韩超南，秦延文，马迎群，赵艳民，刘志超，杨晨晨，张 乐

1.中国环境科学研究院水环境研究所水环境管理研究室，北京 100012 2.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037

随着经济、技术和城市化的发展，大量工业、农业和生活污水排放到水环境中，水源污染严重，“水质型缺水”现象越来越突出.2017年，在我国地表水 1 940 个监测断面中约33.1%的断面水质处于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ～劣Ⅴ类水平；在112个重要湖泊(水库)监测断面中约37.4%的断面水质处于GB 3838—2002 Ⅳ～劣Ⅴ类水平(湖库)，其中109个监测营养状态的湖泊(水库)中水质处于轻度、中度富营养状态的有33个[1].三峡水库是我国长江流域的战略型水资源库.三峡水库于2003年开始蓄水运行，在防洪、发电、航运和供水等方面产生较大的经济效益，但同时也引发了一些环境问题，尤以三峡支流水体富营养化和水华问题较为突出[2-3].

关于三峡支流水体富营养化加剧和水华发生的原因，之前通常认为是由支流流域人为污染加重所引起的，但近几年研究表明三峡干流逆向影响效应对其起着重要作用[4-5].三峡大坝拦截蓄水导致三峡干流水位大幅提升、水体流速减缓、水体滞留时间延长等，其中干支流水位差异造成了干流回水倒灌支流的现象[6-7].研究表明，三峡干流回水倒灌支流造成支流水体流速减缓和库湾水体滞留时间延长[8]，并能为支流水体输入氮、磷等营养物质[9-10]，是引起支流库湾水体富营养化和水华爆发的主要诱因[11-12].因此，针对三峡水库支流存在的生态环境问题，有必要弄清三峡干流与支流的水体交换规律及其作用下的支流库湾水质响应变化，从而对于控制水库水体富营养化，保障水库及长江中下游水生态安全具有重要意义.

近年来，相关研究学者对三峡水库支流水动力变化、营养盐和浮游藻类分布等方面进行了一定研究[13-16]，但大多是针对蓄水或泄水过程中的某一时间点或某一对象，缺少水库调度全过程的支流水文水动力与水质的驱动-响应研究.在自然季节性水文和人为水库调度的双重影响下，不同调度期或不同季节三峡干流与支流的水体交换过程如何？对应的支流库湾水体水质的时空分布如何响应？支流库湾水质分布变化又将引起怎样的生态效应？针对这些问题，该研究选择三峡干流与支流大宁河的交汇水域作为研究对象，基于水量平衡方程构建干支流交换水量计算公式，以表征干流倒灌输入和库湾流出水量的耦合作用结果.在干支流水体交换变化背景下，该研究又重点针对大宁河库湾ρ(TN)、ρ(TP)、EC(电导率)、藻密度等水质分布变化的驱动-响应原因进行研究，并讨论支流库湾水质分布变化对水体浮游藻类生长规律的影响，以期为三峡水库水环境质量管理和水生态安全保护提供科学参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域

大宁河是三峡水库一级支流，发源于重庆市巫溪县西北大巴山南麓，横贯重庆巫溪、巫山两县，于巫山县巫峡口汇入长江干流.大宁河位于108°44′E ～110°11′E、31°04′N ～31°44′N，流域面积约 4 050 km2，全长162 km，平均坡降约10.5‰，两岸大多分布为峡谷，受人类活动影响较小.大宁河流域属于亚热带季风气候，四季分明，年均温度16.6 ℃，年均降雨量 1 124 mm.2003年三峡水库蓄水运行后，大宁河水体流速降至厘米级，水体滞留时间半数以上大于300 d，水体富营养化加剧，每年春夏季节均发生水华事件[17].

1.2 采样点布置与监测方法

注：表示三峡干流流向；表示支流流向；表示干流倒灌支流流向.图1 三峡库区大宁河水文站和监测断面分布Fig.1 Distribution of hydrological stations and monitoring sections in the Daning River of the Three Gorges Reservoir

根据大宁河的地理地貌，该研究在大宁河库湾设置4个监测断面，，从库湾上游至下游(也称为河口区，靠近入江口)依次为大昌、双龙、白水河和菜子坝，分别距离入江口35、17、8、1 km；在三峡干流设置培石作为干流对照断面，位于入江口的干流下游1 km，如图1所示.水质监测指标包括水温、EC、透明度、藻密度、ρ(TN)和ρ(TP)，监测时间为2015年1—12月，监测频率为每月1次.

使用卡盖式采水器采集表层水样，现场采用Hydro lab DS5X型水质多参仪(美国哈希公司)测定水温和EC，采用塞氏盘测定透明度；另取表层水样经过《水和废水监测分析方法》[18]中相应预处理和保存方法处理后带回实验室，采用血球计数板计数法[19]测定水体藻密度；水样经过硫酸钾氧化后采用紫外分光光度法测定水体ρ(TN)；水样经碱性过硫酸钾氧化后采用磷钼蓝显色法测定水体ρ(TP)[18].为保证试验质量，水体样品测定上述水质参数时均设置3次平行样.

1.3 数据处理及分析方法

根据水量平衡原理，建立大宁河库湾水量平衡方程：

QU+QB-QO=ΔQR

(1)

式中：QU为大宁河上游径流输入库湾的流量，m3；QB为干流倒灌输入库湾的流量，m3；QO为从库湾流出而输入干流的流量，m3；ΔQR为库湾的库容变化量，m3.

收集2015年1—12月三峡水库巫溪、大昌、巫山和茅坪水文站的水位数据以及巫溪站的流量数据[20]，其中将巫溪站流量作为大宁河上游径流输入库湾的流量，即QU.根据三峡库区高精度数字高程模型和实测三峡坝前蓄水位，笔者所在课题组在前期建立了大宁河库湾的水位-库容曲线关系[21].将茅坪站的逐月水位平均值作为三峡坝前蓄水位，并代入水位-库容曲线方程(见图2)，计算得到大宁河库湾的逐月库容量(记为QRi，i=1,2,…,12).

图2 大宁河库湾的库容曲线Fig.2 Reservoir storage capacity curve of the Daning River Bay

若以月为时间单位，则每月大宁河库湾的库容变化量的计算公式为

ΔQRi=QRi-QR(i-1)(i=1,2,…,12) (2)

式中：QRi和QR(i-1)分别为第i月和第i-1月的库湾库容，m3；ΔQRi为第i月相对于第i-1月的库湾库容变化量，m3.

结合式(1)(2)，可计算得到干流倒灌输入库湾的流量与库湾流出至干流流量的差值，即干支流交汇区(三峡干流与大宁河库湾)的交换水量(QE)：

QEi=QBi-QOi=ΔQRi-QUi

(3)

式中：QEi为第i月干支流交汇区的交换水量，m3；QBi、QOi和QUi分别为第i月干流倒灌输入库湾的流量、库湾流出至干流的流量和大宁河上游径流输入库湾的流量，m3.

2 结果与讨论

2.1 大宁河库湾水位变化特征

2015年1—12月，三峡支流大宁河相关水文站的逐月水位变化情况如图3所示.由图3可见，茅坪站位于三峡大坝坝前约3 km，水位范围为145.90～174.24 m.其中，2—6月水位逐渐降至148.69 m，处于泄水期；7—8月水位维持在145.90～148.25 m，处于低水位期；9—10月水位逐渐升至172.10 m，处于蓄水期；11月—翌年1月水位维持在172.90～174.24 m，处于高水位期.

图3 2015年大宁河相关水文站的水位变化Fig.3 Water level of primary hydrologic stations in the Daning River in 2015

巫山站位于大宁河与三峡干流的交汇区域(作为入江口)，距离三峡大坝坝前约126 km，水位变化基本与茅坪站保持一致.大昌站位于大宁河库湾上游，距离入江口约35 km，水位范围为140.62～168.41 m，其水位相比巫山站约低5.7 m.从图3也可以看出，大昌站、巫山站水位的季节变化特征与茅坪站基本一致，水位年变幅均约30 m，这主要是三峡干流回水倒灌支流的作用结果.然而，巫溪站位于大宁河最上游的巫溪站(距离入江口约56 km)，水位年变幅较小，为203.58～204.25 m.这说明三峡干流水位变动对库湾上游大昌站水位影响明显，而对巫溪站水位已基本无影响.

2.2 三峡干流与大宁河库湾的交换水量估算

基于大宁河库湾的水位-库容曲线(见图2)和坝前茅坪站水位的2015年实测数据(见图3)，得到大宁河库湾库容的月变化范围为3.99×108～11.09×108m3，其中，1—8月(泄水期至低水位期)库容逐渐减小，9—12月(蓄水期至高水位期)库容逐渐增大.基于大宁河库湾的逐月库容和大宁河上游巫溪站的逐月流量数据，根据式(3)计算得到三峡干流与大宁河库湾的交换水量的逐月分布情况(见图4).交换水量的数值是三峡干流倒灌与大宁河库湾流出的流量综合作用下的结果.交换水量为正值，说明在干流倒灌和库湾流出现象可能同时发生的前提下，干流倒灌的流量高于库湾流出的流量；若为负值，说明在干流倒灌和库湾流出现象可能同时发生的前提下，库湾流出的流量高于干流倒灌的流量.

图4 2015年大宁河库湾库容、上游巫溪站流量及三峡干支流交换水量月变化Fig.4 Monthly variations of reservoir storage capacity of the Daning bay,water discharge of Wuxi hydrologic station and water exchange capacity between the Three Gorges Reservoir mainstream and the Daning River Bay in 2015

1—6月(泄水期)，三峡干流与大宁河库湾的交换水量均为负值，且其绝对值逐渐增大，表明此时期库湾流出的流量高于干流倒灌输入的流量.泄水期三峡干流水位逐渐降低，大宁河库容逐渐减小，而大宁河上游来水逐渐增加，从而此时期水体交换以库湾流出作用为主.7—8月(低水位期)，三峡干流水位稳定保持在145 m最低水位，大宁河库容减至最小，大宁河上游来水最大，进而大量上游来水流出库湾以保证大宁河库容减小，因此7—8月交换水量均为负值，其绝对值逐渐减小.9—10月(蓄水期)，三峡干流水位逐渐提升，大宁河库容大幅增加，干流快速提高水位的顶托作用导致大量三峡干流水体倒灌进入大宁河库湾，从而此时期水体交换以三峡干流倒灌输入作用为主，三峡干流与大宁河库湾的交换水量表现为正值.11—12月(高水位期)，三峡干流水位稳定保持在175 m，大宁河库容基本不变，但此时期仍有少量的大宁河上游来水流入库湾，为保证库容稳定此部分上游来水要流出库湾，这就解释了此时期交换水量逐渐减小为负值的原因.此外，从图4也可以看出：在三峡干流水位升降变幅快的时期(泄水期、蓄水期)，三峡干流与大宁河库湾的绝对交换水量(绝对值)相对较大；相反，在三峡干流水位稳定的时期(低水位期、高水位期)，三峡干流与大宁河库湾的绝对交换水量较小.

注：虚线左边为三峡干流的监测点;右边为大宁河库湾的监测点.图5 2015年三峡干流与大宁河库湾的水质情况Fig.5 Water quality of the Three Gorges Reservoir mainstream and the Daning River Bay in 2015

2.3 三峡干流与大宁河库湾的水质分布对比

2015年三峡干流培石断面表层水体的水温、EC和藻密度年均值分别为17.4 ℃、308 μS/cm和11.2×104L-1，大宁河库湾大昌至菜子坝断面的水温、EC和藻密度年均值分别为18.6～19.0 ℃、295～313 μS/cm和17.4～23.6×104L-1.干流培石断面表层水体ρ(TN)、ρ(TP)、TN/TP(摩尔比，下同)的年均值分别为1.93 mg/L、0.13 mg/L和34，库湾大昌至菜子坝断面表层水体ρ(TN)、ρ(TP)、TN/TP的年均值分别为1.41～1.82 mg/L、0.07～0.11 mg/L和36～55.由图5可见，干流培石断面的水温、ρ(TN)、ρ(TP)和TN/TP分布与入江口附近的菜子坝断面(大宁河库湾下游)最为接近，与库湾中游、上游断面差别相对较大.配对样品T检验结果显示，培石断面表层水体水温和藻密度显著低于大宁河库湾断面(Sig.双侧<0.05)，EC的区域差异性不显著.同时，培石断面表层水体ρ(TN)、ρ(TP)均显著高于大宁河库湾断面(Sig.双侧<0.05)，培石断面表层水体TN/TP显著低于大宁河库湾断面(Sig.双侧<0.05).

2.4 大宁河库湾水质参数的时空变化特征

由于三峡干流与大宁河库湾的水质参数〔尤其是水温、ρ(TN)、ρ(TP)〕具有差异性，不同时期干支流水体交换变化势必会引起大宁河库湾水质分布变化.该研究基于2015年1—12月大宁河库湾大昌、双龙、白水河和菜子坝四个断面的表层水体水温、EC、藻密度、ρ(TN)和ρ(TP)等水质参数的逐月数据，采用Kriging差值法分别得到各水质参数的时间(1—12月)-空间(距离入江口0～35 km的库湾水域)分布(见图6).大宁河库湾表层水体水温范围为10.6～26.5 ℃，整体上库湾水温的空间分布差异较小，但季节性变化明显，冬季、春季水温低，夏季、秋季水温高.库湾表层水体藻密度范围为6.6×104～50.8×104L-1，其中5—9月距离入江口0～20 km的库湾中游、下游水域的藻密度相比上游水域较高.库湾表层水体EC范围为268～369 μS/cm，整体上库湾中游、下游水域的EC高于上游水域，其时空变化特征：1月EC高值分布集中在距离入江口0～5 km范围水域；随后2—5月EC高值分布逐渐向上延伸至距离入江口0～20 km水域；6—10月又进一步向上延伸至距离入江口0～25 km水域；11—12月缩减至距离入江口0～5 km水域.

注：图例中1个色块代表一个数值，数值放在了色块上下边的中间.图6 2015年大宁河库湾表层水体水质参数的时空分布变化Fig.6 Variations of temporal and spatial distributions of water quality parameters in surface water of the Daning River Bay in 2015

大宁河库湾表层水体ρ(TN)、ρ(TP)范围分别为1.14～2.67、0.03～0.20 mg/L，整体上库湾中游、下游水域ρ(TN)、ρ(TP)均高于上游水域(见图6).对于水体ρ(TN)，其高值分布逐渐由距离入江口0～5 km范围水域(1—6月)向上延伸至0～30 km水域(7—12月)；对于水体ρ(TP)，其高值分布逐渐由距离入江口0～5 km范围水域(1—5月)向上延伸至0～20 km水域(6—12月).大宁河库湾表层水体TN/TP范围为20～93，其时空变化特征表现为1—12月库湾上游水域(距离入江口30～35 km范围)表层水体TN/TP基本高于50，而库湾中游、下游水域(距离入江口0～20 km范围)表层水体TN/TP大多低于50，尤其5—9月库湾中游、下游水域TN/TP仅处于30～40.

2.5 大宁河库湾水质分布变化的原因分析

一般情况下，影响河流水体水质分布的因素通常有污染源、水动力条件、水环境条件及水文地质条件等.随着三峡水库蓄水运行，干流回水倒灌是支流库湾水量、氮、磷等的重要补给来源[9].RAN等[10]研究表明，三峡干流倒灌输入水量、大宁河上游径流输入水量分别占大宁河库湾水量的73%、27%.另外，大宁河流域地处丘陵地带，森林覆盖率高，城镇用地利用率相对小，流域内没有大型工矿企业，点源和非点源负荷量低且输出风险概率较小[22-24].对于沉积物内源，已有研究[25-26]表明大宁河沉积物内源磷释放对上覆水的影响程度非常小，仅有0.062%.因此，从污染源方面可基本认为，三峡干流回水倒灌和大宁河上游来水是大宁河库湾水量及水体氮、磷营养盐的重要来源，大宁河库湾水域周边外源性污染源输入量、库湾沉积物内源释放量相比两大主流输入量(干流倒灌输入、上游来流)可忽略不计.

从水动力方面来看，大宁河库湾处于三峡干流与支流水体交换强烈的区域，干支流的来水水质差异势必影响其库湾水质分布变化.淡水河流中水体EC常被用为反映不同水团交换情况的示踪指标[8]，水体EC表示水体中含盐成分、含离子成分(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-等)数量，其在水体不易发生化学反应从而表现出较好的化学保守行为.相对地，水体氮、磷营养盐的保守行为不如EC，主要因为氮、磷在水团交换过程中易与泥沙颗粒、浮游生物(如藻体)等发生吸附、沉降、吸收、转化和分解等作用[27-29].因此，从大宁河库湾表层水体EC、ρ(TN)、ρ(TP)的时空变化特征可基本洞悉水动力影响下的大宁河库湾水质分布的驱动-响应过程：①蓄水期(9—10月)，相当数量的三峡干流回水随着水位提升而被倒灌进入大宁河库湾，推动库湾表层水体EC、ρ(TN)、ρ(TP)高值大幅向库湾上游水域延伸.②高水位期(11—12月)，干流水位稳定在175 m，导致前期回灌水体继续滞留在大宁河库湾中，此时期库湾表层水体ρ(TN)、ρ(TP)高值分布仍未缩小.③从高水位期至泄水前期(1—5月)，大宁河库湾以流出水量为主，即前期滞留在库湾的部分水体被排出库湾，导致库湾表层水体EC、ρ(TN)、ρ(TP)高值分布范围缩小，仅在入江口附近0～5 km范围水域集中.④从泄水后期至低水位期(5—8月)，大宁河库湾的流出水量与干流倒灌输入水量的差距进一步加大，然而此时期库湾表层水体EC、ρ(TN)、ρ(TP)高值分布并未缩小，反而表现为向库湾中游、上游延伸，考虑有两方面的原因.一方面与距离入江口0～20 km库湾水域的藻密度高有关.藻体本身贡献于水体颗粒态氮、颗粒态磷含量而导致水体ρ(TN)、ρ(TP)升高，死亡藻体分解能产生大量无机盐离子和有机酸而导致水体EC升高[30].另一方面由三峡干流分层回水倒灌所造成.刘德富等[31]研究发现，在三峡支流香溪河库湾，从2月开始三峡干流底层倒灌开始发育，4月演变为中层倒灌，9月演变为表层倒灌，11—翌年1月倒灌现象不明显.推测三峡支流大宁河库湾可能存在着类似的倒灌演变模式，即5—8月三峡干流从中层或表层倒灌进入大宁河库湾，大宁河上游来水从底层流出库湾，从而造成泄水后期至低水位期表层水体EC、ρ(TN)、ρ(TP)高值分布继续向库湾上游延伸的现象.综上，特殊的污染源分布、水动力条件及特定时期藻体生长分布耦合影响着大宁河库湾表层水体EC、ρ(TN)和ρ(TP)的时空分布变化，其中干支流水体交换是影响库湾EC、ρ(TN)和ρ(TP)分布变化的主要因素.

2.6 大宁河库湾水质分布变化对浮游藻类生长的影响分析

水体营养状态影响着浮游藻类的生长代谢过程，同时浮游藻类生长代谢也会对水体氮、磷等营养元素的循环过程产生影响.水体ρ(TN)、ρ(TP)及其比值是反映水体营养特点的重要评价指标，国际上曾提出ρ(TN)为0.2 mg/L、ρ(TP)为0.02 mg/L是水体富营养化的营养盐阈值[32].Guildford等[33]研究表明，海洋和湖泊水生态系统中ρ(Chla)与ρ(TP)呈正相关，与ρ(TN)相关性较弱；当水体TN/TP>50时为磷限制，TN/TP<20时为氮限制.2015年大宁河库湾表层水体ρ(TN)、ρ(TP)均分别高于0.2、0.02 mg/L，库湾水体具备浮游藻类生长繁殖所需的营养条件.大宁河库湾表层水体TN/TP为20～93，说明部分时期部分断面水体处于磷限制的营养状态.

对大宁河库湾表层水体藻密度、水温、EC、ρ(TN)、ρ(TP)和TN/TP进行相关分析显示，大宁河库湾表层水体藻密度与TN/TP呈显著负相关，与水温、EC均呈显著正相关，与ρ(TN)、ρ(TP)相关性不明显.从图6也可以看出，大宁河库湾藻密度与TN/TP的时空变化特征相反.5—9月大宁河库湾中游、下游水域(距离入江口0～20 km)藻密度较高，此时期此水域TN/TP分布在30～40 (非氮非磷限制的营养状态)之间，合适的营养结构有利于藻类生长繁殖；5—9月大宁河库湾上游水域TN/TP高于50(磷限制)，磷限制的营养状态可能是导致此时期库湾上游水域藻密度较低的原因.10—12月库湾整体水域TN/TP基本高于50，磷限制可能导致此时期库湾整体水域藻密度较低.相应地，1—5月距离入江口0～30 km范围的库湾水体TN/TP均在30～50，理论上此营养结构适合藻类生长繁殖，实际上1—5月大宁河水温(≤17 ℃)明显低于其他时期(见图6)，低水温不利于藻类生长繁殖[34]，造成1—5月大宁河库湾藻密度较低的现象.

3 结论

a) 三峡干流回水倒灌、大宁河上游来水是大宁河库湾水量的主要来源.基于大宁河库湾水量平衡方程，建立了三峡干流与大宁河库湾的交换水量计算公式，表征了干流倒灌输入水量和库湾流出水量的耦合作用结果.9—10月(蓄水期)，三峡干流与大宁河库湾的交换水量为正值，以干流倒灌输入水量为主；其他时期交换水量为负值，库湾流出水量大于干流倒灌输入水量.

b) 三峡干流水体EC、ρ(TP)和ρ(TN)高于大宁河上游来水，不同调度期干支流水体交换特征变化驱动大宁河库湾水体EC、ρ(TP)和ρ(TN)分布的响应变化.蓄水期至高水位期，库湾表层水体EC、ρ(TP)和ρ(TN)高值分布向上延伸至距离入江口0～20 km及以上的库湾水域.泄水期至低水位期，大宁河库湾流出水量大于干流回水倒灌水量，其表层水体EC、ρ(TP)和ρ(TN)高值分布先集中于距离入江口0～5 km水域，随后向库湾中游方向延伸，可能因泄水后期、低水位期仍有少量干流回水从中表层方向倒灌及库湾中游藻密度高引起.

c) 大宁河库湾水体氮、磷营养结构的时空分布变化影响着浮游藻类生长分布.5—9月大宁河库湾中游、下游水域(距离入江口0～20 km)藻密度明显高于其他时期其他水域，与水温适宜、非氮非磷限制的营养结构(TN/TP为30～40)促进藻类生长繁殖有关.