齊德軒，馬 巍，黨承華，宋婷婷，孫 磊

（1.中國水利水電科學研究院 水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038；2.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038）

1 研究背景

受陸域營養(yǎng)鹽輸入、庫灣水體流動性變差和庫區(qū)經濟社會活動加劇等因素影響，三峽建庫后各支流庫灣水體富營養(yǎng)化問題突出［1］。早在三峽水庫蓄水前就有不少學者提出建庫后會出現水體富營養(yǎng)化問題［2-4］，自2003年首次蓄水以來，半年后部分支流庫灣就出現了藻類水華現象，并整體上由蓄水前的貧-中營養(yǎng)水平逐步轉變?yōu)橹?富營養(yǎng)狀態(tài)［5-6］。三峽水庫進入常態(tài)調度運行后，支流庫灣水體富營養(yǎng)化問題日益突出。國內外學者針對該問題開展了大量研究，但隨著三峽庫區(qū)流域水污染綜合防治工作的有序推進，工業(yè)點源污染已得到有效控制，面源治理也初見成效，支流庫灣的營養(yǎng)鹽來源及其組成已發(fā)生較大變化。因此，本文以典型支流為代表，結合長江干流及支流庫灣的水文水質監(jiān)測數據，以構建的支流庫灣三維水動力和水體富營養(yǎng)化模型為技術手段，定量解析典型支流庫灣不同特征斷面的營養(yǎng)鹽收支情況及其來源組成，識別驅動支流庫灣水體富營養(yǎng)狀態(tài)變化的關鍵環(huán)境因子，并有針對性地提出減輕支流庫灣水體富營養(yǎng)化程度的調控措施，為三峽水庫支流庫灣水體富營養(yǎng)化綜合治理提供技術支撐。

2 典型支流庫灣識別與篩選

三峽水庫回水長度超過600 km，庫區(qū)內水系發(fā)達，支流眾多，不同支流庫灣的幾何形態(tài)和流域環(huán)境特征也不盡相同。綜合庫區(qū)內27條主要支流的位置、上游來水流量、回水長度、消落帶面積占比及近年來水華發(fā)生情況等因素，選定奉節(jié)縣梅溪河作為典型支流（位置見圖1）。

圖1 三峽庫區(qū)一級支流—梅溪河位置示意圖

梅溪河發(fā)源于重慶市巫山縣塘坊鄉(xiāng)，于重慶市奉節(jié)縣城永安鎮(zhèn)東匯入長江，河長約117 km，在統(tǒng)計的主要支流（平均河長66.9 km）中排名第5；流域面積1932 km2，多年平均流量40.9 m3/s，入庫支流（年均流量均值為25.0 m3/s）排名第7；梅溪河支流庫灣消落帶面積為592 hm2，占最大水面面積的比例為41.1%，比主要支流平均消落帶面積占比（48.8%）略低。同時根據長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報數據［7］，梅溪河支流庫灣在2008—2016年期間連續(xù)9年都有水華現象發(fā)生，是所有支流中水華發(fā)生頻率最高的，因此選定梅溪河作為典型支流，開展支流庫灣富營養(yǎng)化水體特征參數監(jiān)測與水環(huán)境演化研究，能夠代表三峽水庫易發(fā)生富營養(yǎng)化支流庫灣的水生態(tài)環(huán)境特點，其源解析成果在三峽庫區(qū)水質污染相對較重的支流庫灣具有較好的代表性，基于源解析成果提出的富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)鹽調控措施也具有重要的指導意義。

3 數據來源與研究方法

3.1數據來源長江干流流量與水位數據來源于中國長江三峽集團公司公布的奉節(jié)站逐日數據，梅溪河流域氣象條件采用奉節(jié)縣氣象站實測數據，梅溪河流域無水文站，其水文資料則根據下墊面條件類似且高程差異較小的毗鄰的大寧河流域巫溪水文站的實測流量過程，采用流域面積倍比縮放推求得到支流庫灣的逐日來流過程；長江干流（梅溪河口）入流水溫和梅溪河上游入庫水溫過程采用逐月實測數據，長江干流、梅溪河庫灣各控制斷面（其中庫尾斷面為145 m末端，位置示意見圖2）及支流上游入庫水質資料采用175 m回水末端上游控制斷面各月實測的水質數據，每月中間時間采用線性插值。

圖2 三峽庫區(qū)梅溪河支流庫灣水質監(jiān)測站點布置示意圖

3.2研究方法三峽水庫梅溪河庫灣的水動力條件呈現典型的三維特征［8-11］，一方面在垂向剖面上干流倒灌和支流流出同時存在；另一方面，在干-支流交匯斷面左、右岸流場還呈現明顯的進出流差異，因此，為科學量化梅溪河庫灣不同特征斷面的營養(yǎng)鹽收支情況，采用海洋環(huán)境研究與預報模型（Marine Environment Research and Forecasting Model，MERF）［12-13］構建了梅溪河支流庫灣三維水動力、水生態(tài)與水體富營養(yǎng)化數學模型，以解析梅溪河庫灣水文水動力的變化過程及其與長江干流間的水動力交互變化，并在此基礎上通過數值實驗方法診斷其水動力過程的控制機制。MERF模型是開源水動力模型，水平方向采用Cartesian坐標，垂直方向采用sigma坐標，使得淺水區(qū)獲得與深水區(qū)相同的垂向分辨率，且能充分反映出入流，降水和蒸發(fā)，表、底熱交換，風、浪效應，科氏力（Coriolis）效應，正壓、斜壓效應等影響，適合深大型湖庫水動力模擬。

梅溪河庫灣生態(tài)動力學模型中，不僅考慮了水體中浮游植物的物理、化學變化過程，還考慮了外源性營養(yǎng)鹽輸入及內源循環(huán)對浮游植物的影響［13］。水動力模擬提供動力學的背景場，現場同步觀測為模型提供外源強迫，以上兩部分驅動生態(tài)動力學模型進行數值模擬。支流庫灣水生態(tài)模型是在分析支流庫灣水環(huán)境、水生態(tài)的基礎上建立的，其概念模式如圖3所示，其中P為浮游植物，DET為碎屑。水中的浮游植物通過呼吸作用攝取外源輸入的NH4、NO3、PO4和Si等營養(yǎng)鹽，通過光合作用產生溶解氧，溶解氧一部分促進硝化作用，另一部分會水解回到水體中。浮游植物排泄和死亡后會產生碎屑，碎屑經過沉降再懸浮，會重新以營養(yǎng)鹽的形式輸入水體，在水中不斷形成氮、磷、硅的循環(huán)。

圖3 梅溪河庫灣水體富營養(yǎng)模型生態(tài)模式概念圖

3.3模型構建及參數率定與校驗梅溪河支流庫灣長約19.6 km，其地形見圖2所示，支流及其毗鄰干流水平方向采用Cartesian坐標，分辨率50 m×50 m，垂直方向采用Sigma坐標分10層，空間離散后總計27 440個計算網格。長江干流上游和支流上游采用流量邊界，長江下游采用水位邊界條件，長江和支流入庫水溫、水質采用各月實測數據并采用線性插值獲取逐日過程。利用2014年和2017年實測數據對梅溪河庫灣水動力、水生態(tài)與水體富營養(yǎng)化模型進行參數率定與模型驗證，其中2014年數據用于模型參數率定，2017年數據用于模型校驗。水動力模擬變量為流場、流速、水位、水深、溫度等，模型校準參數是水位和水溫。2017年梅溪河庫灣庫中斷面（MX02）的逐月（以1、4、7、10月代表）流速及年內表底層水溫變化模擬結果分別見圖4和圖5。梅溪河庫灣各典型特征斷面（河口、庫中、庫尾）的葉綠素、磷酸鹽、TN的年內變化過程與模型模擬值對比結果見圖6所示。

圖4 梅溪河庫灣庫中斷面流速垂向剖面驗證圖

在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，幾乎所有的生物化學過程都與水溫有密切關系。由于干、支流存在溫度差，加上太陽輻射的熱交換作用，將影響支流庫灣中的水溫分布，進而影響庫灣水質的時空變化過程。從庫灣特征典型斷面的水溫模擬結果（見圖5）顯示，梅溪河庫灣庫中斷面模擬的表、底層水溫變化過程都與觀測值有良好擬合，水動力學模型可為生態(tài)動力學模擬提供可靠的背景動力場；從對河口、庫中和庫尾三個斷面的葉綠素、磷酸鹽、TN的年內變化過程模擬效果（見圖6）看，梅溪河支流庫灣生態(tài)動力學模型是可靠有效的，能為干-支流交互影響和支流來流共同作用下的梅溪河庫灣水環(huán)境演化模擬及典型特征斷面的營養(yǎng)鹽收支分析提供可靠的技術手段。

圖5 梅溪河庫中斷面溫度模擬結果

圖6 葉綠素、磷酸鹽、TN模擬結果驗證

4 支流庫灣營養(yǎng)鹽來源及其結構特征

4.1梅溪河庫灣水流特性及其時空變異特征汛前消落期間，三峽庫區(qū)干流水體從表層倒灌進入支流庫灣，庫灣內水體從底層匯入長江干流，底層流速略高，庫灣尾部和庫中流速差別較小；汛期梅溪河庫灣的水動力特征表現為干流水體從河口中層倒灌進入支流，庫灣內水體從表、底層流入干流，庫尾由于水深小，因此流速較大，庫灣中游流速較慢，河口位置受干流影響流速相對較大；汛后蓄水期干-支流水體交互特征為表層進、底層出，而且河口位置流速比支流庫灣中游和上游明顯增大；枯水運行期干-支流水體交互特征為表層進、底層出，梅溪河庫灣流速整體表現為河口較大，庫灣中部流速相對較小。

三峽水庫梅溪河庫灣水動力過程存在明顯的時空變化特點［15-16］，具體體現為支流庫灣不同位置（河口、中部、庫尾）和同一位置垂向剖線上流速的時空變異?？傮w上看，梅溪河河口在全年內表、底層流速相反（見圖7），由此說明梅溪河庫灣與長江干流間存在頻繁的水量交換。梅溪河河口在汛后蓄水期流速相對較大，而在汛前消落期、汛期和枯水運用期流速相對較小，平均流速介于-2.9 cm/s～2.8 cm/s之間［17-19］。

圖7 三峽水庫不同運行期梅溪河河口流速縱剖面（單位：cm/s）

4.2長江-梅溪河水量交換及其時空變異特征基于水動力學數值模擬成果，2017年梅溪河庫灣在河口、庫中和庫尾斷面的年均水交換量分別為210.15 m3/s、83.60 m3/s和77.21 m3/s，不同特征斷面年內的水量交換變化過程見圖8。圖8中結果表明：梅溪河支流庫灣內的流出水量和倒灌水量基本相等，在干-支流交互作用下庫灣內水體與長江干流發(fā)生持續(xù)的水交換，從而加速了庫灣內水體混合和物質摻混。此外，支流庫灣的水交換量還呈現強不均勻性，并具有明顯的時空變化特征。

圖8 梅溪河庫灣水量交換的時空變化過程

梅溪河庫灣干-支流水量交換的空間變化特征表現為自河口向上游逐漸減小，干-支流交匯處（MX01）的水交換量是庫灣中部（MX02）的2～3倍，是庫灣尾部（MX03）的3～4倍，這說明了支流庫灣中水交換能力從干-支流交匯處向庫灣內逐漸降低；換言之，干-支流水溫差導致的密度流對支流庫灣水動力影響從干-支流交匯處向上游逐漸減弱。

庫灣干-支流水量交換在時間上還表現出春夏季水交換量相對較小，而秋冬季水交換量相對較大，這與三峽水庫調度過程關系密切。春、夏季是三峽水庫的汛前消落期和汛期，該時段庫區(qū)水位從175 m不斷降低至145 m，并維持汛限水位運行，庫灣內水深相對較淺，不利于密度流在庫灣的剖面上向橫向和縱向展開，也不利于密度流在庫灣內部向上游延伸和發(fā)展，因此水交換量相對較低。相反，在秋、冬季是三峽水庫的蓄水期和枯水運行期，水庫水位從145 m逐漸抬升至175 m，支流庫灣中水深較大，密度流作用可以在庫灣的剖面上展開并向上游延展，所以從整個庫灣的不同位置看，水交換量都比其他時候大。

4.3梅溪河典型特征斷面營養(yǎng)鹽來源及其組成基于2017年梅溪河年內逐日入庫流量與月均水質監(jiān)測資料，并結合長江干流（梅溪河河口段）常規(guī)水質監(jiān)測數據（見圖9），按照支流庫灣上游面源產生過程，統(tǒng)計分析梅溪河支流庫灣的營養(yǎng)鹽來源組成及其年內變化過程。其中流域點源（含背景值，下同）負荷由枯水期間（12月、1月、2月）梅溪河庫灣回水末端上游平均來流量和水質推求得到，梅溪河流域面源由全年入庫總量扣除點源后獲得。長江干流倒灌入梅溪河庫灣負荷由MERF模型模擬計算結果得出，內源釋放量根據梅溪河庫灣水動力與水生態(tài)模型模擬結果統(tǒng)計得出。

圖9 2017年梅溪河庫灣入庫水質及上游來流年內變化過程

（1）梅溪河庫灣典型特征斷面年內營養(yǎng)鹽收支及其來源組成。在支流庫灣密度流和上游來流的共同作用下，梅溪河庫灣不同斷面和不同層位水體的流動方向不同，整個庫灣水體都存在營養(yǎng)鹽的收入和支出［19-24］，2017年梅溪河庫灣不同位置的磷、氮收支來源及其組成情況統(tǒng)計結果見圖10。

圖10 2017年梅溪河支流庫灣營養(yǎng)鹽全年收支狀況

根據圖10中的統(tǒng)計結果，2017年梅溪河庫灣河口、庫中和庫尾的磷、氮收支總量分別為780.88t/a、420.46 t/a、404.17 t/a，8868 t/a、4238.75 t/a、4060.05 t/a，其中河口區(qū)長江干流倒灌輸入的N、P占比約67%～76%，流域面源輸入約占20%～30%，流域點源僅占3%～4%；庫灣中上部庫區(qū)長江干流倒灌輸入約占38%～50%，流域面源輸入約占42%～59%，流域點源僅占5%～8%。結果表明：由于密度流作用沿支流庫灣河道自河口向上游逐漸減弱，因此長江倒灌對庫灣中營養(yǎng)鹽收支的影響沿河道自河口向上游呈逐漸減弱趨勢，如對于水交換最為強烈的河口區(qū)，長江倒灌進入庫灣的總磷占總收入的67%，而在庫灣中部長江倒灌進入庫灣的總磷占比減少到38%，進入到庫灣尾部的總磷占比進一步減少到36%。從庫灣整體收支過程來看，內源釋放對庫灣營養(yǎng)收支影響很小。自梅溪河庫灣中部及以上河段，流域面源輸入的總磷成為庫灣水體營養(yǎng)鹽的主要來源，占到總輸入的57%。而對于易發(fā)生水華的庫灣尾部區(qū)而言，流域面源輸入的磷依然是其主要來源，其占比進一步提高到59%。

（2）水華敏感期（3—10月）梅溪河庫灣營養(yǎng)鹽收支及其來源組成。每年3—10月是三峽水庫支流庫灣水華的高發(fā)敏感期［7］，此時特征斷面的營養(yǎng)鹽來源對支流庫灣水體富營養(yǎng)化的演變過程具有決定性意義［23-26］。2017年水華敏感期期間梅溪河不同特征斷面磷和氮的收支情況及其來源組成如圖11所示。

圖11 2017年水華敏感期梅溪河庫灣營養(yǎng)鹽收支狀況

2017年水華敏感期（3—10月）梅溪河庫灣河口、庫中和庫尾的磷、氮收支總量分別為610.34 t/a、335.34 t/a、315.50 t/a，6332.63 t/a、3138.76 t/a、2955.16 t/a，其中河口區(qū)長江干流倒灌輸入的TP約占60%，流域面源輸入約占37%，流域點源僅占3%；庫灣中上部區(qū)長江干流倒灌輸入的TP占約占24%～28%，流域面源輸入約占68%～72%，流域點源僅占4%～5%。庫灣水華敏感期的收支狀況與全年的變化趨勢類似。對于磷的收支而言，隨著干流倒灌的磷源逐漸減少，對于庫灣中上部區(qū)，干流倒灌從主要的磷貢獻源降為次要的磷貢獻源，而流域面源所占比重逐漸增大，從次要的磷貢獻源升為首要的磷貢獻源，流域點源從河口到上游略有增加。此外由于氮磷的年內變化過程存在不一致性，即氮磷的面源輸入過程不同步，因此使得氮磷的收支中，不同來源所占的比重存在明顯差別。

（3）水華發(fā)生期間（7月）梅溪河庫灣營養(yǎng)鹽收支及其來源組成。2017年7月是梅溪河支流庫灣發(fā)生水華的主要時段，在該期間梅溪河庫灣尾部是水華發(fā)生的主要區(qū)域，該時段該區(qū)域在水華過程中的氮、磷收支情況統(tǒng)計見圖12。

如圖12所示，在梅溪河庫灣水華發(fā)生過程中，流域面源輸入的TP、TN分別占斷面收支總量的74%、72%，是庫灣水華發(fā)生時段最主要的磷和氮貢獻源，而長江倒灌輸入的磷、氮僅分別占20%、17%，因此對于梅溪河支流庫灣水華發(fā)生過程中營養(yǎng)鹽控制而言，流域面源負荷是梅溪河庫灣水體富營養(yǎng)化控制與削減的關鍵，支流的來水過程和降雨徑流產生的面源負荷過程都將對支流庫灣的水華發(fā)生產生重要影響。

圖12 梅溪河庫灣尾部區(qū)水華發(fā)生時段的氮、磷收支情況

5 支流庫灣水體富營養(yǎng)化調控對策

基于2017年常規(guī)水質監(jiān)測結果，采用卡爾森綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法對2017年水華敏感期（3—10月）梅溪河庫灣水體營養(yǎng)狀態(tài)進行評價（結果見表1）。2017年梅溪河庫灣3—5月處于中營養(yǎng)水平，6—9月為輕度富營養(yǎng)水平，10月份又回復至中營養(yǎng)狀態(tài)。年內7月份水體營養(yǎng)狀態(tài)指數相對最高，為57.4，同時梅溪河支流庫灣水華的主要爆發(fā)時間為6—9月。

表1 2017年梅溪河庫灣水華敏感期水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

水動力條件變化是三峽水庫成庫后支流庫灣水體富營養(yǎng)化趨勢性演變的主驅動力因素［27-28］，同時蓄水后支流庫灣易出現的水體層化現象有利于浮游植物生長，并加劇了支流庫灣的水體富營養(yǎng)化程度和水華現象的發(fā)生，但三峽水庫汛期調度引起的水位升降變化對支流庫灣水體層化過程的影響不明顯，且干-支流水溫差導致的密度流對支流庫灣的水動力影響從河口向上游逐漸減弱，干流倒灌輸入的N、P營養(yǎng)鹽占梅溪河易發(fā)生水華的庫灣尾部區(qū)營養(yǎng)鹽收支比重很?。ǎ?0%），梅溪河支流庫灣水體富營養(yǎng)化的主要污染來源為陸域面源。農業(yè)農村面源是梅溪河庫灣水體富營養(yǎng)化演變和水華發(fā)生的物質基礎，水溫和密度流引起的倒灌是誘導支流庫灣“水華”現象發(fā)生的重要因素［29-31］。因此，在長江干流水質及干支流水溫難以有效調控的條件下，結合典型支流庫灣水環(huán)境演化過程，亟需遵循“源頭控制-過程阻斷-末端攔截-水體原位削減-水生態(tài)系統(tǒng)修復”的系統(tǒng)治理思路，提出如下調控對策：

（1）梅溪河上游有大面積的村莊和農耕地，應采用流域面源污染控制技術，例如：測土配方技術、針對坡耕地發(fā)展保護性耕作的土地養(yǎng)分流失控制技術、農村生活污染控制技術、農村固廢無害化處理等［32］，加強農業(yè)農村面源污染防控與農村人居環(huán)境的連片綜合整治，從源頭控制并減少營養(yǎng)物質的流失與輸出。

（2）忠實踐行“綠水青山就是金山銀山，山水林田湖（庫）草生命共同體”的理念，加強面山荒坡治理、河道生態(tài)治理、庫濱濕地塘庫系統(tǒng)建設與消落帶生態(tài)修復，實現陸域污染物傳輸的過程阻斷與末端攔截功效，盡可能減少陸域污染物入庫。

（3）利用生物浮床技術，結合景觀建設需求在水華頻發(fā)區(qū)構建生態(tài)浮島，種植具有較高觀賞與經濟價值的植物，以提高富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)鹽的原位削減能力，并通過定期維護管理，形成抑制浮游植物生長的局部微生境。

（4）基于食物網結構和功能優(yōu)化需求，結合植物營養(yǎng)競爭技術，在水華頻發(fā)區(qū)采用立體式的支流庫灣水生態(tài)系統(tǒng)修復與生物調控措施，優(yōu)化庫灣區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)食物網結構和功能，并通過對大規(guī)格成魚的捕撈，將魚苗在生長過程中吸食的氮磷等營養(yǎng)鹽帶出水體，實現對開放性水域中營養(yǎng)鹽的凈削減，改善并控制水體中的浮游生物和碎屑類物質濃度，有利于富營養(yǎng)化水體水質的持續(xù)性改善和水景觀向好的趨勢發(fā)展。

（5）結合庫灣水動力條件改善需求，在梅溪河支流庫灣易發(fā)生藻類水華季節(jié)（6—9月）加強生態(tài)調度研究與實踐［33］，以加快長江干流與梅溪河支流庫灣的水量循環(huán)與交換，改善庫灣水動力條件并弱化因大幅度增加而帶來的層化問題。

6 結論

（1）以梅溪河為代表的三峽水庫典型支流庫灣內，河口、庫中和庫尾不同斷面和層位都存在明顯的流速空間變異特征。梅溪河整個庫灣全年表底流速相反，與長江存在頻繁的水量交換，河口、中部和庫尾不同位置的年平均水交換量為210.15 m3/s、83.60 m3/s、77.21 m3/s。在三峽水庫不同調度運行期間，汛后蓄水期流速相對較大，水交換量最大，汛前消落期、汛期和枯水運用期流速相對較小，水交換量大體相當。

（2）梅溪河支流藍藻水華多出現在庫灣中上部，流域面源匯入是支流庫灣富營養(yǎng)化水域的主要營養(yǎng)來源，長江干流倒灌對支流庫灣各典型斷面營養(yǎng)鹽收支的影響沿河道自下而上逐漸減弱。在庫灣尾部，水華發(fā)生敏感期流域面源輸入的TP和TN比例達72%、56%，水華爆發(fā)期（7月）流域面源輸入的TP和TN比例達74%、72%。

（3）遵循“源頭控制-過程阻斷-末端攔截-水體原位削減-水生態(tài)系統(tǒng)修復”的系統(tǒng)治理思路，陸域面源治理與控制是關鍵，水陸交錯帶末端攔截、水體營養(yǎng)鹽原位削減和基于食物網結構與功能優(yōu)化的生物調控措施在內的水生態(tài)修復技術是有益補充，對關鍵敏感水域水華防治具有不可替代的作用。