摘要：三峽工程建設(shè)運(yùn)行后水庫生態(tài)環(huán)境問題一直備受關(guān)注，水質(zhì)狀況復(fù)雜且不斷變化，但在水庫調(diào)度下水庫水質(zhì)時空特征及影響機(jī)制仍需探究?；谌龒{水庫2021年11個長江干流斷面和2個支流斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用水質(zhì)指數(shù)（WQI）評價水庫水質(zhì)狀況，并結(jié)合主成分分析（PCA）、Pearson相關(guān)性分析、單因素方差分析（One-way ANOVA）及隨機(jī)森林（Random forest，RF）方法探究三峽水庫在調(diào)度影響下水質(zhì)的時空變化特征及影響機(jī)制。結(jié)果表明：① 從空間尺度上看，各水質(zhì)參數(shù)的變化具有明顯的空間異質(zhì)性，總體上水質(zhì)狀況從上游至壩前（朱沱到巫峽口斷面）有所好轉(zhuǎn)，朱楊溪斷面的水質(zhì)情況最差；② 從月尺度上看，不同水質(zhì)參數(shù)和WQI隨年度水庫調(diào)度規(guī)劃期發(fā)生變化，TP和CODMn的濃度總體上呈現(xiàn)汛期（6～9月）gt;消落期（1～6月）和蓄水期（9～10月）gt;高水位期（10～12月）的特征，而DO、pH及WQI與前者相反，在消落期下降，汛期相對穩(wěn)定，在蓄水期逐漸上升；③ 生態(tài)調(diào)度有益于提升三峽水庫水質(zhì)，推測由于2021年5月29日至6月3日和6月16～22日開展2次以“促進(jìn)產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖”為目標(biāo)的生態(tài)調(diào)度使得6月份水庫水質(zhì)明顯提升；④ 多種統(tǒng)計分析手段結(jié)合RF方法表明，不同水質(zhì)參數(shù)之間存在明顯關(guān)聯(lián)，TN、TP、NH3-N及CODMn之間呈顯著正相關(guān)（rgt;0.3，plt;0.01），pH和DO呈顯著正相關(guān)（r=0.428，plt;0.01），各參數(shù)均顯著影響三峽水庫WQI（plt;0.01），其中濁度是影響三峽水庫水質(zhì)的最重要參數(shù)。研究結(jié)果可為三峽水庫水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和水資源合理配置提供理論依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：水質(zhì)； 水庫調(diào)度； 水質(zhì)指數(shù)； 隨機(jī)森林； 三峽水庫

中圖法分類號： X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.006

0 引 言

三峽水庫具備強(qiáng)大的防洪蓄水功能，保障著長江中下游的水資源開發(fā)利用和人民生命財產(chǎn)安全［1］。它極大改善了三峽地區(qū)通航條件，充分發(fā)揮了長江黃金水道作用，同時三峽工程還承擔(dān)了中國部分地區(qū)的電力供應(yīng)［2-3］。三峽工程帶來巨大效益的同時，其對生態(tài)環(huán)境的影響也備受關(guān)注。三峽大壩建成并蓄水后，原有河道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯に畮?，河流生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮焐鷳B(tài)系統(tǒng)并不斷演變，水庫的生態(tài)環(huán)境也不斷發(fā)生變化［4］。作為重要水利樞紐及國家戰(zhàn)略淡水資源庫，三峽水庫水環(huán)境問題關(guān)系到長江流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民福祉，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

自三峽水庫2003年首次蓄水以來，出現(xiàn)大量關(guān)于三峽水庫水環(huán)境和水生態(tài)的研究。研究發(fā)現(xiàn)蓄水后干流水質(zhì)略有好轉(zhuǎn)，而支流水質(zhì)因水動力條件改變趨于惡化［5-8］，這不僅影響到三峽水庫干、支流的浮游動植物群落特征［9-11］，同時也改變了重金屬、多環(huán)芳烴等新型污染物在三峽水庫的遷移、轉(zhuǎn)化［12-13］。諸多學(xué)者在長時間尺度下對三峽水庫水質(zhì)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明在水庫建設(shè)運(yùn)行的不同時期，水庫水質(zhì)變化特征及其成因也有所不同［14-17］。綜合分析有關(guān)三峽水庫各類研究成果發(fā)現(xiàn)，三峽水庫水環(huán)境狀況較為復(fù)雜且極具時空異質(zhì)性，自然過程及人類活動都影響著三峽水庫的水環(huán)境狀況。更為重要的是，目前三峽水庫周期性水位調(diào)度已為常態(tài)，生態(tài)調(diào)度、補(bǔ)水調(diào)度及攔洪調(diào)度等多種特殊目標(biāo)的水庫調(diào)度也日漸頻繁，這都可能改變?nèi)龒{水庫的水質(zhì)狀況及其時空分布特征。然而，針對水庫調(diào)度影響下三峽水庫水質(zhì)的研究仍主要集中在三峽水庫干支流氮、磷營養(yǎng)鹽組成形態(tài)、分布及污染來源［18-20］和應(yīng)用ARIMA、Delft3D、MIKE等軟件模擬污染物的遷移擴(kuò)散、預(yù)測水質(zhì)對水庫調(diào)度的響應(yīng)［21-25］這兩個方面，水庫調(diào)度背景下水庫水質(zhì)的時空變化特征及影響機(jī)制尚不明確。因此，本文基于三峽水庫2021年全年的日平均數(shù)據(jù)，開展水庫調(diào)度下三峽水庫水質(zhì)時空變化特征及其影響機(jī)制的調(diào)查研究，以期對水庫水環(huán)境保護(hù)及長江流域社會經(jīng)濟(jì)永續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)水庫調(diào)度規(guī)劃，三峽水庫于每年9月開始蓄水，10月蓄水至175 m，12月至次年4月，根據(jù)生態(tài)、航運(yùn)和發(fā)電等需求逐步消落至155 m，5月份加大出力運(yùn)行，6月上旬消落至汛限水位145 m以發(fā)揮蓄洪作用。因此，根據(jù)水庫周期蓄水方式和年度水位調(diào)度規(guī)劃，可將年內(nèi)水位運(yùn)行期劃分4個時期，即消落期（1～6月）、汛期（6～9月）、蓄水期（9～10月）和高水位運(yùn)行期（10～12月）。此外，自2011年以來，每年5月、6月，三峽水庫聯(lián)合上下游的向家壩、葛洲壩等水電站擇機(jī)開展以促進(jìn)長江中游產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖為目的的生態(tài)調(diào)度實(shí)驗(yàn)，其中2021年實(shí)際開展時間為5月29日至6月3日、6月16～22日。

1.2 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)數(shù)據(jù)從中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)的國家地表水水質(zhì)自動檢測實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)（https：∥szzdjc.cnemc.cn：8070/GJZ/Business/Publish/Main.html）讀取。所選站點(diǎn)包括朱沱、朱楊溪、江津大橋、支坪街道、豐收壩、碼頭、寸灘、黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村、曬網(wǎng)壩、白帝城及巫峽口11個長江干流水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)及石門坎和白馬2個支流水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)（見圖1）。數(shù)據(jù)涵蓋由2021年1～12月的pH、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）及濁度（Turb）。該數(shù)據(jù)由已建成并正式投入運(yùn)行的國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站測定，其采水點(diǎn)水深不小于1 m。通過對所讀取的各站點(diǎn)小時數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值得到日均值數(shù)據(jù)和月均值數(shù)據(jù)，以供本文后續(xù)分析。

1.3 分析方法

根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的月均值數(shù)據(jù)，通過水質(zhì)指數(shù)（WQI）法［26-27］評估水質(zhì)狀況，計算過程在Microsoft Excel軟件中完成，計算公式如下［28］：WQI=ni=1Ci×Pini=1Pi（1）式中：n為所選水質(zhì)參數(shù)總數(shù)（n=7）；Ci和Pi分別為參數(shù)i的歸一化值和權(quán)重，Pi取值范圍為1～4，根據(jù)水生生物保護(hù)的建議值決定，反映了水生生物轉(zhuǎn)化過程中各參數(shù)重要性，越重要的參數(shù)數(shù)值越大［20，29］。

基于WQI值可將水質(zhì)分為5個等級：極差（0～25）、差（26～50）、中等（51～70）、良好（71～90）、極好（91～100）。WQI計算過程中參數(shù)歸一化值及權(quán)重如表1所列。

主成分分析（PCA）用于對各水質(zhì)參數(shù)的降維分析，Ward法層次聚類用于對站點(diǎn)、月份及水質(zhì)參數(shù)的聚類分析，單因素方差分析（One-way ANOVA）用于檢驗(yàn)不同站點(diǎn)間的水質(zhì)參數(shù)及WQI值的顯著差異，Pearson相關(guān)性分析用于分析WQI及各水質(zhì)參數(shù)間相關(guān)性，以上分析過程均通過SPSS軟件完成。通過“randomForest”包建立水質(zhì)參數(shù)與WQI之間的隨機(jī)森林回歸模型并評估各水質(zhì)參數(shù)重要性，模型顯著性及各參數(shù)顯著性分別采用“A3”包和“rfPermute”包進(jìn)行評估［30］。圖件的制作在ArcGIS 10.5、Origin 2022及Adobe Illustrator 2020軟件中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 三峽水庫不同站點(diǎn)水質(zhì)特征

2021年三峽水庫13個監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)日均值的空間變化特征如圖2所示。TN濃度的變化范圍為0.01～7.15 mg/L（見圖2（a）），根據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，各個站點(diǎn)有74.47%～100%的TN日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，以朱楊溪的TN污染最為嚴(yán)重，其濃度為1.00～7.15 mg/L，99.70%的TN日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村的TN污染程度最輕，其濃度范圍為0.02～0.23 mg/L，77.47%的TN日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TP濃度范圍為0～0.63 mg/L，各個站點(diǎn)有15.06%～100%的TP日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，以朱楊溪的TP污染最為嚴(yán)重，其濃度范圍為0.06～0.29 mg/L，全部TP日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；而石門坎的TP污染程度最輕，其濃度范圍為0～0.63 mg/L，15.06%的TP日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。CODMn濃度范圍為0.08～31.35 mg/L（見圖2（c）），各個站點(diǎn)僅有0～5.78%的濃度未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明三峽水庫各站點(diǎn)的CODMn污染程度相近。NH3-N的濃度范圍為0～1.36 mg/L（見圖2（d）），僅朱楊溪斷面有1.22%的日均值濃度未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。DO濃度的變化范圍為1.34～22.39 mg/L（見圖2（e）），僅黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村斷面12.46%的日均值濃度未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。pH濃度的變化范圍為6.37～9.07（見圖2（f）），僅朱楊溪斷面在8月5日的日均值未達(dá)到V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。濁度的變化范圍為1.4～3862.9 NTU（見圖2（g）），各斷面濁度大部分時間處于較低水平，從庫尾到庫首，濁度高值出現(xiàn)的頻率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。從各個水質(zhì)參數(shù)的波動情況而言，朱楊溪的TN和NH3-N濃度波動幅度較大；碼頭和黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村DO波動相對較大；豐收壩和黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村的pH波動明顯；支坪街道、豐收壩、石門坎、寸灘、白馬及白帝城斷面濁度可見明顯波動，而靠近大壩的巫峽口斷面始終穩(wěn)定在較低值。

從單因素方差分析結(jié)果來看：不同斷面在各水質(zhì)參數(shù)上也存在顯著差異，黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村及曬網(wǎng)壩斷面的pH分別與其他斷面呈顯著差異，豐收壩DO濃度顯著低于其他斷面，朱楊溪斷面TN、TP、NH3-N及CODMn濃度均顯著高于其他斷面（見表2）。

2021年三峽水庫13個監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)在日均值尺度的空間變化表明：① 不同站點(diǎn)各個水質(zhì)參數(shù)的變化具有明顯的空間異質(zhì)性，以朱楊溪斷面的水質(zhì)情況最差，總體而言，水質(zhì)狀況從庫尾到庫首（朱沱到巫峽口斷面）有所好轉(zhuǎn)，這離不開庫區(qū)內(nèi)對農(nóng)業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污水等的有效控制，同時水庫水體自凈也起到了積極作用［21］。② 各站點(diǎn)CODMn、NH3-N和DO等水質(zhì)參數(shù)絕大多數(shù)情況下均滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，而TN和TP的大部分未達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，表明2021年三峽水庫的水質(zhì)污染是以氮磷營養(yǎng)鹽污染為主，這與Gao［12］、趙晏慧［31］等的研究結(jié)果相一致。

2.2 三峽水庫水質(zhì)月尺度變化特征

2021年三峽水庫13個監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)月均值的時間變化如圖3所示。TN、TP、CODMn、NH3-N、DO、pH和濁度這7個參數(shù)在月尺度上的濃度變化分別為0.36～5.65 mg/L，0.01～0.39 mg/L，0.28～5.62 mg/L，0.02～0.41 mg/L，5.67～14.79 mg/L，6.98～8.34和1.61～383.77 NTU。與不同站點(diǎn)日均值的結(jié)果類似，CODMn、NH3-N、DO和pH這4個水質(zhì)參數(shù)的濃度在月均值尺度上均滿足GB3838-2002規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而TN和TP這2個參數(shù)的濃度在月均值尺度上分別有94.29%和44.29%的數(shù)據(jù)點(diǎn)未達(dá)標(biāo)。

不同水質(zhì)參數(shù)隨水庫調(diào)度期呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律?？傮w上，TP、CODMn和濁度在消落期上升，7月達(dá)到最高后開始下降，直到高水位期后保持相對穩(wěn)定，但這3個參數(shù)在6月比較異常，均呈現(xiàn)較低值；DO和pH的濃度變化總體上與前者相反，在消落期下降，汛期相對穩(wěn)定，在蓄水期逐漸上升；TN和NH3-N的含量在月尺度上的變化較小，無明顯波動。

2.3 三峽水庫水質(zhì)聚類分析

三峽水庫13個監(jiān)測站點(diǎn)的空間聚類圖如圖4（a）所示，水質(zhì)在空間上可分為3大類：第一類包括寸灘、江津大橋、石門坎、支坪街道、朱沱、豐收壩和碼頭；第二類包括白帝城、曬網(wǎng)壩、白馬、巫峽口和黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村；第三類僅含朱楊溪。空間聚類的結(jié)果表明：相鄰站點(diǎn)的水質(zhì)情況類似，并聚集在同一組內(nèi)；庫首和庫尾的水質(zhì)差異較大，并分布在不同組別中；朱楊溪的水質(zhì)與其他站點(diǎn)具有明顯差別，單獨(dú)為一組。三峽水庫在月尺度上的聚類結(jié)果如圖4（b）所示，水質(zhì)在時間上可分為3大類：第一類包括10，11，12，6月；第二類包括1，2，3，4，5月；第三類包括7，8，9月。時間聚類的結(jié)果與水庫蓄水調(diào)度的運(yùn)行周期類似，高位運(yùn)行期、消落期和汛期分別位于不同組別，進(jìn)一步證實(shí)了水庫調(diào)度會影響水庫水質(zhì)。三峽水庫不同水質(zhì)參數(shù)的聚類結(jié)果如圖4（c）所示，可分為3個組別，分別是NH3-N、TP、CODMn和TN為一組，pH和DO為一組，濁度為一組。聚類的結(jié)果表明NH3-N、TP、CODMn和TN這些營養(yǎng)鹽類參數(shù)可能有共同的來源，相互依賴，并在三峽水庫中有類似的遷移、轉(zhuǎn)化行為。

2.4 三峽水庫水質(zhì)評價結(jié)果

對2021年三峽水庫13個監(jiān)測站點(diǎn)不同水質(zhì)參數(shù)月均值計算WQI的結(jié)果如圖5所示。從空間分布來看（見圖5（a）），總體上，WQI值的波動范圍為51.88～85.63，平均值為75.48，水庫整體水質(zhì)良好（71～90）。單因素方差分析結(jié)果表明朱楊溪WQI值分別與江津大橋、支坪街道、石門坎、曬網(wǎng)壩及巫峽口呈顯著差異，而除朱楊溪外其余各站點(diǎn)間WQI值差異并不顯著。從各個站點(diǎn)波動的情況來看，豐收壩和白帝城的WQI值波動較大，分別為51.88～81.25和59.38～82.5。

根據(jù)WQI分類水平結(jié)果，朱沱和巫峽口全年水質(zhì)類別為“良好”；江津大橋、支坪街道、豐收壩、碼頭、石門坎，寸灘、白馬、黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村、曬網(wǎng)壩和白帝城全年水質(zhì)類別以“良好”為主導(dǎo)，分別占據(jù)91.67%，75%，58.33%，66.67%，83.33%，75%，90%，66.67%，91.67%和67.67%；而朱楊溪的水質(zhì)類別全年呈現(xiàn)“中等”水平。總體上，三峽水庫1～12月份的水質(zhì)類別在“良好”水平的占27.27%～92.31%，其中1月份和2月份的水質(zhì)類別在“良好”水平的最多，7月份最少；水質(zhì)類別“良好”的占比隨著水庫調(diào)度水位的變化而發(fā)生改變，處于高水位時，“良好”占總體的81.82%～92.31%，低水位時減少為27.27%～84.61%。

從月尺度變化情況來看（見圖5（b）），三峽水庫各站點(diǎn)WQI值整體上在5月份開始明顯降低，10月份恢復(fù)；大多數(shù)斷面（近壩段的曬網(wǎng)壩、白帝城及巫峽口斷面除外）WQI值在6月份呈現(xiàn)出一次好轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.5 三峽水庫水質(zhì)主成分和相關(guān)性分析

三峽水庫不同站點(diǎn)水質(zhì)的主成分分析排序圖如圖6所示，提取了引起水質(zhì)變化的3個主成分，其累計方差貢獻(xiàn)率為70.76%，能夠充分反映原始數(shù)據(jù)信息。第1主成分PC1的方差貢獻(xiàn)率為35.52%，與之關(guān)聯(lián)的主要參數(shù)為TP、CODMn、TN和NH3-N，表明這些營養(yǎng)鹽成分來源和遷移模式類似。第2主成分PC2的方差貢獻(xiàn)率為19.94%，與之相關(guān)聯(lián)的主要參數(shù)有DO和pH，其中，DO對PC2的正相關(guān)性最大，反映了水體中DO的變化主導(dǎo)著pH的變化。第3主成分貢獻(xiàn)率為15.30%，與之關(guān)聯(lián)的參數(shù)為Turb，反映了水中懸浮物對水質(zhì)的影響。

相關(guān)性分析揭示了各水質(zhì)因子之間的關(guān)系（見圖7）。TN與營養(yǎng)鹽類指標(biāo)TP、NH3-N和CODMn顯著正相關(guān)（Plt;0.01）。TP與NH3-N、CODMn、Turb顯著正相關(guān)（Plt;0.01），與pH和DO顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）。NH3-N和CODMn顯著正相關(guān)（Plt;0.01），與pH（Plt;0.05）和DO（Plt;0.01）顯著負(fù)相關(guān)。CODMn與Turb顯著正相關(guān)（Plt;0.01），與pH和DO顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）。Turb與pH和DO顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）。與聚類及主成分分析的結(jié)果類似，pH和DO存在明顯的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01）。此外，pH、DO與WQI值顯著正相關(guān)（Plt;0.01），Turb、CODMn、NH3-N、TP、TN與WQI值顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）。

2.6 基于RF的水質(zhì)參數(shù)重要性評估

隨機(jī)森林（random forest，RF）是一種基于決策樹的非線性集成機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可以對指標(biāo)重要性進(jìn)行度量并可視化重要度［32］?；赗F評價影響三峽水庫WQI值的水質(zhì)參數(shù)的重要性結(jié)果如圖8所示。建立的回歸模型顯著性檢驗(yàn)的P值小于0.001，預(yù)測變量即7個水質(zhì)參數(shù)對響應(yīng)變量WQI的解釋率R2為86.5%。交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示7個水質(zhì)參數(shù)均為影響WQI的重要參數(shù)，同時，對各參數(shù)顯著性檢驗(yàn)的P值均小于0.01，表明各水質(zhì)參數(shù)對WQI的影響十分顯著。均方誤差增加率百分?jǐn)?shù)的條形圖顯示，濁度為影響WQI重要性得分最高的水質(zhì)參數(shù)，其次為CODMn、DO、TP、NH3-N、TN和pH。從水生生物保護(hù)的角度來看，濁度是影響三峽水庫水生生物的水質(zhì)因素中最重要的參數(shù)，應(yīng)當(dāng)在相關(guān)的水生態(tài)保護(hù)工作中給予更多關(guān)注，然而該參數(shù)并不包含在GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的基本項(xiàng)目中。

3 討 論

3.1 水質(zhì)參數(shù)空間特征

TN、TP及NH3-N是反映水質(zhì)及水生生物營養(yǎng)物質(zhì)的重要指標(biāo)［33］，三峽水庫各斷面均存在不同程度的TN和TP污染；僅少數(shù)站點(diǎn)部分時間的CODMn超過地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明三峽水庫有機(jī)污染程度整體較輕，這與前人的研究一致［34］。朱楊溪TN和NH3-N波動較大，且TN、TP、NH3-N及CODMn的日均值均有不同程度地未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，表明該斷面水體面臨著多種營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)污染的威脅，這可能與該斷面上游臨江河小流域上存在著大量農(nóng)業(yè)和工業(yè)污染有關(guān)，同時臨江河流域上的永川區(qū)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致大量城市污水的排放也是朱楊溪斷面水質(zhì)不佳的重要因素［35］。

DO作為重要的地表水環(huán)境指標(biāo)，能有效反映水體的自凈能力［36］。黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村斷面有12.46%的DO日均值未達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，反映了該斷面附近水體自凈能力相對較差。pH可以反映水體中光合作用強(qiáng)度、有機(jī)物質(zhì)的分解程度及微生物活性［37］。分層聚類、主成分分析及相關(guān)性分析研究結(jié)果均表明DO和pH的顯著正相關(guān)性，推測是由于水體中溶解氧、二氧化碳、碳酸鹽等物質(zhì)的含量和平衡狀態(tài)主導(dǎo)著各斷面DO和pH的波動，使得DO與pH變化趨勢近乎一致［38］。當(dāng)光合作用較強(qiáng)時，葉綠體吸收水體中CO2并釋放出O2，水體CO2含量降低導(dǎo)致pH升高；當(dāng)光合作用較弱時，水生生物呼吸作用導(dǎo)致水體DO減少、CO2增加，致使pH降低。這種作用在黎家鄉(xiāng)崔家?guī)r村斷面表現(xiàn)得尤為突出，靠近該斷面的上游河道呈連續(xù)的“S”形，導(dǎo)致河流流速減緩，特殊的水動力條件使得水體中藻類密度比其他斷面更高［39］，而天氣的變化又主導(dǎo)著藻類等的光合作用，從而引起水體DO不斷變化，并致使pH在日尺度上劇烈波動，在10～12月氣溫較低時，藻類生長被抑制，該作用機(jī)制也明顯減弱。

濁度是反映水體懸浮物質(zhì)的重要指標(biāo)，水體高濁度會影響水生植物光合作用和水生動物的覓食能力、促進(jìn)微生物的繁殖和傳播，增加水質(zhì)惡化的風(fēng)險［40］。而三峽水庫中段的濁度波動較大，其中石門坎斷面最高達(dá)3 862.9 NTU，以往的研究表明這與流域匯流過程中沖涮的大量泥沙密切相關(guān)，例如嘉陵江在汛期由于河流縱波大、流量激增及上游植被遭到人為破壞，攜帶大量泥沙的江水濁度最高可達(dá)幾萬NTU［41］。

3.2 水質(zhì)參數(shù)月尺度變化的影響機(jī)制

三峽水庫水質(zhì)參數(shù)在不同調(diào)度期表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。CODMn呈現(xiàn)汛期大于其他水庫運(yùn)行期的特征。這是由于CODMn濃度及和濁度變化與泥沙密切相關(guān)［42-43］，受到降雨、河道坡降及植被的人為破壞等因素影響，一般汛期來水量、含沙量較大，濁度較高，泥沙中有機(jī)質(zhì)的釋放使得CODMn濃度升高。同時，三峽庫區(qū)柑橘種植較為普遍，且大多分布在水庫正常蓄水位以上的鄰近區(qū)域，在汛期降雨時，農(nóng)藥、化肥迅速流失并隨匯流過程進(jìn)入水庫水體，引起CODMn濃度升高。此外，城鎮(zhèn)污水管道中積累的泥沙和污染物在汛期降水豐富條件下也會隨水流進(jìn)入水庫。TP同樣呈現(xiàn)出汛期大于其他水庫運(yùn)行期的特征，TN月尺度波動較小，但在消落期和蓄水期仍表現(xiàn)出微弱的上升和下降趨勢，其主要因素仍然是化肥、農(nóng)藥大量施用后隨降水徑流進(jìn)入水庫水體，使得降雨充沛的汛期TP、TN濃度較高，隨著蓄水進(jìn)行，水庫營養(yǎng)鹽隨泥沙沉降，使得高水位運(yùn)行期TP、TN濃度較低［14］。DO的變化主要受水溫的影響，消落期隨著水溫的升高，氧在水中溶解度下降，三峽水庫水體DO在汛期保持較低濃度，蓄水期及高水位期則隨氣溫降低逐漸升高［44］。pH變化趨勢與DO一致且呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，這是由于消落期至汛期水體中生物活性逐漸增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解釋放出CO2、H2S等酸性物質(zhì)，使得pH呈現(xiàn)逐漸下降趨勢［45］。

同時，本研究結(jié)果也反映出生態(tài)調(diào)度對三峽水庫水質(zhì)有積極的影響。水庫的生態(tài)調(diào)度可以部分恢復(fù)天然水文情勢，修復(fù)大壩上下游河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，提升河流自凈能力和水生物多樣性，從而使河流的水質(zhì)狀況好轉(zhuǎn)［46］。以“促進(jìn)產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖”為目標(biāo)的生態(tài)調(diào)度主要通過制造一定的漲、退水過程，從而控制水體流速，刺激目標(biāo)魚類產(chǎn)卵。在這一過程中，水庫干流及支流庫灣水體流速和紊動增加，促進(jìn)了水體中污染物的降解［47-48］，同時在一定程度上抑制了水體的富營養(yǎng)化［49］，從而改善水庫水質(zhì)。因此，6月份三峽水庫TP、CODMn及濁度在總體上升的趨勢下反而表現(xiàn)出一次明顯的突降，WQI也呈現(xiàn)出突然的升高，以及在對月份聚類分析時與水質(zhì)相對較好的10，11，12月歸為一類。但這種現(xiàn)象在近壩段的曬網(wǎng)壩、白帝城及巫峽口斷面表現(xiàn)并不明顯，這是由于近壩段遠(yuǎn)離變動回水區(qū)，水深較大，生態(tài)調(diào)度引起的水體流速和紊動的增加在這些斷面作用較弱［50-51］。

4 結(jié) 論

（1） 2021年三峽水庫各斷面大部分時間水質(zhì)未達(dá)到GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要污染為TN、TP;水質(zhì)空間變化主要表現(xiàn)為上游至壩前水質(zhì)趨好，個別站點(diǎn)部分水質(zhì)參數(shù)表現(xiàn)異常，如朱楊溪斷面TN、TP、NH3-N及CODMn均高于其他斷面，其中TN、TP日均值分別有99.7%和100%低于地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較差。在月尺度上，年度水位調(diào)度期與水質(zhì)參數(shù)的變化密切相關(guān)，DO和pH呈現(xiàn)消落期下降、蓄水期和高水位期上升趨勢；TP、CODMn均明顯表現(xiàn)出汛期大于其他運(yùn)行期的特征。

（2） 基于水生生物保護(hù)的建議值計算的WQI值范圍為51.88～85.63，處于中等-良好水平，平均值為75.48，表明水庫整體水生態(tài)狀況良好；結(jié)合多種統(tǒng)計分析及RF結(jié)果來看，濁度是影響三峽水庫水生生物的水質(zhì)因素中最重要的參數(shù)。

（3） 結(jié)合自然環(huán)境特征、數(shù)據(jù)波動特征、層次聚類分析及Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，在光合作用影響下，水體中溶解氧、二氧化碳、碳酸鹽等物質(zhì)化學(xué)平衡狀態(tài)隨天氣變化不斷波動，因此pH受DO含量驅(qū)動不斷變化，兩者在數(shù)值上顯著正相關(guān)。但本文中僅對三峽水庫DO、pH進(jìn)行了定性的分析，后續(xù)研究或可基于DO、pH及葉綠素實(shí)測數(shù)據(jù)建立三者的定量模型，進(jìn)一步深入對三峽水庫水質(zhì)的認(rèn)識。

（4） TP、CODMn、濁度、WQI在月尺度上的變化特征及聚類分析結(jié)果表明，以“促進(jìn)產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖”為目標(biāo)的生態(tài)調(diào)度實(shí)驗(yàn)對三峽水庫的水質(zhì)有積極作用。后續(xù)研究或可通過更全面的水位、流量及水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步探明生態(tài)調(diào)度與水庫水質(zhì)的定量關(guān)系，以尋求最優(yōu)的生態(tài)調(diào)度方案。

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（編輯：劉 媛）

Spatio-temporal variation characteristics and influence mechanisms of

water quality in Three Gorges ReservoirXI Wenxiang ZHU Xianbin PAN Hongzhong YAO Huaming1，2，3，LIU Mingliang1，2

（1.Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China； 2.College of Resources and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China； 3.Hubei Key Laboratory of Intelligent Yangtze and Hydroelectric Science，China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract： The reservoir ecological environment after the construction and operation of the Three Gorges Project has been a great concern.The water quality conditions in the reservoir are complex and constantly changing.However，the spatio-temporal variation characteristics and influence mechanisms of the water quality in the reservoir under the reservoir scheduling still need to be explored.Based on the monitoring data over 11 Yangtze River mainstream cross sections and 2 tributary cross sections in 2021，we utilized the water quality index （WQI） to evaluate the water quality in the reservoir，and combined principal component analysis （PCA），Pearson correlation analysis，one-way ANOVA and random forest （RF） methods to investigate the spatio-temporal characteristics and influence mechanisms of water quality in the Three Gorges Reservoir under the influence of reservoir scheduling.The results showed that：① From the spatial scale，the changes of each water quality parameter had obvious spatial heterogeneity.The overall water quality condition had improved from upstream to dam site （Zhutuo to Wuxiakou section），and the water quality condition of Zhuyangxi section was the worst.② From a monthly perspective，different water quality parameters and WQI changed with reservoir storage.TP and CODMn concentrations generally showed the characteristics of flood season （June to September） gt; drawdown period （January to June） and storage period （September to October） gt; high water level period （October to December）.DO，pH and WQI，on the contrary，decreased in the drawdown period，were relatively stable in flood season，and gradually increased during the storage period.The ecological scheduling benefited the water quality in the reservoir.Two ecological schedules，from 29 May to 3 June and from 16 to 22 June，to promote the reproduction of drifting spawning fish，probably resulted in a significant improvement in water quality in the reservoir in June.④ Various statistical analysis tools combined with RF methods showed that there were significant correlations between different water quality parameters.TN，TP，NH3-N and CODMn were significantly positively correlated （rgt;0.3，plt;0.01），pH and DO were significantly positively correlated （r=0.428，plt;0.01），and all parameters significantly affected the WQI in the Three Gorges Reservoir （plt;0.01），with turbidity being the most important parameter affecting the water quality in the Three Gorges Reservoir.The results of this study can provide a theoretical basis for the sustainable development of the water environment and the rational allocation of water resources in the Three Gorges Reservoir.

Key words： water quality；reservoir operation；water quality index；random forest （RF）；Three Gorges Reservoir

收稿日期：2023-03-15；接受日期：2023-06-16

基金項(xiàng)目：智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（ZH2102000113，ZH2002000113）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃青年人才項(xiàng)目（Q20211310）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41902257）

作者簡介：習(xí)文祥，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱饔蛩鷳B(tài)環(huán)境治理與修復(fù)。E-mail：xi_wenxiang@163.com

通信作者：祝賢彬，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)榱饔蛩鷳B(tài)環(huán)境治理與修復(fù)。E-mail：zhuxianbinyes@163.com