三峡库区水质和水龄数值模拟研究

三峡水库是我国重要的生态屏障和水资源战略储备库,保护水库的水质安全对于国家经济发展和社会稳定具有重要战略意义.本文基于EFDC模型模拟了2010—2014年三峡库区及主要支流的水动力水质过程,重点研究上游来水和重点支流对库区水质的影响及水龄变化特征,结果表明：①模型可定量研究重点支流输入对库区水质的影响,17条支流中仅金沙江、嘉陵江、乌江和木洞河对库区水质贡献率较大,其他支流总体贡献率小于1%;各支流对库区氨氮、COD和TP的贡献率沿程呈下降趋势,其中,上游来水（金沙江）对库区水质影响最大,高于65%.②丰水期嘉陵江和木洞河对库区水质的贡献率较枯水期增加,增加幅度为4%~23%,主要表现为水质指标氨氮和TP的增加,研究结果可为库区支流富营养化方面的研究提供科学依据.③2010—2014年除寸滩外,干流其他断面水龄呈缓慢增长趋势,干流水龄和各支流河口水龄都呈现上游至坝前的增长趋势,在枯水期和平水期尤为明显;库区水龄与流量和水位存在定量关系,支流河口水龄与支流本身流量也有一定关系.     

三峡水库典型支流磷素赋存形态特征及其成因

采用2018年三峡水库低水位期（6月）、蓄水期（9月）和高水位期（12月）对库区内的典型一级支流——香溪河与神农溪回水区水质、水动力及环境因子的监测数据,对比分析了三峡水库内的典型支流在水库不同调度期时水体中磷素的存在形态及成因.结果表明,香溪河与神农溪库湾水体总磷（TP）质量浓度变化范围分别为0.049~0.168 mg·L^-1和0.059~0.152 mg·L^-1,均满足水华暴发0.02 mg·L^-1这一阈值.支流库湾水体中总磷（TP）质量浓度均表现为：蓄水期 > 高水位期 > 低水位期,正磷酸盐（DP）质量浓度表现为：蓄水期≫低水位期 > 高水位期,颗粒态磷（PP）质量浓度表现为：低水位期 > 高水位期 > 蓄水期,Pearson相关性分析显示,支流库湾水体中的总磷和正磷酸盐与水体的温度和pH之间存在显著相关性,温度与pH是影响沉积物及消落带土壤磷素释放的关键因素.三峡水库在低水位期与高水位期运行时,支流库湾水体中总磷（TP）均以颗粒态磷（PP）为主要存在形态,颗粒态磷（PP）所占总磷（TP）的质量分数分别均达到了75%和60%以上,蓄水期时库湾水流流速减缓,颗粒态磷（PP）的沉降作用增强,总磷（TP）以溶解态磷（DTP）为主要存在形态.     

三峡水库营养状态评价标准研究

采用一维水力学模型和30年的系列水文数据,计算了三峡库区干流及其主要支流在不同来水条件下的月滞留时间和月平均流速,通过统计不同类型滞留时间和流速的发生概率,综合计算了库区的富营养化敏感指数,对三峡库区水体的敏感类型进行了划分,将库区水体分为河流型、过渡型和湖泊型3种.根据三峡水库营养状态调查结果,统计分析了过渡型和湖泊型水体的营养指标分布概率、富营养化阈值及其与叶绿素a的回归关系,确定了库区过渡型和湖泊型2种水体的营养指标分级标准值,提出了三峡水库营养指标指数值的确定方法和权重大小,对三峡水库不同类型敏感区的营养状态进行了综合评价,分析了评价结果与同期监测的浮游植物密度的相互关系,从而对三峡水库的评价标准和评价方法的科学性进行了验证.结果表明,三峡水库富营养化敏感程度从库尾至库首逐渐增加,三峡库区长江在银杏沱以上江段为河流型水体,在银杏沱至坝前江段为过渡型水体,位于丰都县以下的支流的回水区以湖泊型水体为主.分别制定了三峡水库过渡类型区和湖泊类型区的营养状态标准值,依据该标准所开展的营养状态综合评价结果与浮游植物数量具有显著的相关性,其中湖泊类型区的营养化程度高于过渡类型区,与三峡水库的现实状态相符合.     

三峡水库支流回水区富营养化时空分布特征

为了解三峡水库175m水位蓄水后库区支流回水区富营养化现状,探索支流回水区富营养化时空变化规律,在三峡库区支流回水区开展了富营养化普查和监测。结果表明,库区支流总磷浓度为0.035~0.65 mg/L,平均浓度为0.157 mg/L,总氮浓度为0.681~5.690 mg/L,平均浓度为2.037mg/L,远远高于湖库水体出现富营养化的总磷和总氮临界浓度0.02、0.2 m g/L,库区支流营养盐条件适宜藻类生长。在每年4~9月的春季、盛夏和夏秋之交的非暴雨时段,当气温和光照适宜,支流回水核心区富营养化现象明显,出现藻类"疯长"的水华现象,但受气温变化影响明显,库区的富营养化现象仍是间歇的,局部的。     

三峡水库支流营养状态评价方法

综合应用国内外湖库营养控制标准的制订方法的基础上,提出了湖泊富营养化评价的综合营养指数校验法,并对三峡库区支流进行了富营养化评价.结果显示,调查期间,30条支流中,19条支流的平均营养状态指数为富营养化水平,11条支流的平均营养状态指数为中营养水平.4～9月各支流的平均综合营养状态指数值均达到富营养化水平,8月份出现最大值(55.43),显示春、夏季节库区支流发生富营养化的风险较高,应为控制库区富营养化发生的敏感时期.与目前国内传统的由"七五"期间调查的26个湖泊总结得出的"湖库富营养化评价方法及分级技术规定"的评价方法相比,综合营养指数校验法的评价结果比较符合三峡水库支流的实际水质状况,适用于三峡水库支流的富营养化评价.     

三峡库区回水区营养盐和叶绿素a的时空变化及其相互关系

为探讨三峡水库调度运行背景下,库区回水区营养盐和叶绿素a时空变化及其相互关系,于2013年5月~2014年5月在三峡库区北岸最大、也是库区水华频发的支流——澎溪河的回水区高阳平湖进行了定点和高频监测.结果表明水体热分层是高阳平湖水华发生的诱导因素.高阳平湖水体热分层发生于春季(3月初),消亡于夏末(9月中旬),冬季没有分层.2014年春季,随着水体分层的发生和发展,表层叶绿素a在69 d内从14.92μg·L-1骤增至183.73μg·L-1,并暴发水华,之后叶绿素a随着混合层深度增加而下降.水体没有分层时,表、中和底层营养盐浓度相近;水体分层之后,各层磷浓度有了明显差异,表层和底层总磷浓度相差(0.18±0.04)mg·L-1.高水位期(9月至次年4月),高阳平湖硝氮和溶解性磷高于低水位期(5~8月)的含量,分别占总氮、总磷浓度的71.4%~95.4%和42.7%~94.4%,是总氮和总磷的主要组成部分,干流倒灌输入的硝氮和溶解性磷是其主要来源.     

三峡水库蓄水不同阶段总磷的变化特征

基于三峡水库2003年后的蓄水特点,本文将2003~2017年划分为4个蓄水阶段.根据三峡水库2003~2017年每月的水文水质数据,分析了自蓄水以来不同蓄水阶段总磷的变化特征.研究发现,首次蓄水阶段,三峡水库的滞留效应从2005年开始凸显.蓄水试运行阶段,干流断面总磷年均浓度在2008年沿程明显降低,此后清溪场断面受到乌江高浓度总磷汇入的一定影响.高水位正常运用期,除清溪场断面外,从铜罐驿至官渡口断面,总磷年均浓度呈现沿程降低的现象.上游梯级电站运行后,除官渡口断面外,干流其余断面总磷年均浓度随时间逐渐减小.官渡口断面于2016年首次出现总磷年均浓度高于沱口断面的现象.且总磷丰水期年均值不再明显高于枯水期.同时,在此蓄水阶段总磷浓度与流量相关性不显著,朱沱,铜罐驿和官渡口断面总磷浓度与悬浮物浓度相关性不显著.     

三峡水库坝前水体水化学及溶解无机碳时空分布特征

以三峡水库坝前水体为研究对象,分析了三峡水库蓄水至145m和172m水位时坝前垂向水体基本物理化学参数、主量元素、溶解无机碳(DIC)含量及其碳同位素(δ13CDIC)分布特征.研究结果表明,无论夏季还是冬季,坝前水体均没有出现水温分层现象,pH、电导、溶解氧也没有发生分层现象.坝前水体水化学组成主要受碳酸盐岩风化的控制,主量元素、溶解无机碳含量和三峡大坝截流前相比没有发生明显的变化.水体δ13CDIC值夏季(丰水期)低于冬季(枯水期),在垂向上变化不明显,与水库、湖泊δ13CDIC的时空变化特征相异而与自然河流的变化特征相似.目前,三峡水库坝前水体水化学特征主要表现出自然河流的特征,水库"湖沼学反应"还不明显.     

三峡水库干流倒灌对支流库湾营养盐分布的影响

三峡水库蓄水后,库区普遍存在干流水体倒灌支流的现象。为探明干流倒灌对支流库湾水动力学特性及其营养盐分布的影响规律,于2010年对库区4条典型支流库湾水流速度、水深、总氮(TN)、总磷(TP)等进行了监测。监测结果表明,干支流以异重流形式进行水体交换;大宁河、磨刀溪、小江3条支流库湾水体TN、TP浓度均低于干流水体;香溪河库湾水体TN浓度同样低于干流水体,但库湾上游水体TP浓度高于干流水体;受干流倒灌影响,支流库湾水体主要营养盐空间分布不均,营养盐浓度高的干流水体倒灌进入库湾,对其影响范围内的支流水体的营养盐起到补给作用。     

干流倒灌异重流对香溪河库湾营养盐的补给作用

三峡水库蓄水以来,其支流库湾每年均暴发严重的春季水华.为研究三峡水库支流营养盐受干流的逆向影响,于2010年对三峡水库库首区域最大的支流香溪河库湾水流特点及总氮、总磷的时空动态分布进行了详细监测.研究发现库湾水体表现为分层异向流动,存在明显的倒灌异重流现象,分别以表、中、底3种形式倒灌入香溪河库湾;特定的水流特性为库湾营养物质的运输提供了水动力基础,香溪河河口处由干流倒灌输入总氮、总磷的平均瞬时通量分别为501.92 g.s-1、48.17 g.s-1,在2010年干流倒灌输入香溪河库湾的总氮、总磷污染负荷分别占总量的43.4%、21.5%.结果表明,倒灌输入的总氮、总磷占有很大的比例,同时加强三峡水库支流及干流上游流域污染控制才是有效控制支流水华发生的根本途径.     

水位对密云水库消落区土壤磷通量影响的模拟研究

南水北调来水引起的水库水位变化导致消落区幅带变化,这直接会影响土壤中磷的转化及通量.本研究采集了陆相和水相分别离水界面1 m和2 m处的4种土柱样品,分别用来模拟消落区淹水和落干情景.在实验室内逐步模拟水位上升或下降,模拟期为9个月,并在每隔3个月的期间收集样品进行分析测试,以研究土壤中无机磷的转化规律.结果表明,密云水库受人为干扰相对较小,与三峡库区相比消落带土壤中总磷含量偏低.模拟过程中,土壤中的无机磷含量始终占总磷含量的50%以上,即无机磷为主要形态.淹水模拟过程中,不同土柱及不同深度的土壤中铁磷的变化复杂,反映了铁磷的含量易受pH、氧化还原电位、有机质等多因素影响.落干模拟过程中,土壤中铁磷和钙磷的变化最为明显,9个月的模拟期后,铁磷的含量较初始值下降了53%~71%,钙磷在土柱表层样品中的含量逐渐减小,而在中层和下层中的含量有所上升.无论是淹水还是落干过程,离水界面1 m内的陆相和水相消落区土壤中磷的转化最为活跃.在模拟的9个月期间,水库淹水期陆相1 m内消落带土壤总磷通量为82.3 kg,铁磷通量为-30.7 kg,铝磷通量为-44.8 kg,钙磷通量为222.6 kg,总无机磷通量为126.5 kg,即消落带土壤中铁磷和铝磷有所释放或转化,而钙磷、总无机磷和总磷皆有所增加.     

三峡小江回水区磷素赋存形态季节变化特征及其来源分析

磷被普遍认为是富营养化的限制性因子,但河道型的三峡水库支流回水区在变化的水动力条件下磷的季节变化有其独特性.对2007年3月～2008年3月三峡小江回水区磷素的跟踪观测结果进行了分析.研究期间小江回水区总磷(TP)平均浓度为(61.7±2.7)μg·L~(-1),虽然各采样断面磷浓度差异不大,但其季节变化明显,大体上冬季最高、夏季较高、春季次之、秋季较低.颗粒态磷占TP平均浓度的54.05%,是TP的主要组成部分.结合同期对叶绿素a、悬浮无机颗粒物、悬浮有机颗粒物、河口流量、河口水位等主要环境变量的跟踪观测结果发现,颗粒态磷以吸附于泥沙颗粒表面或同矿质相结合的无机形态为主,并在降雨、径流的作用下进入水体使水中TP含量增加,该现象在低水位运行状态下更加明显.而在高水位运行条件下水动力条件的改变使磷素赋存形态向溶解态形式转变.小江回水区藻类生长对溶解性磷酸盐的生物利用过程十分明显,溶解性磷酸盐浓度同叶绿素a显著负相关.TP亦同叶绿素a呈负相关关系.研究认为,降雨、径流强度的加大及水位的降低虽然带来丰富的营养物,但亦使河道型的回水区水体更新周期缩短;而悬浮颗粒浓度升高导致的水体光学透射性能的下降以及洪水脉冲带来的不稳定的生长环境却阻碍了浮游植物的进一步生长和繁盛,这两方面综合作用的结果可能是小江回水区TP-Chla负相关的原因.     

三峡水库氮磷污染防治政策建议:生态补偿·污染控制·质量考核

三峡水库是我国重要战略水资源库.三峡水库蓄水后,库区富营养化问题日益凸显,TN、TP成为影响库区水质的主要污染因子,其中80%~85%入库氮、磷污染负荷来自流域上游.受长江富含营养物质水质输入和流域内人类活动面源输入等共同影响,长江中下游超过80%的湖泊发生富营养化,长江口及其毗邻海域赤潮频发.因此,三峡库区及上游流域仅实施国家统一的COD和氨氮水污染物目标总量控制已不能满足流域水环境安全要求.为保障三峡水库、长江中下游湖泊和东海海域环境安全,支撑长江经济带可持续发展,应按照湖泊保护的要求,进一步深化三峡库区及上游流域氮、磷污染控制与治理.新安江是我国第一个跨省流域水质补偿试点,2010-2013年,为加强新安江水污染防治,提高流域生态环境保护水平,中央财政、浙江、安徽两省共拨付资金12.7×108元,试点工作启动后,新安江跨界断面连续3 a水质均符合补偿协议要求,ρ（COD_Mn）、ρ（氨氮）和ρ（TP）均下降,水质恶化趋势得到有效控制.借鉴新安江流域水质补偿试点实施的成功经验,就"十三五"期间继续深化三峡库区及上游流域水污染防治问题,提出以下建议:①国家、下游和上游省（市）政府三方共同出资,建立长江流域水质补偿专项资金;②科学制订三峡水库水污染防治规划,强化三峡库区及上游流域氮、磷污染负荷控制;③建立并实施长江流域跨行政区水环境质量考核制度.      

流量对三峡库区嘉陵江重庆主城段藻类生长的影响

对于三峡库区,大部分一级支流都具备产生富营养化的营养水平,在水温和光照等气候条件适宜藻类生长的3—5月,水文条件成为影响藻类生长繁殖和诱发富营养化的关键因素.3—5月恰是水库坝前泄水的消落时段,水文条件与一般的湖泊、河流和水库等显著不同. 针对三峡水库特殊的水文情势, 通过现场水质采样,应用质量守恒原理,研究了3—5月上游来水流量对嘉陵江重庆主城段藻类生长的影响. 结果表明:流量对河段的藻类密度和质量净增量有显著影响,3月因较低的来水流量和较小的大坝泄水量使藻类密度和质量净增量最大,5月当流量接近或超过历史同期水平时,河段的藻类质量净增量为负,而当流量偏枯较大时,藻类质量净增量为正.      

三峡水库蓄水后不同水位期干流氮、磷时空分异特征

研究三峡水库蓄水前后营养盐的变化,对于探讨水库运行对其的影响并提出合理的管理建议具有重要意义.依据2008年3月～2009年2月对长江干流三峡区段朱沱、寸滩、扇沱、清溪场、晒网坝、培石,共6个断面和其中1个垂直断面逐月水文、水质监测,按照三峡水库运行的水位特点,将数据样本分成高水位(10～2月)和低水位(3～9月)2个...     

基于分布式水文模型的三峡库区污染负荷对气候变化的响应研究

在建立的耦合了污染负荷模拟模块的三峡水库分布式水文模型的基础上,结合多个全球气候模式的集合平均模拟结果,采用统计降尺度模型SDSM将全球气候模式和分布式水文模型耦合,评估了未来气候变化对三峡库区污染负荷的影响,考虑到研究中存在的不确定性,采用假设情景法,分析了三峡库区污染负荷对不同降水量变化的响应情况.结果表明,库区总氮和总磷负荷均与降水量成正相关,在降水量增加量相同的情况下,总氮负荷变化比总磷更剧烈,而在降水量减少量相同的情况下,总磷负荷变化比总氮更剧烈.另外,降水变化主要对三峡库区4—8月的污染负荷量有较大影响.     

环境因子对香溪河库湾淹没土壤磷释放的影响

三峡工程建成后大量的耕地良田被淹没,淹没土壤对水体环境的影响问题受到各方关注,该研究针对不同利用类型的土壤进行磷释放研究,评价淹没土壤的营养释放对三峡支流水体富营养化进程的影响。采集香溪河库湾的3种不同利用类型的土壤,通过静态淹水模拟实验,研究3种土壤的磷释放特点,结果表明:施肥次数多且土质松软的菜地土对上覆水TP含量影响最大,柑橘园土其次。菜地土的磷释放量为柑橘园土的1.7倍。林地土其自身磷含量较小,上覆水无明显影响。TP累积释放量为:不同pH下,TP累积释放量之间的大致关系为:pH=11.02时,TP累积释放量最大,为4.710 mg/kg;pH=3.98时次之,为3.645 mg/kg;pH=7.01时最小,为2.235 mg/kg。水温的升高能够有效加速受淹土壤内源磷的释放,在30℃条件下,土壤的TP最大释放量分别约为10℃,20℃时的1.7倍、4.2倍。因此冬季淹没土壤的释放对水体TP的影响较小;而夏季库区水温升高,引起淹没土壤磷的释放。     

淹水落干下三峡水库消落带土壤无机磷形态转化特征

为探讨三峡水库消落带土壤无机磷的转化规律,通过布置原位浮台,将装有土壤的塑料盆悬挂在不同水深(0、2、5、15m)处,分别淹没30、60、180 d,落干180 d,研究淹没水深和时长对消落带土壤的理化性质及无机磷形态的影响.结果表明,淹水-落干循环中,土壤pH、有机质、全磷和有效磷含量均呈现先降低后升高的趋势.落干180 d后,土壤pH、有机质和全磷含量降低,有效磷含量升高.土壤淹水后,各形态无机磷占全磷的比例大小为Fe-PAl-PCa8-PCa2-P.淹水0 m、2 m时Ca2-P、Ca8-P随淹水时间持续下降,淹水5 m、15 m时随淹水时间先降低后升高.落干180 d后无机磷含量显著增加,随淹水深度的增加无机磷含量呈降低趋势;Al-P含量随淹水时间先降低后持续升高,随淹水深度变化趋势不明显;Fe-P含量随淹水时间和淹水深度变化无明显规律.