三峡水库干流水体类型判定及水华风险分析

杨正健，杨 林，俞 焰，刘德富,

(1．湖北工业大学资源与环境工程学院，武汉 430068；2．河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉 430068；3. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

水库蓄水较大程度地改变了原有河流生境条件，河流连续性遭到破坏，原河流生态系统演变为水库生态系统，并可能伴生系列生态环境问题[1]。以三峡水库为例，干流断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]。三峡水库支流的水动力学改变，导致了支流出现水体富营养化及藻类水华问题，水华藻种也由河流型的硅、甲藻向湖泊型的有毒蓝、绿藻演替[3]，已成为三峡水库最严重的环境问题[4]。

三峡水库支流水华被认为是蓄水导致的水流减缓[5]，而三峡水库干流营养盐、温度和光照条件虽满足藻类水华暴发的基本条件，但因流速相对较大而未暴发藻类水华[6]，但究竟是何种水动力条件抑制了藻类水华发生，干流是否存在水华风险，目前尚未完全明确。本文将系统分析三峡水库蓄水后干流水温变化规律，从水温分层的角度来判定干流水体类型，并由此讨论三峡水库干流水华风险，以期为三峡水库后期生态环境保护和运行管理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点设置

为系统分析三峡水库干流水体特征，根据三峡水库干流地形条件、水位情势，自三峡水库坝前至库尾江津每个城市水域(约每隔40 km)中泓线上设置一点进行原位监测，依次记为：MP(茅坪)、GJB(郭家坝)、BD(巴东)、WS(巫山)、FJ(奉节)、LD(龙洞乡)、YY(云阳)、WZ(万州)、SBZ(石宝寨)、ZX(忠县)、FD(丰都)、FL(涪陵)、CS(长寿)、CQ(重庆)、JJ(江津)等15个点。当三峡水位在145 m运行时，采样区间为茅坪-丰都；当三峡水位在156 m运行时，采样区间为茅坪-长寿；当三峡水位在175 m运行时，采样区间为茅坪-江津。各采样点所在三峡水库位置示意图见图1所示。

图1 三峡水库干流采样点布设位置示意图Fig.1 Sampling Sites in the mainstream of the TGR

1.2 监测指标及频率

根据前期研究经验，结合三峡水库运行过程情况， 对三峡水库干流设置的MP-JJ共15采样点进行监测(图1)。监测指标包括：气温、水温、浊度、含沙量、水下光合有效辐射强度(PAR)、透明度、水流流速、流向、叶绿素a浓度等指标。其中MP-JJ全干流监测频率为1次/季度，选取GJB作为长江干流近坝段水体加密持续观测点，观测频率为1次/周。

1.3 分析测试方法

流速、流向采用Vector三维点式流速仪(挪威)现场测定[7]；水温、浊度、溶解氧、水深等参数由Hydrolab DS5多参仪(美国)现场测定；光合有效辐射强度(PAR)由LI1400水下光量子仪测定；透明度用塞氏盘法现场直接测量；湿度、气温由温湿度计测定；坝前水位及流量从中国长江三峡集团公司获取。现场分层取水样带回实验室，根据《水和废水监测分析方法(第四版)》[8]测定水中叶绿素a浓度；同时在采样点取表层水10 L 带回实验室静置48 h, 采用称重法测量水体中的含沙量[9]。

1.4 数据分析方法

(1) 水体稳定性。水体浮力频率平方值作为水体稳定性评价指标[10,11]，计算公式如下。

N2=(g/ρ)·(dρ/dz)

(1)

式中：g是指重力加速度，取8.809 2597 m/s2；N2为水体浮力频率平方值，s-2；ρ是水体综合密度；z是指水深，以水体表面作为起始面，沿水深向下作为正方向。

以三峡水库干流3月出现弱水温分层时对应的浮力频率平方值作为分层水体与过渡水体的判定阀值，对应下降一个数量级为过渡水体与分层水体的判定阀值，即当N2<5×10-5s-2时，判定水体为混合水体，当N2>5×-4s-2时，判定水体为稳定分层水体，当5×10-5s-2

(2)水体滞留时间。水体滞留时间是另一个反映水流与水质之间关系的重要参数[13]。计算公式如下。

Tr=V/Q

(2)

式中：Tr为水体滞留时间；V为水库库容；Q为入库总流量。

(3)混合层、真光层。混合层(Zmix)根据Montégut[14]提出的计算方法得到，按与表层水温首次相差0.5 ℃水温对应的水深计算。真光层(Zeu)根据按照Beer-Lambert原理，取表层PAR的1%的PAR对应水深以上区域[15,16]，计算公式即为：

Zeu=(1/Kd)·ln(100/1)

(3)

式中：Kd为水下光衰减系数，m-1，根据Beer-Lambert原理计算得到。

2 结果与分析

2.1 干流水温季节变化规律

以干流郭家坝(GJB)采样点作为干流水温时间变化分析点，监测得到的干流表、底水温随时间变化规律如图2所示，其中图2(a)为表底温差变化图，图2(b)为表、底水温变化图。从图2(b)可以看出，三峡水库干流水温在一年内变化呈现显著的周期性，均在每年2月底达到年内最低值，一般在12 ℃以下，其中2008年是这5年中最低的，表层水温接近10℃；每年3月以后，水温逐渐回升，在8月底达到每年的最高水温，整体在27 ℃左右，2009年最高水温不到26 ℃，在这几年中是最低的；每年9月以后干流表层水温开始下降，直至次年2月底又降至最低值。底层水温随时间的变化规律基本与表层水温基本一致，每年底层的最低温度略低于表层水温，出现时间与表层水温略显滞后；底层最高温度与表层最高温度基本一致。

整体来看，干流表底温差并不显著，最大表底温差出现在2008年，但不超过3.0 ℃，如图2(a)所示。但是，每年表底温差的月际变化差异也还比较明显，以2008年为例来说，在3-5月是表底温差集中相对较大的季节，3月初温差达到最大，为2.7 ℃；但在6-10月表底温差不足0.5 ℃，11月至2009年3月，表底温差几乎为0，还出现了略微的逆温。除2009年汛后蓄水期出现了相对较大的表底温差外，其他年份整体变化趋势与2008年类似。这与部分数值模拟预测三峡水库存在8～9 ℃表底温差存在一定的差异[17]，可能是因模拟过程中没有考虑水库泥沙沉降导致的水体垂向能量交换所致，需要进一步研究。

图2 长江干流GJB表、底水温随时间变化规律图Fig.2 Temporal changes of water temperature in surface and bottom water layer in GJB

2.2 干流水温垂向变化规律

长江GJB水温垂向分布规律见图3所示，还是以2008年为例来进行分析。从图3(a)可知，2008年长江干流水温垂向分布的最大特点是整个剖面水温几乎是随表层水温的变化而整体推移变化，除3月及5月在10 m水深以内有较弱的水温梯度以外，其他几月几乎没有水温垂向梯度。其中水温最大值出现在8月，接近27.0 ℃，水温最低温出现在3月10 m水深以下，接近8.0 ℃；4月与1月水温相近，在13.5 ℃左右。就水温分层而言，3月水温出现了分层趋势，但分层并不显著，温差不超过3.0 ℃；5月次之，其他月份无分层。2009-2012年水温剖面分布整体趋势与2008年大体一致，但2009年5月和2012年1月在干流底层范围出现了温度突变，这可能与后文分析的香溪河底部低温出流有关；2011年水温分层出现在4月，与其他年份略有差异。

整个水库干流水温的纵剖面分布规律见图4所示。从图4中可以看出，长江干流水温垂向均无显著的水温分层，但在2010年4月水温垂向分布略有分层，说明此时段水体混合程度较其他时段要略弱一些，这与图2的分析结果一致。关于纵向水温差异问题，可能主要是因监测的滞后效应导致的，因为每次监测都是自坝前至重庆依次监测，时间持续约20 d，而每年3-8月为升温过程，8月-次年3月降温过程，故出现了如图3所示的纵向上水温显著差异。

2.3 干流水体滞留时间变化规律

三峡水库干流(GJB)水体滞留时间年度变化规律见图5所示。从图5中可以看出，干流水体滞留时间年内变化非常显著，一般在入库流量较高的汛期，水体滞留时间均在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，水体滞留时间均大于30 d，这与入库流量呈显著的负相关关系。三峡水库干流水体滞留时间95%以上均小于90 d，这说明三峡水库干流属于混合水体，不易出现水库水温分层，图2～图3的监测结果也验证了此处的推论。

2.4 干流水体稳定系数变化规律

以水体混合层深度和水体稳定系数作为参数来分析三峡水库干流水体分层特征，详见图6所示。其中混合层深度以与表层相差0.5 ℃处水深为标准，水体稳定系数以“浮力频率(N2)”表示；图中部分水深小于40 m是因为监测时因大风而未将多参数仪放到库底所致。

从图6中可以看出，三峡水库混合层深度除在每年3-55月的极少数时间小于20.0 m以外，其他时间内均与干流水深相等，即说明三峡水库只在少数时间内出现水体分层，而其他时段均属于完全混合水体，这与上文分析结论一致。就水体稳定系数而言，只有在混合层低于10.0 m时浮力频率才大于5×10-5s-2，98%以上时间的浮力频率均小于5×10-5s-2，若按照50×10-5s-2作为分层水体判定标准，则三峡水库干流属于混合型水体，在极个别时段内处于过渡型水体状态。

图3 长江干流GJB水温垂向分布规律图Fig.3 Profile distributions of water temperature in GJB from 2008 to 2012

图4 水库干流不同时期内水温纵向剖面分布图Fig.4 Profile distributions of water temperature in different seasons from Maoping to Chongqing

图5 三峡水库干流水体滞留时间年际变化图Fig.5 Temporal changes of water residence time in the TGR from 2008 to 2012

3 讨 论

3.1 三峡水库干流水体类型分析

一般来说，水体分层是水库由河道型水体转化为湖泊型水体的典型表征，也是反映水库生态系统演变的关键参数[18]，诸多水库生态环境问题都与水体分层有关[1]，因此，如何判定水体是否属于分层水体成为界定水库水体类型的关键。在我国，经常判定水库是否发生分层的参数主要包括水体滞留时间[19]以及α判定值[20]。滞留时间反映了水库水体更新特征及水体可能分层情况，滞留时间越长，水库水体更新越慢，水库水温分层风险越大；反之水库更新越快，水库不易出现水体分层；α值越大，水体处于混合状态，α值越小，水体越易出现分层。

本文采用水体浮力频率[10]并与水体滞留时间、α判定值等参数对照来分析三峡水库干流水体类型，其经验判定阈值范围如表1所示。根据水体类型的判定分类，将水库水体分为河流型、过渡型和湖泊型等3种类型，其中河流型水库中水体处于完全混合状态，不存在水温分层，水体浮游植物生长受到限制，不会暴发藻类水华；湖泊型水体则会出现经典的水温分层，水体呈现典型的富营养化分级状态，如果营养盐充分，浮游植物将迅速繁殖导致水华暴发风险较大；过渡型水体居于二者之间，间歇式水温分层和阶段性水流增大对浮游植物产生综合影响。

计算所得三峡水库干支流水体类型判定指标在不同季节的变化值如表2所示，从表中可以看出，不同判定指标实际计算值得到的三峡水库干流水体类型具有一定的差异。从三峡水库干流实际监测水温分层状态来看，在春季，三峡水库干流泥沙含量较低，水体在3月和8月出现弱分层现象，属于过渡型水体，其他时段不分层，属于河流型水体，浮力频率分类结果与实际情况吻合较好。而水体滞留时间和α判定值都不能反映出秋、冬季三峡水库温度递减导致的水体垂向混合状态，评估得到三峡水库在秋冬属于过渡水体的结果与实际情况有一定差异。因此，滞留时间和α判定值不能反映三峡水库干流冬季的水体类型。整体来看，3个判定指标的判定都表明三峡水库属于河流型-过渡型水体，由此可判定，在目前入库条件不发生较大变化的情况下，三峡水库干流水体不会出现明显的水温分层，浮游植物生长受到水流的限制，不会发生显著的藻类水华。

表1 水库水体类型判定参数对比分析表Tab.1 Comparative analysis of the paramaters to determine the water body type

表2 三峡水库干流水体类型判定指标实际值Tab.2 Monitoring value of the water body type determined paramaters in mainstream of the TGR

3.2 三峡水库干流水华风险分析

三峡水库建成以后，干流断面平均流速下降至0.4 m/s以下水平，坝前深水区断面平均流速更是接近或低于0.1 m/s[21,22]。流速的减缓、水深的加深一方面导致干流泥沙迅速沉降，水体透光性增大，另一方面则容易导致水库垂向温度分层，垂向交换能力减弱[23]。因三峡水库干流氮、磷营养盐分别长期高于0.1和0.05 mg/L，本身已超过了国际公认的水体富营养化阈值[24]。因此，只要三峡水库的水动力满足水华发生条件，则有可能暴发藻类水华。就水华机理而言，水华藻类只有在2.4～2.7倍透明度的真光层内才能接收有效光照进行光合作用并繁殖，在真光层以下水体中则衰亡[25]，而藻类密度与水体密度差别不大，基本随水体的运动而运动。因此，水体的垂向掺混深度直接决定于藻类停留在真光层内的概率。根据临界层理论(Critical depth theory)[26,27]，在营养盐充分的环境下，决定水华藻类在水体中增殖风险的影响因数是光补偿深度(Compensation Depth，Zc)、混合层(Mixing depth，Zm)、临界层(Critical depth，Zcr)之间的相互关系，即，当Zm≤Zc时，藻类始终停留在最佳光照环境中，藻类增殖最快，水华风险最大；当Zc

三峡水库干流水体的水华情势及相关因子分析如图7所示，从图7中可以看出，在2008年3月和2009年3月长江干流GJB样点叶绿素a浓度有超过10 μg/L的情况，尤其2008年3月16日叶绿素a浓度接近10 μg/L，已达到水体富营养化的叶绿素a浓度界定值[21]。此时水体混合层深度约为5 m，小于临界层深度9 m，在其他时期，水体混合层深度都远大于临界层深度，故叶绿素a浓度均低于10 μg/L，这种现象与上述临界层理论的推断非常一致。就干流水体混合层影响因素来看，在2-3月上游来流量较小的情况下出现了水体分层，在其他流量相对较大的时期水体均处于混合状态，因此，三峡水库干流水体分层取决于上游入库来流情况。而对于干流临界层深度，则与干流水体泥沙含量呈明显的负相关关系，即在泥沙含量相对较大的5-9月，临界层几近为0，但在泥沙含量相对较小的10至次年4月，临界层均在10 m左右[图7(b)]。因此，就三峡水库干流水体类型来看，目前干流只在3月处于过渡状态，具有一定的水华风险；其他时段均属于混合水体，藻类水华风险很小，不会暴发藻类水华。

图7 三峡水库干流水华暴发风险及其影响因素Fig.7 Risk of algal bloom and its effected factors in mainstream of the TGR

4 结 语

三峡水库干流水体受上游季节性入库流量和泥沙影响，除在3月会因流量减少而呈弱分层以外，其他时段干流均属于混合水体，且采用浮力频率参数更适合于评价三峡水库这种河道型水库干流水体类型。根据临界层理论，目前三峡水库干流在3月有较小的水华风险，其他月份因混合层大于临界层而不会发生藻类水华。

但随着三峡水库上游流域水土保持工作开始发挥作用，加之上游梯级水库的建成运营，三峡水库上游泥沙入库总量必然会继续减少，入库规律也将发生显著改变，这将使干流临界层深度增大并发生季节性变化。另外，上游梯级水库对三峡水库入库水量和水温的影响也可能加速干流水体分层。如果这两种影响出现在同一时期，则可能增大三峡水库干流的水华风险。因此，有必要继续关注三峡水库干流受上游梯级水库群影响后的水华风险。

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[1] 汪恕诚. 论大坝与生态[J]. 水力发电, 2004,30(4):1-4,14.

[2] 张 远, 郑丙辉, 刘鸿亮,等. 三峡水库蓄水后氮、磷营养盐的特征分析[J]. 水资源保护, 2005,21(6):23-26.

[3] 中国环境监测总站. 长江三峡工程生态与环境监测公报[R]. 北京:中华人民共和国环境保护部, 2004-2011.

[4] 吴晓青. 完善环保标准，推进环保工作[EB/OL]. http:∥www.gov.cn/zxft/ft108/content_958882.htm,2008-09-30.

[5] 李锦秀, 杜 斌, 孙以三. 水动力条件对富营养化影响规律探讨[J]. 水利水电技术, 2005,36(5):15-18.

[6] 杨正健. 分层异重流背景下三峡水库典型支流水华生消机理及其调控[D]. 武汉:武汉大学, 2014.

[7] 马 骏, 刘德富, 纪道斌, 等. 三峡水库支流库湾低流速条件下测流方法探讨及应用[J]. 长江科学院院报, 2011,28(6):30-54.

[8] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版. 北京:中国环境科学出版社, 2005.

[9] GB50159-1992，河流悬移质泥沙测验规范[S].

[10] Rolf G L, Todd D M. Topographically induced mixing around a shallow seamount[J]. Science, 1997,276(5 320):1 831-1 833.

[11] Bertram B, Maitin S. Stratification of lakes[J]. Reviews of Geophysics, 2008,46(2):1-27.

[12] 杨正健, 刘德富, 马 骏,等. 三峡水库香溪河库湾特殊水温分层对水华的影响[J]. 武汉大学学报(工学版), 2012,45(1):1-9.

[13] 富 国. 湖库富营养化敏感分级水动力概率参数研究[J]. 环境科学研究, 2005,18(6):80-84,102.

[14] Clément D B, Gurvan M, Aibert S F,et.al. Mixed layer depth over the global ocean: An examination of profile data and a profile-based climatology[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2004,109(C12):1-20.

[15] Khanna D R, Bhutiani R, Chandra K S. Effect of the euphotic depth and mixingdepth on phytoplanktonic growth mechanism[J]. Internetional Journal of Environmental Research, 2009,3(2):223-228.

[16] Sakshaug E, Bricaud A, Dandonneau Y, et. al. Parameters of photosynthesis: definitions, theory and interpretation of results[J]. Journal of Plankton Research, 1997,19(11):1 637-1 670.

[17] 长江水利委员会. 三峡工程生态环境影响研究[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社, 1997.

[18] Lee C B, Peter A T. Chemical stratification and partial meromixis in reservoirs in Tasmania[J]. Hydrobiologia, 1990,194:67-83.

[19] 张 远, 郑丙辉, 富 国. 河道型水库基于敏感性分区的营养状态标准与评价方法研究[J]. 环境科学学报, 2006,26(6):1 016-1 021.

[20] 卞俊杰, 陈 峰. 三峡水库蓄水后库区水温影响分析[J]. 水利水电快报, 2006,27(19):7-10.

[21] 李崇明, 黄真理, 张 晟,等. 三峡水库藻类“水华”预测[J]. 长江流域资源与环境, 2007,16(1):1-6.

[22] 邓春光, 龚 玲. 三峡库区富营养化发展趋势研究[J]. 农业环境科学学报(增刊), 2007,26(279-282).

[23] 黄廷林, 李建军. 扬水曝气技术对汾河水库原水水质的改善[J]. 供水技术, 2007,1(4):13-16.

[24] 胡中意, 欧阳娴. 富营养化水体中的氮磷及其去除研究[J]. 中国市政工程, 2006,121(3):39-41.

[25] 丛海兵, 黄廷林, 赵建伟. 扬水曝气技术在水源水质改善中的应用[J]. 环境污染与防治, 2006,28(3):215-218.

[26] Sverdrup H U. On Conditions for the vernal blooming of phytoplankton.[J]. Explor Mer, 1953,18:287-295.

[27] Siegel D A, Doney S C, Yoder J A. The north atlantic spring bloom and sverdrup's critical depth hypothesis[J]. Science, 2002,296:730-733.