楊正健，楊 林，俞 焰，劉德富,

(1．湖北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430068；2．河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068；3. 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

水庫蓄水較大程度地改變了原有河流生境條件，河流連續(xù)性遭到破壞，原河流生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)樗畮焐鷳B(tài)系統(tǒng)，并可能伴生系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。以三峽水庫為例，干流斷面平均流速由蓄水前的1～2 m/s下降到0.1～0.5 m/s，支流流速由蓄水前的1～3 m/s下降到0.01～0.05 m/s[2]。三峽水庫支流的水動力學(xué)改變，導(dǎo)致了支流出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化及藻類水華問題，水華藻種也由河流型的硅、甲藻向湖泊型的有毒藍、綠藻演替[3]，已成為三峽水庫最嚴重的環(huán)境問題[4]。

三峽水庫支流水華被認為是蓄水導(dǎo)致的水流減緩[5]，而三峽水庫干流營養(yǎng)鹽、溫度和光照條件雖滿足藻類水華暴發(fā)的基本條件，但因流速相對較大而未暴發(fā)藻類水華[6]，但究竟是何種水動力條件抑制了藻類水華發(fā)生，干流是否存在水華風(fēng)險，目前尚未完全明確。本文將系統(tǒng)分析三峽水庫蓄水后干流水溫變化規(guī)律，從水溫分層的角度來判定干流水體類型，并由此討論三峽水庫干流水華風(fēng)險，以期為三峽水庫后期生態(tài)環(huán)境保護和運行管理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點設(shè)置

為系統(tǒng)分析三峽水庫干流水體特征，根據(jù)三峽水庫干流地形條件、水位情勢，自三峽水庫壩前至庫尾江津每個城市水域(約每隔40 km)中泓線上設(shè)置一點進行原位監(jiān)測，依次記為：MP(茅坪)、GJB(郭家壩)、BD(巴東)、WS(巫山)、FJ(奉節(jié))、LD(龍洞鄉(xiāng))、YY(云陽)、WZ(萬州)、SBZ(石寶寨)、ZX(忠縣)、FD(豐都)、FL(涪陵)、CS(長壽)、CQ(重慶)、JJ(江津)等15個點。當(dāng)三峽水位在145 m運行時，采樣區(qū)間為茅坪-豐都；當(dāng)三峽水位在156 m運行時，采樣區(qū)間為茅坪-長壽；當(dāng)三峽水位在175 m運行時，采樣區(qū)間為茅坪-江津。各采樣點所在三峽水庫位置示意圖見圖1所示。

圖1 三峽水庫干流采樣點布設(shè)位置示意圖Fig.1 Sampling Sites in the mainstream of the TGR

1.2 監(jiān)測指標(biāo)及頻率

根據(jù)前期研究經(jīng)驗，結(jié)合三峽水庫運行過程情況， 對三峽水庫干流設(shè)置的MP-JJ共15采樣點進行監(jiān)測(圖1)。監(jiān)測指標(biāo)包括：氣溫、水溫、濁度、含沙量、水下光合有效輻射強度(PAR)、透明度、水流流速、流向、葉綠素a濃度等指標(biāo)。其中MP-JJ全干流監(jiān)測頻率為1次/季度，選取GJB作為長江干流近壩段水體加密持續(xù)觀測點，觀測頻率為1次/周。

1.3 分析測試方法

流速、流向采用Vector三維點式流速儀(挪威)現(xiàn)場測定[7]；水溫、濁度、溶解氧、水深等參數(shù)由Hydrolab DS5多參儀(美國)現(xiàn)場測定；光合有效輻射強度(PAR)由LI1400水下光量子儀測定；透明度用塞氏盤法現(xiàn)場直接測量；濕度、氣溫由溫濕度計測定；壩前水位及流量從中國長江三峽集團公司獲取?，F(xiàn)場分層取水樣帶回實驗室，根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[8]測定水中葉綠素a濃度；同時在采樣點取表層水10 L 帶回實驗室靜置48 h, 采用稱重法測量水體中的含沙量[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

(1) 水體穩(wěn)定性。水體浮力頻率平方值作為水體穩(wěn)定性評價指標(biāo)[10,11]，計算公式如下。

N2=(g/ρ)·(dρ/dz)

(1)

式中：g是指重力加速度，取8.809 2597 m/s2；N2為水體浮力頻率平方值，s-2；ρ是水體綜合密度；z是指水深，以水體表面作為起始面，沿水深向下作為正方向。

以三峽水庫干流3月出現(xiàn)弱水溫分層時對應(yīng)的浮力頻率平方值作為分層水體與過渡水體的判定閥值，對應(yīng)下降一個數(shù)量級為過渡水體與分層水體的判定閥值，即當(dāng)N2<5×10-5s-2時，判定水體為混合水體，當(dāng)N2>5×-4s-2時，判定水體為穩(wěn)定分層水體，當(dāng)5×10-5s-2

(2)水體滯留時間。水體滯留時間是另一個反映水流與水質(zhì)之間關(guān)系的重要參數(shù)[13]。計算公式如下。

Tr=V/Q

(2)

式中：Tr為水體滯留時間；V為水庫庫容；Q為入庫總流量。

(3)混合層、真光層?；旌蠈?Zmix)根據(jù)Montégut[14]提出的計算方法得到，按與表層水溫首次相差0.5 ℃水溫對應(yīng)的水深計算。真光層(Zeu)根據(jù)按照Beer-Lambert原理，取表層PAR的1%的PAR對應(yīng)水深以上區(qū)域[15,16]，計算公式即為：

Zeu=(1/Kd)·ln(100/1)

(3)

式中：Kd為水下光衰減系數(shù)，m-1，根據(jù)Beer-Lambert原理計算得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 干流水溫季節(jié)變化規(guī)律

以干流郭家壩(GJB)采樣點作為干流水溫時間變化分析點，監(jiān)測得到的干流表、底水溫隨時間變化規(guī)律如圖2所示，其中圖2(a)為表底溫差變化圖，圖2(b)為表、底水溫變化圖。從圖2(b)可以看出，三峽水庫干流水溫在一年內(nèi)變化呈現(xiàn)顯著的周期性，均在每年2月底達到年內(nèi)最低值，一般在12 ℃以下，其中2008年是這5年中最低的，表層水溫接近10℃；每年3月以后，水溫逐漸回升，在8月底達到每年的最高水溫，整體在27 ℃左右，2009年最高水溫不到26 ℃，在這幾年中是最低的；每年9月以后干流表層水溫開始下降，直至次年2月底又降至最低值。底層水溫隨時間的變化規(guī)律基本與表層水溫基本一致，每年底層的最低溫度略低于表層水溫，出現(xiàn)時間與表層水溫略顯滯后；底層最高溫度與表層最高溫度基本一致。

整體來看，干流表底溫差并不顯著，最大表底溫差出現(xiàn)在2008年，但不超過3.0 ℃，如圖2(a)所示。但是，每年表底溫差的月際變化差異也還比較明顯，以2008年為例來說，在3-5月是表底溫差集中相對較大的季節(jié)，3月初溫差達到最大，為2.7 ℃；但在6-10月表底溫差不足0.5 ℃，11月至2009年3月，表底溫差幾乎為0，還出現(xiàn)了略微的逆溫。除2009年汛后蓄水期出現(xiàn)了相對較大的表底溫差外，其他年份整體變化趨勢與2008年類似。這與部分數(shù)值模擬預(yù)測三峽水庫存在8～9 ℃表底溫差存在一定的差異[17]，可能是因模擬過程中沒有考慮水庫泥沙沉降導(dǎo)致的水體垂向能量交換所致，需要進一步研究。

圖2 長江干流GJB表、底水溫隨時間變化規(guī)律圖Fig.2 Temporal changes of water temperature in surface and bottom water layer in GJB

2.2 干流水溫垂向變化規(guī)律

長江GJB水溫垂向分布規(guī)律見圖3所示，還是以2008年為例來進行分析。從圖3(a)可知，2008年長江干流水溫垂向分布的最大特點是整個剖面水溫幾乎是隨表層水溫的變化而整體推移變化，除3月及5月在10 m水深以內(nèi)有較弱的水溫梯度以外，其他幾月幾乎沒有水溫垂向梯度。其中水溫最大值出現(xiàn)在8月，接近27.0 ℃，水溫最低溫出現(xiàn)在3月10 m水深以下，接近8.0 ℃；4月與1月水溫相近，在13.5 ℃左右。就水溫分層而言，3月水溫出現(xiàn)了分層趨勢，但分層并不顯著，溫差不超過3.0 ℃；5月次之，其他月份無分層。2009-2012年水溫剖面分布整體趨勢與2008年大體一致，但2009年5月和2012年1月在干流底層范圍出現(xiàn)了溫度突變，這可能與后文分析的香溪河底部低溫出流有關(guān)；2011年水溫分層出現(xiàn)在4月，與其他年份略有差異。

整個水庫干流水溫的縱剖面分布規(guī)律見圖4所示。從圖4中可以看出，長江干流水溫垂向均無顯著的水溫分層，但在2010年4月水溫垂向分布略有分層，說明此時段水體混合程度較其他時段要略弱一些，這與圖2的分析結(jié)果一致。關(guān)于縱向水溫差異問題，可能主要是因監(jiān)測的滯后效應(yīng)導(dǎo)致的，因為每次監(jiān)測都是自壩前至重慶依次監(jiān)測，時間持續(xù)約20 d，而每年3-8月為升溫過程，8月-次年3月降溫過程，故出現(xiàn)了如圖3所示的縱向上水溫顯著差異。

2.3 干流水體滯留時間變化規(guī)律

三峽水庫干流(GJB)水體滯留時間年度變化規(guī)律見圖5所示。從圖5中可以看出，干流水體滯留時間年內(nèi)變化非常顯著，一般在入庫流量較高的汛期，水體滯留時間均在20 d以下，7-8月更是低于10 d；但在每年的11月-次年的5月，水體滯留時間均大于30 d，這與入庫流量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系。三峽水庫干流水體滯留時間95%以上均小于90 d，這說明三峽水庫干流屬于混合水體，不易出現(xiàn)水庫水溫分層，圖2～圖3的監(jiān)測結(jié)果也驗證了此處的推論。

2.4 干流水體穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律

以水體混合層深度和水體穩(wěn)定系數(shù)作為參數(shù)來分析三峽水庫干流水體分層特征，詳見圖6所示。其中混合層深度以與表層相差0.5 ℃處水深為標(biāo)準(zhǔn)，水體穩(wěn)定系數(shù)以“浮力頻率(N2)”表示；圖中部分水深小于40 m是因為監(jiān)測時因大風(fēng)而未將多參數(shù)儀放到庫底所致。

從圖6中可以看出，三峽水庫混合層深度除在每年3-55月的極少數(shù)時間小于20.0 m以外，其他時間內(nèi)均與干流水深相等，即說明三峽水庫只在少數(shù)時間內(nèi)出現(xiàn)水體分層，而其他時段均屬于完全混合水體，這與上文分析結(jié)論一致。就水體穩(wěn)定系數(shù)而言，只有在混合層低于10.0 m時浮力頻率才大于5×10-5s-2，98%以上時間的浮力頻率均小于5×10-5s-2，若按照50×10-5s-2作為分層水體判定標(biāo)準(zhǔn)，則三峽水庫干流屬于混合型水體，在極個別時段內(nèi)處于過渡型水體狀態(tài)。

圖3 長江干流GJB水溫垂向分布規(guī)律圖Fig.3 Profile distributions of water temperature in GJB from 2008 to 2012

圖4 水庫干流不同時期內(nèi)水溫縱向剖面分布圖Fig.4 Profile distributions of water temperature in different seasons from Maoping to Chongqing

圖5 三峽水庫干流水體滯留時間年際變化圖Fig.5 Temporal changes of water residence time in the TGR from 2008 to 2012

3 討 論

3.1 三峽水庫干流水體類型分析

一般來說，水體分層是水庫由河道型水體轉(zhuǎn)化為湖泊型水體的典型表征，也是反映水庫生態(tài)系統(tǒng)演變的關(guān)鍵參數(shù)[18]，諸多水庫生態(tài)環(huán)境問題都與水體分層有關(guān)[1]，因此，如何判定水體是否屬于分層水體成為界定水庫水體類型的關(guān)鍵。在我國，經(jīng)常判定水庫是否發(fā)生分層的參數(shù)主要包括水體滯留時間[19]以及α判定值[20]。滯留時間反映了水庫水體更新特征及水體可能分層情況，滯留時間越長，水庫水體更新越慢，水庫水溫分層風(fēng)險越大；反之水庫更新越快，水庫不易出現(xiàn)水體分層；α值越大，水體處于混合狀態(tài)，α值越小，水體越易出現(xiàn)分層。

本文采用水體浮力頻率[10]并與水體滯留時間、α判定值等參數(shù)對照來分析三峽水庫干流水體類型，其經(jīng)驗判定閾值范圍如表1所示。根據(jù)水體類型的判定分類，將水庫水體分為河流型、過渡型和湖泊型等3種類型，其中河流型水庫中水體處于完全混合狀態(tài)，不存在水溫分層，水體浮游植物生長受到限制，不會暴發(fā)藻類水華；湖泊型水體則會出現(xiàn)經(jīng)典的水溫分層，水體呈現(xiàn)典型的富營養(yǎng)化分級狀態(tài)，如果營養(yǎng)鹽充分，浮游植物將迅速繁殖導(dǎo)致水華暴發(fā)風(fēng)險較大；過渡型水體居于二者之間，間歇式水溫分層和階段性水流增大對浮游植物產(chǎn)生綜合影響。

計算所得三峽水庫干支流水體類型判定指標(biāo)在不同季節(jié)的變化值如表2所示，從表中可以看出，不同判定指標(biāo)實際計算值得到的三峽水庫干流水體類型具有一定的差異。從三峽水庫干流實際監(jiān)測水溫分層狀態(tài)來看，在春季，三峽水庫干流泥沙含量較低，水體在3月和8月出現(xiàn)弱分層現(xiàn)象，屬于過渡型水體，其他時段不分層，屬于河流型水體，浮力頻率分類結(jié)果與實際情況吻合較好。而水體滯留時間和α判定值都不能反映出秋、冬季三峽水庫溫度遞減導(dǎo)致的水體垂向混合狀態(tài)，評估得到三峽水庫在秋冬屬于過渡水體的結(jié)果與實際情況有一定差異。因此，滯留時間和α判定值不能反映三峽水庫干流冬季的水體類型。整體來看，3個判定指標(biāo)的判定都表明三峽水庫屬于河流型-過渡型水體，由此可判定，在目前入庫條件不發(fā)生較大變化的情況下，三峽水庫干流水體不會出現(xiàn)明顯的水溫分層，浮游植物生長受到水流的限制，不會發(fā)生顯著的藻類水華。

表1 水庫水體類型判定參數(shù)對比分析表Tab.1 Comparative analysis of the paramaters to determine the water body type

表2 三峽水庫干流水體類型判定指標(biāo)實際值Tab.2 Monitoring value of the water body type determined paramaters in mainstream of the TGR

3.2 三峽水庫干流水華風(fēng)險分析

三峽水庫建成以后，干流斷面平均流速下降至0.4 m/s以下水平，壩前深水區(qū)斷面平均流速更是接近或低于0.1 m/s[21,22]。流速的減緩、水深的加深一方面導(dǎo)致干流泥沙迅速沉降，水體透光性增大，另一方面則容易導(dǎo)致水庫垂向溫度分層，垂向交換能力減弱[23]。因三峽水庫干流氮、磷營養(yǎng)鹽分別長期高于0.1和0.05 mg/L，本身已超過了國際公認的水體富營養(yǎng)化閾值[24]。因此，只要三峽水庫的水動力滿足水華發(fā)生條件，則有可能暴發(fā)藻類水華。就水華機理而言，水華藻類只有在2.4～2.7倍透明度的真光層內(nèi)才能接收有效光照進行光合作用并繁殖，在真光層以下水體中則衰亡[25]，而藻類密度與水體密度差別不大，基本隨水體的運動而運動。因此，水體的垂向摻混深度直接決定于藻類停留在真光層內(nèi)的概率。根據(jù)臨界層理論(Critical depth theory)[26,27]，在營養(yǎng)鹽充分的環(huán)境下，決定水華藻類在水體中增殖風(fēng)險的影響因數(shù)是光補償深度(Compensation Depth，Zc)、混合層(Mixing depth，Zm)、臨界層(Critical depth，Zcr)之間的相互關(guān)系，即，當(dāng)Zm≤Zc時，藻類始終停留在最佳光照環(huán)境中，藻類增殖最快，水華風(fēng)險最大；當(dāng)Zc

三峽水庫干流水體的水華情勢及相關(guān)因子分析如圖7所示，從圖7中可以看出，在2008年3月和2009年3月長江干流GJB樣點葉綠素a濃度有超過10 μg/L的情況，尤其2008年3月16日葉綠素a濃度接近10 μg/L，已達到水體富營養(yǎng)化的葉綠素a濃度界定值[21]。此時水體混合層深度約為5 m，小于臨界層深度9 m，在其他時期，水體混合層深度都遠大于臨界層深度，故葉綠素a濃度均低于10 μg/L，這種現(xiàn)象與上述臨界層理論的推斷非常一致。就干流水體混合層影響因素來看，在2-3月上游來流量較小的情況下出現(xiàn)了水體分層，在其他流量相對較大的時期水體均處于混合狀態(tài)，因此，三峽水庫干流水體分層取決于上游入庫來流情況。而對于干流臨界層深度，則與干流水體泥沙含量呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，即在泥沙含量相對較大的5-9月，臨界層幾近為0，但在泥沙含量相對較小的10至次年4月，臨界層均在10 m左右[圖7(b)]。因此，就三峽水庫干流水體類型來看，目前干流只在3月處于過渡狀態(tài)，具有一定的水華風(fēng)險；其他時段均屬于混合水體，藻類水華風(fēng)險很小，不會暴發(fā)藻類水華。

圖7 三峽水庫干流水華暴發(fā)風(fēng)險及其影響因素Fig.7 Risk of algal bloom and its effected factors in mainstream of the TGR

4 結(jié) 語

三峽水庫干流水體受上游季節(jié)性入庫流量和泥沙影響，除在3月會因流量減少而呈弱分層以外，其他時段干流均屬于混合水體，且采用浮力頻率參數(shù)更適合于評價三峽水庫這種河道型水庫干流水體類型。根據(jù)臨界層理論，目前三峽水庫干流在3月有較小的水華風(fēng)險，其他月份因混合層大于臨界層而不會發(fā)生藻類水華。

但隨著三峽水庫上游流域水土保持工作開始發(fā)揮作用，加之上游梯級水庫的建成運營，三峽水庫上游泥沙入庫總量必然會繼續(xù)減少，入庫規(guī)律也將發(fā)生顯著改變，這將使干流臨界層深度增大并發(fā)生季節(jié)性變化。另外，上游梯級水庫對三峽水庫入庫水量和水溫的影響也可能加速干流水體分層。如果這兩種影響出現(xiàn)在同一時期，則可能增大三峽水庫干流的水華風(fēng)險。因此，有必要繼續(xù)關(guān)注三峽水庫干流受上游梯級水庫群影響后的水華風(fēng)險。

□

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