s)较大，冬季水流流速(0.1～0.2 m/s)较小，水流垂向分布差异性较小，纵向整体表现为三峡库区上游流速(如朱沱断面月均值为1.28～1.51 m/s)大，越靠近三峡大坝流速(如官渡口断面月均值为0.23～0.24 m/s)[8]越小，呈现自上游(重庆市江津区)流向下游(湖北省秭归县)的一维水动力特征，亦即显著的河道型水库特征.
对库区典型支流香溪河、大宁河、小江、九畹溪、蒲庄河等的现场调查结果显示，支流水体流速较低，均为厘米级(如白水河断面流速为0.4～8 cm/s)，流速最大值出现在蓄水期，最小值出现在高水位运行期. 支流回水区因受到支流上游来水、干流顶托来水两种水温、密度、污染物等性质皆不同的水团复合影响[24-26]，流速流向多变，出现分层异重流特性[20-21]. 与蓄水前相比，支流流速变幅较大，如典型支流大宁河回水区的流速由蓄水前的1～3 m/s降至0.004～0.08 m/s，满足藻类聚集生长的流速条件.
1.2 三峡水库水体滞留时间
图1 2008—2012年三峡水库干支流水体滞留时间变化规律[24]Fig.1 The variation pattern of water retention time in the main and tributaries of the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2012[24]
水体滞留时间可反映水库水体的更新特征. 根据国际湖泊环境委员会(International Lake Environment Committee)的划分定义对水体滞留时间(Tr)进行划分：Tr<20 d，为过流型水体(类似河流)；20 d
1.3 特殊水动力条件下的水体层化模式
三峡水库平均深度超过36 m(以175 m水位计)，大部分区域水深较大，靠近坝前的区域则更深，因此具有温度分层的条件. 采用交换率α指标法评估三峡水体分层强弱，其中α为水库一年可交换的次数.α≤10，为湖泊型(稳定分层)；10<α≤20，为过渡型(弱分层)；α>20，为混合型(不分层)[28]. 研究显示，三峡水库全库水位在145～175 m之间波动，α的范围为9.1～20.9，水库整体上属于弱分层. 库区30条典型支流中大部分支流(占76.7%，主要集中在库区下游)α<10，具有稳定分层的条件.
典型支流香溪河及毗邻干流江段研究结果显示，干流水体在运行初期未出现明显分层，仅在3月出现了弱正温分层，11月、12月及翌年1月出现了微弱的逆温分层现象〔见图2(a)〕. 支流水体流速较小，支流库湾下游由于受长江干流的中层倒灌影响，出现了明显的双“混-斜”型分层现象〔见图2(b)〕，支流库湾上游由于受其上游来水的底部顺坡异重流的影响，呈现出明显的“半U”型分层现象〔见如图2(c)〕[24].
1.4 特殊水动力条件下的干支流水团混合模式
图3 2008—2012年典型支流(香溪河)回水区水流剖面分布[24]
Fig.3 Water profile distribution of typical tributary (Xiangxi Bay) backwater from 2008 to 2012[24]
干流倒灌水与支流上游来水两类水团在支流回水区交汇，受水体密度差以及支流来水流量和干流水位变幅等的影响，在交汇区出现分层异重流，并且呈现出多种异向流态. 在三峡水库的不同调度期，干流水体分别从底层中层表层倒灌进入支流库湾，而支流库湾水体则对应分别以表层底层表-底双层流向长江干流[24]. 从干流倒灌驱动的角度，干流倒灌形式划分为5种类型[21,24]：无显著倒灌(11月—翌年1月)、底部倒灌楔(2月)、底部倒灌(3月)、中层倒灌(4—8月)和表层倒灌(9—10月)(蓄水)(见图3).
综上，根据三峡水库蓄水以后流动强度、混合类型、水体滞留时间等要素的表征分析结果可知，干流仍保留河流型水体特征，而支流大部分呈深水湖泊特征；干、支流交汇的区域(支流回水区)水团混合过程复杂多变，水体出现分层异重流并呈现多种异向流态. 据此，三峡水库运行对水文物理条件产生巨大影响，干、支流差异显著，存在水动力特性的“分化”效应.
2 三峡水库运行初期水质变化特征——上游-干流-支流“同步”效应
2.1 三峡水库干流营养盐来源解析
基于水文水质同步观测，采用基流分割法开展污染负荷来源解析，分析干流营养盐来源途径及其贡献量. 结果显示，2007年进入三峡水库的污染负荷：CODCr为444.58×104t、BOD5为55.52×104t、TN为68.39×104t、TP为7.28×104t；长江、嘉陵江、乌江(上游三江)的入库控制断面——朱沱、北碚和武隆断面入库CODCr、BOD5、TN和TP负荷分别占三峡水库总负荷的87.45%、56.82%、90.26%和80.5%；朱沱、北碚和武隆断面基流量占长江干流径流量的24.7%～46.0%[28-29]. 上游来水是水库污染负荷的主要贡献者，是三峡库区水污染防治的重点关注对象[30-31].
在污染物总量组成中，面源是三江入库污染物的主要来源，占总入库负荷的60%～80%；在空间分布上，长江干流对入库面源污染负荷的贡献占绝对优势，嘉陵江、乌江的面源污染总贡献仅占13.4%～39.4%〔见图4(a)〕；在上游来水营养盐形态中，氮以溶解态作用为主，磷以颗粒态作用为主〔见图4(b)〕. 库区范围内贡献的污染负荷占比：CODMn占12.55%、BOD5占43.18%、TN占9.74%、TP占19.5%；库区内的污染源主要是面源污染，占库区内污染总负荷的66.62%(CODMn)～88.34%(TP)；点源中生活污染源负荷大于工业污染源负荷，生活污染源负荷占库区内污染负荷的比例，TP占11.66%、TN占25.46%、CODMn和BOD5约占20%.
图4 三峡水库入库面源污染负荷贡献情况及氮、磷负荷组成特征分析[30]Fig.4 Status of the non-point source pollution contribution of the TGR and characteristics of nitrogen and phosphorus load[30]
2.2 三峡水库支流回水区营养盐来源解析
综合采用现场观测、室内试验，构建了三峡库区支流回水区营养盐来源途径概念模型，采用同位素及保守离子示踪的营养盐来源解析方法，定量化识别特殊水动力条件下支流回水区营养盐输入特征.
根据概念模型，支流回水区营养盐存在支流上游来水输入、干流倒灌异重流补给、内源释放、点面源污染、消落带土壤释放等五大类输入途径[24]，如图5所示.
图5 三峡库区支流回水区营养盐来源途径示意[24]Fig.5 Source of nutrients in the backwater area of tributaries of in the Three Gorges Reservoir Area[24]
采用同位素及保守离子示踪法的定量化研究显示，支流营养盐的主要来源是干流倒灌，典型支流(大宁河、香溪河)水团混合过程中，干流贡献约80%的水量及84%～95%的营养物质[24,26]，这改变了蓄水前支流营养盐的来源格局(见表1).
2.3 三峡水库干支流水质演变特征
依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》和《地表水环境质量评价办法(试行)》，1998—2012年库区干流保持Ⅱ、Ⅲ类水，水质整体稳定、良好，Ⅱ类2000—2012 年三峡库区支流水质主要为 Ⅰ～Ⅲ类. 蓄水后，伴随流域治污力度的不断加大，优于Ⅱ、Ⅲ类断面的比例有所增长；至2012年，优于Ⅲ类的比例达97%，水质进一步好转. 从10年间水库阶段性蓄水过程的影响来看，在各次蓄水后支流水质具有先恶化再好转的规律，反映出水库生态系统发育阶段的不稳定特征〔见图8(a)〕.
表1 典型支流香溪河营养盐来源解析结果(同位素及保守离子示踪法)
水质断面占比呈逐年增加趋势，水质逐渐好转；至2012年，干流18个断面水质均达到了Ⅱ类(见图6). 三峡水库145 m蓄水初期，Ⅲ类水质的比例有所增加，水库淹没区库底原来积累的污染物释放是重要原因之一. 干流氮磷营养盐浓度变化与上游三江来水输入的氮磷通量变化高度关联，二者的高值出现时间以及变化态势表现出一致性(见图7).
注： 水质类别评价参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》. 下同.
图6 1998—2012年三峡库区干流水质类别占比
Fig.6 Proportion of water quality categories in the main stream of the Three Gorges Reservoir area from 1998 to 2012
图7 三峡水库干流氮磷浓度变化与上游入库氮磷通量变化对比Fig.7 The change of nitrogen and phosphorus concentration in the main stream of the Three Gorges Reservoir and its comparison with the change of nitrogen and phosphorus flux from the upstream inflow
受成库后水动力特征的影响，支流水质与毗邻干流水体水质关联密切，从支流河口向上游，干流水体倒灌的影响沿程减弱. 以大宁河支流为例，从年际变化来看，回水区TP浓度变化趋势与毗邻干流一致，但回水区上游断面受干流影响不明显〔见图8(b)〕；从沿程分布来看，表层-中层-底层TN和TP浓度沿支流上游至河口呈增加态势，河口处浓度值与毗邻干流最为接近(见图9).
综上，三峡库区干流营养盐污染主要来源于上游三江(长江、嘉陵江、乌江)来水(贡献率为80%～90%)，支流回水区营养盐主要来源于干流倒灌(贡献率为84%～95%)；阶段性蓄水过程中，干流水质稳定，营养盐浓度变化与上游三江来水高度关联；支流水质在各次蓄水后表现出先恶化再好转的变化规律[8,31]，反映出水库生态系统发育阶段的不稳定特征，干流倒灌的影响从支流河口向上游沿程逐渐减弱. 可见，三峡水库运行初期水动力条件的改变，导致干支流污染物交换、污染物来源格局发生显著变化，使得上游-干流-支流三者的水环境演变具有“同步”效应.
图8 三峡水库支流水质及大宁河TP浓度的年际变化Fig.8 Annual variation of the water quality of tributaries of the Three Gorges Reservoir and total phosphorus concentration in Daning River
注： 0H表示水体表层，1.0H表示水体底层(水深)，0.2H表示水深为0.2H处，其他以此类推； 大昌为大宁河上游断面，白水河为回水中段断面，菜子坝为大宁河入江口断面，培石为大宁河汇入后长江干流断面.
图9 三峡水库支流回水区及毗邻干流TN、TP浓度沿程分布(以大宁河为例)
Fig.9 TN and TP concentration distribution along the backwater area of Three Gorges Reservoir tributary and adjacent main stream (taking Daning River as an example)
3 三峡水库运行初期水生态变化特征——水动力变化对支流回水区水华暴发的“胁迫”效应
3.1 三峡水库支流水华暴发特征
三峡水库蓄水后，统计显示2005—2012年共发生197起支流水华事件，在空间分布上，覆盖库区20余条支流，靠近库首的大宁河、香溪河等支流水华频发，暴发区多集中在回水区；在时间分布上，水华全年均可发生(2—12月)，其中3—6月水华暴发频率较高. 水华暴发频率和趋势与三峡水库三期阶段性蓄水过程密切相关. 135 m蓄水期间(2005—2006年)水华暴发频率呈上升趋势，156 m蓄水期间(2006—2009年)水华暴发频率呈先上升后下降的趋势，175 m蓄水后水华暴发频率呈先上升后下降的趋势. 水华藻类多变，一般是多种复合藻种同时大量增殖，而少有单一藻种长时间占优，且年内呈现显著的季节性演替特征. 大宁河观测显示，春初多暴发甲藻水华，春末夏初多暴发绿藻水华，夏季多暴发蓝藻水华[32-33].
随着阶段性蓄水水位的升高，支流优势藻种从最初的河道型水华优势种(硅藻、甲藻)向湖泊型水华优势种(蓝绿藻)演替. 如2008年夏季香溪河库湾暴发了大面积、高浓度的蓝藻(微囊藻、鱼腥藻)水华，大宁河局部河段在冬季亦曾暴发蓝藻水华. 稳定环境会导致某一藻类绝对占优，三峡水库水华藻类优势种的多样性不同于一般浅水湖泊藻类水华，其与不同季节和调度状态下的生境条件有关.
3.2 三峡库区支流水华形成机理
从生态学角度分析，水华形成可分为3个过程[24]，即水华藻类在藻类种群竞争中占优、占优藻类生长繁殖达到一定的生物量、上浮聚集到水体表层为肉眼所见. 运用数理统计方法和生态学相关理论(生态功能组理论、临界深度理论和中度扰动理论)对水华形成的上述3个过程进行研究. 结果[32-33]显示：①营 养盐浓度和水体光热结构是影响三峡水库典型支流浮游植物生物量的关键要素. ②水下光热结构和生境扰动强度是影响典型支流浮游植物群落结构的关键要素；营养盐参数(TN和TP浓度)对浮游植物群落结构的影响不显著(P>0.01). ③水体混合强度是影响浮游植物垂向分布的关键要素，但对水柱中叶绿素总量的影响较小(见图10).
3.3 蓄水后支流水华频发的原因分析
图10 三峡水库支流水华生消机制示意[24]Fig.10 Schematic diagram of mechanism of algal blooms in the Xinagxi Bay and the critical depth hypothesis[24]
三峡水库蓄水前，各支流为河流型水体，未发现富营养化和水华文献报道. 根据《三峡库区次级河流富营养化防治研究》调查结果，蓄水前2001—2003年12.8%的支流断面叶绿素a浓度达到富营养化标准，但未发生水华[8].
三峡水库蓄水后，支流水动力条件产生显著改变，导致支流生境因子发生相应的变化，加剧了富营养化和水华风险[8]，主要体现在： ①支流流速减缓，水体滞留时间延长，具有形成富营养化的条件，利于藻类生长； ②水库蓄水及年内调度产生的异重流影响了支流回水区水体分层状态，影响了藻类对光能、热能及营养盐的吸收规律，在其他环境条件稳定的情况下(如营养盐充足、光照适宜、浮游动物摄食压力一定)，水体出现稳定分层有利于水华的暴发； ③干流顶托和倒灌作用促进了干支流营养物质交换，干流水倒灌成为部分支流的营养物质的重要来源，使支流具备较好的氮、磷等营养物质基础.
综上，在自然变化和周期性人为调节耦合作用下，支流不同的生境衍生出藻类优势种类多变，且呈季节性演替的水华现象，水华展现出特有的“多样性”. 各类生境要素中，营养盐浓度和水体光热结构是影响三峡水库藻类生物量的关键要素；水体光热结构和生境扰动强度是影响藻类群落结构的关键要素；水体混合强度是影响藻类垂向分布的关键要素. 可见，三峡水库运行期水动力条件的改变，导致支流水生态系统演替的生境条件发生变化，加剧支流回水区富营养化和水华风险，对水华暴发产生“胁迫”效应.
4 三峡水库运行初期污染物扩散特征——水动力改变对同等负荷条件下水体危害的“迭加”效应
4.1 三峡库区排污口污染带变化
通过对典型排污口岸边污染带的跟踪观测，结合模型模拟分析[8]显示，三峡水库蓄水后，由于水情变化不利于污染物的紊动扩散，单位负荷形成的岸边污染带面积相比蓄水前有所扩大. 蓄水前与蓄水后CODMn、NH3-N、TP单位负荷形成的岸边污染带面积比分别约为1∶14、1∶9、1∶6. 水库蓄水过程中及水位上升期间，污水受水流顶托影响，污染带呈明显的上溯趋势，上溯范围在300～400 m之间，在此期间水流向上更不利于污染物的扩散. 同一个排污口在污染负荷变化不大的条件下，不同蓄水位时期形成的污染带大小有明显的差别，总体上高水位、低流速下形成的污染带范围大于低水位、高流速下形成的污染带范围. 水动力条件与污染带范围密切相关，水位和流速的变化是污染带演变的主要控制因素.
4.2 三峡库区岸边水环境容量变化
根据《长江三峡水利枢纽环境影响报告书》(简称“《环评报告书》”)推荐方法，采用岸边污染带控制点浓度变化比值估算重点江段岸边水环境容量的损失，并与蓄水前进行比对. 研究结果显示：蓄水后不同江段岸边水环境容量的降低程度不同；同一江段在不同蓄水年份的水环境容量降低程度也有不同，随着水库蓄水位越高，岸边水环境容量不断降低. 在保持点源排放污水量不变的条件下，为使主要城镇污染带控制点浓度贡献值不超过蓄水前的水平，蓄水后需要削减污染物排放负荷，以弥补岸边环境容量的损失. 长寿、涪陵、万州江段分别需要削减原污染物负荷的29.31%、80.11%、78.85%[8].
综上，三峡水库蓄水后，干流不同江段岸边水环境容量有不同程度的降低；同等负荷条件下污染物排放的危害加剧，水域污染风险增大，水库蓄水后沿江排污口的岸边污染带大于蓄水前，但污染带空间分布特性与水位调度过程密切相关. 据此，三峡水库水动力条件的改变，导致水体中污染物输移扩散特性发生变化，对各类风险源(污水处理厂、化工园区、大型企业)在其影响水域的危害性产生“迭加”效应. 上述污染源一旦发生异常排放或突发事故，对于库区干支流的81个城市级和912个乡镇级饮用水源等敏感目标而言是重要胁迫.
5 结论与建议
阐明三峡水库蓄水运行初期(2003—2012年)水环境演变特征对于整体把握新生水库水生态系统演替过程，支撑和指导下一步保护工作十分重要和必要.
a) 该研究基于长期跟踪观测资料及多年研究成果，系统剖析了特大型、高变幅水位水库运行背景下水动力变异及其所伴生的水环境演变特征，从水动力、水质、水华、污染物输移角度，提出了三峡水库运行初期水环境演变过程中的“四大效应”，主要包括水动力特性的“分化”效应、上游-干流-支流水环境演变“同步”效应、水动力变化对藻类水华暴发的“胁迫”效应、水动力变化对同等负荷条件下污染源危害的“迭加”效应等，旨在为丰富大型水库蓄水运行初期水动力变异及其伴生水环境演变理论提供参考.
b) 然而，大型水利工程建设对水生态环境的影响是复杂的命题，成库后水库生态系统的演替和稳定通常需要一个长期的过程. 伴随推动长江经济带发展战略、西部大开发战略及西部地区的经济中心“成渝经济区”(约覆盖25%的库区及上游流域范围、51%的库区范围)发展战略的深入推进，三峡水库水环境保护亦面临新的机遇和挑战. 三峡水库上游、金沙江攀枝花至宜宾段规划有7级水电站(国家级、省级核准)，其中观音岩、溪洛渡、向家坝水电站已投产发电，梯级水电站逐步投入运行亦将逐步加剧对三峡入库水、沙、污染物(如磷)负荷及形态组成等的影响，使水库水环境管理存在诸多不确定性. 建议继续强化梯级水库运行背景下三峡库区水环境演变的跟踪调查研究，适时开展三峡工程对库区水环境影响的后评估.
