三峽水庫水質時空變化特征及影響機制研究

摘要：三峽工程建設運行后水庫生態環境問題一直備受關注，水質狀況復雜且不斷變化，但在水庫調度下水庫水質時空特征及影響機制仍需探究。基于三峽水庫2021年11個長江干流斷面和2個支流斷面的監測數據，利用水質指數（WQI）評價水庫水質狀況，并結合主成分分析（PCA）、Pearson相關性分析、單因素方差分析（One-way ANOVA）及隨機森林（Random forest，RF）方法探究三峽水庫在調度影響下水質的時空變化特征及影響機制。結果表明：① 從空間尺度上看，各水質參數的變化具有明顯的空間異質性，總體上水質狀況從上游至壩前（朱沱到巫峽口斷面）有所好轉，朱楊溪斷面的水質情況最差；② 從月尺度上看，不同水質參數和WQI隨年度水庫調度規劃期發生變化，TP和CODMn的濃度總體上呈現汛期（6～9月）gt;消落期（1～6月）和蓄水期（9～10月）gt;高水位期（10～12月）的特征，而DO、pH及WQI與前者相反，在消落期下降，汛期相對穩定，在蓄水期逐漸上升；③ 生態調度有益于提升三峽水庫水質，推測由于2021年5月29日至6月3日和6月16～22日開展2次以“促進產漂流性卵魚類繁殖”為目標的生態調度使得6月份水庫水質明顯提升；④ 多種統計分析手段結合RF方法表明，不同水質參數之間存在明顯關聯，TN、TP、NH3-N及CODMn之間呈顯著正相關（rgt;0.3，plt;0.01），pH和DO呈顯著正相關（r=0.428，plt;0.01），各參數均顯著影響三峽水庫WQI（plt;0.01），其中濁度是影響三峽水庫水質的最重要參數。研究結果可為三峽水庫水環境可持續發展和水資源合理配置提供理論依據。

關 鍵 詞：水質； 水庫調度； 水質指數； 隨機森林； 三峽水庫

中圖法分類號： X524 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.006

0 引 言

三峽水庫具備強大的防洪蓄水功能，保障著長江中下游的水資源開發利用和人民生命財產安全［1］。它極大改善了三峽地區通航條件，充分發揮了長江黃金水道作用，同時三峽工程還承擔了中國部分地區的電力供應［2-3］。三峽工程帶來巨大效益的同時，其對生態環境的影響也備受關注。三峽大壩建成并蓄水后，原有河道逐漸轉變為人工水庫，河流生態系統轉變為水庫生態系統并不斷演變，水庫的生態環境也不斷發生變化［4］。作為重要水利樞紐及國家戰略淡水資源庫，三峽水庫水環境問題關系到長江流域社會經濟發展和人民福祉，受到了國內外學者的廣泛關注。

自三峽水庫2003年首次蓄水以來，出現大量關于三峽水庫水環境和水生態的研究。研究發現蓄水后干流水質略有好轉，而支流水質因水動力條件改變趨于惡化［5-8］，這不僅影響到三峽水庫干、支流的浮游動植物群落特征［9-11］，同時也改變了重金屬、多環芳烴等新型污染物在三峽水庫的遷移、轉化［12-13］。諸多學者在長時間尺度下對三峽水庫水質進行了對比分析，結果表明在水庫建設運行的不同時期，水庫水質變化特征及其成因也有所不同［14-17］。綜合分析有關三峽水庫各類研究成果發現，三峽水庫水環境狀況較為復雜且極具時空異質性，自然過程及人類活動都影響著三峽水庫的水環境狀況。更為重要的是，目前三峽水庫周期性水位調度已為常態，生態調度、補水調度及攔洪調度等多種特殊目標的水庫調度也日漸頻繁，這都可能改變三峽水庫的水質狀況及其時空分布特征。然而，針對水庫調度影響下三峽水庫水質的研究仍主要集中在三峽水庫干支流氮、磷營養鹽組成形態、分布及污染來源［18-20］和應用ARIMA、Delft3D、MIKE等軟件模擬污染物的遷移擴散、預測水質對水庫調度的響應［21-25］這兩個方面，水庫調度背景下水庫水質的時空變化特征及影響機制尚不明確。因此，本文基于三峽水庫2021年全年的日平均數據，開展水庫調度下三峽水庫水質時空變化特征及其影響機制的調查研究，以期對水庫水環境保護及長江流域社會經濟永續發展提供理論參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區域

根據水庫調度規劃，三峽水庫于每年9月開始蓄水，10月蓄水至175 m，12月至次年4月，根據生態、航運和發電等需求逐步消落至155 m，5月份加大出力運行，6月上旬消落至汛限水位145 m以發揮蓄洪作用。因此，根據水庫周期蓄水方式和年度水位調度規劃，可將年內水位運行期劃分4個時期，即消落期（1～6月）、汛期（6～9月）、蓄水期（9～10月）和高水位運行期（10～12月）。此外，自2011年以來，每年5月、6月，三峽水庫聯合上下游的向家壩、葛洲壩等水電站擇機開展以促進長江中游產漂流性卵魚類繁殖為目的的生態調度實驗，其中2021年實際開展時間為5月29日至6月3日、6月16～22日。

1.2 數據來源

水質數據從中華人民共和國生態環境部官網的國家地表水水質自動檢測實時數據發布系統（https：∥szzdjc.cnemc.cn：8070/GJZ/Business/Publish/Main.html）讀取。所選站點包括朱沱、朱楊溪、江津大橋、支坪街道、豐收壩、碼頭、寸灘、黎家鄉崔家巖村、曬網壩、白帝城及巫峽口11個長江干流水質監測點及石門坎和白馬2個支流水質監測點（見圖1）。數據涵蓋由2021年1～12月的pH、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）及濁度（Turb）。該數據由已建成并正式投入運行的國家地表水水質自動監測站測定，其采水點水深不小于1 m。通過對所讀取的各站點小時數據求算術平均值得到日均值數據和月均值數據，以供本文后續分析。

1.3 分析方法

根據水質參數的月均值數據，通過水質指數（WQI）法［26-27］評估水質狀況，計算過程在Microsoft Excel軟件中完成，計算公式如下［28］：WQI=ni=1Ci×Pini=1Pi（1）式中：n為所選水質參數總數（n=7）；Ci和Pi分別為參數i的歸一化值和權重，Pi取值范圍為1～4，根據水生生物保護的建議值決定，反映了水生生物轉化過程中各參數重要性，越重要的參數數值越大［20，29］。

基于WQI值可將水質分為5個等級：極差（0～25）、差（26～50）、中等（51～70）、良好（71～90）、極好（91～100）。WQI計算過程中參數歸一化值及權重如表1所列。

主成分分析（PCA）用于對各水質參數的降維分析，Ward法層次聚類用于對站點、月份及水質參數的聚類分析，單因素方差分析（One-way ANOVA）用于檢驗不同站點間的水質參數及WQI值的顯著差異，Pearson相關性分析用于分析WQI及各水質參數間相關性，以上分析過程均通過SPSS軟件完成。通過“randomForest”包建立水質參數與WQI之間的隨機森林回歸模型并評估各水質參數重要性，模型顯著性及各參數顯著性分別采用“A3”包和“rfPermute”包進行評估［30］。圖件的制作在ArcGIS 10.5、Origin 2022及Adobe Illustrator 2020軟件中完成。

2 結果分析

2.1 三峽水庫不同站點水質特征

2021年三峽水庫13個監測站點水質參數日均值的空間變化特征如圖2所示。TN濃度的變化范圍為0.01～7.15 mg/L（見圖2（a）），根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》，各個站點有74.47%～100%的TN日均值未達到Ⅲ類水質標準。其中，以朱楊溪的TN污染最為嚴重，其濃度為1.00～7.15 mg/L，99.70%的TN日均值未達到Ⅲ類水質標準；黎家鄉崔家巖村的TN污染程度最輕，其濃度范圍為0.02～0.23 mg/L，77.47%的TN日均值未達到Ⅲ類水質標準。TP濃度范圍為0～0.63 mg/L，各個站點有15.06%～100%的TP日均值未達到Ⅲ類水質標準。其中，以朱楊溪的TP污染最為嚴重，其濃度范圍為0.06～0.29 mg/L，全部TP日均值未達到Ⅲ類水質標準；而石門坎的TP污染程度最輕，其濃度范圍為0～0.63 mg/L，15.06%的TP日均值未達到Ⅲ類水質標準。CODMn濃度范圍為0.08～31.35 mg/L（見圖2（c）），各個站點僅有0～5.78%的濃度未達到Ⅲ類水質標準，表明三峽水庫各站點的CODMn污染程度相近。NH3-N的濃度范圍為0～1.36 mg/L（見圖2（d）），僅朱楊溪斷面有1.22%的日均值濃度未達到Ⅲ類水質標準。DO濃度的變化范圍為1.34～22.39 mg/L（見圖2（e）），僅黎家鄉崔家巖村斷面12.46%的日均值濃度未達到Ⅲ類水質標準。pH濃度的變化范圍為6.37～9.07（見圖2（f）），僅朱楊溪斷面在8月5日的日均值未達到V類水質標準。濁度的變化范圍為1.4～3862.9 NTU（見圖2（g）），各斷面濁度大部分時間處于較低水平，從庫尾到庫首，濁度高值出現的頻率呈現先增加后減少的趨勢。從各個水質參數的波動情況而言，朱楊溪的TN和NH3-N濃度波動幅度較大；碼頭和黎家鄉崔家巖村DO波動相對較大；豐收壩和黎家鄉崔家巖村的pH波動明顯；支坪街道、豐收壩、石門坎、寸灘、白馬及白帝城斷面濁度可見明顯波動，而靠近大壩的巫峽口斷面始終穩定在較低值。

從單因素方差分析結果來看：不同斷面在各水質參數上也存在顯著差異，黎家鄉崔家巖村及曬網壩斷面的pH分別與其他斷面呈顯著差異，豐收壩DO濃度顯著低于其他斷面，朱楊溪斷面TN、TP、NH3-N及CODMn濃度均顯著高于其他斷面（見表2）。

2021年三峽水庫13個監測站點水質參數在日均值尺度的空間變化表明：① 不同站點各個水質參數的變化具有明顯的空間異質性，以朱楊溪斷面的水質情況最差，總體而言，水質狀況從庫尾到庫首（朱沱到巫峽口斷面）有所好轉，這離不開庫區內對農業污染、城鎮生活污水等的有效控制，同時水庫水體自凈也起到了積極作用［21］。② 各站點CODMn、NH3-N和DO等水質參數絕大多數情況下均滿足Ⅲ類水標準，而TN和TP的大部分未達到Ⅲ類水標準，表明2021年三峽水庫的水質污染是以氮磷營養鹽污染為主，這與Gao［12］、趙晏慧［31］等的研究結果相一致。

2.2 三峽水庫水質月尺度變化特征

2021年三峽水庫13個監測點水質參數月均值的時間變化如圖3所示。TN、TP、CODMn、NH3-N、DO、pH和濁度這7個參數在月尺度上的濃度變化分別為0.36～5.65 mg/L，0.01～0.39 mg/L，0.28～5.62 mg/L，0.02～0.41 mg/L，5.67～14.79 mg/L，6.98～8.34和1.61～383.77 NTU。與不同站點日均值的結果類似，CODMn、NH3-N、DO和pH這4個水質參數的濃度在月均值尺度上均滿足GB3838-2002規定的Ⅲ類水質標準，而TN和TP這2個參數的濃度在月均值尺度上分別有94.29%和44.29%的數據點未達標。

不同水質參數隨水庫調度期呈現不同的變化規律。總體上，TP、CODMn和濁度在消落期上升，7月達到最高后開始下降，直到高水位期后保持相對穩定，但這3個參數在6月比較異常，均呈現較低值；DO和pH的濃度變化總體上與前者相反，在消落期下降，汛期相對穩定，在蓄水期逐漸上升；TN和NH3-N的含量在月尺度上的變化較小，無明顯波動。

2.3 三峽水庫水質聚類分析

三峽水庫13個監測站點的空間聚類圖如圖4（a）所示，水質在空間上可分為3大類：第一類包括寸灘、江津大橋、石門坎、支坪街道、朱沱、豐收壩和碼頭；第二類包括白帝城、曬網壩、白馬、巫峽口和黎家鄉崔家巖村；第三類僅含朱楊溪。空間聚類的結果表明：相鄰站點的水質情況類似，并聚集在同一組內；庫首和庫尾的水質差異較大，并分布在不同組別中；朱楊溪的水質與其他站點具有明顯差別，單獨為一組。三峽水庫在月尺度上的聚類結果如圖4（b）所示，水質在時間上可分為3大類：第一類包括10，11，12，6月；第二類包括1，2，3，4，5月；第三類包括7，8，9月。時間聚類的結果與水庫蓄水調度的運行周期類似，高位運行期、消落期和汛期分別位于不同組別，進一步證實了水庫調度會影響水庫水質。三峽水庫不同水質參數的聚類結果如圖4（c）所示，可分為3個組別，分別是NH3-N、TP、CODMn和TN為一組，pH和DO為一組，濁度為一組。聚類的結果表明NH3-N、TP、CODMn和TN這些營養鹽類參數可能有共同的來源，相互依賴，并在三峽水庫中有類似的遷移、轉化行為。

2.4 三峽水庫水質評價結果

對2021年三峽水庫13個監測站點不同水質參數月均值計算WQI的結果如圖5所示。從空間分布來看（見圖5（a）），總體上，WQI值的波動范圍為51.88～85.63，平均值為75.48，水庫整體水質良好（71～90）。單因素方差分析結果表明朱楊溪WQI值分別與江津大橋、支坪街道、石門坎、曬網壩及巫峽口呈顯著差異，而除朱楊溪外其余各站點間WQI值差異并不顯著。從各個站點波動的情況來看，豐收壩和白帝城的WQI值波動較大，分別為51.88～81.25和59.38～82.5。

根據WQI分類水平結果，朱沱和巫峽口全年水質類別為“良好”；江津大橋、支坪街道、豐收壩、碼頭、石門坎，寸灘、白馬、黎家鄉崔家巖村、曬網壩和白帝城全年水質類別以“良好”為主導，分別占據91.67%，75%，58.33%，66.67%，83.33%，75%，90%，66.67%，91.67%和67.67%；而朱楊溪的水質類別全年呈現“中等”水平。總體上，三峽水庫1～12月份的水質類別在“良好”水平的占27.27%～92.31%，其中1月份和2月份的水質類別在“良好”水平的最多，7月份最少；水質類別“良好”的占比隨著水庫調度水位的變化而發生改變，處于高水位時，“良好”占總體的81.82%～92.31%，低水位時減少為27.27%～84.61%。

從月尺度變化情況來看（見圖5（b）），三峽水庫各站點WQI值整體上在5月份開始明顯降低，10月份恢復；大多數斷面（近壩段的曬網壩、白帝城及巫峽口斷面除外）WQI值在6月份呈現出一次好轉現象。

2.5 三峽水庫水質主成分和相關性分析

三峽水庫不同站點水質的主成分分析排序圖如圖6所示，提取了引起水質變化的3個主成分，其累計方差貢獻率為70.76%，能夠充分反映原始數據信息。第1主成分PC1的方差貢獻率為35.52%，與之關聯的主要參數為TP、CODMn、TN和NH3-N，表明這些營養鹽成分來源和遷移模式類似。第2主成分PC2的方差貢獻率為19.94%，與之相關聯的主要參數有DO和pH，其中，DO對PC2的正相關性最大，反映了水體中DO的變化主導著pH的變化。第3主成分貢獻率為15.30%，與之關聯的參數為Turb，反映了水中懸浮物對水質的影響。

相關性分析揭示了各水質因子之間的關系（見圖7）。TN與營養鹽類指標TP、NH3-N和CODMn顯著正相關（Plt;0.01）。TP與NH3-N、CODMn、Turb顯著正相關（Plt;0.01），與pH和DO顯著負相關（Plt;0.01）。NH3-N和CODMn顯著正相關（Plt;0.01），與pH（Plt;0.05）和DO（Plt;0.01）顯著負相關。CODMn與Turb顯著正相關（Plt;0.01），與pH和DO顯著負相關（Plt;0.01）。Turb與pH和DO顯著負相關（Plt;0.01）。與聚類及主成分分析的結果類似，pH和DO存在明顯的正相關關系（Plt;0.01）。此外，pH、DO與WQI值顯著正相關（Plt;0.01），Turb、CODMn、NH3-N、TP、TN與WQI值顯著負相關（Plt;0.01）。

2.6 基于RF的水質參數重要性評估

隨機森林（random forest，RF）是一種基于決策樹的非線性集成機器學習模型，可以對指標重要性進行度量并可視化重要度［32］。基于RF評價影響三峽水庫WQI值的水質參數的重要性結果如圖8所示。建立的回歸模型顯著性檢驗的P值小于0.001，預測變量即7個水質參數對響應變量WQI的解釋率R2為86.5%。交叉驗證結果顯示7個水質參數均為影響WQI的重要參數，同時，對各參數顯著性檢驗的P值均小于0.01，表明各水質參數對WQI的影響十分顯著。均方誤差增加率百分數的條形圖顯示，濁度為影響WQI重要性得分最高的水質參數，其次為CODMn、DO、TP、NH3-N、TN和pH。從水生生物保護的角度來看，濁度是影響三峽水庫水生生物的水質因素中最重要的參數，應當在相關的水生態保護工作中給予更多關注，然而該參數并不包含在GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的基本項目中。

3 討 論

3.1 水質參數空間特征

TN、TP及NH3-N是反映水質及水生生物營養物質的重要指標［33］，三峽水庫各斷面均存在不同程度的TN和TP污染；僅少數站點部分時間的CODMn超過地表Ⅲ類水質標準，表明三峽水庫有機污染程度整體較輕，這與前人的研究一致［34］。朱楊溪TN和NH3-N波動較大，且TN、TP、NH3-N及CODMn的日均值均有不同程度地未達到Ⅲ類水質要求，表明該斷面水體面臨著多種營養物質和有機污染的威脅，這可能與該斷面上游臨江河小流域上存在著大量農業和工業污染有關，同時臨江河流域上的永川區經濟和工業快速發展導致大量城市污水的排放也是朱楊溪斷面水質不佳的重要因素［35］。

DO作為重要的地表水環境指標，能有效反映水體的自凈能力［36］。黎家鄉崔家巖村斷面有12.46%的DO日均值未達到Ⅲ類水質標準，反映了該斷面附近水體自凈能力相對較差。pH可以反映水體中光合作用強度、有機物質的分解程度及微生物活性［37］。分層聚類、主成分分析及相關性分析研究結果均表明DO和pH的顯著正相關性，推測是由于水體中溶解氧、二氧化碳、碳酸鹽等物質的含量和平衡狀態主導著各斷面DO和pH的波動，使得DO與pH變化趨勢近乎一致［38］。當光合作用較強時，葉綠體吸收水體中CO2并釋放出O2，水體CO2含量降低導致pH升高；當光合作用較弱時，水生生物呼吸作用導致水體DO減少、CO2增加，致使pH降低。這種作用在黎家鄉崔家巖村斷面表現得尤為突出，靠近該斷面的上游河道呈連續的“S”形，導致河流流速減緩，特殊的水動力條件使得水體中藻類密度比其他斷面更高［39］，而天氣的變化又主導著藻類等的光合作用，從而引起水體DO不斷變化，并致使pH在日尺度上劇烈波動，在10～12月氣溫較低時，藻類生長被抑制，該作用機制也明顯減弱。

濁度是反映水體懸浮物質的重要指標，水體高濁度會影響水生植物光合作用和水生動物的覓食能力、促進微生物的繁殖和傳播，增加水質惡化的風險［40］。而三峽水庫中段的濁度波動較大，其中石門坎斷面最高達3 862.9 NTU，以往的研究表明這與流域匯流過程中沖涮的大量泥沙密切相關，例如嘉陵江在汛期由于河流縱波大、流量激增及上游植被遭到人為破壞，攜帶大量泥沙的江水濁度最高可達幾萬NTU［41］。

3.2 水質參數月尺度變化的影響機制

三峽水庫水質參數在不同調度期表現出不同的變化規律。CODMn呈現汛期大于其他水庫運行期的特征。這是由于CODMn濃度及和濁度變化與泥沙密切相關［42-43］，受到降雨、河道坡降及植被的人為破壞等因素影響，一般汛期來水量、含沙量較大，濁度較高，泥沙中有機質的釋放使得CODMn濃度升高。同時，三峽庫區柑橘種植較為普遍，且大多分布在水庫正常蓄水位以上的鄰近區域，在汛期降雨時，農藥、化肥迅速流失并隨匯流過程進入水庫水體，引起CODMn濃度升高。此外，城鎮污水管道中積累的泥沙和污染物在汛期降水豐富條件下也會隨水流進入水庫。TP同樣呈現出汛期大于其他水庫運行期的特征，TN月尺度波動較小，但在消落期和蓄水期仍表現出微弱的上升和下降趨勢，其主要因素仍然是化肥、農藥大量施用后隨降水徑流進入水庫水體，使得降雨充沛的汛期TP、TN濃度較高，隨著蓄水進行，水庫營養鹽隨泥沙沉降，使得高水位運行期TP、TN濃度較低［14］。DO的變化主要受水溫的影響，消落期隨著水溫的升高，氧在水中溶解度下降，三峽水庫水體DO在汛期保持較低濃度，蓄水期及高水位期則隨氣溫降低逐漸升高［44］。pH變化趨勢與DO一致且呈現顯著正相關，這是由于消落期至汛期水體中生物活性逐漸增強，有機質分解釋放出CO2、H2S等酸性物質，使得pH呈現逐漸下降趨勢［45］。

同時，本研究結果也反映出生態調度對三峽水庫水質有積極的影響。水庫的生態調度可以部分恢復天然水文情勢，修復大壩上下游河流生態系統結構和功能，提升河流自凈能力和水生物多樣性，從而使河流的水質狀況好轉［46］。以“促進產漂流性卵魚類繁殖”為目標的生態調度主要通過制造一定的漲、退水過程，從而控制水體流速，刺激目標魚類產卵。在這一過程中，水庫干流及支流庫灣水體流速和紊動增加，促進了水體中污染物的降解［47-48］，同時在一定程度上抑制了水體的富營養化［49］，從而改善水庫水質。因此，6月份三峽水庫TP、CODMn及濁度在總體上升的趨勢下反而表現出一次明顯的突降，WQI也呈現出突然的升高，以及在對月份聚類分析時與水質相對較好的10，11，12月歸為一類。但這種現象在近壩段的曬網壩、白帝城及巫峽口斷面表現并不明顯，這是由于近壩段遠離變動回水區，水深較大，生態調度引起的水體流速和紊動的增加在這些斷面作用較弱［50-51］。

4 結 論

（1） 2021年三峽水庫各斷面大部分時間水質未達到GB 3838-2002《地表水環境質量標準》規定的地表Ⅲ類水質標準，主要污染為TN、TP;水質空間變化主要表現為上游至壩前水質趨好，個別站點部分水質參數表現異常，如朱楊溪斷面TN、TP、NH3-N及CODMn均高于其他斷面，其中TN、TP日均值分別有99.7%和100%低于地表Ⅲ類水質標準，水質較差。在月尺度上，年度水位調度期與水質參數的變化密切相關，DO和pH呈現消落期下降、蓄水期和高水位期上升趨勢；TP、CODMn均明顯表現出汛期大于其他運行期的特征。

（2） 基于水生生物保護的建議值計算的WQI值范圍為51.88～85.63，處于中等-良好水平，平均值為75.48，表明水庫整體水生態狀況良好；結合多種統計分析及RF結果來看，濁度是影響三峽水庫水生生物的水質因素中最重要的參數。

（3） 結合自然環境特征、數據波動特征、層次聚類分析及Pearson相關性分析結果表明，在光合作用影響下，水體中溶解氧、二氧化碳、碳酸鹽等物質化學平衡狀態隨天氣變化不斷波動，因此pH受DO含量驅動不斷變化，兩者在數值上顯著正相關。但本文中僅對三峽水庫DO、pH進行了定性的分析，后續研究或可基于DO、pH及葉綠素實測數據建立三者的定量模型，進一步深入對三峽水庫水質的認識。

（4） TP、CODMn、濁度、WQI在月尺度上的變化特征及聚類分析結果表明，以“促進產漂流性卵魚類繁殖”為目標的生態調度實驗對三峽水庫的水質有積極作用。后續研究或可通過更全面的水位、流量及水質數據進一步探明生態調度與水庫水質的定量關系，以尋求最優的生態調度方案。

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（編輯：劉 媛）

Spatio-temporal variation characteristics and influence mechanisms of

water quality in Three Gorges ReservoirXI Wenxiang ZHU Xianbin PAN Hongzhong YAO Huaming1，2，3，LIU Mingliang1，2

（1.Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China； 2.College of Resources and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China； 3.Hubei Key Laboratory of Intelligent Yangtze and Hydroelectric Science，China Yangtze Power Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract： The reservoir ecological environment after the construction and operation of the Three Gorges Project has been a great concern.The water quality conditions in the reservoir are complex and constantly changing.However，the spatio-temporal variation characteristics and influence mechanisms of the water quality in the reservoir under the reservoir scheduling still need to be explored.Based on the monitoring data over 11 Yangtze River mainstream cross sections and 2 tributary cross sections in 2021，we utilized the water quality index （WQI） to evaluate the water quality in the reservoir，and combined principal component analysis （PCA），Pearson correlation analysis，one-way ANOVA and random forest （RF） methods to investigate the spatio-temporal characteristics and influence mechanisms of water quality in the Three Gorges Reservoir under the influence of reservoir scheduling.The results showed that：① From the spatial scale，the changes of each water quality parameter had obvious spatial heterogeneity.The overall water quality condition had improved from upstream to dam site （Zhutuo to Wuxiakou section），and the water quality condition of Zhuyangxi section was the worst.② From a monthly perspective，different water quality parameters and WQI changed with reservoir storage.TP and CODMn concentrations generally showed the characteristics of flood season （June to September） gt; drawdown period （January to June） and storage period （September to October） gt; high water level period （October to December）.DO，pH and WQI，on the contrary，decreased in the drawdown period，were relatively stable in flood season，and gradually increased during the storage period.The ecological scheduling benefited the water quality in the reservoir.Two ecological schedules，from 29 May to 3 June and from 16 to 22 June，to promote the reproduction of drifting spawning fish，probably resulted in a significant improvement in water quality in the reservoir in June.④ Various statistical analysis tools combined with RF methods showed that there were significant correlations between different water quality parameters.TN，TP，NH3-N and CODMn were significantly positively correlated （rgt;0.3，plt;0.01），pH and DO were significantly positively correlated （r=0.428，plt;0.01），and all parameters significantly affected the WQI in the Three Gorges Reservoir （plt;0.01），with turbidity being the most important parameter affecting the water quality in the Three Gorges Reservoir.The results of this study can provide a theoretical basis for the sustainable development of the water environment and the rational allocation of water resources in the Three Gorges Reservoir.

Key words： water quality；reservoir operation；water quality index；random forest （RF）；Three Gorges Reservoir

收稿日期：2023-03-15；接受日期：2023-06-16

基金項目：智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室開放基金項目（ZH2102000113，ZH2002000113）；湖北省教育廳科學技術研究計劃青年人才項目（Q20211310）；國家自然科學基金青年科學基金項目（41902257）

作者簡介：習文祥，男，碩士研究生，主要研究方向為流域水生態環境治理與修復。E-mail：xi_wenxiang@163.com

通信作者：祝賢彬，女，講師，博士，主要研究方向為流域水生態環境治理與修復。E-mail：zhuxianbinyes@163.com