三峽水庫和長江宜昌段河道夏季日間水環境初步評價及對策分析

王琤浩　李向龍

摘 要：采用原位監測在夏季從三峽庫區到下游枝江的長江干流區段選定監測點進行日間水體環境指標測量。結果表明，三峽大壩上下游表層水溫有明顯差異性，西陵峽內長江水溫無較大變化，流經宜昌城區后水溫高于三峽水庫。經水庫溫度分布模擬，三峽水庫水溫各季節分布差異明顯，體現出水溫分層現象，最低水溫出現時間向后推遲。大壩下游溶氧較高，風速強也會使DO上升。從西陵峽口開始表層水體pH不斷下降，應考慮實施兼顧生態保護的水庫調度。

關鍵詞：夏季 水環境評價 三峽水庫 長江宜昌段

中圖分類號：TV147 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0111-04

Abstract：The daytime aquatic environmental indicators at Three Gorges Reservoirs（TGR）and Yangtze Rivers Yichang Section were measured by in situ monitoring.The results showed that there is distinct difference of surface water temperature between upstream and downstream， while surface temperature of Xiling Gorge had no obvious change during the monitoring.Surface water temperature of downstream at Yichang City is higher than at TGR.The water temperature distribution changes obviously in different seasons and water depths，and the minimum water temperature appears later than before though the water temperature distribution simulation.The dissolved oxygen（DO） is higher， and higher wind speed will also increase DO.The pH in surface water is decreasing from the end of Xiling Gorge.Hence，the ecological operation should be considered.

Key Words：Summer；Aquatic environment assessment；Three Gorges Reservoir；Yangtze Rivers Yichang Section

濕地是分布在陸地系統和水體系統之間的由陸地系統和水體系統相互作用而形成的自然綜合體，也是地球上具有多種功能的獨特生態系統[1-2]。濕地是最富生物多樣性的生態景觀，在經濟社會發展的今天也備受重視[3]。1982年國際資源和自然保護聯合會（IUCN）、聯合國環境規劃署（UNEP）、世界野生生物基金會（WWF）聯合制定的世界自然資源保護大綱中，將濕地與海洋、森林并列為三大系統，而淡水濕地也被列為了受威脅物種最重要的集結地。而濕地也是人類生存環境的重要組成部分，對地區、國家和全球的氣候變化、經濟發展以及人類的生存環境都具有很重要的影響。國外濕地的研究重點區域集中于芬蘭、俄羅斯和北美等地，主要集中在對引起濕地景觀變化的機理方面的深入研究。1971年《拉姆薩爾公約》簽署后，各國紛紛成立了濕地研究機構，研究工作也逐漸轉入了對濕地水體生態恢復和人類活動對濕地的環境影響研究[4]。而緩流型河道與河道型水庫在近岸區域也會形成濕地形態的自然系統。

水體富營養化以及水體污染是緩流型河道與湖泊分類和演化的一個過程，也是水體衰老的一種表現。隨著水利水電事業和經濟社會的發展，大型水庫和改造湖泊的出現導致了水體富營養化成為各地普遍發生的一種現象，越來越受到世界各國的重視。水體污染導致的水域中的營養鹽含量升高、浮游藻類的大面積繁殖，使得光合作用下水體晝夜溶氧量大幅度變化，造成了魚類死亡和水體使用功能降低的不利后果。20世紀60年代，聯合國經濟合作和開發組織（OECD）便組織過18個國家進行湖泊水體富營養化的系統研究工作。而后，1991—1993年澳大利亞的新南威爾士州連續發生了162次水華，其中有84次對水的用途造成了不良影響，尤其是1991年底，達令河水系發生了世界上有記錄以來最大規模最為嚴重的藍藻水華暴發事件[5]。在葛洲壩工程和三峽工程完工之后，宜昌和重慶市境內形成了中國最大面積的河道型水庫，即三峽水庫，同時三峽水庫下游的宜昌境內長江河段也形成了受水庫下泄流量調節的緩流型河道。本文通過數學模型結合對實測水質數據的分析，期望初步評價以三峽水庫和長江宜昌區段為例的亞熱帶河流及河道型水庫水環境狀況，并就對策進行初步分析。

1 研究區概況

三峽大壩位于宜昌市三斗坪，由此形成的三峽庫區西起重慶江津，東到湖北宜昌，庫區涉及面積54000 km2，區內河谷平壩約占總面積的4.3%，自然條件差，生態環境脆弱，是典型的生態環境脆弱帶[6]。

葛洲壩水利樞紐位于宜昌市城區，距上游的三峽大壩壩址38 km，控制長江總流域面積的55.5%，共計100萬km2，壩址處多年平均流量14300 m3/s，平均年徑流量 4510億m3。水庫總庫容15.8億m3。對三峽工程因調洪下泄不均勻流量起反調節作用，具有反調節庫容8500萬m3。

從三峽大壩壩址以下（30°49'01〃.56N， 111°00'00〃.11E）直到宜昌市枝江城區（30°25'06〃.99N， 111°45'39〃.89E）共計132.7km的長江干流河道穿過西陵峽，流經宜昌市、宜都和枝江，該區段受兩座水電站調節影響，生態環境情況較為典型。

研究區氣候屬于亞熱帶大陸性季風氣候，總體特征為偏旱偏暖。冬夏季風更替明顯，降水和氣溫也有著明顯的季節性變化[7]。冬季降水偏多，春、夏、秋季降水持續偏少；冬季、秋季及初春、盛夏氣溫偏高，仲春、初夏及夏末氣溫偏低，7月平均氣溫27.7℃。整體年平均濕度較大，可達80%。

在夏季從三峽庫區內到下游枝江城區（30°52'03〃.60N，111°57'37〃.85E～ 30°25'06〃.99N，111°45'39〃.89E）共140.1km的長江干流區段選定了5個監測點進行了日間水體環境指標測量。測量對象包括表層水溫、pH、表層溶解氧濃度、表層流速、氣溫、氣壓和風速，所有指標均為現場測量。

2 三峽水庫和長江宜昌區段水溫的生態影響

2.1 水溫變化對水體生態環境影響

水溫是河流廊道生態恢復的關鍵因素。溶解氧濃度是隨水溫增高而下降的，好氧污染物對水體的脅迫作用也會隨著溫度的升高而增加；溫度控制許多冷血水生生物的生化和生理過程，溫度升高將提高整個食物鏈的代謝和繁殖效率；很多水生生物物種只適應有限的溫度范圍，河流中最高和最低溫度的轉換可能對物種組成有著長遠的影響，決定水生生物分布；溫度亦會影響許多非生物的化學過程，比如復氧率以及顆粒物對有機化學物的吸附和揮發率，這會導致有毒化合物的增加，因為溶解的部分通常是最具有生物活性的[8-10]。

2.2 三峽庫區及長江宜昌區段河道表層水溫沿程變化

通過對監測點：三峽庫區內銀杏沱碼頭（YXT）、三峽大壩下游黃陵廟水文站（HLM）、西陵峽口葛洲壩海事局（HSJ）、猇亭區古老背渡口（GLB）和枝江城區董市（ZJ）的多次測量日間平均表層水溫進行比較，得出三峽大壩上下游表層水溫有著較為明顯的差異性的結論。

這是由三峽電廠下泄深層低溫水流后造成的。自三峽大壩壩址到西陵峽口長江干流河道仍然處于山區河流，西陵峽內長江水溫并沒有較大幅度的變化，仍然維持在下泄水溫附近，略低于三峽水庫的同期日間水溫。流經宜昌城區后，在下游亭區古老背渡口測得的水溫較高，高于三峽水庫，這是因為長江逐漸進入平原地區，兩岸植被減少，兩岸的生活廢水及工業廢水也會排入河道，造成了下游水溫逐漸上升的現象，同樣的趨勢也表現在枝江城區長江日間表層水溫高于上游4個監測點的測量值。

2.3 三峽庫區水溫分層模擬及宜昌站水溫變化生態分析

三峽水庫正常蓄水位為175m，死水位為145m，年水位變幅可以達到30m，因此在模擬計算中重點研究分析這30m水位變幅的影響。根據模型可以計算得出三峽水庫各水深水溫年變幅以及年平均水溫如圖1所示。

同時，根據模型可以計算出三峽水庫一年內各月不同深度水溫，如圖2所示。按照四季分別進行分析，大體上看各季節平均水溫夏季最高，冬天最低，春季和秋季相近，但秋季較高，與宜昌地區的年氣溫變化過程一致。然而在夏季和冬季出現了兩次月內平均水溫線相交的情況，即7月份雖然表層水溫高于8月，但深層水溫8月份較高；2月份雖然表層水溫高于1月，但深層水溫1月份較高。體現出十分明顯的水溫分層現象。

綜合來看，三峽水庫表面水文基本上隨氣溫變化而變化，由于日照的影響，在大多數情況下，表面的水溫略高于氣溫。水庫水體溫度呈現較規律的分布。表層水溫主要受季節氣溫變化的影響，一般在10～20m深度范圍內，根據以往資料總結，摻混變溫層水溫在風吹摻混、熱對流、電站取水以及水庫運行的影響下，在一年內不斷變化，這一層范圍與三峽水庫的取水孔口高程和運行季節以及下泄流量有關。本模擬深度為30m水位變幅，并沒有考慮更深層的穩定低溫水層。

水庫水溫分布問題，實質上是熱傳導問題，影響水庫水溫分布的主要因素有水庫形狀、庫區水文氣象條件以及水庫的運行條件。水庫形狀不同，即使入庫或者出庫的水體相同，熱交換形成的水溫分布也有較大差異。庫區水文氣象條件主要包括了熱交換的熱源因子和外部因子，同時需要考慮入庫懸移質造成的異重流現象。調度方式、電站和泄水建筑物的孔口高程位置以及引水和泄水的能力、水庫水位變化也都會影響水溫分布。

宜昌站2009年實測資料表明，2009年日平均水溫較1983—1992年日平均水溫有較大的變化。主要表現在三峽水庫正式蓄水后，宜昌站9月至次年1月的水溫高與自然情況，而3～5月的水溫較低，最低水溫出現的時間明顯向后推遲，這是三峽水庫深層水體下泄造成的。漁政部門監測資料表明，長江中游段5～6月家魚的繁殖量占繁殖季節的70%～80%。由于下泄水流的水溫低于建壩前的狀況，四大家魚的產卵期推遲將近20d。同時，水庫泄洪導致的下泄水流氣體過飽和現象，可使下游魚類特別是魚苗發生“氣泡病”。

3 三峽水庫和長江宜昌區段pH， DO的生態影響

3.1 pH、DO變化對水體生態環境影響

水流中的pH值范圍對有毒物質有重要的影響。高酸度或高堿度往往使得不溶性金屬硫化物轉化為可溶形式，并增加有毒金屬的濃度。而高pH值可以提升氨的毒性。高pH值條件促使水體中的氨由離子態（）向非離子態（NH3）轉換，其中非離子氨具有較高的水生生物毒性，而離子氨的毒性可以忽略不計。非離子氨的比例可以由pH值和水溫確定，pH值或溫度增加，非離子氨的比例以及其毒性也會增加。pH值為7且水溫為20℃時，只有約0.4%的總氮呈非離子態，而在pH值為8.5且水溫為25℃的條件下，15%的總氮呈非離子態，對水生生物的潛在毒性會增大35倍[14]。

而溶解氧（DO）是健康的水生生態系統基本條件之一，多數垂釣魚類在溶解氧濃度低于3～4mg/L的條件下生存將出現困難，幼蟲和幼魚則對DO更為敏感，需要更高的溶解氧濃度。

3.2 三峽庫區及長江宜昌區段河道表層pH， DO沿程變化

5個監測點多次測量日間平均表層pH和DO，為了更好顯示出內在規律，對每個監測點測量數據求平均值，得到三峽庫區及長江宜昌區段河道表層pH，DO沿程變化的規律如圖3所示。

從平均值的沿程變化情況來看，庫區內的銀杏沱表層DO明顯低于大壩下游的黃陵廟水文站DO，這是由大壩泄流過飽和水流造成的現象。經過一段時間的流程，水流到達葛洲壩壩前的海事局時，DO恢復了正常水平。古老背渡口和枝江附近的DO較高是因為該區域漸漸離開山區進入平原，風速較強，水面波浪較大，增加了表層水體與空氣的接觸和交換，從而使DO上升。

pH變化具有重要意義的是從海事局到枝江表層水體pH不斷下降，從中性變成了微酸性。這是由于長江經過宜昌市主城區時接納了大量生活污水，同時猇亭區屬于工業區，生產廢水的大量排放也造成了江水的污染。雖然水體具有一定的自凈能力，但其污染影響還是可以通過實測表現出來。

3.3 三峽庫區及長江宜昌區段河道表層pH， DO水平評價

經過實測，長江該區段的DO大部分適宜水生生物的正常生存，但是庫區下泄流量造成的過飽和水體和DO增加現象可能會對魚類的正常生長造成一定不利影響。

pH值的變化值得引起注意，由于生活和生產污水的排放，長江水體受到了一定程度的污染，大多數類型的水生生物適宜生存的水域為中性環境，較低的pH必然會影響到水生生物的正常生長，對該區域的漁業和生態環境造成不利影響。應該考慮對污水的正確處理而非是直接排放。

4 水環境評價及生態調度對策

4.1 水生生物對水環境壓力的敏感響應及生態評價方法

作用在河流生態系統上的壓力是多種多樣的，在進行水環境評價以及生態環境評價時，需要建立一種河流水生生物對于環境壓力的響應關系。在對眾多水體生態因子進行分析時，需要識別出哪些因子是導致水生態系統退化的關鍵因素。在河流進行生態修復規劃時，這些關鍵脅迫因子將列為重點的修復任務。

以溶解氧為例，潔凈水體中的溶解氧一般接近飽和，如果湖庫水體受到有機物質和還原性物質污染時，溶解氧會低于飽和值，尤其當藻類大量繁殖時時會造成溶解氧低于飽和值，甚至形成富營養化水體。

而富營養化水體的另一個特征是pH值的升高，湖泊和水庫的pH大多處于弱堿性或者堿性，也有少數pH低于7，富營養化水體中，隨著富營養化水體的發展，其pH也會逐漸升高，與藻類生長呈現正比關系。

對于水體生態評價方法，可以采用群落物種多樣性的多樣性指數作為評價指標以反映物種豐富度，對于長江內的魚類評價，可以采用Margalef指數進行評價，具體公式為

式中：S為群落中總種數；N為觀察到的個體總數。

4.2 兼顧生態保護的水庫調度

對三峽水庫下游和長江宜昌段的兼顧生態保護的水庫調度，首先需要量化水文改變與生態響應的關系。確定這些關系可以借助水文學上的蒙特卡羅方法進行徑流隨機模擬以尋找水文與生態聯系，包括低流量的持續時間、最小流量出現時間、日間漲水率等都會對水生生物多樣性產生影響。根據這些關系，可以計算生態保護目標的環境水流需求。

對于長江該區段，生態保護目標主要集中在增強泥沙輸移過程和補償下游河流典型魚類的繁殖條件兩方面。增強泥沙輸移過程可以采用預泄方式實現，而補償下游河流典型魚類的繁殖條件則主要集中在四大家魚和中華鱘上。對于四大家魚，在6月15日到7月20日的繁殖期間，應考慮進行人造洪峰造成動態變化的漲水過程，而對于中華鱘的生態流量調度則體現在11月中下旬的加大泄量上。

最后根據多種約束條件制定出改善水庫調度的基本方案，并基于適應性管理方法開展水庫調度試驗。

5 結語

三峽水庫的建成對于長江西陵峽區段的影響較大，呈現十分明顯的河道型水庫特性，水庫的水溫呈現明顯變化滯后性。而長江宜昌區段的水環境變化也呈現較為明顯的趨勢，即重工業區污水排放導致的水體pH值降低的現象。考慮進行合理的生態調度以改善該區段的生態環境，還需要進行更為深層的監測及分析以正確評價該區段水體的生態環境狀況。

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