營養物質分級總量控制與精細化管理方案研究
——以三峽庫區梅溪河庫灣為例

馬 巍，孫 磊，齊 德 軒，程 瑤

(1.中國水利水電科學研究院 水生態環境研究所，北京 100038； 2.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

三峽工程是中國最大的水利樞紐工程，三峽水庫正常蓄水位為175.00 m，防洪控制水位為145.00 m，淹沒陸地總面積為632 km2，總庫容為393億m3，其中防洪庫容為221.5億m3。自2003年三峽水庫試驗性蓄水以來，水庫運行對保障長江中下游地區的防洪安全、促進長江黃金水道建設、加快推進長江經濟帶建設以及促進長江經濟帶綠色高質量發展，均具有十分重要的戰略意義[1]。三峽工程在發揮巨大的防洪減災、水力發電、交通運輸、風景旅游等經濟效益和社會效益的同時，也驅動著庫區生態環境的快速變化，比如水土流失加劇、面源污染嚴重、消落帶生態退化、支流庫灣富營養化現象日益突出等問題。早在水庫建成蓄水前，就有不少學者提出了建庫后會出現水體富營養化的問題[2-4]。自2003年首次蓄水半年后，壩前區部分庫灣就出現了藻類水華現象，在壩前及水流較平緩的支流回水區浮游植物數量增加明顯，而且整體上由蓄水前的貧-中營養逐步轉變為建庫后的中-富營養[5-7]。隨著三峽水庫蓄水位的逐漸抬升，水庫回水區逐步擴大，庫區內更多的支流庫灣面臨著日益嚴峻的富營養化問題。學者們針對支流庫灣的水體富營養化問題開展了大量的研究工作[8-10]，但伴隨著庫區經濟社會環境變化和水環境綜合治理進程的加快，受自然環境條件、經濟社會活動和干支流交互作用協同驅動影響，庫區內各支流庫灣水環境演變更趨復雜，水體富營養化演變成因及其營養源結構組成有待進一步明晰。同時，依托干支流水功能區劃確定的入庫河流水質目標，與支流庫灣緩慢的水動力條件和水環境承載力仍存在著較大差距，亟需以支流庫灣水環境容量、營養狀態水平控制及其年內動態變化特征為依據，研究制定滿足其容量總量控制和營養狀態水平削減需求的入庫河流水質濃度限值精細化管理方案，以便為三峽水庫支流庫灣水質達標管理與水體富營養化綜合防治提供科學的技術支撐。 基于此，本文以三峽庫區長江干流左岸的梅溪河為典型支流，以2016～2019年期間逐月實測資料為基礎，研究了梅溪河支流庫灣干支流水質響應關系及水量交換，提出了基于容量總量控制與水體富營養狀態削減的分級總量控制需求和入庫水質濃度限值，制定了干支流水質濃度精細化管理方案。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三峽工程通過筑壩雍水，將壩址斷面(宜昌三斗坪)的長江干流汛、枯期水位分別由100.00 m和70.00 m抬升至145.00～155.00 m和173.00～175.00 m。建庫后，汛、枯期水位分別抬升了約50 m和100 m，從而形成了水面面積為1 084 km2、總庫容為393.00億m3的超大深河道型水庫，顯著地改變了三峽庫區回水江段的水位、水深、水面面積、河道寬度以及水流流速等水文水動力特征因子，并與區域經濟社會活動共同驅動著庫區干支流水環境過程的演變。總體表現為：

(1) 水體貧營養斷面急劇減少，中-富營養斷面逐步增多，水體富營養程度逐步加重；

(2) 支流庫灣水華發生時節由春、夏、秋3季逐步向夏季集中(見圖1)；

圖1 三峽水庫常態運行前后各主要支流富營養狀態變化Fig.1 Changes of eutrophication status of main tributaries of Three Gorges Reservoir(TGR) before and after normal operation

(3) 出現水華現象的支流數以2012年為時間節點，呈現為先增加后波動式下降的趨勢(見圖2)[11]，近年來，庫區出現藻類水華的支流數量顯著減少。

圖2 2008～2019年三峽庫區發生水華支流數量年際變化過程Fig.2 Interannual variation process of tributaries of water bloom in TGR area from 2008 to 2019

三峽水庫回水長度有663 km，庫區內地形地勢復雜，沿江兩岸支流眾多，各支流庫灣的幾何形態和流域特征也不盡相同。綜合庫區內38條主要支流的位置、年徑流量、回水長度、消落帶面積占比以及近年來水華發生情況等因素，選定重慶市奉節縣梅溪河作為典型支流案例，來分析支流庫灣富營養化演變的營養物質來源、總量控制需求及其分級精細化管理方案。

梅溪河是三峽庫區長江左岸的一級支流(見圖3)，主導生態功能為水源涵養、水質安全保障、生物多樣性保護等，河口距三峽大壩約158 km。梅溪河發源于重慶市巫溪縣塘坊鄉清水池，分水嶺海拔高程為2 300 m，全長117.00 km，平均比降為3.1‰，兩岸多堆積階地，多年平均流量為32.40 m3/s，集水面積為2 001 km2，消落帶面積為592 hm2，占最大水面積的比例為41.1%。通過比對庫區內38條主要支流的位置、河長、流量及其消落帶面積比等，梅溪河均處于中等水平，具有比較強的代表性；而且根據近年來《長江三峽工程生態與環境監測公報》數據，2008～2017年的10 a間，梅溪河支流庫灣每年都有藻類水華現象發生，在三峽庫區所有支流中，水華發生頻率最高，水體富營養化問題十分突出。因此選擇梅溪河作為本文的主要研究對象。

圖3 三峽水庫梅溪河流域位置示意Fig.3 Schematic diagram of Meixi River Basin of TGR

1.2 數據來源

本文研究所采用的三峽水庫干流水位、流量數據，均來源于中國長江三峽集團有限公司公布的奉節站逐日數據。研究所用的梅溪河氣象條件采用的是奉節縣氣象站(位于梅溪河河口)的實測數據，梅溪河流域無水文站，其水文資料則類比毗鄰的大寧河流域的實測流量過程，采用面積倍比縮放推求得到。三峽水庫干流和梅溪河支流上游入庫水溫過程均采用實測數據，長江干流、梅溪河支流庫灣各控制斷面(其中，庫尾斷面為145 m水位回水末端，位置示意見圖4[5])及其支流上游入庫水質資料，采用175 m回水末端上游控制斷面各月實測的水質數據，每月中間的時間采用線性插值得到。

圖4 三峽水庫梅溪河庫灣水質監測站點布置示意Fig.4 Schematic diagram of water quality monitoring stations in Meixi River reservior bay of TGR

1.3 模型與方法

三峽水庫梅溪河河口區水深超過100 m，受干支流交互作用和溫差異重流影響，其支流庫灣的水動力條件呈現出典型的三維特征[12-15]。采用海洋環境研究與預報模式(Marine Environment Research and Forecasting Model，MERF)[16-17]，構建了梅溪河支流庫灣三維水動力與水體富營養化數學模型[5]，可以用來模擬梅溪河庫灣水文水動力的變化過程及其與長江干流間的交互變化，并在此基礎上，模擬反演了支流庫灣水環境演化過程，以便為支流庫灣水環境容量計算及水體營養狀態模擬提供可靠的技術手段。

梅溪河支流庫灣長約19.60 km，其地形和網格布置如圖4所示。梅溪河支流及其毗鄰干流的水平方向采用Cartesian坐標，分辨率為50 m×50 m，垂直方向采用Sigma坐標，分為10層，空間離散后計算網格為27 440個。庫區干流和支流上游采用流量邊界，支流匯合口下游采用水位邊界條件，干-支流入庫水溫、水質逐日過程采用各月的實測數據并采用線性插值獲取。利用2014年和2017年實測數據，對梅溪河支流庫灣水動力與水體富營養化模型進行了參數率定與模型驗證，其中，2014年數據用于參數率定，2017年數據用于模型校驗。水動力模擬變量為水位、水深、流速、流向、水溫等，模型校準參數為水位和水溫。2017年梅溪河庫灣的庫中斷面(MX02)的逐月流速(以1，4，7月和10月為代表)及其年內表底層水溫變化模擬結果分別如圖5和圖6所示。梅溪河庫灣各特征斷面(以庫中斷面代表)的葉綠素、磷酸鹽、TN的年內變化過程與模型模擬值對比結果如圖7所示。

圖5 梅溪河庫灣庫中斷面流速垂向剖面驗證結果Fig.5 Verification of vertical velocity in the middle section of Meixi River reservoir bay

圖6 2014年梅溪河庫灣庫中斷面溫度模擬結果Fig.6 Temperature simulation results of middle section of Meixi River reservoir bay

圖7 2017年梅溪河庫灣庫中斷面葉綠素、磷酸鹽、TN模擬結果驗證Fig.7 Verification of chlorophyll，phosphate and TN simulation results of middle section of Meixi River reservoir bay

由于三峽水庫干支流中的水溫存在溫度差，加上太陽輻射的熱交換作用，將影響梅溪河庫灣中的水溫分布，進而影響到庫灣水質的時空變化過程。從梅溪河庫灣典型斷面(以庫中代表)的流速與水溫模擬結果(分別見圖5和圖6)來看，不同季節的垂向流速及表底層的年內水溫變化過程與觀測值擬合良好，水動力學模型可為生態動力學模擬提供較為可靠的背景動力場；梅溪河庫灣不同特征斷面的水質模擬結果(見圖7)也表明：梅溪河支流庫灣生態動力學模型較為可靠，能為干-支流交互影響和支流來流共同作用下的梅溪河庫灣水環境演化模擬及其水體富營養化演變的驅動機制研究，提供可靠的技術手段。

2 結果與討論

2.1 梅溪河庫灣水動力特性

受三峽水庫長江干流和支流上游來水交互作用的影響，梅溪河支流庫灣水流的整體流速較小(u≤5.00 cm/s)，庫灣內不同特征斷面(河口、庫中、庫尾)和不同層位(表層、中層、底層)均存在明顯的流速與流向時空變異特征[18-20]，表層、底層流場全年相反，并與長江干流存在著頻繁的水量交換現象，分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同運行期梅溪河平面流場(表層)Fig.8 Plane flow field (surface layer) of Meixi River in different operation periods

圖9 不同運行期梅溪河庫灣流場縱剖圖Fig.9 Longitudinal section of flow field in Meixi River reservoir bay during different operation periods

(1) 汛前消落期(2～5月)，長江干流的水從表層倒灌進入支流庫灣，支流來水從底層匯入庫區干流，梅溪河河口區底層流速略高，庫灣中部和尾部流速差別較小。

(2) 汛期(6～9月)，長江干流的水流從中層倒灌進入庫灣，支流來水則從表層、底層匯入庫區干流，庫尾和河口處流速較大，庫中流速較小。

(3) 汛后蓄水期(10～11月)和枯水運用期(12月至次年1月)，干-支流水體交互特征表現為表層的水流倒灌進入支流的庫灣，支流來水則自底層流出庫灣。

從三峽水庫不同調度運行期間支流庫灣流速的變化情況來看，梅溪河河口在汛后蓄水期的流速相對較大，而在汛前消落期、汛期和枯水運行期，其水流流速則相對較小。

2.2 梅溪河庫灣水量交換及營養物質來源組成解析

在干-支流水流的交互作用影響下，梅溪河支流庫灣與庫區干流水體存在著持續的水量與物質交換。這種水量交換使得長江干流水團可隨時進入支流庫灣，加速了庫灣內水體和營養物質的混合，并在庫灣內密度流和上游來流的共同作用下，整個庫灣水體時刻都存在著營養物質的收入和支出[21-26]。基于梅溪河支流庫灣水動力數值模擬結果(見圖10)，2017年梅溪河庫灣干支流水交換量在河口、庫中、庫尾等特征斷面的年均值分別為210.15，83.60 m3/s和77.21 m3/s，并呈現出自河口向庫尾逐漸減小的特征。

圖10 2017年梅溪河支流庫灣干-支流水交換量的時空變化過程Fig.10 Temporal and spatial variation process of main-branch water exchange capacity in reservoir bay，Meixi River in 2017

針對易發生藻類水華的支流庫灣中上部區域[5]，從年尺度上來看，流域面源輸入的總磷(TP)負荷量占斷面總收支量的59%，是藍藻水華高發區的主要營養來源；從庫區水華敏感期(3～10月)分析來看，流域面源輸入的TP負荷量占斷面總收支的72%，是水華高發時段最主要的營養貢獻源；從庫灣水華發生時節(7月)的營養物質來源解析來看，梅溪河流域面源輸入的TP負荷量占斷面總收支的74%(見圖11)。

圖11 2017年不同時間尺度下梅溪河支流庫尾斷面磷負荷來源組成Fig.11 Source composition of phosphorus load in the tail section of Meixi River tributary at different time scales in 2017

綜上所述，控制流域面源輸出，并強化過程阻控和末端攔截，是近期削減梅溪河支流庫灣水體營養狀態、降低其藍藻水華風險最有效的措施。

2.3 梅溪河庫灣水環境容量總量控制精細化管理方案

在水華敏感期，伴隨著降雨徑流輸入的面源負荷，是三峽水庫各支流庫灣水體富營養化演變及藻類水華發生最主要的污染物來源，而且三峽庫區各支流庫灣的營養鹽輸入受干支流水情影響十分顯著，即干支流來水越多，支流庫灣內接收的入庫污染物總量就越大，積存的營養物質就越多，在適宜的水溫和光照條件下，庫灣水體富營養化程度就越高，藻類水華暴發的風險就越大。庫區干流來水越多，經梅溪河河口倒灌入支流庫灣的污染物就越多，對庫灣上游來水的頂托作用就越明顯，庫灣內承納本流域污染物的能力就越小，即支流庫灣水環境容量就越小。

結合梅溪河支流庫灣水動力特性和水環境容量計算的相關規程規范要求，并對比分析三峽庫區長江干流(以庫尾寸灘站作為代表)和梅溪河支流(以毗鄰的大寧河作為代表)來水情況(見圖12)，選擇2018年(長江干流來水為特豐水年之年，水文頻率P=4%，梅溪河支流為特枯年份，水文頻率P=96%)作為水環境容量計算的代表年型。

圖12 梅溪河支流庫灣干-支流來水徑流量年際變化過程Fig.12 The interannual variation process of the inflow runoff from main trunk and tributaries of the Meixi River tributary

以2018年梅溪河支流庫灣干支流來水作為設計水文條件，以長江干流和梅溪河支流來水水質分別滿足地表水Ⅱ類和Ⅲ類、且不劣于現狀為水質邊界，以梅溪河支流庫灣各特征斷面年內逐月水質均滿足湖庫Ⅲ類水質為目標約束，計算得到梅溪河支流庫灣CODMn、TP、TN等3項指標的水環境容量分別為18 417，373 t/a和7 528 t/a。從年內變化特征(見圖13(a))來看：汛期(6～9月)的水環境容量較小，僅占年總量的23.3%，非汛期約占76.7%；從空間分布特征(見圖13(b))來看，梅溪河支流庫灣中上部僅占8.2%，河口區約占91.8%。2018年，梅溪河庫灣CODMn、TP、TN的入庫污染物總量分別為29 056，796 t和18 770 t，3項指標需分別削減10 639，422 t和11 243 t；其中，梅溪河上游入庫的TP、TN負荷量需分別削減43.1%，54.4%，庫區干流倒灌的CODMn、TP、TN負荷量需分別削減39.2%，53.8%，60.3%。

圖13 梅溪河支流庫灣水環境容量時空分布特征Fig.13 Spatial and temporal distribution characteristics of water environmental capacity in reservoir bay of Meixi River tributary

在容量總量控制約束條件下，為了更好地服務于三峽庫區河(庫)長制的有效落實和水質達標管理措施的科學落地，有針對性地制定了梅溪河支流庫灣水質達標的入庫河流水質濃度精細化管理方案，即三峽庫區長江干流和梅溪河支流分水期入庫水質濃度的限值，分別是：CODMn為2.50～6.30 mg/L，TP為0.052～0.055 mg/L，TN為1.05～1.10 mg/L。干支流分水期詳細管控方案如表1所列。

表1 梅溪河支流庫灣總量約束下干支流入庫水質濃度精細化管理方案

2.4 梅溪河庫灣富營養狀況控制的精細化管理方案

由2017～2019年梅溪河庫灣水體綜合營養狀態指數年內變化過程結果(見圖14)可以看出：梅溪河庫灣水庫6～9月表現為輕度富營養狀態，其余月份均為中營養狀態。對比2017～2019年梅溪河庫灣水體綜合營養狀態指數與干支流來水情況可知：干流和支流在遭遇大水年時，都將對梅溪河庫灣水體富營養化及藻類水華產生明顯的不利影響，即2017年(梅溪河為特豐水年、干流為平偏枯年份)和2018年(干流為特豐水年、梅溪河為特枯水年)支流庫灣均出現了水色異常，而2019年(干流為平偏豐年份，梅溪河為極枯年份)梅溪河庫灣無水色異常情況。鑒于梅溪河支流水體富營養較重區域均發生在6～9月的庫灣中上部位，且該區域受支流來水影響更大，因此，選擇2017年作為設計水文條件，來研究制定梅溪河庫灣水體富營養狀態控制的精細化管理方案會更安全。

圖14 2017～2019年梅溪河支流庫灣綜合營養狀態指數年內變化示意Fig.14 Annual variation of comprehensive nutritional status index of reservoir bay of Meixi River tributary from 2017 to 2019

梅溪河庫灣水體富營養狀態削減與控制目標的制定及其落實，既能實現支流庫灣水質全面達標，又能實現庫灣水體營養狀態由水華敏感期的輕度富營養→水華敏感期的中營養+枯水期的貧營養→全年整體貧營養的逐步轉變。基于2017年梅溪河干支流來水條件，通過干支流的來水水質與支流庫灣水體營養狀態響應的多方案情景，進行了模擬計算和富營養化評價，結果表明：在庫區干流水質整體滿足Ⅱ類水質標準并且不劣于現狀水質的條件下，通過管控梅溪河上游來水水質，對庫灣中上部區域的水體營養狀態水平有一定的降低效果，當梅溪河上游來水總體滿足湖庫Ⅱ類水質標準時，庫灣中上部區域能實現全年中-貧營養。因此，從梅溪河庫灣尾部水華高發區富營養狀態削減需求出發，通過控制梅溪河流域點源、面源污染負荷，讓梅溪河流域雨季入湖的氮磷負荷達到湖庫Ⅲ類水質標準，還是有可能實現的。

為了降低梅溪河庫灣中上部的藻類水華風險，基本消除汛期(6～9月)梅溪河支流庫灣水華高發區(庫尾淺水區)的輕度富營養狀態，使其達到中營養水平，梅溪河支流上游汛期來水水質濃度應滿足CODMn≤4.00 mg/L，TN≤1.00 mg/L，TP≤0.05 mg/L，較現狀入庫的TP、TN濃度負荷削減65%以上(見表2)。梅溪河支流庫灣水體富營養狀態控制的干支流分水期精細化管控方案如圖15所示。

表2 梅溪河支流庫灣富營養控制的流域來水水質及削減需求

圖15 梅溪河庫灣尾部富營養控制的入庫水質精細化管理方案Fig.15 Refinement management scheme of inflow water quality for eutrophic control at the tail of Meixi River reservoir bay

如果讓梅溪河流域雨季入湖的氮磷負荷達到湖庫Ⅲ類水質標準，那么采用以下2個措施可以實現。

(1) 源頭區：采用提高鄉鎮污水收集與集中處理率、規模化養殖畜禽糞便回收，以及農田綜合利用和陡坡(坡度>25°)地退耕還林還草、加強生態保育等措施，可從源頭上減少50%以上的流域點面源污染負荷的產生與輸出。

(2) 過程阻斷：采取保護性耕作模式和“植物籬+植物緩沖帶+生態攔截溝技術”相結合的方式，可強化污染物在伴隨降雨徑流輸移過程中的阻斷功效，負荷攔截效率將超過10%。

3 結 論

(1) 受庫區干流和支流庫灣上游來水的交互作用的影響，梅溪河支流庫灣水流整體流速較小(u≤5.00 cm/s)，庫灣內的河口、庫中、庫尾等不同特征斷面及其水體垂向表層、中層、底層的不同層位均存在明顯的流速與流向時空變異特征，表層與底層流場全年相反，并與長江干流存在著頻繁的水量交換。從三峽水庫不同調度運行期間支流庫灣流速的變化情況來看，梅溪河河口在汛后蓄水期流速相對較大，而在汛前消落期、汛期和枯水運行期的流速相對較小。

(2) 在庫灣內密度流和上游來流的共同作用下，梅溪河支流庫灣與庫區干流水體存在著持續的水量與物質交換，庫區干流水體倒灌加速了庫灣內水體和營養物質的混合與交換，整個庫灣水體時刻都存在著營養物質的收入和支出。針對易發生藻類水華的梅溪河庫灣中上部區域，面源輸入是梅溪河支流庫灣水華敏感期和水華發生時節最主要的營養物質來源，占比超過70%。因此，加強流域面源源頭控制，并強化過程阻控和末端攔截，是近期削減梅溪河支流庫灣水體營養狀態、降低其水體藍藻水華風險最有效的措施。

(3) 以梅溪河支流庫灣Ⅲ類水質目標為約束，在不利來水條件和干支流來水滿足其水質保護目標、且基本不劣于現狀水質的條件下，計算得到的梅溪河支流庫灣CODMn、TP、TN等3項指標的水環境容量分別為18 417，373 t/a和7 528 t/a。同時，結合庫灣水體營養狀態綜合指數與特征指標間的關聯性特征，研究提出了當庫區干流水質滿足Ⅱ類、且梅溪河支流來水滿足湖庫Ⅲ類水質的標準時，支流庫灣尾部水體基本上可以實現全年中營養水平，可基本消除輕度富營養狀態。從總量控制與削減角度的分析來看，汛期梅溪河支流上游來水的TP、TN濃度負荷削減率將超過65%以上。

(4) 在支流庫灣各特征斷面水質達標約束條件下，梅溪河庫灣干支流入庫的CODMn、TP、TN等3項指標的濃度限值分別為2.50～6.30，0.052～0.055 mg/L和1.05～1.10 mg/L；在滿足梅溪河庫灣庫尾水華高發區的輕度富營養狀態削減并達到中營養水平條件下，梅溪河支流入庫的CODMn、TP、TN等3項指標的濃度限值則分別為2.00～4.00，0.05 mg/L和1.00 mg/L。