蔡慶華，孫志禹，2

(1:中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室，武漢430072)

(2:中國長江三峽集團公司科技環(huán)保部，北京100038)

三峽水庫水環(huán)境與水生態(tài)研究的進展與展望*

蔡慶華1，孫志禹1，2

(1:中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室，武漢430072)

(2:中國長江三峽集團公司科技環(huán)保部，北京100038)

伴隨著舉世矚目的三峽工程全面竣工，三峽水庫于2010年正式進入年水位落差達30 m的正常運行階段.水庫湖沼學(xué)可為環(huán)境友好型大壩建設(shè)和水庫可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù).本文在三峽成庫8 a以來生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測與研究的基礎(chǔ)上，對三峽水庫水環(huán)境現(xiàn)狀進行了歸納和總結(jié)，分析了水環(huán)境動態(tài)的時空異質(zhì)性、水庫縱向分區(qū)與群落組成、垂向分布及藻類水華的成因和動態(tài)，并對三峽水庫藻類水華預(yù)警與生態(tài)-水文調(diào)控機制展開了論述.最后，本文嘗試給出以下兩方面的展望:1)大型水庫湖沼學(xué)觀測研究應(yīng)有長期的策略;2)近期研究應(yīng)重點關(guān)注水華暴發(fā)水動力學(xué)機制的量化和水華預(yù)警模型及生態(tài)水力調(diào)度平臺的耦合.

水庫湖沼學(xué);時空異質(zhì)性;長期觀測;藻類水華;水動力學(xué)機制;預(yù)警模型;生態(tài)調(diào)度;三峽水庫

三峽水利樞紐工程規(guī)模宏大，舉世矚目，是開發(fā)治理長江的骨干工程，具有巨大的防洪、發(fā)電、航運等綜合效益，同時也對庫區(qū)的生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生了顯著的影響.三峽工程分別于2003年6月、2006年10月和2008年11月完成了首次成庫、二期蓄水和三期“175 m試驗性蓄水”，并于2010年10月26日首次到達175 m水位的設(shè)計目標.三峽水庫首次蓄水成庫后即出現(xiàn)了以富營養(yǎng)化和藻類水華暴發(fā)為代表的水環(huán)境問題，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注.隨著工程的全面竣工，三峽水庫已正式進入年水位落差達30 m的正常運行階段，如媒體所說的“后三峽時代”.本文以中國科學(xué)院/中國長江三峽集團公司三峽水庫香溪河生態(tài)系統(tǒng)實驗站對三峽成庫8 a來生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測與研究為基礎(chǔ)，對三峽水庫水環(huán)境和水生態(tài)研究進行綜述與分析，以期為三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)管理和充分發(fā)揮三峽工程的綜合效益提供決策參考.

1 三峽水庫水環(huán)境現(xiàn)狀

三峽成庫以來，雖然環(huán)保力度不斷加強，但廢水排放量依然巨大，水污染態(tài)勢依舊，特別是來自于城鎮(zhèn)生活污水方面的壓力超過了工業(yè)廢水而成為主要的污染源(表1).

表1 三峽入庫污染物統(tǒng)計*Tab.1 Annual statistics of pollutants into Three Gorges Reservoir

采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)法對2011年春季長江干流及主要支流庫灣的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，并與2005年［1］和2009年［2］進行比較，結(jié)果表明湖北庫區(qū)的4條支流庫灣均為富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)狀態(tài)，變化不大，而重慶庫區(qū)自三期蓄水后各支流庫灣均為富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)狀態(tài)(其中超富營養(yǎng)比例由2009年的9%上升到2011年的38%)，相較于2005年春季有25%的中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)狀態(tài)，惡化趨勢明顯(圖1).特別值得注意的是，2005年長江干流為中營養(yǎng)狀態(tài)，而2009年和2011年上升為富營養(yǎng)狀態(tài)，即營養(yǎng)狀態(tài)2011年＞2009年＞2005年.總體而言，支流庫灣和長江干流的富營養(yǎng)化趨勢更為嚴重.

圖1 三峽水庫部分支流庫灣及長江干流營養(yǎng)狀態(tài)比較Fig.1 Comparison of trophic status between some tributary bays and the mainstream of Three Gorges Reservoir

香溪河庫灣(30°57'～31°17'N，110°41'～110°50'E)是三峽水庫壩首最大的支流庫灣，一直是水環(huán)境管理部門的重點監(jiān)測對象，也是相關(guān)研究開展最多的庫灣.據(jù)此，本文以該庫灣為分析案例.從浮游植物功能群的角度，采用Q指數(shù)，即同時考慮功能群在總生物量中的相對比例及與水體類型有關(guān)的因子得分，依此劃分水體生態(tài)狀況為5個等級［3-4］:較差(Q:0～1)、可接受(Q:1～2)、中等(Q:2～3)、良好(Q:3～4)和很好(Q:4～5).對香溪河庫灣2008年3月至2010年2月水體生態(tài)狀況進行周次評價.結(jié)果表明Q指數(shù)［4］的均值為2.17，即總體上香溪河庫灣生態(tài)狀態(tài)為中等.生態(tài)狀況較差的時期是2008年6-7月中旬(大范圍暴發(fā)了微囊藻水華［5-6］)，可接受的時期大致是2008年5月中下旬、7月中下旬-8月上旬、2009年5-9月和2010年2月，而生態(tài)狀況達到良好的時期較少，均值最高為3.39(2009年4月24日)(圖2).

圖2 香溪河庫灣生態(tài)狀態(tài)的時間變化Fig.2 Temporal variations of ecological status in Xiangxi Bay

基于連續(xù)5年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，估算三峽水庫香溪河庫灣氮磷營養(yǎng)鹽的入庫通量，并分析氮磷營養(yǎng)鹽濃度及其通量的逐月動態(tài)［7］.研究發(fā)現(xiàn)，每年大約有1623.49 t總氮(TN)和331.85 t總磷(TP)匯入香溪河庫灣，其中香溪河干流貢獻了68.5%的TN和91.74%的TP.可溶性無機氮是氮主要存在形式，氮通量表現(xiàn)為夏季7月份偏高、春秋季次之、冬季較低的規(guī)律，面源污染是氮進入河道的主要途徑.而磷酸鹽是香溪河磷的主要存在形式，高嵐河的磷酸鹽含量則較低;香溪河磷通量的月均波動較為平緩，高嵐河磷通量的高峰期出現(xiàn)在春末和夏季，高嵐河的磷主要通過面源途徑進入河道，而香溪河的磷則存在點源污染;氮磷通量更大程度上和流量有關(guān);水土流失可能是香溪河流域面源污染的主要來源，磷礦和磷化工廠的排污可能是磷點源污染的主要途徑.從保護三峽水庫香溪河庫灣的生態(tài)學(xué)角度考慮，應(yīng)重點控制香溪河磷的點源污染.

進一步分析香溪河庫灣底泥中TN、TP含量的時空分布特征及其影響因素［8］，結(jié)果表明:底泥中TN、TP含量均表現(xiàn)為“中間高，兩頭低”的空間分布規(guī)律，TN含量按秋季、冬季、春季的順序依次降低，從春季到夏季則大幅上升，夏季達最高值;TP含量的季節(jié)波動較小，以春季最高.底泥中TN、TP含量的年際差異均達顯著水平.香溪河庫灣底泥中TN、TP含量的空間分布主要受水體中懸浮物［9］、水華過程［10-11］及沉積率等的影響，沉積率較高區(qū)域的TN、TP含量較高;TN含量的季節(jié)波動主要受上游來水量季節(jié)變化的影響，而TP含量的季節(jié)變化主要源于點源污染.

2 三峽水庫水環(huán)境動態(tài)的時空異質(zhì)性

時空異質(zhì)性是生態(tài)學(xué)研究的重要主題.生態(tài)系統(tǒng)的時空異質(zhì)性可歸結(jié)為局部驅(qū)動力(內(nèi)部因素)和區(qū)域驅(qū)動力(外部因素)共同作用的結(jié)果［12］，其技術(shù)手段包括同步性(Synchrony)理論或時間相干性(Temporal coherence)學(xué)說等［13-14］.水庫因具有獨特的時空異質(zhì)性而成為理想的研究對象之一，其干支流水力條件、環(huán)境和生態(tài)狀態(tài)的差異等是研究重點.

三峽水庫干流與香溪河庫灣水力學(xué)特征的差異是驅(qū)動其水環(huán)境動態(tài)的關(guān)鍵因素［15-16］.研究發(fā)現(xiàn)［17］:1)三峽水庫首次成庫后干流水體在5-11月仍屬河流型水體(A類)，在其它月份則屬于過渡型水體(B類);香溪河庫灣個別月份屬湖泊型水體(C類)，在絕大多數(shù)月份屬于B類.這意味著三峽水庫首次成庫后香溪河庫灣水體類型比干流更趨于穩(wěn)定.2)三峽水庫二期、三期蓄水后水庫干流與香溪河庫灣水體滯留時間均進一步延長，特別是非汛期的庫灣，己有較多月份屬于湖泊型水體，水華暴發(fā)的風(fēng)險增大.三峽水庫首次成庫后干流和香溪河庫灣懸浮物組成、季節(jié)動態(tài)同步性及其對水力學(xué)特征的響應(yīng)差異性研究表明［15，18］:1)懸浮物濃度及其無機含量所具有的空間梯度主要體現(xiàn)在水庫干流大多數(shù)樣點高于香溪河庫灣樣點，意味著以無機懸浮物組分為主的外源性輸入在三峽水庫干流比起香溪河庫灣更占主導(dǎo).2)水庫干流內(nèi)部懸浮物高度的同步性意味著其季節(jié)動態(tài)受到區(qū)域性因素高度一致的主導(dǎo)控制;香溪河庫灣懸浮物低的時間相干性意味著其季節(jié)動態(tài)受到樣點所在微生境內(nèi)部因素的作用更為重要;水庫干流與庫灣之間懸浮物動態(tài)的異步性表明二者懸浮物季節(jié)動態(tài)的調(diào)控因素不同，可能分別與各自的水域類型及流域特征有關(guān).3)在河流型的水庫干流，懸浮物動態(tài)和水域水力學(xué)特征在流域內(nèi)區(qū)域水文因素的控制下表現(xiàn)出緊密的關(guān)系;而在過渡型或湖泊型的香溪河庫灣，水動力學(xué)特征較為穩(wěn)定，在很大程度上削弱了流域內(nèi)水文因素對懸浮物動態(tài)的影響.

基于Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及其二維坐標差值評價方法并運用時間相干性學(xué)說，對三峽水庫干流與香溪河庫灣營養(yǎng)狀態(tài)受內(nèi)外驅(qū)動力控制的相對強度進行解析［19］，結(jié)果表明水庫干流樣點TSICHL-TSISD的值通常小于香溪河庫灣的樣點，意味著香溪河庫灣營養(yǎng)狀態(tài)受到非藻類濁度的限制程度低于水庫干流;而水庫干流樣點TSICHL-TSITN和TSICHL-TSITP通常也小于香溪河庫灣的樣點，意味著水庫干流氮、磷營養(yǎng)鹽的富余程度大于香溪河庫灣;非藻類濁度的限制程度在水庫干流的季節(jié)動態(tài)受到區(qū)域性水文因素的主導(dǎo)，對流域水文影響下的水動力學(xué)特征具有同步的季節(jié)性響應(yīng)［20］;香溪河庫灣大多數(shù)樣點非藻類濁度限制程度對水動力學(xué)特征的季節(jié)性響應(yīng)均很弱，與水庫干流的響應(yīng)特征不一致.

浮游植物從干流到香溪河庫灣季節(jié)波動的異步性格局結(jié)果表明［21］:1)在所選擇的空間尺度上，藻類密度動態(tài)和群落結(jié)構(gòu)的演替均出現(xiàn)異步性格局，意味著區(qū)域性的因素不能同步驅(qū)動浮游植物季節(jié)演替.2)在河流型的干流浮游植物具有高度的同步性，意味著外部水文的強烈擾動使得生境條件和浮游植物被同質(zhì)化;而趨于湖泊型水體的香溪河庫灣，浮游植物的演替格局出現(xiàn)的分化取決于樣點局部生境.3)干流的快速交換引起藻類缺乏演替以及庫灣藻類演替分化，共同導(dǎo)致了從干流到庫灣浮游植物波動出現(xiàn)異步性格局.

3 三峽水庫水環(huán)境的縱向分區(qū)與生物群落動態(tài)

通常，一個水庫在縱向上存在截然不同的三個生態(tài)區(qū)，即沿著入庫水流的方向，依次為河流區(qū)、過渡區(qū)和湖泊區(qū)［22-23］;從河流區(qū)到湖泊區(qū)，由于水動力條件差異，影響了水體理化參數(shù)和水生生物群落的分布，導(dǎo)致這些指標沿著水庫縱軸的空間梯度變化［22］.目前三峽水庫的富營養(yǎng)化問題最集中的體現(xiàn)不在干流，而在其大小不同的各個庫灣.雖然對庫灣的監(jiān)測、研究已有很多，但多限于空間梯度的描述，未從理論上和實際上確定庫灣的分區(qū)［24］.鄭丙輝等［25］在探討三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標準時，采用一維水力模型和水文數(shù)據(jù)，曾對庫灣的分區(qū)進行了劃分，指出水庫庫首的庫灣主要以湖泊型為主，位于庫尾的庫灣多以河流型和過渡型為主.這種劃分未考慮庫灣本身的空間差異，而研究證實，庫灣內(nèi)水華的暴發(fā)也存在著明顯的空間差異［10-11］.此外，庫灣可被認為是沒有“壩”的水庫［24］，本身也應(yīng)該存在分區(qū).

大型底棲動物因遷移能力較弱，被視為水庫生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)的理想對象.通過對三峽成庫后香溪河庫灣大型底棲動物長期監(jiān)測［26-27］，并與湖北庫區(qū)其它庫灣(袁水河、青干河及童莊河)進行比較，Shao等［24］發(fā)現(xiàn)，受到水庫干流的影響，一個典型的庫灣應(yīng)包括四個分區(qū)——比水庫一般縱向分區(qū)增加了一個分區(qū).這個分區(qū)被稱為“干流區(qū)(mainstream zone)”，這是因為干流區(qū)受到水庫干流的干擾.相比于湖泊區(qū)，干流區(qū)的底棲動物群落更不穩(wěn)定;和水庫的縱向分區(qū)一樣，庫灣只有在足夠長時才能形成湖泊區(qū)，并且?guī)鞛车目v向分區(qū)是動態(tài)變化的，在某種程度上受到庫灣年齡和季節(jié)變化的影響［28］.相比之下，干流水動力學(xué)因子與大型無脊椎動物的關(guān)系有所不同［29］:受水文節(jié)律的影響，干流大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了明顯的季節(jié)性差異:低入庫流量和高的水體滯留時間對底棲動物總密度具有較高的貢獻率，得益于低流量時較高的水體透明度有利于干流底棲動物優(yōu)勢類群——仙女蟲科的生存;在干流水體滯留時間的波動范圍內(nèi)，水體滯留時間越長，底棲動物多樣性越高，這也充分表明了過強的水體擾動不利于大部分底棲動物的生存.

對香溪河庫灣浮游生物的研究［4，30］也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律:1)香溪河庫灣浮游植物在空間分布上具有較強的異質(zhì)性;相對生物量上，藍藻和綠藻呈大體均勻的分布，硅藻呈現(xiàn)出從河口至庫尾減少的趨勢，而隱藻和甲藻則相反.2)香溪河庫灣浮游植物大于總生物量5%的優(yōu)勢種有85種，分屬17個功能群.X2、Y、P、B、D和Lo組是香溪河庫灣最重要的6個功能群.X2、Y、Lo組在庫尾的比例相對河口區(qū)域較高;而P、B和D組在河口區(qū)域的比例高于庫尾.3)以藻類葉綠素a、透明度和相對水柱穩(wěn)定性3個指標從縱向上對整個庫灣進行聚類分析，可將香溪河庫灣總體上分為干流區(qū)、湖泊區(qū)、過渡區(qū)和河流區(qū)4個區(qū)域，但這些區(qū)的位置及長度隨水庫運行的不同時期而有所不同，并且不同區(qū)域內(nèi)藻類葉綠素a、透明度和相關(guān)水柱穩(wěn)定性之間的相關(guān)性亦表現(xiàn)出差異［31］;4)主成分分析表明浮游輪蟲群落結(jié)構(gòu)在縱軸上存在顯著的異質(zhì)性，聚類分析顯示輪蟲群落亦可如上分區(qū)［32］;主成分分析和冗余分析表明，浮游植物主要受限于混合層的控制，且水位波動對混合層深度及水柱穩(wěn)定性具有顯著相關(guān)性［33］;5)由于縱向差異，河流區(qū)的群落結(jié)構(gòu)與其它區(qū)域顯著不同，表明上游的入庫通量對香溪河庫灣影響很大.而在管理上，應(yīng)主要加強對香溪河庫灣干流區(qū)、湖泊區(qū)和過渡區(qū)水華暴發(fā)的防治管理工作［34］.

4 三峽水庫水環(huán)境垂向分布及藻類水華成因、動態(tài)

水溫是水庫物理特征的重要指標，以各種潛在形式影響水庫的多種水動力、理化和生物過程.在溫帶深水湖泊，生長季節(jié)的開端受熱分層條件的驅(qū)動，熱分層減緩了浮游生產(chǎn)者在表層所受的光限制并阻斷向更深水層的熱量損失［35］.除水溫外，光、DO、pH、氧化還原電位等理化條件也呈現(xiàn)垂向梯度，共同影響了大型深水水體的生態(tài)過程.浮游植物空間異質(zhì)性的主軸是在垂向上;浮游植物的垂向分布影響了初級生產(chǎn)和向更高營養(yǎng)等級的能量傳遞［36］.

春季藻類水華形成機制的相關(guān)核心理論是臨界深度理論(Critical Depth Theory)，該理論所關(guān)注的焦點是水柱垂直混合與臨界深度的關(guān)系以及由此引起的水柱光合作用產(chǎn)量與呼吸作用消耗的平衡［37］.理論上，這些關(guān)系在春季藻類水華生消過程大致有前、中、后三種基本模式［15］.隨著氣候變化的生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)問題日益突出，春季藻類水華由于對海洋和湖泊等水域生態(tài)系統(tǒng)具有深遠的影響，其對氣候條件的響應(yīng)在臨界深度理論的基礎(chǔ)上備受關(guān)注.包括水溫上升、溫分層出現(xiàn)和太陽輻射增加在內(nèi)的物理因素，均被視為深水水體春季藻類水華的主導(dǎo)因素，而這些因素恰恰與氣候因素的季節(jié)性變化有關(guān)［38］.

在海洋和深水湖泊(水庫)中，鞭毛藻的晝夜垂直遷移是普遍存在的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象.垂直遷移是水華鞭毛藻生存能力的體現(xiàn)，如:白天垂直向上遷移吸收更多的光進行光合作用，晚上向下垂直遷移吸收營養(yǎng).比起其它藻類，鞭毛藻的晝夜垂直遷移使其在水華過程中具有較強的競爭優(yōu)勢.倪氏擬多甲藻(Peridiniopsis niei)是三峽水庫支流庫灣甲藻水華的絕對優(yōu)勢種［39］.研究發(fā)現(xiàn)［40］，在沒有溫躍層的水域，該物種晝夜垂直遷移格局與絕大多數(shù)鞭毛藻相類似;而在溫躍層出現(xiàn)的水域，該物種夜間向下遷移受到了一定程度的限制，這與來自貧營養(yǎng)水體的鞭毛藻水華晝夜垂直遷移格局不一致.這意味著，在類似于香溪河庫灣這類富營養(yǎng)化水體，鞭毛藻可能不必越過溫躍層的障礙以吸收水體下層的營養(yǎng);只有當(dāng)水體上層營養(yǎng)出現(xiàn)匱乏時才需要越過障礙移到水體下層吸收營養(yǎng).

對單個樣點的逐日觀察研究發(fā)現(xiàn)［41］:在春季溫度的驅(qū)動下，以硅藻占絕對優(yōu)勢的藻類水華使得水體溶解性二氧化硅被大量消耗，水環(huán)境特征出現(xiàn)了5個階段的轉(zhuǎn)變，并且浮游植物群落出現(xiàn)了具有極為類似的轉(zhuǎn)變規(guī)律.在微囊藻占優(yōu)勢的夏季藍藻水華期間，微囊藻原位生長速率均值為0.14 d-1，營養(yǎng)因子、水溫、藻類葉綠素a等是顯著的影響因子，而磷更容易成為藻類生長的限制因素［42］.此外，這期間浮游植物在白天傾向于聚集分布，在夜間則傾向于均勻分布;分析表明，光輻射和相對水柱穩(wěn)定性對微囊藻水華期間浮游植物垂向分布模式具有重要影響，而風(fēng)速的影響不顯著［43］.研究進一步表明，所有輪蟲隨著浮游植物呈一種聚集分布，主要集中在表層(0.5～5.0 m)，尤其在水華暴發(fā)期［44-47］.從無水華期到水華期，輪蟲密度、輪蟲優(yōu)勢種、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef's多樣性指數(shù)均顯著升高，但輪蟲分布均勻度則顯著降低.NMDS排序?qū)⒎撬A期和水華期樣點顯著區(qū)分，這意味著硅藻水華的暴發(fā)對香溪河庫灣輪蟲群落有著顯著影響.此外，除了夏季的廣布多肢輪蟲表現(xiàn)出逆向的遷移外，其他輪蟲并未表現(xiàn)出晝夜垂直遷移，其原因可能是低豐富度的競爭者和捕食者以及高密度的表層食物資源所致［30，45］.

根據(jù)同步性理論進一步就香溪河庫灣2005年春季兩個樣點的同步觀測數(shù)據(jù)進行分析［48］，結(jié)果表明在溫度同步升高和溶解性二氧化硅被同步消耗的背景下，藻類水華特別是藻類群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了異步的轉(zhuǎn)變.而基于香溪河庫灣2006年春季15個樣點的同步觀測數(shù)據(jù)的格局分析發(fā)現(xiàn)［49］，該庫灣藻類水華動態(tài)存在異步分區(qū)格局;文中還構(gòu)建了環(huán)境異質(zhì)性系數(shù)與藻類葉綠素a異步性參數(shù)的關(guān)系，定量地解釋了藻類水華動態(tài)異步性的形成原因.上述研究從單個樣點水華的階段性到庫灣水華的異步性，以及從異步性現(xiàn)象到形成原因的定量解釋，較為系統(tǒng)地認識了香溪河庫灣春季藻類水華的動態(tài)規(guī)律，從而在一定程度上較好地厘清了“春季水華氣候驅(qū)動論”的爭議.

5 三峽水庫藻類水華預(yù)警與生態(tài)-水文調(diào)控

構(gòu)建藻類水華預(yù)警模型，對水華暴發(fā)進行提前預(yù)警，可為有關(guān)部門爭取時間采取有效措施，如水利調(diào)度、人工擾動等，控制或減緩水華的暴發(fā)，減輕對水生態(tài)系統(tǒng)的影響，也可避免因嚴重水華暴發(fā)而引起的水生態(tài)安全問題，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值.

基于氣象、水文、水質(zhì)等參數(shù)，利用反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Artificial Neural Network)構(gòu)建了三峽水庫香溪河庫灣藻類水華實時預(yù)測和提前7 d藻類動態(tài)預(yù)警模型［50］.通過校正，模型在實時和提前7 d的藻類動態(tài)預(yù)測中均取得較好的結(jié)果.其中在實時預(yù)測中(圖3a)，模型預(yù)測的葉綠素a動態(tài)與實際觀測值高度吻合(R2分別為0.85和0.89).從提前7 d預(yù)警的結(jié)果來看(圖3b)，模型預(yù)測的葉綠素a濃度也與實際觀測值較符合(R2分別為0.68 和0.66).

圖3 香溪河庫灣藻類水華期間葉綠素a濃度預(yù)測結(jié)果(a:實時，b:提前7 d)Fig.3 Comparison of predicted and observed chlorophyll-a concentrations in Xiangxi Bay during a spring phytoplankton bloom period(a:0-day-ahead，b:7-day-ahead)

監(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)三峽水庫水位以每天0.1～0.2 m速度下降時，對庫灣藻類葉綠素a濃度并無明顯的影響.為研究香溪河口水位變化對庫灣葉綠素a濃度的影響，在三峽實際庫水位過程線基礎(chǔ)上，設(shè)計庫水位以0.5 m/d速度快速下降方案，并假定上游興山水文站來流量、沿岸污染源及高嵐河匯流等因素均不變，取興山水文站至河口32 km為計算對象，建立富營養(yǎng)化模型研究香溪河庫灣葉綠素a濃度在新的庫水位降落過程中的分布.結(jié)果表明，隨著壩前水位的線性下降，香溪河沿程流速變大，河寬、斷面面積、水深等物理量也隨之變小，表明在庫水位下降過程中，庫灣河道特征逐漸加強，藻類生長速率下降，葉綠素a濃度也隨之下降.因此，水庫若能以較大幅度進行水位調(diào)節(jié)，可對水華發(fā)生起到抑制作用［51-53］.

對實際觀測數(shù)據(jù)的分析表明，水庫水位以0.3 m/d的速度變化或日內(nèi)0.5 m水位變化可以削弱葉綠素a頻率從而改善水華狀況［4］.此外，分析2005-2009年水環(huán)境因子、水動力條件與藻類水華的關(guān)系可知，水位平穩(wěn)期藻類水華較為嚴重，而水位較大幅度持續(xù)下降時香溪河庫灣絕大多數(shù)水域藻類水華將出現(xiàn)消退的現(xiàn)象.

研究庫灣浮游植物主要功能群與包括水位波動、光和營養(yǎng)等多種環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系結(jié)果表明［33］，雖然大部分功能群表現(xiàn)出與水體理化因子(如NO-3-N、水體混合深度等)有更強的相關(guān)關(guān)系，而與水位波動間直接的相關(guān)關(guān)系并不強，然而，水位波動與水體混合深度、相對水柱穩(wěn)定性之間以及許多理化因子之間都存在顯著相關(guān)關(guān)系.研究表明，水位波動通過影響水動力條件、各種水體理化因子，對浮游植物功能群產(chǎn)生直接或間接的影響［4，33］.

有研究表明［54］，三峽水庫所有支流庫灣均存在倒灌異重流現(xiàn)象，其潛入深度、厚度、運行距離等受水位及其變幅、流量等水文因素的顯著影響;干、支流水溫差是導(dǎo)致倒灌異重流發(fā)生的主要因素，泥沙是次要因素;分層異重流能增大支流表層水體水平流速，進而縮小支流庫灣的水體滯留時間，因此可能對庫區(qū)水環(huán)境變化具有一定影響;支流庫灣異重流具有一定的可調(diào)控性，即可采用先漲水后降水的方式控制.

值得指出的是，水動力條件的強弱不僅可以用流速，還可以用水體的紊動動能或垂向擴散系數(shù)來衡量.從這個意義上說，水體的局部振蕩及水體在立面上的循環(huán)都可以視為水動力條件良好的標記.從理論研究的角度來說，對庫灣水體進行二維及三維數(shù)值精細模擬，研究水體紊動動能或垂向擴散系數(shù)與藻類葉綠素a濃度的相關(guān)性，將是極有意義的工作［51-53，55］.

與此同時，要從水資源安全的戰(zhàn)略高度認識三峽水庫水環(huán)境保護，從流域?qū)哟伍_展水污染的綜合治理，從生態(tài)系統(tǒng)角度研究水污染防治的機理［56］，結(jié)合流域生態(tài)學(xué)［57-58］和流域水生態(tài)功能分區(qū)的理論、方法［59-61］，在三峽庫區(qū)氣候變化［62］背景下，科學(xué)布局，積極推進，從不同尺度上深入開展氣候/氣象-水文/水力-水環(huán)境/水生態(tài)間關(guān)系的研究，全面發(fā)揮三峽工程防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)等綜合效益.

6 小結(jié)與展望

有別于已有雄厚研究積累的湖泊生態(tài)系統(tǒng)，大型水庫的生態(tài)學(xué)研究在國際湖沼學(xué)領(lǐng)域一直不足，在我國尤為如此.特別是三峽水庫這樣的亞熱帶巨型復(fù)雜系統(tǒng)，與一般水庫相比，水域類型和水生生物更多樣，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、格局和過程更復(fù)雜，流域影響和人為干擾更復(fù)雜多樣.如前文所述，干流與庫灣之間水動力學(xué)的差異引起懸浮物、營養(yǎng)狀態(tài)和浮游生物等環(huán)境與生物組成具有高度的時空異質(zhì)性;由于受干流的干擾，庫灣底棲生物和浮游生物群落出現(xiàn)了更復(fù)雜的生態(tài)縱向分區(qū)，與一般水庫具有明顯的不同;庫灣水環(huán)境縱向格局的復(fù)雜性，同時使得以浮游生物垂直遷移與藻類水華動態(tài)為代表的重要生態(tài)學(xué)過程異常多樣.因此，就三峽水庫這類復(fù)雜的水生態(tài)系統(tǒng)而言，開展包括富營養(yǎng)化與藻類水華在內(nèi)的生態(tài)監(jiān)測、研究和預(yù)測的難度更大，水環(huán)境保護對策的制定和實施更加復(fù)雜.不過，也正因為這一生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，繼續(xù)對其開展長期的生態(tài)學(xué)監(jiān)測與研究，不僅能夠繼續(xù)服務(wù)于三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)管理的科學(xué)實踐，同時也有望在理論層面上拓展國際湖沼學(xué)的研究范疇.

就目前而言，水華暴發(fā)的動力學(xué)機制依然是包括三峽水庫在內(nèi)的水域生態(tài)與環(huán)境研究中重點和難點問題.藻類水華與水動力條件之間存在著非常強的相關(guān)關(guān)系，但是，水動力條件有諸多指標，包括流速、水位波動等.有關(guān)流速對藻類水華的影響大部分為定量研究，如對香溪河庫灣上游流速的模擬定量分析了其對葉綠素a濃度的影響;而水位波動的影響則大部分尚為定性描述或半定量分析，前述從浮游植物功能群動態(tài)角度分析水位波動的影響，為庫灣湖泊區(qū)水華暴發(fā)的動力學(xué)機制研究提供了基礎(chǔ).與此同時，已有研究給出了可引起藻類葉綠素a顯著下降的水位波動范圍，具有非常重要的科學(xué)價值和實踐意義.從藻類水華防控的角度來看，采取物理殺藻、人工捕撈或者化學(xué)控藻等方法，需耗費大量的人力、物力和財力，而采取水動力措施控藻是國際湖沼學(xué)研究的熱點方向，因此，結(jié)合水庫運行調(diào)度的“生態(tài)水文”調(diào)控措施以控制或減緩藻類水華暴發(fā)，可節(jié)約采取其它措施所需成本，并可避免可能帶來的二次污染，具有良好的環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益.結(jié)合野外實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，利用更易獲得的數(shù)據(jù)(如水文、氣象參數(shù)等)對水華暴發(fā)進行更短時間的準確預(yù)警，并與水庫“生態(tài)調(diào)度”平臺耦合，將是下一步研究的技術(shù)重點.

［1］蔡慶華，胡征宇.三峽水庫富營養(yǎng)化問題與對策研究.水生生物學(xué)報，2006，30(1):7-11.

［2］譚 路，蔡慶華，徐耀陽等.三峽水庫175 m水位試驗性蓄水后春季富營養(yǎng)化狀態(tài)調(diào)查及比較.濕地科學(xué)，2010，8(4):331-338.

［3］Wang L，Cai Q，Tan L et al.Phytoplankton development and ecological status during a cyanobacterial bloom in a tributary bay of the Three Gorges Reservoir，China.Science of the Total Environment，2011，409:3820-3828.

［4］王 嵐.三峽水庫香溪河庫灣浮游植物時空動態(tài)及藻類水華過程與模型研究［學(xué)位論文］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2011.

［5］王 嵐，蔡慶華，張 敏等.三峽水庫香溪河庫灣夏季藻類水華的時空動態(tài)及其影響因素.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(8):1940-1946.

［6］張 敏，蔡慶華，王 嵐等.三峽水庫香溪河庫灣藍藻水華生消過程初步研究.濕地科學(xué)，2009，7(3):230-236.

［7］李鳳清，葉 麟，劉瑞秋等.三峽水庫香溪河庫灣主要營養(yǎng)鹽的入庫動態(tài).生態(tài)學(xué)報，2008，28(5):2073-2079.

［8］張 敏，徐耀陽，邵美玲等.三峽水庫香溪河庫灣底泥中總氮、總磷含量的時空分布.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(11):2799-2805.

［9］徐耀陽，王 嵐，韓新芹等.三峽水庫香溪河庫灣春季水華期間懸浮物動態(tài).應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(4):963-969.

［10］Ye L，Han X，Xu Y et al.Spatial analysis for spring bloom and nutrient limitation in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir.Environmental Monitoring and Assessment，2007，127:135-145.

［11］Ye L，Cai Q.Spring phytoplankton blooms in Xiangxi Bay of Three-Gorges Reservoir:spatiotemporal dynamics across sharp nutrient gradients.Journal of Freshwater Ecology，2011，26(1):11-18.

［12］Baines S，Webster K，Kratz T et al.Synchronous behavior of temperature，calcium，and chlorophyll in lakes of northern Wisconsin.Ecology，2000，81(3):815-825.

［13］Lansac-T?ha F，Bini L，Velho L et al.Temporal coherence of zooplankton abundance in a tropical reservoir.Hydrobiologia，2008，614(1):387-399.

［14］Rusak J，Yan N，Somers K.Regional climatic drivers of synchronous zooplankton dynamics in north-temperate lakes.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，2008，65(5):878-889.

［15］徐耀陽.基于生態(tài)同步性概念的大型水庫富營養(yǎng)化與春季藻類水華研究——以三峽水庫為例［學(xué)位論文］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2010.

［16］Xu Y，Shao M，Cao M et al.Using temporal coherence to determine the responses of water clarity to hydrological processes in a giant subtropical canyon-shaped reservoir(China).Quaternary International，2010，226:151-159.

［17］Xu Y，Zhang M，Wang L et al.Changes in water types under the regulated mode of water level in Three Gorges Reservoir，China.Quaternary International，2011，244:272-279.

［18］Xu Y，Cai Q，Shao M et al.Seasonal dynamics of suspended solids in a giant subtropical reservoir(China)in relation to internal processes and hydrological features.Quaternary International，2009，208:138-144.

［19］Xu Y，Shao M，Han X et al.Temporal asynchrony of trophic status between mainsteam and tributary bay with a giant dendritic reservoir:the role of local-scale regulators.Water，Air and Soil Pollution，2011，219:271-284.

［20］Xu Y，Cai Q，Han X et al.Factors regulating trophic status in a large subtropical reservoir，China.Environmental Monitoring and Assessment，2010，169:237-248.

［21］Xu Y，Cai Q，Shao M et al.Patterns of asynchrony for phytoplankton fluctuations from reservoir mainstream to a tributary bay in a giant dendritic reservoir(Three Gorges Reservoir，China).Aquatic Science，2011(DOI:10.1007/s00027-011-0221-8).

［22］Stra?kraba M，Tundisi J.Guidelines of lake management(Volume 9):reservoir water quality management.International-Lake Environment Committee，1999.

［23］Wetzel RG.Limnology:Lakes and river ecosystems:3rd ed.California:Academic Press，2001.

［24］Shao M，Xu Y，Cai Q.Effects of reservoir mainstream on longitudinal zonation in reservoir bays.Journal of Freshwater E-cology，2010，25(1):107-117.

［25］鄭丙輝，張 遠，富 國等.三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標準研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26:1022-1030.

［26］Shao M，Xie Z，Han X et al.Macroinvertebrate community structure in Three-Gorges Reservoir，China.International Review of Hydrobiology，2008，93(2):175-187.

［27］Shao M，He L，Han X et al.Seasonal patterns of sedimentation and their associations with benthic communities in Xiangxi Bay of the Three Gorges Reservoir，China.Journal of Freshwater Ecology，2008，23(1):151-160.

［28］邵美玲.水庫群底棲動物生態(tài)學(xué)研究——以三峽水庫湖北段和香溪河流域為例［學(xué)位論文］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2008.

［29］Zhang M，Shao M，Xu Y et al.Effect of hydrological regime on macroinvertebrate community in Three-Gorges Reservoir，China.Quaternary International，2010，226:129-135.

［30］周淑嬋.香溪河水系浮游動物生態(tài)學(xué)研究［學(xué)位論文］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2007.

［31］Wang L，Cai Q，Zhang M et al.Longitudinal patterns of phytoplankton distribution in a tributary bay under reservoir operation.Quaternary International，2011，244:280-288.

［32］Zhou S，Huang X，Cai Q.Temporal and spatial distributions of rotifers in Xiangxi Bay of the Three Gorges Reservoir，China.International Review of Hydrobiology，2009，94(5):542-559.

［33］Wang L，Cai Q，Xu Y et al.Weekly dynamics of phytoplankton functional groups under high water level fluctuations in a subtropical reservoir-bay.Aquatic Ecology，2011，45(2):197-212.

［34］Wang L，Cai Q，Tan T et al.Longitudinal differences of phytoplankton community during a period of small water level fluctuations in a subtropical reservoir bay(Xiangxi Bay，Three Gorges Reservoir，China).International Review of Hydrobiology，2011，96(4):381-396.

［35］Berger SA，Diehl S，Stibor H et al.Water temperature and stratification depth independently shift cardinal events during plankton spring succession.Global Change Biology，2010，16:1954-1965.

［36］Mellard JP，Yoshiyama K，Litchman E et al.The vertical distribution of phytoplankton in stratified water columns.Journal of Theoretical Biology，2011，269:16-30.

［37］Platt T，Bird D，Sathyendranath S.Critical depth and marine primary production.Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences，1991，246:205-217.

［38］Sommer U，Lengfellner K.Climate change and the timing，magnitude，and composition of the phytoplankton spring bloom.Global Change Biology，2008，14:1199-1208.

［39］徐耀陽，蔡慶華，黎道豐等.香溪河庫灣擬多甲藻晝夜垂直分布初步研究.武漢植物學(xué)研究，2008，26(6):608-612.

［40］Xu Y，Cai Q，Wang L et al.Diel vertical migration of Peridiniopsis niei，Liu et al，a new species of dinoflagellates in an eutrophic bay of Three-Gorge Reservoir，China.Aquatic Ecology，2010，44(2):387-395.

［41］Xu Y，Cai Q，Ye L et al.Spring diatom blooming phases and their characters in a representative eutrophic bay of the Three-Gorge Reservoir，China.Journal of Freshwater Ecology，2009，24(2):191-198.

［42］Wang L，Cai Q，Zhang M et al.Studies on in situ growth rate and its influencing factors of Microcystis in Xiangxi Bay of the Three Gorges Reservoir，China.Fresenius Environmental Bulletin，2010，19(8):1576-1581.

［43］Wang L，Cai Q，Zhang M et al.Vertical distribution patterns of phytoplankton in summer Microcystis bloom period of Xiangxi Bay，Three Gorges Reservoir，China.Fresenius Environmental Bulletin，2011，20(3):553-560.

［44］Zhou S，Cai Q，Xu Y et al.Daily and vertical dynamic of rotifers under the impacts of diatom blooms in the Three Gorges Reservoir，China.Hydrobologia，2011，675:29-40.

［45］Zhou S，Huang X，Cai Q.Vertical distribution and migration of planktonic rotifers in Xiangxi Bay of the Three Gorges Reservoir，China.Journal of Freshwater Ecology，2007，22(3):441-449.

［46］孔令惠.三峽水庫香溪河庫灣浮游輪蟲群落動態(tài)及其與水環(huán)境關(guān)系［學(xué)位論文］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2010.

［47］孔令惠，蔡慶華，王 嵐等.香溪河庫灣春季水華期間浮游輪蟲晝夜垂直分布及遷移的研究.濕地科學(xué)，2008，6(4):512-517.

［48］Xu Y，Cai Q，Ye L et al.Asynchrony of spring phytoplankton response to temperature driver within a nutrient gradient bay of Three-Gorges Reservoir，China.Limnologica，2011，41:174-180.

［49］Xu Y，Wang L，Cai Q et al.Temporal coherence of chlorophyll a during a spring phytoplankton bloom in Xiangxi Bay of Three-Gorges Reservoir，China.International Review of Hydrobiology，2009，94(6):656-672.

［50］Ye L，Cai Q.Forecasting daily chlorophyll a concentration during the spring phytoplankton bloom period in Xiangxi Bay of the Three-Gorges Reservoir by means of a recurrent artificial neural network.Journal of Freshwater Ecology，2009，24(4):609-617.

［51］王玲玲，戴會超，蔡慶華.香溪河水動力因子與葉綠素a分布的數(shù)值預(yù)測及相關(guān)性研究.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，17(5):652-658.

［52］王玲玲，戴會超，蔡慶華.香溪河生態(tài)調(diào)度方案的數(shù)值模擬.華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，37(4):111-114.

［53］王玲玲，戴會超，蔡慶華.河道型水庫支流庫灣富營養(yǎng)化數(shù)值模擬研究.四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版，2009，41(2):18-23.

［54］紀道斌.三峽水庫典型支流分層異重流特性及其水環(huán)境效應(yīng)［學(xué)位論文］.武漢:武漢大學(xué)，2011.

［55］余真真，王玲玲，戴會超等.水溫分層對水體中懸浮顆粒物垂向輸運影響的研究.四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版，2011，43(1):64-69.

［56］蔡慶華.中國水污染綜合治理的生態(tài)學(xué)思考.環(huán)境保護，2007，(7):46-48.

［57］Cai Q，Chen Y，King L.Why Watershed Ecology?A new approach for research and protection of aquatic ecosystems.In:King L，Metzler M，Jiang T eds.Flood risks and land use conflicts in the Yangtze Catchment，China and at the Rhein River，Germany-Strategies for a sustainable flood management.Frankfurt:Peter Lang，Europaeischer Verlag der Wissenschaften，2011:21-42.

［58］蔡慶華，吳 剛，劉建康.流域生態(tài)學(xué):水生態(tài)系統(tǒng)多樣性研究和保護的一個新途徑.科技導(dǎo)報，1997，(5):24-26.

［59］孟 偉，張 遠，鄭丙輝.水生態(tài)區(qū)劃方法及其在中國的應(yīng)用前景.水科學(xué)進展，2007，18(2):293-300.

［60］孟 偉，張 遠，鄭丙輝.遼河流域水生態(tài)分區(qū).環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27(6):911-918.

［61］唐 濤，蔡慶華.水生態(tài)功能分區(qū)中的幾個基本問題.生態(tài)學(xué)報，2010，30(22):6255-6263.

［62］蔡慶華，劉 敏，何永坤等.長江三峽庫區(qū)氣候變化影響評估報告.北京:氣象出版社，2010.

Water environment and aquatic ecosystem of Three Gorges Reservoir，China:progress and prospects

CAI Qinghua1＆ SUN Zhiyu1，2
(1:State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，P.R.China)
(2:Department of S ＆T and Environment Protection，China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，P.R.China)

As the final completion of the world-famous Three Gorges Project，the Three Gorges Reservoir(TGR)came into a normal operation stage since the year 2010，with an annual water level fluctuation of 30 m.Reservoir limnology can provide a scientific basis for environment-friendly dam construction and reservoir sustainable management.On the basis of long-term monitoring and investigation on the TGR ecosystem for 8a，this paper described the current status of aquatic environment in the reservoir，and elaborated the spatial-temporal heterogeneity of water environmental dynamics，longitudinal zonation and biological community structure，vertical distribution，and forming and tendency of algal bloom of the TGR.The early warning of algal bloom and eco-hydrological regulation mechanism were also analyzed.Two perspectives of ecological research on TGR were finally pointed out in the paper:1)Limnological observation and research in the large reservoir should have a long-term strategy;2)Research in near future should focus on the quantification of hydrodynamics mechanism on algal bloom，and the coupling of early warning models of algal bloom and eco-hydraulic regulation platform.

Reservoir limnology;spatial-temporal heterogeneity;long-term observation;phytoplankton blooms;hydrodynamic mechanism;forecasting model;eco-hydraulic regulation;Three Gorges Reservoir

* 國家自然科學(xué)基金項目(40671197)、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-YW-427)、國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07528-003-04-01)和國家重點實驗室專項經(jīng)費項目(Y15B021F01)聯(lián)合資助.2011-12-07 收稿;2011-12-13 收修改稿.蔡慶華，男，1964 年生，博士，研究員;E-mail:qhcai@ihb.ac.cn.