三峽庫區(qū)支流庫灣水體富營養(yǎng)化演變特征研究

焦軍麗，馬 巍，裴倩楠，班靜雅，王雨春，楊克君

（1.中國水利水電科學研究院，水環(huán)境研究所，北京 100038；2.四川大學水利水電學院，水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點試驗室，四川 成都 610065）

1 研究背景

三峽工程是我國規(guī)模最大的水利樞紐工程，對保障長江中下游地區(qū)的防洪安全、促進長江經(jīng)濟帶的建設與發(fā)展有著十分重要的戰(zhàn)略意義，但受外源性營養(yǎng)鹽輸入、水體流動條件變差、自然環(huán)境條件和人類社會活動等因素影響，建庫后各支流庫灣水體富營養(yǎng)化問題突出。早在三峽水庫蓄水之前，已有不少學者提出三峽大壩建成后會有水體富營養(yǎng)化的問題［1-3］。三峽水庫2003年首次蓄水，半年后部分支流庫灣就出現(xiàn)了藻類水華問題，在壩前區(qū)與支流回水區(qū)等水流較平緩區(qū)域浮游植物數(shù)量增加明顯，整體上由蓄水前的貧-中營養(yǎng)狀態(tài)轉變?yōu)橹?富營養(yǎng)狀態(tài)［4-5］。隨著壩前蓄水位的逐漸攀升，回水區(qū)域進一步擴大，有更多的支流庫灣面臨水體富營養(yǎng)化的嚴峻挑戰(zhàn)。學者們針對支流庫灣的水體富營養(yǎng)化問題開展了大量的研究工作，但涵蓋整個蓄水過程及高水位常態(tài)調度運行期的研究文獻相對缺乏［6-7］。本文在查閱國內外相關文獻的基礎上，結合支流庫灣較長序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從不同歷史蓄水期三峽庫區(qū)支流庫灣的水質變化特征及其富營養(yǎng)化狀態(tài)分析入手，識別并分析了支流庫灣水體富營養(yǎng)化加重的驅動力因素，以期為三峽水庫支流庫灣水體富營養(yǎng)化治理提供一定的參考。

2 三峽庫區(qū)水質數(shù)據(jù)選用概況

按照三峽工程規(guī)劃，三峽水庫蓄水過程依次經(jīng)歷了135m（2003年）、156m（2006年）、175m試驗性蓄水（2008年）和175m常態(tài)運行（2010年及以后）四個階段，175m蓄水位的實現(xiàn)標志著三峽水庫正式進入正常運行階段。隨著蓄水進程的開展，庫區(qū)水文情勢、水動力特性及水質狀況均發(fā)生了明顯變化。為詳細了解三峽水庫蓄水進程對庫區(qū)各支流庫灣水體富營養(yǎng)化的影響，依據(jù)水庫蓄水進程將三峽水庫蓄水過程劃分為三個階段：即三峽水庫蓄水前（2003年及以前）、蓄水后初期運行期（2004—2010年）和蓄水后高水位常態(tài)運行期（2011—2015年）。本文重點分析不同歷史蓄水期三峽庫區(qū)支流庫灣的水質狀況，與蓄水后高水位常態(tài)運行期支流庫灣的富營養(yǎng)化狀況。數(shù)據(jù)來源于長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心2003年以來，開展多次的“三峽水庫蓄水期水環(huán)境質量狀況專項調查”和“三峽水庫不同蓄水位庫區(qū)支流庫灣富營養(yǎng)化專項調查研究”成果，以及2011—2015年支流水質監(jiān)測調查成果，選取的主要檢測指標為pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和葉綠素a等。

3 不同蓄水期庫區(qū)支流庫灣水質變化特征

為客觀反映蓄水運用期三峽水庫支流水質的變化情況，選擇與蓄水前相同的8條流域面積大于1000 km2一級支流（香溪、大寧河、梅溪河、長灘河、磨刀溪、湯溪河、小江和龍河），對2003—2015年期間每年3—4月同期的水質監(jiān)測結果進行對比分析，以保證支流水質變化分析的可比性。各支流均選擇上游來水、回水中段和支流口三個代表斷面的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。參照《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002），選取pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷等5項參數(shù)，采用單因子評價法進行評價（總磷來水斷面采用河流標準，其他斷面采用湖庫標準）。

3.1 典型支流庫灣整體水質變化特征蓄水前8條支流中有7條支流水質滿足（或優(yōu)于）Ⅲ類水標準，其中Ⅱ類水質占66.7%，Ⅲ類水質占22.2%，Ⅴ類水質僅占比11.1%，支流水質較好。蓄水后初期運行期支流水質總體較差，各支流庫灣Ⅳ～劣Ⅴ類斷面測次比例達52.6%，其中Ⅳ類占比最高，其次為Ⅱ～Ⅲ類，Ⅰ類和劣Ⅴ類均不足10%。蓄水后高水位常態(tài)運行期支流庫灣水質繼續(xù)變差，Ⅳ～劣Ⅴ類斷面測次占比達69.8%，其中Ⅴ類水質占比最高，達到33.5%，Ⅰ類水質占比不足3%。不同蓄水期間各支流庫灣的整體水質類別比例構成詳見圖1。由圖1中結果可知，蓄水前支流水質符合或優(yōu)于Ⅲ類的水質斷面占比88.9%，蓄水后各支流水質均以Ⅳ～Ⅴ類為主，其中初期運行期滿足Ⅲ類的水質斷面占比下降到47.4%，高水位常態(tài)運行期滿足Ⅲ類的水質斷面占比進一步下降為30.2%。隨著蓄水進程的推進，各支流（庫灣）水質類別總體呈現(xiàn)逐步變差的趨勢。

圖1 三峽水庫不同蓄水階段支流整體水質類別比例構成

3.2 支流庫灣主要污染物濃度變化總磷是8條支流水質評價中的主要超標參數(shù)，同時也是受水動力條件變化影響較為敏感的指標，因此可用總磷為代表來分析庫區(qū)各支流庫灣主要污染物含量水平變化。8條支流在蓄水后初期運行期與蓄水后高水位常態(tài)運行期的總磷濃度時空分布特征見圖2。蓄水后初期運行期8條支流（見圖2（a））中，龍河和香溪河總磷濃度整體較高（0.15～0.16 mg/L）小江和湯溪河總磷濃度居中（0.12 mg/L），其他支流總磷濃度均小于0.1 mg/L；蓄水后高水位常態(tài)運行期各條支流（見圖2（b））總磷整體濃度均較高，均超過Ⅲ類限值，其中大寧河、龍河、湯溪河相對較低，未超過0.1mg/L，而其他支流濃度均超過0.1 mg/L，其中香溪河最高，總磷均值濃度為0.36 mg/L。總磷在蓄水后高水位常態(tài)運行期含量較初期運行期有所上升，部分河流總磷含量的變動幅度也有所增大。

圖2 蓄水后初期運行期與高水位常態(tài)運行期8條支流總磷濃度特征統(tǒng)計

4 高水位常態(tài)運行期支流庫灣水體富營養(yǎng)化演變分析

4.1 高水位常態(tài)運行期支流庫灣水體富營養(yǎng)化演變規(guī)律三峽庫區(qū)支流水系眾多，對于不同的水域，由于區(qū)域地理特性、自然氣候條件、水生生態(tài)系統(tǒng)和污染特性等諸多差異，會出現(xiàn)不同的優(yōu)勢藻類種群與不同類型水生生物的失衡［3］。但是，富營養(yǎng)化發(fā)生的必要條件基本上是一樣的，即TP、TN等營養(yǎng)鹽相對比較充足、緩慢的水流流態(tài)和適宜的溫度條件［3，8］。從上面的分析可以看出，三峽水庫蓄水后各支流水體的污染負荷日益增多，再加上蓄水所帶來的水動力條件的變化，使得三峽庫區(qū)支流庫灣水體富營養(yǎng)化日趨嚴重。春、秋兩季是庫區(qū)各支流庫灣水體富營養(yǎng)化較為嚴重的季節(jié)，表現(xiàn)為藻類生長迅速，水華現(xiàn)象明顯［8］，主要源于這段時間水溫升高，光照充足，加快了藻類的光合作用速度，促使藻類的生長繁殖。為了解高水位常態(tài)運行期支流庫灣水體富營養(yǎng)化演變規(guī)律，選取2011—2015年支流水質監(jiān)測調查成果，對三峽水庫16～28條支流春、秋兩季的富營養(yǎng)化狀況進行分析。本部分內容選用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（Trophic State Index）TSI法［9］對調查研究水域的富營養(yǎng)化狀態(tài)進行評價，主要評價指標為葉綠素a（chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。評價標準為：TSI＜30貧營養(yǎng)；30≤TSI≤50中營養(yǎng)；50＜TSI≤60輕度富營養(yǎng)；60＜TSI≤70中度富營養(yǎng)；TSI＞70重度富營養(yǎng)。

2011—2015年三峽庫區(qū)支流富營養(yǎng)狀況表明（圖3）：庫區(qū)各支流普遍為中營養(yǎng)和富營養(yǎng)等級，其中春季富營養(yǎng)以輕度富營養(yǎng)為主，其次為中度營養(yǎng)，還出現(xiàn)個別重度富營養(yǎng)情況；秋季以中營養(yǎng)和輕度富營養(yǎng)為主，個別支流出現(xiàn)中度富營養(yǎng)。春季庫區(qū)支流富營養(yǎng)化維持較高水平，富營養(yǎng)化的支流2011—2015年每年占比32.1%～58.6%，平均占比44.0%；其中2013年富營養(yǎng)化支流比例最高，達58.6%，但未出現(xiàn)重度富營養(yǎng)化支流。秋季庫區(qū)支流富營養(yǎng)化變化較大，富營養(yǎng)化的支流2011—2015年每年占比0%～58.9%，平均占比27.9%；2012年秋季未出現(xiàn)富營養(yǎng)化支流，但2014年富營養(yǎng)化支流占比達到最高的58.9%。所監(jiān)測的庫區(qū)支流的營養(yǎng)水平從季節(jié)上整體表現(xiàn)為春季高于秋季。蓄水后高水位常態(tài)運行期（175 m）蓄水面積進一步增大，水流條件的變化及新淹沒的大量土地等因素，都進一步導致水體中營養(yǎng)鹽的大量富集，到春秋兩季適宜的溫度變化及降雨時，硅藻、甲藻等優(yōu)勢藻種開始大量繁殖，水體富營養(yǎng)化加重。

4.2 三峽庫區(qū)支流庫灣水體富營養(yǎng)化加重的驅動力因素分析三峽水庫蓄水前，支流主要營養(yǎng)鹽濃度本底值較高，不同水期的均值都超過了國際公認的富營養(yǎng)化閥值（TP 0.02 mg/L，TN 0.2 mg/L）［10］。但蓄水前大多數(shù)支流流速較大（平均流速在1.0 m/s以上），流速快使得水體透明度低、入河污染物擴散能力強，因此，較大的水流流速導致的低透光率和有限的污染物滯留時間限制了河道內的藻類生長［6］。隨著三峽水庫蓄水進程的逐漸推進，三峽庫區(qū)水位的大幅度抬升極大的地降低了入庫支流的水流流速，其中175m試驗性蓄水階段各支流庫灣的平均流速就已低于0.01 m/s，部分時段還會受長江干流水位頂托而形成回水區(qū)，使支流庫灣流速進一步降低［8］。國際上根據(jù)水庫的流速特征，一般將河流型水庫劃分為河流型水體（＞0.2 m/s）、過渡型水體（0.05～0.2 m/s）、湖泊型水體（0.05 m/s）［11］。按照此標準，三峽水庫蓄水后，部分支流回水區(qū)由蓄水前的河流型逐漸轉變?yōu)檫^渡型與湖泊型，水動力條件的變化使得庫區(qū)支流水體透明度及透光性顯著增加，入河污染物的滯留時間大幅度延長，給水體營養(yǎng)鹽累積與富營養(yǎng)化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。庫灣水動力條件的變化是支流庫灣水體富營養(yǎng)化趨勢性演變的主驅動力因素，這一觀點也得到前人類似研究的支持，比如邱光勝等［6］通過對三峽水庫蓄水前及蓄水后初期運行期支流富營養(yǎng)化及水華現(xiàn)狀的研究，提出三峽水庫支流中藻類生長的限制因子不是營養(yǎng)鹽，其富營養(yǎng)化加重的原因是蓄水后支流流速的降低。本文以更長系列的監(jiān)測資料分析結果再次證實了三峽庫區(qū)支流庫灣水體富營養(yǎng)加重的最主要原因是蓄水后水動力條件的改變，而并非水體營養(yǎng)鹽濃度較高［12］。

圖3 2011～2015年三峽庫區(qū)支流富營養(yǎng)化比例變化

當然，除了水動力條件的改變，庫區(qū)污染負荷的不斷增加及蓄水所致支流庫灣處的水溫分層現(xiàn)象也是影響三峽庫區(qū)支流庫灣水體富營養(yǎng)化的重要因素。三峽庫區(qū)經(jīng)濟的飛速發(fā)展與城市化進程的不斷推進，導致三峽庫區(qū)支流庫灣的污染負荷不斷增加。充足的營養(yǎng)鹽負荷、適宜的溫度與光照條件，加上隨著蓄水進程不斷推進所引起的回水范圍的擴大，導致了庫灣水質逐漸變差，富營養(yǎng)化狀態(tài)日益嚴重［8］。三峽水庫蓄水也可能導致部分支流庫灣形成局部水溫分層［13］，水溫分層使得水層間的物質不易傳輸，而且底部在缺氧、低溫狀態(tài)下，有機污染物降解的速率會大大減弱，同時還會促進底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，從而使得底層水體的營養(yǎng)鹽濃度較高。當季節(jié)變化等因素導致水溫分層消失后，水體的垂向紊動作用增強，表、底層水體交換頻繁使得水體中營養(yǎng)鹽濃度升高［14］。

5 結論

（1）2003—2015年期間，在三峽庫區(qū)被調查的8條流域面積大于1000 km2的一級支流中，隨著蓄水進程的推進，各支流（庫灣）水質類別總體呈現(xiàn)逐步變差的趨勢，其中滿足（或優(yōu)于）Ⅲ類水標準的占比由66.7%銳減至30.20%；主要超標因子總磷在蓄水后高水位常態(tài)運行期含量較初期運行期有所上升，同時部分河流總磷含量的變動幅度也有所增大。

（2）2011—2015年期間，三峽水庫16～28條支流中春、秋兩季的富營養(yǎng)化整體較為嚴重，普遍為中營養(yǎng)和富營養(yǎng)等級。所監(jiān)測的庫區(qū)支流的營養(yǎng)水平從季節(jié)上整體表現(xiàn)為春季高于秋季，春季庫區(qū)支流富營養(yǎng)化平均占比為44.0%，比秋季高16.1%。

（3）庫灣水動力條件的變化是支流庫灣水體富營養(yǎng)化趨勢性演變的主驅動力因素，同時庫區(qū)污染負荷的不斷增加及蓄水所致支流庫灣處的水溫分層現(xiàn)象也是影響三峽庫區(qū)支流庫灣水體富營養(yǎng)化的重要因素。