三峽水庫蓄水前后上下游溶解氧變化分析

李貴生 高千紅 張馨月

(長江委水文局長江三峽水環境監測中心，湖北 宜昌 443000)

?

三峽水庫蓄水前后上下游溶解氧變化分析

李貴生 高千紅 張馨月

(長江委水文局長江三峽水環境監測中心，湖北 宜昌 443000)

三峽水庫蓄水運行對上下游水體溶解氧濃度造成了一定影響，從而帶來一系列生態環境問題。針對這一問題，分析了三峽工程蓄水前后上下游溶解氧變化以及沿程變化規律，并結合電站建設進度，分析了導致溶解氧變化的原因。結果表明，三峽水庫蓄水運行以來，一定程度上擾動了大壩上下游的溶解氧，影響漁業生物群落結構及多樣性，但通過合理調度，溶解氧環境正得到改善。

蓄水；水體溶解氧；溶解氧濃度；變化規律；三峽水利樞紐

1 概 述

三峽工程是當今世界上最大的綜合性水利樞紐工程，是治理長江和開發利用長江水資源的關鍵性骨干工程，具有防洪、發電、航運、供水和節能減排等巨大的綜合效益。與此同時，三峽工程的建設及運行以及由此帶來的環境影響，一直以來也備受社會各界關注。如水庫閘壩泄水時常會導致下游河道水體中溶解氣體過飽和，這會引起某一時期魚類患氣泡病而死亡，進而引起下游魚類數量減少，甚至漁業群落結構及多樣性都會因此發生改變[1-3]。

基于以上現狀，本文在分析1998～2013年間三峽水庫蓄水前后上下游監測斷面溶解氧指標的變化，以及沿程變化規律的基礎上，分析了不同調度運行情況下，三峽水庫上下游溶解氧含量的動態變化趨勢，以求為今后的水生態保護提供一定的調度依據。

2 溶解氧的監測

長江三峽水環境監測中心從20世紀70年代開始監測三峽壩址上下游的水質狀況，其溶解氧監測資料貫穿整個工程的前期準備、施工期間以及建成運行的全過程。監測期間每月嚴格按水環境監測規范布置采樣點，按水質采樣技術規程要求采集水樣，現場固定后，按照水質溶解氧的測定碘量法(GB 7489-1987)帶回實驗室分析。從2008年開始，采用現場測定儀按照水質溶解氧測定電化學探頭法(GB 11913—1989)現場測定溶解氧。改變檢測方法前做了充分的方法比測和平行試驗，確保資料連續可靠。

3 三峽水庫上下游溶解氧特性分析

為了保證數據有足夠的實效性和連續性，本文選擇了1998～2013年三峽大壩壩上游官渡口斷面和壩下游黃陵廟斷面的逐月溶解氧監測資料。由于所處位置的不同，兩斷面在此期間所呈現的水文形態也不相同。官渡口斷面位于壩上游，在蓄水過程中由于天然河流變為水庫的一部分，水深變大、流速變緩；黃陵廟斷面位于壩下游，水深、流速受影響相對較小。在現實的監測工作中，根據斷面的寬度布設采樣垂線，根據垂線水深布設采樣點，不同垂線位置溶解氧的濃度各不相同，為了簡化分析，按照等權重平均斷面逐月各位置采樣點的數據，并將其作為此斷面的月平均濃度，同理得到其年平均濃度。兩斷面的年平均溶解氧濃度及飽和度，如表1與表2所示，兩個斷面溶解氧濃度及飽和度隨時間的變化如圖1與圖2所示。

表1 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年溶解氧平均濃度 mg/L

表2 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年溶解氧飽和度 %

圖1 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐月溶解氧濃度

圖2 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐月溶解氧飽和度

由圖1與圖2可知，2003年6月三峽水庫蓄水以前，上、下游斷面各月溶解氧濃度大多滿足國家《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)Ⅰ類水水體功能要求，年平均值保持在 8.6～9.0 mg/L，未監測到過飽和現象。2、3季度水溫高，水體本身的納氧能力弱，溶解氧濃度低；2、3季度為長江汛期，來流量大，水體流速快，往往攜帶大量泥沙，增加水體中的污染物及其對溶解氧的消耗，進一步造成了期間的低溶解氧濃度。此外，由于該河段水溫最高點均出現在每年7～9月，納氧能力最弱，最低溶解氧濃度出現在第3季度，約 7.1 mg/L，滿足Ⅱ類水水體功能要求。1、4季度水溫低，水體本身的納氧能力強，溶解氧濃度高。水溫最低點均出現在每年1～3月，最高溶解氧濃度出現在第1季度，約11.1 mg/L，溶解氧濃度隨水溫周期性變化起伏，上下游水體溶解氧飽和度基本維持在90%附近，水質狀況良好；復氧與耗氧基本保持平衡。

2003年6月水庫蓄水以后，上游斷面溶解氧濃度普遍有所降低，年平均值在 6.6～7.7 mg/L之間。季節變化趨勢不變，最小值仍出現在第3季度，極小值為5.4 mg/L，滿足Ⅲ類水水體功能要求，年均值在2006年達到最低后，濃度水平緩慢恢復到 7.5 mg/L左右。

水庫蓄水以前，水中溶解氧的恢復主要通過自然過流條件下水體和大氣間的氣體交換完成，平穩緩慢，下游溶解氧濃度及周期性變化與上游基本一致。水庫蓄水以后，2003～2010年三峽水庫建設高峰期間，下游溶解氧濃度在時間上已無明顯周期性規律，呈不規則鋸齒狀波動，年極值出現時間不再與上游同步；下游溶解氧飽和度明顯增大，2003年6月至2004年9月的16個月中，黃陵廟監測斷面有11個月保持溶解氧過飽和，最高值達133%。2005～2010年汛期均監測到過飽和現象，一般出現在7～9月，但頻次逐漸減少。2010年后，三峽水庫基本建成試運行，下游溶解氧濃度變化漸依水溫周期變化，年極值與上游同步出現，溶解氧飽和度與蓄水前相比波動較大，但基本上保持在68%～95%，未監測到過飽和現象。

4 水庫蓄水后溶解氧特性變化原因分析

水庫蓄水以后，上游溶解氧濃度及飽和度普遍降低，其原因有二：一方面，隨著水位的抬高，淹沒面積達632 km2，且淹沒區大多為人類活動密集區，岸線附近多年堆積的未清除污染物隨水帶入，排入長江的有機污染物、氮、磷指標有一定增加，水質有所下降[4]，耗氧物質增多導致溶解氧指標下降；另一方面，蓄水導致庫區流速減緩，水體復氧能力下降，污染物在水體中的滯留時間增加，加大了對溶解氧的消耗。經2～3 a的周期性淹沒后，兩岸污染物溶出效應減弱，對溶解氧的消耗降低，溶解氧水平有一定的恢復。

在水溫相同的條件下，溶解氧飽和度與溶解氧濃度的變化趨勢一致。但由于溶解氧飽和度排除了水溫對水體納氧能力的影響，因而能更合理地反映水體在通過壩體后因工程原因對下游水體溶解氧的影響。通過整理1998～2013年數據，結合電站運行情況，繪制出兩斷面年平均及年最高溶解氧飽和度圖(見圖3與圖4)。

圖3 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年平均溶解氧飽和度

圖4 官渡口、黃陵廟斷面1998～2013年逐年最高溶解氧飽和度

從圖3與圖4可以看出，下游溶解氧的變化主要是由于水流在過壩時通過方式不同造成的。水流過壩體有兩種方式，即電站過流和泄水建筑物過流。電站過流時，因三峽電站良好的淹沒入流與淹沒出流條件，過流水體缺少摻氣途徑，但由于水深變小，流速加大，水體的復氧能力增強，與上游相比下游溶解氧濃度仍然得到一定的補充;泄水建筑物為23孔深孔，深孔過流時為消弱水流從高處沖擊壩下河床所造成的影響而采用挑流下泄，根據所需泄流量大小，泄洪時開孔數量不一。下游溶解氧濃度較上游溶解氧飽和度顯著增大，最大值高達近133%，從機理上分析，是由于挑流深孔作為最主要的泄洪途徑[1]，使勢能-動能轉化過程中過流水體在高速水流表面形成負壓，過壩水流表面與空氣充分接觸，將空氣中的氧氣吸入到壩下水體中，對壩下水體形成劇烈的曝氣過程，受水體靜壓作用，空氣中的氧氣大量溶入水體中，導致了下游水體溶解氧飽和度的增加[4]。

三峽水庫在2003年6月開始下閘蓄水后，電站由2003年第1臺機組開始發電到2012年地下電站機組開始發電，總共34臺機組，歷時10 a[5]。隨著投入發電機組的增多，水體逐漸由泄水建筑物深孔過流轉向電站過流，在建設后期僅在汛期流量過大需泄洪時根據需要開啟一定數量深孔。由此引起的壩下溶解氧飽和度擾動效應逐漸減弱，飽和度逐步降低。

建設初期，電站過流相對較小，導致壩下年均溶解氧飽和度比上游高10%～20%，最大月監測值比上游高62%。例如2004年9月，由于自然來水流量大，泄水建筑物過流流量相應增大，造成了水體的劇烈摻氣和溶解氧的急劇增長，上游溶解氧飽和度達到全年最低值(約61%)，下游溶解氧飽和度卻出現全年最高值(約133%)。建設后期隨著發電機組的增多，電站過流已經是水流過壩的主要方式，壩下溶解氧飽和度的年最高值逐步下降，趨于穩定。即使在2010年長江入庫流量為70 000 m3/s,2012年為71 200 m3/s情況下，通過合理調配(前期騰庫，降低水位，后期削峰，減小下泄流量)，通過深孔泄洪導致的溶解氧過飽和水流在電站過流水流的稀釋、混合下，壩下溶解氧飽和度年最高值保持在88%～105%，大大低于初期。

5 結論與建議

從以上分析可以看出，三峽水庫從下閘蓄水到試運行以來，對于大壩上下游的溶解氧造成了一定的擾動，壩上游溶解氧降低，建設施工的一段時間里壩下溶解氧出現了較嚴重的過飽和現象，從而導致了漁業生物群落結構及多樣性發生變化。通過科學合理的調度，水體主要過流方式發生改變，對于溶解氧的影響逐漸減弱,溶解氧過飽和現象受到明顯抑制。

基于以上分析，建議從兩方面來改善大壩上下游溶解氧環境：

(1) 加大大壩上下游溶解氧的監測頻次及范圍，摸清溶解氧飽和情況的時間和空間分布；

(2) 加強對大壩上下游溶解氧變化規律的研究，尋求合理、高效的生態調度方案，改善下游溶解氧環境。

[1] 程香菊 陳永燦.大壩泄洪下游水體溶解氧氣體超飽和理論分析及應用[J]. 水科學進展 ，2007,18(3)：346-349.

[2] 楚凱峰，薛聯芳，戴向榮,等.水電工程下泄水體氣體過飽和影響及對策分析[C]∥水電2006國際研討會論文集 .昆明，2006:971-976.

[3] 陳永燦,付健，劉昭偉,等.三峽大壩下游溶解氧變化特性及影響因素分析[J]. 水科學進展 ，2009,20(4):526-530.

[4] 胡響玲，黃鈺鈴，楊正健，等. 三峽水庫蓄水前后點源污染物的排放比較及預測 [J].中國農村水利水電, 2013(4):13-16.

[5] 中國長江三峽集團公司.長江三峽工程運行實錄(2003～2012年) [R].宜昌：中國長江三峽集團公司，2013.

(編輯：朱曉紅)

2016-09-15

李貴生，男，長江委水文局長江三峽水環境監測中心，工程師.

水環境監測

1006-0081(2016)11-0003-03

X824

A