三峡水库支流库湾营养源解析及水体富营养化调控对策研究

齐德轩，马 巍，党承华，宋婷婷，孙 磊

（1.中国水利水电科学研究院 水生态环境研究所，北京 100038；2.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038）

1 研究背景

受陆域营养盐输入、库湾水体流动性变差和库区经济社会活动加剧等因素影响，三峡建库后各支流库湾水体富营养化问题突出［1］。早在三峡水库蓄水前就有不少学者提出建库后会出现水体富营养化问题［2-4］，自2003年首次蓄水以来，半年后部分支流库湾就出现了藻类水华现象，并整体上由蓄水前的贫-中营养水平逐步转变为中-富营养状态［5-6］。三峡水库进入常态调度运行后，支流库湾水体富营养化问题日益突出。国内外学者针对该问题开展了大量研究，但随着三峡库区流域水污染综合防治工作的有序推进，工业点源污染已得到有效控制，面源治理也初见成效，支流库湾的营养盐来源及其组成已发生较大变化。因此，本文以典型支流为代表，结合长江干流及支流库湾的水文水质监测数据，以构建的支流库湾三维水动力和水体富营养化模型为技术手段，定量解析典型支流库湾不同特征断面的营养盐收支情况及其来源组成，识别驱动支流库湾水体富营养状态变化的关键环境因子，并有针对性地提出减轻支流库湾水体富营养化程度的调控措施，为三峡水库支流库湾水体富营养化综合治理提供技术支撑。

2 典型支流库湾识别与筛选

三峡水库回水长度超过600 km，库区内水系发达，支流众多，不同支流库湾的几何形态和流域环境特征也不尽相同。综合库区内27条主要支流的位置、上游来水流量、回水长度、消落带面积占比及近年来水华发生情况等因素，选定奉节县梅溪河作为典型支流（位置见图1）。

图1 三峡库区一级支流—梅溪河位置示意图

梅溪河发源于重庆市巫山县塘坊乡，于重庆市奉节县城永安镇东汇入长江，河长约117 km，在统计的主要支流（平均河长66.9 km）中排名第5；流域面积1932 km2，多年平均流量40.9 m3/s，入库支流（年均流量均值为25.0 m3/s）排名第7；梅溪河支流库湾消落带面积为592 hm2，占最大水面面积的比例为41.1%，比主要支流平均消落带面积占比（48.8%）略低。同时根据长江三峡工程生态与环境监测公报数据［7］，梅溪河支流库湾在2008—2016年期间连续9年都有水华现象发生，是所有支流中水华发生频率最高的，因此选定梅溪河作为典型支流，开展支流库湾富营养化水体特征参数监测与水环境演化研究，能够代表三峡水库易发生富营养化支流库湾的水生态环境特点，其源解析成果在三峡库区水质污染相对较重的支流库湾具有较好的代表性，基于源解析成果提出的富营养化水体营养盐调控措施也具有重要的指导意义。

3 数据来源与研究方法

3.1数据来源长江干流流量与水位数据来源于中国长江三峡集团公司公布的奉节站逐日数据，梅溪河流域气象条件采用奉节县气象站实测数据，梅溪河流域无水文站，其水文资料则根据下垫面条件类似且高程差异较小的毗邻的大宁河流域巫溪水文站的实测流量过程，采用流域面积倍比缩放推求得到支流库湾的逐日来流过程；长江干流（梅溪河口）入流水温和梅溪河上游入库水温过程采用逐月实测数据，长江干流、梅溪河库湾各控制断面（其中库尾断面为145 m末端，位置示意见图2）及支流上游入库水质资料采用175 m回水末端上游控制断面各月实测的水质数据，每月中间时间采用线性插值。

图2 三峡库区梅溪河支流库湾水质监测站点布置示意图

3.2研究方法三峡水库梅溪河库湾的水动力条件呈现典型的三维特征［8-11］，一方面在垂向剖面上干流倒灌和支流流出同时存在；另一方面，在干-支流交汇断面左、右岸流场还呈现明显的进出流差异，因此，为科学量化梅溪河库湾不同特征断面的营养盐收支情况，采用海洋环境研究与预报模型（Marine Environment Research and Forecasting Model，MERF）［12-13］构建了梅溪河支流库湾三维水动力、水生态与水体富营养化数学模型，以解析梅溪河库湾水文水动力的变化过程及其与长江干流间的水动力交互变化，并在此基础上通过数值实验方法诊断其水动力过程的控制机制。MERF模型是开源水动力模型，水平方向采用Cartesian坐标，垂直方向采用sigma坐标，使得浅水区获得与深水区相同的垂向分辨率，且能充分反映出入流，降水和蒸发，表、底热交换，风、浪效应，科氏力（Coriolis）效应，正压、斜压效应等影响，适合深大型湖库水动力模拟。

梅溪河库湾生态动力学模型中，不仅考虑了水体中浮游植物的物理、化学变化过程，还考虑了外源性营养盐输入及内源循环对浮游植物的影响［13］。水动力模拟提供动力学的背景场，现场同步观测为模型提供外源强迫，以上两部分驱动生态动力学模型进行数值模拟。支流库湾水生态模型是在分析支流库湾水环境、水生态的基础上建立的，其概念模式如图3所示，其中P为浮游植物，DET为碎屑。水中的浮游植物通过呼吸作用摄取外源输入的NH4、NO3、PO4和Si等营养盐，通过光合作用产生溶解氧，溶解氧一部分促进硝化作用，另一部分会水解回到水体中。浮游植物排泄和死亡后会产生碎屑，碎屑经过沉降再悬浮，会重新以营养盐的形式输入水体，在水中不断形成氮、磷、硅的循环。

图3 梅溪河库湾水体富营养模型生态模式概念图

3.3模型构建及参数率定与校验梅溪河支流库湾长约19.6 km，其地形见图2所示，支流及其毗邻干流水平方向采用Cartesian坐标，分辨率50 m×50 m，垂直方向采用Sigma坐标分10层，空间离散后总计27 440个计算网格。长江干流上游和支流上游采用流量边界，长江下游采用水位边界条件，长江和支流入库水温、水质采用各月实测数据并采用线性插值获取逐日过程。利用2014年和2017年实测数据对梅溪河库湾水动力、水生态与水体富营养化模型进行参数率定与模型验证，其中2014年数据用于模型参数率定，2017年数据用于模型校验。水动力模拟变量为流场、流速、水位、水深、温度等，模型校准参数是水位和水温。2017年梅溪河库湾库中断面（MX02）的逐月（以1、4、7、10月代表）流速及年内表底层水温变化模拟结果分别见图4和图5。梅溪河库湾各典型特征断面（河口、库中、库尾）的叶绿素、磷酸盐、TN的年内变化过程与模型模拟值对比结果见图6所示。

图4 梅溪河库湾库中断面流速垂向剖面验证图

在淡水生态系统中，几乎所有的生物化学过程都与水温有密切关系。由于干、支流存在温度差，加上太阳辐射的热交换作用，将影响支流库湾中的水温分布，进而影响库湾水质的时空变化过程。从库湾特征典型断面的水温模拟结果（见图5）显示，梅溪河库湾库中断面模拟的表、底层水温变化过程都与观测值有良好拟合，水动力学模型可为生态动力学模拟提供可靠的背景动力场；从对河口、库中和库尾三个断面的叶绿素、磷酸盐、TN的年内变化过程模拟效果（见图6）看，梅溪河支流库湾生态动力学模型是可靠有效的，能为干-支流交互影响和支流来流共同作用下的梅溪河库湾水环境演化模拟及典型特征断面的营养盐收支分析提供可靠的技术手段。

图5 梅溪河库中断面温度模拟结果

图6 叶绿素、磷酸盐、TN模拟结果验证

4 支流库湾营养盐来源及其结构特征

4.1梅溪河库湾水流特性及其时空变异特征汛前消落期间，三峡库区干流水体从表层倒灌进入支流库湾，库湾内水体从底层汇入长江干流，底层流速略高，库湾尾部和库中流速差别较小；汛期梅溪河库湾的水动力特征表现为干流水体从河口中层倒灌进入支流，库湾内水体从表、底层流入干流，库尾由于水深小，因此流速较大，库湾中游流速较慢，河口位置受干流影响流速相对较大；汛后蓄水期干-支流水体交互特征为表层进、底层出，而且河口位置流速比支流库湾中游和上游明显增大；枯水运行期干-支流水体交互特征为表层进、底层出，梅溪河库湾流速整体表现为河口较大，库湾中部流速相对较小。

三峡水库梅溪河库湾水动力过程存在明显的时空变化特点［15-16］，具体体现为支流库湾不同位置（河口、中部、库尾）和同一位置垂向剖线上流速的时空变异。总体上看，梅溪河河口在全年内表、底层流速相反（见图7），由此说明梅溪河库湾与长江干流间存在频繁的水量交换。梅溪河河口在汛后蓄水期流速相对较大，而在汛前消落期、汛期和枯水运用期流速相对较小，平均流速介于-2.9 cm/s～2.8 cm/s之间［17-19］。

图7 三峡水库不同运行期梅溪河河口流速纵剖面（单位：cm/s）

4.2长江-梅溪河水量交换及其时空变异特征基于水动力学数值模拟成果，2017年梅溪河库湾在河口、库中和库尾断面的年均水交换量分别为210.15 m3/s、83.60 m3/s和77.21 m3/s，不同特征断面年内的水量交换变化过程见图8。图8中结果表明：梅溪河支流库湾内的流出水量和倒灌水量基本相等，在干-支流交互作用下库湾内水体与长江干流发生持续的水交换，从而加速了库湾内水体混合和物质掺混。此外，支流库湾的水交换量还呈现强不均匀性，并具有明显的时空变化特征。

图8 梅溪河库湾水量交换的时空变化过程

梅溪河库湾干-支流水量交换的空间变化特征表现为自河口向上游逐渐减小，干-支流交汇处（MX01）的水交换量是库湾中部（MX02）的2～3倍，是库湾尾部（MX03）的3～4倍，这说明了支流库湾中水交换能力从干-支流交汇处向库湾内逐渐降低；换言之，干-支流水温差导致的密度流对支流库湾水动力影响从干-支流交汇处向上游逐渐减弱。

库湾干-支流水量交换在时间上还表现出春夏季水交换量相对较小，而秋冬季水交换量相对较大，这与三峡水库调度过程关系密切。春、夏季是三峡水库的汛前消落期和汛期，该时段库区水位从175 m不断降低至145 m，并维持汛限水位运行，库湾内水深相对较浅，不利于密度流在库湾的剖面上向横向和纵向展开，也不利于密度流在库湾内部向上游延伸和发展，因此水交换量相对较低。相反，在秋、冬季是三峡水库的蓄水期和枯水运行期，水库水位从145 m逐渐抬升至175 m，支流库湾中水深较大，密度流作用可以在库湾的剖面上展开并向上游延展，所以从整个库湾的不同位置看，水交换量都比其他时候大。

4.3梅溪河典型特征断面营养盐来源及其组成基于2017年梅溪河年内逐日入库流量与月均水质监测资料，并结合长江干流（梅溪河河口段）常规水质监测数据（见图9），按照支流库湾上游面源产生过程，统计分析梅溪河支流库湾的营养盐来源组成及其年内变化过程。其中流域点源（含背景值，下同）负荷由枯水期间（12月、1月、2月）梅溪河库湾回水末端上游平均来流量和水质推求得到，梅溪河流域面源由全年入库总量扣除点源后获得。长江干流倒灌入梅溪河库湾负荷由MERF模型模拟计算结果得出，内源释放量根据梅溪河库湾水动力与水生态模型模拟结果统计得出。

图9 2017年梅溪河库湾入库水质及上游来流年内变化过程

（1）梅溪河库湾典型特征断面年内营养盐收支及其来源组成。在支流库湾密度流和上游来流的共同作用下，梅溪河库湾不同断面和不同层位水体的流动方向不同，整个库湾水体都存在营养盐的收入和支出［19-24］，2017年梅溪河库湾不同位置的磷、氮收支来源及其组成情况统计结果见图10。

图10 2017年梅溪河支流库湾营养盐全年收支状况

根据图10中的统计结果，2017年梅溪河库湾河口、库中和库尾的磷、氮收支总量分别为780.88t/a、420.46 t/a、404.17 t/a，8868 t/a、4238.75 t/a、4060.05 t/a，其中河口区长江干流倒灌输入的N、P占比约67%～76%，流域面源输入约占20%～30%，流域点源仅占3%～4%；库湾中上部库区长江干流倒灌输入约占38%～50%，流域面源输入约占42%～59%，流域点源仅占5%～8%。结果表明：由于密度流作用沿支流库湾河道自河口向上游逐渐减弱，因此长江倒灌对库湾中营养盐收支的影响沿河道自河口向上游呈逐渐减弱趋势，如对于水交换最为强烈的河口区，长江倒灌进入库湾的总磷占总收入的67%，而在库湾中部长江倒灌进入库湾的总磷占比减少到38%，进入到库湾尾部的总磷占比进一步减少到36%。从库湾整体收支过程来看，内源释放对库湾营养收支影响很小。自梅溪河库湾中部及以上河段，流域面源输入的总磷成为库湾水体营养盐的主要来源，占到总输入的57%。而对于易发生水华的库湾尾部区而言，流域面源输入的磷依然是其主要来源，其占比进一步提高到59%。

（2）水华敏感期（3—10月）梅溪河库湾营养盐收支及其来源组成。每年3—10月是三峡水库支流库湾水华的高发敏感期［7］，此时特征断面的营养盐来源对支流库湾水体富营养化的演变过程具有决定性意义［23-26］。2017年水华敏感期期间梅溪河不同特征断面磷和氮的收支情况及其来源组成如图11所示。

图11 2017年水华敏感期梅溪河库湾营养盐收支状况

2017年水华敏感期（3—10月）梅溪河库湾河口、库中和库尾的磷、氮收支总量分别为610.34 t/a、335.34 t/a、315.50 t/a，6332.63 t/a、3138.76 t/a、2955.16 t/a，其中河口区长江干流倒灌输入的TP约占60%，流域面源输入约占37%，流域点源仅占3%；库湾中上部区长江干流倒灌输入的TP占约占24%～28%，流域面源输入约占68%～72%，流域点源仅占4%～5%。库湾水华敏感期的收支状况与全年的变化趋势类似。对于磷的收支而言，随着干流倒灌的磷源逐渐减少，对于库湾中上部区，干流倒灌从主要的磷贡献源降为次要的磷贡献源，而流域面源所占比重逐渐增大，从次要的磷贡献源升为首要的磷贡献源，流域点源从河口到上游略有增加。此外由于氮磷的年内变化过程存在不一致性，即氮磷的面源输入过程不同步，因此使得氮磷的收支中，不同来源所占的比重存在明显差别。

（3）水华发生期间（7月）梅溪河库湾营养盐收支及其来源组成。2017年7月是梅溪河支流库湾发生水华的主要时段，在该期间梅溪河库湾尾部是水华发生的主要区域，该时段该区域在水华过程中的氮、磷收支情况统计见图12。

如图12所示，在梅溪河库湾水华发生过程中，流域面源输入的TP、TN分别占断面收支总量的74%、72%，是库湾水华发生时段最主要的磷和氮贡献源，而长江倒灌输入的磷、氮仅分别占20%、17%，因此对于梅溪河支流库湾水华发生过程中营养盐控制而言，流域面源负荷是梅溪河库湾水体富营养化控制与削减的关键，支流的来水过程和降雨径流产生的面源负荷过程都将对支流库湾的水华发生产生重要影响。

图12 梅溪河库湾尾部区水华发生时段的氮、磷收支情况

5 支流库湾水体富营养化调控对策

基于2017年常规水质监测结果，采用卡尔森综合营养状态指数法对2017年水华敏感期（3—10月）梅溪河库湾水体营养状态进行评价（结果见表1）。2017年梅溪河库湾3—5月处于中营养水平，6—9月为轻度富营养水平，10月份又回复至中营养状态。年内7月份水体营养状态指数相对最高，为57.4，同时梅溪河支流库湾水华的主要爆发时间为6—9月。

表1 2017年梅溪河库湾水华敏感期水体营养状态评价

水动力条件变化是三峡水库成库后支流库湾水体富营养化趋势性演变的主驱动力因素［27-28］，同时蓄水后支流库湾易出现的水体层化现象有利于浮游植物生长，并加剧了支流库湾的水体富营养化程度和水华现象的发生，但三峡水库汛期调度引起的水位升降变化对支流库湾水体层化过程的影响不明显，且干-支流水温差导致的密度流对支流库湾的水动力影响从河口向上游逐渐减弱，干流倒灌输入的N、P营养盐占梅溪河易发生水华的库湾尾部区营养盐收支比重很小（＜20%），梅溪河支流库湾水体富营养化的主要污染来源为陆域面源。农业农村面源是梅溪河库湾水体富营养化演变和水华发生的物质基础，水温和密度流引起的倒灌是诱导支流库湾“水华”现象发生的重要因素［29-31］。因此，在长江干流水质及干支流水温难以有效调控的条件下，结合典型支流库湾水环境演化过程，亟需遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水体原位削减-水生态系统修复”的系统治理思路，提出如下调控对策：

（1）梅溪河上游有大面积的村庄和农耕地，应采用流域面源污染控制技术，例如：测土配方技术、针对坡耕地发展保护性耕作的土地养分流失控制技术、农村生活污染控制技术、农村固废无害化处理等［32］，加强农业农村面源污染防控与农村人居环境的连片综合整治，从源头控制并减少营养物质的流失与输出。

（2）忠实践行“绿水青山就是金山银山，山水林田湖（库）草生命共同体”的理念，加强面山荒坡治理、河道生态治理、库滨湿地塘库系统建设与消落带生态修复，实现陆域污染物传输的过程阻断与末端拦截功效，尽可能减少陆域污染物入库。

（3）利用生物浮床技术，结合景观建设需求在水华频发区构建生态浮岛，种植具有较高观赏与经济价值的植物，以提高富营养化水体营养盐的原位削减能力，并通过定期维护管理，形成抑制浮游植物生长的局部微生境。

（4）基于食物网结构和功能优化需求，结合植物营养竞争技术，在水华频发区采用立体式的支流库湾水生态系统修复与生物调控措施，优化库湾区水生态系统食物网结构和功能，并通过对大规格成鱼的捕捞，将鱼苗在生长过程中吸食的氮磷等营养盐带出水体，实现对开放性水域中营养盐的净削减，改善并控制水体中的浮游生物和碎屑类物质浓度，有利于富营养化水体水质的持续性改善和水景观向好的趋势发展。

（5）结合库湾水动力条件改善需求，在梅溪河支流库湾易发生藻类水华季节（6—9月）加强生态调度研究与实践［33］，以加快长江干流与梅溪河支流库湾的水量循环与交换，改善库湾水动力条件并弱化因大幅度增加而带来的层化问题。

6 结论

（1）以梅溪河为代表的三峡水库典型支流库湾内，河口、库中和库尾不同断面和层位都存在明显的流速空间变异特征。梅溪河整个库湾全年表底流速相反，与长江存在频繁的水量交换，河口、中部和库尾不同位置的年平均水交换量为210.15 m3/s、83.60 m3/s、77.21 m3/s。在三峡水库不同调度运行期间，汛后蓄水期流速相对较大，水交换量最大，汛前消落期、汛期和枯水运用期流速相对较小，水交换量大体相当。

（2）梅溪河支流蓝藻水华多出现在库湾中上部，流域面源汇入是支流库湾富营养化水域的主要营养来源，长江干流倒灌对支流库湾各典型断面营养盐收支的影响沿河道自下而上逐渐减弱。在库湾尾部，水华发生敏感期流域面源输入的TP和TN比例达72%、56%，水华爆发期（7月）流域面源输入的TP和TN比例达74%、72%。

（3）遵循“源头控制-过程阻断-末端拦截-水体原位削减-水生态系统修复”的系统治理思路，陆域面源治理与控制是关键，水陆交错带末端拦截、水体营养盐原位削减和基于食物网结构与功能优化的生物调控措施在内的水生态修复技术是有益补充，对关键敏感水域水华防治具有不可替代的作用。