营养物质分级总量控制与精细化管理方案研究——以三峡库区梅溪河库湾为例

马 巍，孙 磊，齐 德 轩，程 瑶

(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)

0 引 言

三峡工程是中国最大的水利枢纽工程，三峡水库正常蓄水位为175.00 m，防洪控制水位为145.00 m，淹没陆地总面积为632 km2，总库容为393亿m3，其中防洪库容为221.5亿m3。自2003年三峡水库试验性蓄水以来，水库运行对保障长江中下游地区的防洪安全、促进长江黄金水道建设、加快推进长江经济带建设以及促进长江经济带绿色高质量发展，均具有十分重要的战略意义[1]。三峡工程在发挥巨大的防洪减灾、水力发电、交通运输、风景旅游等经济效益和社会效益的同时，也驱动着库区生态环境的快速变化，比如水土流失加剧、面源污染严重、消落带生态退化、支流库湾富营养化现象日益突出等问题。早在水库建成蓄水前，就有不少学者提出了建库后会出现水体富营养化的问题[2-4]。自2003年首次蓄水半年后，坝前区部分库湾就出现了藻类水华现象，在坝前及水流较平缓的支流回水区浮游植物数量增加明显，而且整体上由蓄水前的贫-中营养逐步转变为建库后的中-富营养[5-7]。随着三峡水库蓄水位的逐渐抬升，水库回水区逐步扩大，库区内更多的支流库湾面临着日益严峻的富营养化问题。学者们针对支流库湾的水体富营养化问题开展了大量的研究工作[8-10]，但伴随着库区经济社会环境变化和水环境综合治理进程的加快，受自然环境条件、经济社会活动和干支流交互作用协同驱动影响，库区内各支流库湾水环境演变更趋复杂，水体富营养化演变成因及其营养源结构组成有待进一步明晰。同时，依托干支流水功能区划确定的入库河流水质目标，与支流库湾缓慢的水动力条件和水环境承载力仍存在着较大差距，亟需以支流库湾水环境容量、营养状态水平控制及其年内动态变化特征为依据，研究制定满足其容量总量控制和营养状态水平削减需求的入库河流水质浓度限值精细化管理方案，以便为三峡水库支流库湾水质达标管理与水体富营养化综合防治提供科学的技术支撑。 基于此，本文以三峡库区长江干流左岸的梅溪河为典型支流，以2016～2019年期间逐月实测资料为基础，研究了梅溪河支流库湾干支流水质响应关系及水量交换，提出了基于容量总量控制与水体富营养状态削减的分级总量控制需求和入库水质浓度限值，制定了干支流水质浓度精细化管理方案。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三峡工程通过筑坝雍水，将坝址断面(宜昌三斗坪)的长江干流汛、枯期水位分别由100.00 m和70.00 m抬升至145.00～155.00 m和173.00～175.00 m。建库后，汛、枯期水位分别抬升了约50 m和100 m，从而形成了水面面积为1 084 km2、总库容为393.00亿m3的超大深河道型水库，显著地改变了三峡库区回水江段的水位、水深、水面面积、河道宽度以及水流流速等水文水动力特征因子，并与区域经济社会活动共同驱动着库区干支流水环境过程的演变。总体表现为：

(1) 水体贫营养断面急剧减少，中-富营养断面逐步增多，水体富营养程度逐步加重；

(2) 支流库湾水华发生时节由春、夏、秋3季逐步向夏季集中(见图1)；

图1 三峡水库常态运行前后各主要支流富营养状态变化Fig.1 Changes of eutrophication status of main tributaries of Three Gorges Reservoir(TGR) before and after normal operation

(3) 出现水华现象的支流数以2012年为时间节点，呈现为先增加后波动式下降的趋势(见图2)[11]，近年来，库区出现藻类水华的支流数量显著减少。

图2 2008～2019年三峡库区发生水华支流数量年际变化过程Fig.2 Interannual variation process of tributaries of water bloom in TGR area from 2008 to 2019

三峡水库回水长度有663 km，库区内地形地势复杂，沿江两岸支流众多，各支流库湾的几何形态和流域特征也不尽相同。综合库区内38条主要支流的位置、年径流量、回水长度、消落带面积占比以及近年来水华发生情况等因素，选定重庆市奉节县梅溪河作为典型支流案例，来分析支流库湾富营养化演变的营养物质来源、总量控制需求及其分级精细化管理方案。

梅溪河是三峡库区长江左岸的一级支流(见图3)，主导生态功能为水源涵养、水质安全保障、生物多样性保护等，河口距三峡大坝约158 km。梅溪河发源于重庆市巫溪县塘坊乡清水池，分水岭海拔高程为2 300 m，全长117.00 km，平均比降为3.1‰，两岸多堆积阶地，多年平均流量为32.40 m3/s，集水面积为2 001 km2，消落带面积为592 hm2，占最大水面积的比例为41.1%。通过比对库区内38条主要支流的位置、河长、流量及其消落带面积比等，梅溪河均处于中等水平，具有比较强的代表性；而且根据近年来《长江三峡工程生态与环境监测公报》数据，2008～2017年的10 a间，梅溪河支流库湾每年都有藻类水华现象发生，在三峡库区所有支流中，水华发生频率最高，水体富营养化问题十分突出。因此选择梅溪河作为本文的主要研究对象。

图3 三峡水库梅溪河流域位置示意Fig.3 Schematic diagram of Meixi River Basin of TGR

1.2 数据来源

本文研究所采用的三峡水库干流水位、流量数据，均来源于中国长江三峡集团有限公司公布的奉节站逐日数据。研究所用的梅溪河气象条件采用的是奉节县气象站(位于梅溪河河口)的实测数据，梅溪河流域无水文站，其水文资料则类比毗邻的大宁河流域的实测流量过程，采用面积倍比缩放推求得到。三峡水库干流和梅溪河支流上游入库水温过程均采用实测数据，长江干流、梅溪河支流库湾各控制断面(其中，库尾断面为145 m水位回水末端，位置示意见图4[5])及其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，每月中间的时间采用线性插值得到。

图4 三峡水库梅溪河库湾水质监测站点布置示意Fig.4 Schematic diagram of water quality monitoring stations in Meixi River reservior bay of TGR

1.3 模型与方法

三峡水库梅溪河河口区水深超过100 m，受干支流交互作用和温差异重流影响，其支流库湾的水动力条件呈现出典型的三维特征[12-15]。采用海洋环境研究与预报模式(Marine Environment Research and Forecasting Model，MERF)[16-17]，构建了梅溪河支流库湾三维水动力与水体富营养化数学模型[5]，可以用来模拟梅溪河库湾水文水动力的变化过程及其与长江干流间的交互变化，并在此基础上，模拟反演了支流库湾水环境演化过程，以便为支流库湾水环境容量计算及水体营养状态模拟提供可靠的技术手段。

梅溪河支流库湾长约19.60 km，其地形和网格布置如图4所示。梅溪河支流及其毗邻干流的水平方向采用Cartesian坐标，分辨率为50 m×50 m，垂直方向采用Sigma坐标，分为10层，空间离散后计算网格为27 440个。库区干流和支流上游采用流量边界，支流汇合口下游采用水位边界条件，干-支流入库水温、水质逐日过程采用各月的实测数据并采用线性插值获取。利用2014年和2017年实测数据，对梅溪河支流库湾水动力与水体富营养化模型进行了参数率定与模型验证，其中，2014年数据用于参数率定，2017年数据用于模型校验。水动力模拟变量为水位、水深、流速、流向、水温等，模型校准参数为水位和水温。2017年梅溪河库湾的库中断面(MX02)的逐月流速(以1，4，7月和10月为代表)及其年内表底层水温变化模拟结果分别如图5和图6所示。梅溪河库湾各特征断面(以库中断面代表)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如图7所示。

图5 梅溪河库湾库中断面流速垂向剖面验证结果Fig.5 Verification of vertical velocity in the middle section of Meixi River reservoir bay

图6 2014年梅溪河库湾库中断面温度模拟结果Fig.6 Temperature simulation results of middle section of Meixi River reservoir bay

图7 2017年梅溪河库湾库中断面叶绿素、磷酸盐、TN模拟结果验证Fig.7 Verification of chlorophyll，phosphate and TN simulation results of middle section of Meixi River reservoir bay

由于三峡水库干支流中的水温存在温度差，加上太阳辐射的热交换作用，将影响梅溪河库湾中的水温分布，进而影响到库湾水质的时空变化过程。从梅溪河库湾典型断面(以库中代表)的流速与水温模拟结果(分别见图5和图6)来看，不同季节的垂向流速及表底层的年内水温变化过程与观测值拟合良好，水动力学模型可为生态动力学模拟提供较为可靠的背景动力场；梅溪河库湾不同特征断面的水质模拟结果(见图7)也表明：梅溪河支流库湾生态动力学模型较为可靠，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其水体富营养化演变的驱动机制研究，提供可靠的技术手段。

2 结果与讨论

2.1 梅溪河库湾水动力特性

受三峡水库长江干流和支流上游来水交互作用的影响，梅溪河支流库湾水流的整体流速较小(u≤5.00 cm/s)，库湾内不同特征断面(河口、库中、库尾)和不同层位(表层、中层、底层)均存在明显的流速与流向时空变异特征[18-20]，表层、底层流场全年相反，并与长江干流存在着频繁的水量交换现象，分别如图8和图9所示。

图8 不同运行期梅溪河平面流场(表层)Fig.8 Plane flow field (surface layer) of Meixi River in different operation periods

图9 不同运行期梅溪河库湾流场纵剖图Fig.9 Longitudinal section of flow field in Meixi River reservoir bay during different operation periods

(1) 汛前消落期(2～5月)，长江干流的水从表层倒灌进入支流库湾，支流来水从底层汇入库区干流，梅溪河河口区底层流速略高，库湾中部和尾部流速差别较小。

(2) 汛期(6～9月)，长江干流的水流从中层倒灌进入库湾，支流来水则从表层、底层汇入库区干流，库尾和河口处流速较大，库中流速较小。

(3) 汛后蓄水期(10～11月)和枯水运用期(12月至次年1月)，干-支流水体交互特征表现为表层的水流倒灌进入支流的库湾，支流来水则自底层流出库湾。

从三峡水库不同调度运行期间支流库湾流速的变化情况来看，梅溪河河口在汛后蓄水期的流速相对较大，而在汛前消落期、汛期和枯水运行期，其水流流速则相对较小。

2.2 梅溪河库湾水量交换及营养物质来源组成解析

在干-支流水流的交互作用影响下，梅溪河支流库湾与库区干流水体存在着持续的水量与物质交换。这种水量交换使得长江干流水团可随时进入支流库湾，加速了库湾内水体和营养物质的混合，并在库湾内密度流和上游来流的共同作用下，整个库湾水体时刻都存在着营养物质的收入和支出[21-26]。基于梅溪河支流库湾水动力数值模拟结果(见图10)，2017年梅溪河库湾干支流水交换量在河口、库中、库尾等特征断面的年均值分别为210.15，83.60 m3/s和77.21 m3/s，并呈现出自河口向库尾逐渐减小的特征。

图10 2017年梅溪河支流库湾干-支流水交换量的时空变化过程Fig.10 Temporal and spatial variation process of main-branch water exchange capacity in reservoir bay，Meixi River in 2017

针对易发生藻类水华的支流库湾中上部区域[5]，从年尺度上来看，流域面源输入的总磷(TP)负荷量占断面总收支量的59%，是蓝藻水华高发区的主要营养来源；从库区水华敏感期(3～10月)分析来看，流域面源输入的TP负荷量占断面总收支的72%，是水华高发时段最主要的营养贡献源；从库湾水华发生时节(7月)的营养物质来源解析来看，梅溪河流域面源输入的TP负荷量占断面总收支的74%(见图11)。

图11 2017年不同时间尺度下梅溪河支流库尾断面磷负荷来源组成Fig.11 Source composition of phosphorus load in the tail section of Meixi River tributary at different time scales in 2017

综上所述，控制流域面源输出，并强化过程阻控和末端拦截，是近期削减梅溪河支流库湾水体营养状态、降低其蓝藻水华风险最有效的措施。

2.3 梅溪河库湾水环境容量总量控制精细化管理方案

在水华敏感期，伴随着降雨径流输入的面源负荷，是三峡水库各支流库湾水体富营养化演变及藻类水华发生最主要的污染物来源，而且三峡库区各支流库湾的营养盐输入受干支流水情影响十分显著，即干支流来水越多，支流库湾内接收的入库污染物总量就越大，积存的营养物质就越多，在适宜的水温和光照条件下，库湾水体富营养化程度就越高，藻类水华暴发的风险就越大。库区干流来水越多，经梅溪河河口倒灌入支流库湾的污染物就越多，对库湾上游来水的顶托作用就越明显，库湾内承纳本流域污染物的能力就越小，即支流库湾水环境容量就越小。

结合梅溪河支流库湾水动力特性和水环境容量计算的相关规程规范要求，并对比分析三峡库区长江干流(以库尾寸滩站作为代表)和梅溪河支流(以毗邻的大宁河作为代表)来水情况(见图12)，选择2018年(长江干流来水为特丰水年之年，水文频率P=4%，梅溪河支流为特枯年份，水文频率P=96%)作为水环境容量计算的代表年型。

图12 梅溪河支流库湾干-支流来水径流量年际变化过程Fig.12 The interannual variation process of the inflow runoff from main trunk and tributaries of the Meixi River tributary

以2018年梅溪河支流库湾干支流来水作为设计水文条件，以长江干流和梅溪河支流来水水质分别满足地表水Ⅱ类和Ⅲ类、且不劣于现状为水质边界，以梅溪河支流库湾各特征断面年内逐月水质均满足湖库Ⅲ类水质为目标约束，计算得到梅溪河支流库湾CODMn、TP、TN等3项指标的水环境容量分别为18 417，373 t/a和7 528 t/a。从年内变化特征(见图13(a))来看：汛期(6～9月)的水环境容量较小，仅占年总量的23.3%，非汛期约占76.7%；从空间分布特征(见图13(b))来看，梅溪河支流库湾中上部仅占8.2%，河口区约占91.8%。2018年，梅溪河库湾CODMn、TP、TN的入库污染物总量分别为29 056，796 t和18 770 t，3项指标需分别削减10 639，422 t和11 243 t；其中，梅溪河上游入库的TP、TN负荷量需分别削减43.1%，54.4%，库区干流倒灌的CODMn、TP、TN负荷量需分别削减39.2%，53.8%，60.3%。

图13 梅溪河支流库湾水环境容量时空分布特征Fig.13 Spatial and temporal distribution characteristics of water environmental capacity in reservoir bay of Meixi River tributary

在容量总量控制约束条件下，为了更好地服务于三峡库区河(库)长制的有效落实和水质达标管理措施的科学落地，有针对性地制定了梅溪河支流库湾水质达标的入库河流水质浓度精细化管理方案，即三峡库区长江干流和梅溪河支流分水期入库水质浓度的限值，分别是：CODMn为2.50～6.30 mg/L，TP为0.052～0.055 mg/L，TN为1.05～1.10 mg/L。干支流分水期详细管控方案如表1所列。

表1 梅溪河支流库湾总量约束下干支流入库水质浓度精细化管理方案

2.4 梅溪河库湾富营养状况控制的精细化管理方案

由2017～2019年梅溪河库湾水体综合营养状态指数年内变化过程结果(见图14)可以看出：梅溪河库湾水库6～9月表现为轻度富营养状态，其余月份均为中营养状态。对比2017～2019年梅溪河库湾水体综合营养状态指数与干支流来水情况可知：干流和支流在遭遇大水年时，都将对梅溪河库湾水体富营养化及藻类水华产生明显的不利影响，即2017年(梅溪河为特丰水年、干流为平偏枯年份)和2018年(干流为特丰水年、梅溪河为特枯水年)支流库湾均出现了水色异常，而2019年(干流为平偏丰年份，梅溪河为极枯年份)梅溪河库湾无水色异常情况。鉴于梅溪河支流水体富营养较重区域均发生在6～9月的库湾中上部位，且该区域受支流来水影响更大，因此，选择2017年作为设计水文条件，来研究制定梅溪河库湾水体富营养状态控制的精细化管理方案会更安全。

图14 2017～2019年梅溪河支流库湾综合营养状态指数年内变化示意Fig.14 Annual variation of comprehensive nutritional status index of reservoir bay of Meixi River tributary from 2017 to 2019

梅溪河库湾水体富营养状态削减与控制目标的制定及其落实，既能实现支流库湾水质全面达标，又能实现库湾水体营养状态由水华敏感期的轻度富营养→水华敏感期的中营养+枯水期的贫营养→全年整体贫营养的逐步转变。基于2017年梅溪河干支流来水条件，通过干支流的来水水质与支流库湾水体营养状态响应的多方案情景，进行了模拟计算和富营养化评价，结果表明：在库区干流水质整体满足Ⅱ类水质标准并且不劣于现状水质的条件下，通过管控梅溪河上游来水水质，对库湾中上部区域的水体营养状态水平有一定的降低效果，当梅溪河上游来水总体满足湖库Ⅱ类水质标准时，库湾中上部区域能实现全年中-贫营养。因此，从梅溪河库湾尾部水华高发区富营养状态削减需求出发，通过控制梅溪河流域点源、面源污染负荷，让梅溪河流域雨季入湖的氮磷负荷达到湖库Ⅲ类水质标准，还是有可能实现的。

为了降低梅溪河库湾中上部的藻类水华风险，基本消除汛期(6～9月)梅溪河支流库湾水华高发区(库尾浅水区)的轻度富营养状态，使其达到中营养水平，梅溪河支流上游汛期来水水质浓度应满足CODMn≤4.00 mg/L，TN≤1.00 mg/L，TP≤0.05 mg/L，较现状入库的TP、TN浓度负荷削减65%以上(见表2)。梅溪河支流库湾水体富营养状态控制的干支流分水期精细化管控方案如图15所示。

表2 梅溪河支流库湾富营养控制的流域来水水质及削减需求

图15 梅溪河库湾尾部富营养控制的入库水质精细化管理方案Fig.15 Refinement management scheme of inflow water quality for eutrophic control at the tail of Meixi River reservoir bay

如果让梅溪河流域雨季入湖的氮磷负荷达到湖库Ⅲ类水质标准，那么采用以下2个措施可以实现。

(1) 源头区：采用提高乡镇污水收集与集中处理率、规模化养殖畜禽粪便回收，以及农田综合利用和陡坡(坡度>25°)地退耕还林还草、加强生态保育等措施，可从源头上减少50%以上的流域点面源污染负荷的产生与输出。

(2) 过程阻断：采取保护性耕作模式和“植物篱+植物缓冲带+生态拦截沟技术”相结合的方式，可强化污染物在伴随降雨径流输移过程中的阻断功效，负荷拦截效率将超过10%。

3 结 论

(1) 受库区干流和支流库湾上游来水的交互作用的影响，梅溪河支流库湾水流整体流速较小(u≤5.00 cm/s)，库湾内的河口、库中、库尾等不同特征断面及其水体垂向表层、中层、底层的不同层位均存在明显的流速与流向时空变异特征，表层与底层流场全年相反，并与长江干流存在着频繁的水量交换。从三峡水库不同调度运行期间支流库湾流速的变化情况来看，梅溪河河口在汛后蓄水期流速相对较大，而在汛前消落期、汛期和枯水运行期的流速相对较小。

(2) 在库湾内密度流和上游来流的共同作用下，梅溪河支流库湾与库区干流水体存在着持续的水量与物质交换，库区干流水体倒灌加速了库湾内水体和营养物质的混合与交换，整个库湾水体时刻都存在着营养物质的收入和支出。针对易发生藻类水华的梅溪河库湾中上部区域，面源输入是梅溪河支流库湾水华敏感期和水华发生时节最主要的营养物质来源，占比超过70%。因此，加强流域面源源头控制，并强化过程阻控和末端拦截，是近期削减梅溪河支流库湾水体营养状态、降低其水体蓝藻水华风险最有效的措施。

(3) 以梅溪河支流库湾Ⅲ类水质目标为约束，在不利来水条件和干支流来水满足其水质保护目标、且基本不劣于现状水质的条件下，计算得到的梅溪河支流库湾CODMn、TP、TN等3项指标的水环境容量分别为18 417，373 t/a和7 528 t/a。同时，结合库湾水体营养状态综合指数与特征指标间的关联性特征，研究提出了当库区干流水质满足Ⅱ类、且梅溪河支流来水满足湖库Ⅲ类水质的标准时，支流库湾尾部水体基本上可以实现全年中营养水平，可基本消除轻度富营养状态。从总量控制与削减角度的分析来看，汛期梅溪河支流上游来水的TP、TN浓度负荷削减率将超过65%以上。

(4) 在支流库湾各特征断面水质达标约束条件下，梅溪河库湾干支流入库的CODMn、TP、TN等3项指标的浓度限值分别为2.50～6.30，0.052～0.055 mg/L和1.05～1.10 mg/L；在满足梅溪河库湾库尾水华高发区的轻度富营养状态削减并达到中营养水平条件下，梅溪河支流入库的CODMn、TP、TN等3项指标的浓度限值则分别为2.00～4.00，0.05 mg/L和1.00 mg/L。