三峡水库和长江宜昌段河道夏季日间水环境初步评价及对策分析

王琤浩　李向龙

摘 要：采用原位监测在夏季从三峡库区到下游枝江的长江干流区段选定监测点进行日间水体环境指标测量。结果表明，三峡大坝上下游表层水温有明显差异性，西陵峡内长江水温无较大变化，流经宜昌城区后水温高于三峡水库。经水库温度分布模拟，三峡水库水温各季节分布差异明显，体现出水温分层现象，最低水温出现时间向后推迟。大坝下游溶氧较高，风速强也会使DO上升。从西陵峡口开始表层水体pH不断下降，应考虑实施兼顾生态保护的水库调度。

关键词：夏季 水环境评价 三峡水库 长江宜昌段

中图分类号：TV147 文献标识码：A 文章编号：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

濕地是分布在陆地系统和水体系统之间的由陆地系统和水体系统相互作用而形成的自然综合体，也是地球上具有多种功能的独特生态系统[1-2]。湿地是最富生物多样性的生态景观，在经济社会发展的今天也备受重视[3]。1982年国际资源和自然保护联合会（IUCN）、联合国环境规划署（UNEP）、世界野生生物基金会（WWF）联合制定的世界自然资源保护大纲中，将湿地与海洋、森林并列为三大系统，而淡水湿地也被列为了受威胁物种最重要的集结地。而湿地也是人类生存环境的重要组成部分，对地区、国家和全球的气候变化、经济发展以及人类的生存环境都具有很重要的影响。国外湿地的研究重点区域集中于芬兰、俄罗斯和北美等地，主要集中在对引起湿地景观变化的机理方面的深入研究。1971年《拉姆萨尔公约》签署后，各国纷纷成立了湿地研究机构，研究工作也逐渐转入了对湿地水体生态恢复和人类活动对湿地的环境影响研究[4]。而缓流型河道与河道型水库在近岸区域也会形成湿地形态的自然系统。

水体富营养化以及水体污染是缓流型河道与湖泊分类和演化的一个过程，也是水体衰老的一种表现。随着水利水电事业和经济社会的发展，大型水库和改造湖泊的出现导致了水体富营养化成为各地普遍发生的一种现象，越来越受到世界各国的重视。水体污染导致的水域中的营养盐含量升高、浮游藻类的大面积繁殖，使得光合作用下水体昼夜溶氧量大幅度变化，造成了鱼类死亡和水体使用功能降低的不利后果。20世纪60年代，联合国经济合作和开发组织（OECD）便组织过18个国家进行湖泊水体富营养化的系统研究工作。而后，1991—1993年澳大利亚的新南威尔士州连续发生了162次水华，其中有84次对水的用途造成了不良影响，尤其是1991年底，达令河水系发生了世界上有记录以来最大规模最为严重的蓝藻水华暴发事件[5]。在葛洲坝工程和三峡工程完工之后，宜昌和重庆市境内形成了中国最大面积的河道型水库，即三峡水库，同时三峡水库下游的宜昌境内长江河段也形成了受水库下泄流量调节的缓流型河道。本文通过数学模型结合对实测水质数据的分析，期望初步评价以三峡水库和长江宜昌区段为例的亚热带河流及河道型水库水环境状况，并就对策进行初步分析。

1 研究区概况

三峡大坝位于宜昌市三斗坪，由此形成的三峡库区西起重庆江津，东到湖北宜昌，库区涉及面积54000 km2，区内河谷平坝约占总面积的4.3%，自然条件差，生态环境脆弱，是典型的生态环境脆弱带[6]。

葛洲坝水利枢纽位于宜昌市城区，距上游的三峡大坝坝址38 km，控制长江总流域面积的55.5%，共计100万km2，坝址处多年平均流量14300 m3/s，平均年径流量 4510亿m3。水库总库容15.8亿m3。对三峡工程因调洪下泄不均匀流量起反调节作用，具有反调节库容8500万m3。

从三峡大坝坝址以下（30°49'01〃.56N， 111°00'00〃.11E）直到宜昌市枝江城区（30°25'06〃.99N， 111°45'39〃.89E）共计132.7km的长江干流河道穿过西陵峡，流经宜昌市、宜都和枝江，该区段受两座水电站调节影响，生态环境情况较为典型。

研究区气候属于亚热带大陆性季风气候，总体特征为偏旱偏暖。冬夏季风更替明显，降水和气温也有着明显的季节性变化[7]。冬季降水偏多，春、夏、秋季降水持续偏少；冬季、秋季及初春、盛夏气温偏高，仲春、初夏及夏末气温偏低，7月平均气温27.7℃。整体年平均湿度较大，可达80%。

在夏季从三峡库区内到下游枝江城区（30°52'03〃.60N，111°57'37〃.85E～ 30°25'06〃.99N，111°45'39〃.89E）共140.1km的长江干流区段选定了5个监测点进行了日间水体环境指标测量。测量对象包括表层水温、pH、表层溶解氧浓度、表层流速、气温、气压和风速，所有指标均为现场测量。

2 三峡水库和长江宜昌区段水温的生态影响

2.1 水温变化对水体生态环境影响

水温是河流廊道生态恢复的关键因素。溶解氧浓度是随水温增高而下降的，好氧污染物对水体的胁迫作用也会随着温度的升高而增加；温度控制许多冷血水生生物的生化和生理过程，温度升高将提高整个食物链的代谢和繁殖效率；很多水生生物物种只适应有限的温度范围，河流中最高和最低温度的转换可能对物种组成有着长远的影响，决定水生生物分布；温度亦会影响许多非生物的化学过程，比如复氧率以及颗粒物对有机化学物的吸附和挥发率，这会导致有毒化合物的增加，因为溶解的部分通常是最具有生物活性的[8-10]。

2.2 三峡库区及长江宜昌区段河道表层水温沿程变化

通过对监测点：三峡库区内银杏沱码头（YXT）、三峡大坝下游黄陵庙水文站（HLM）、西陵峡口葛洲坝海事局（HSJ）、猇亭区古老背渡口（GLB）和枝江城区董市（ZJ）的多次测量日间平均表层水温进行比较，得出三峡大坝上下游表层水温有着较为明显的差异性的结论。

这是由三峡电厂下泄深层低温水流后造成的。自三峡大坝坝址到西陵峡口长江干流河道仍然处于山区河流，西陵峡内长江水温并没有较大幅度的变化，仍然维持在下泄水温附近，略低于三峡水库的同期日间水温。流经宜昌城区后，在下游亭区古老背渡口测得的水温较高，高于三峡水库，这是因为长江逐渐进入平原地区，两岸植被减少，两岸的生活废水及工业废水也会排入河道，造成了下游水温逐渐上升的现象，同样的趋势也表现在枝江城区长江日间表层水温高于上游4个监测点的测量值。

2.3 三峡库区水温分层模拟及宜昌站水温变化生态分析

三峡水库正常蓄水位为175m，死水位为145m，年水位变幅可以达到30m，因此在模拟计算中重点研究分析这30m水位变幅的影响。根据模型可以计算得出三峡水库各水深水温年变幅以及年平均水温如图1所示。

同时，根据模型可以计算出三峡水库一年内各月不同深度水温，如图2所示。按照四季分别进行分析，大体上看各季节平均水温夏季最高，冬天最低，春季和秋季相近，但秋季较高，与宜昌地区的年气温变化过程一致。然而在夏季和冬季出现了两次月内平均水温线相交的情况，即7月份虽然表层水溫高于8月，但深层水温8月份较高；2月份虽然表层水温高于1月，但深层水温1月份较高。体现出十分明显的水温分层现象。

综合来看，三峡水库表面水文基本上随气温变化而变化，由于日照的影响，在大多数情况下，表面的水温略高于气温。水库水体温度呈现较规律的分布。表层水温主要受季节气温变化的影响，一般在10～20m深度范围内，根据以往资料总结，掺混变温层水温在风吹掺混、热对流、电站取水以及水库运行的影响下，在一年内不断变化，这一层范围与三峡水库的取水孔口高程和运行季节以及下泄流量有关。本模拟深度为30m水位变幅，并没有考虑更深层的稳定低温水层。

水库水温分布问题，实质上是热传导问题，影响水库水温分布的主要因素有水库形状、库区水文气象条件以及水库的运行条件。水库形状不同，即使入库或者出库的水体相同，热交换形成的水温分布也有较大差异。库区水文气象条件主要包括了热交换的热源因子和外部因子，同时需要考虑入库悬移质造成的异重流现象。调度方式、电站和泄水建筑物的孔口高程位置以及引水和泄水的能力、水库水位变化也都会影响水温分布。

宜昌站2009年实测资料表明，2009年日平均水温较1983—1992年日平均水温有较大的变化。主要表现在三峡水库正式蓄水后，宜昌站9月至次年1月的水温高与自然情况，而3～5月的水温较低，最低水温出现的时间明显向后推迟，这是三峡水库深层水体下泄造成的。渔政部门监测资料表明，长江中游段5～6月家鱼的繁殖量占繁殖季节的70%～80%。由于下泄水流的水温低于建坝前的状况，四大家鱼的产卵期推迟将近20d。同时，水库泄洪导致的下泄水流气体过饱和现象，可使下游鱼类特别是鱼苗发生“气泡病”。

3 三峡水库和长江宜昌区段pH， DO的生态影响

3.1 pH、DO变化对水体生态环境影响

水流中的pH值范围对有毒物质有重要的影响。高酸度或高碱度往往使得不溶性金属硫化物转化为可溶形式，并增加有毒金属的浓度。而高pH值可以提升氨的毒性。高pH值条件促使水体中的氨由离子态（）向非离子态（NH3）转换，其中非离子氨具有较高的水生生物毒性，而离子氨的毒性可以忽略不计。非离子氨的比例可以由pH值和水温确定，pH值或温度增加，非离子氨的比例以及其毒性也会增加。pH值为7且水温为20℃时，只有约0.4%的总氮呈非离子态，而在pH值为8.5且水温为25℃的条件下，15%的总氮呈非离子态，对水生生物的潜在毒性会增大35倍[14]。

而溶解氧（DO）是健康的水生生态系统基本条件之一，多数垂钓鱼类在溶解氧浓度低于3～4mg/L的条件下生存将出现困难，幼虫和幼鱼则对DO更为敏感，需要更高的溶解氧浓度。

3.2 三峡库区及长江宜昌区段河道表层pH， DO沿程变化

5个监测点多次测量日间平均表层pH和DO，为了更好显示出内在规律，对每个监测点测量数据求平均值，得到三峡库区及长江宜昌区段河道表层pH，DO沿程变化的规律如图3所示。

从平均值的沿程变化情况来看，库区内的银杏沱表层DO明显低于大坝下游的黄陵庙水文站DO，这是由大坝泄流过饱和水流造成的现象。经过一段时间的流程，水流到达葛洲坝坝前的海事局时，DO恢复了正常水平。古老背渡口和枝江附近的DO较高是因为该区域渐渐离开山区进入平原，风速较强，水面波浪较大，增加了表层水体与空气的接触和交换，从而使DO上升。

pH变化具有重要意义的是从海事局到枝江表层水体pH不断下降，从中性变成了微酸性。这是由于长江经过宜昌市主城区时接纳了大量生活污水，同时猇亭区属于工业区，生产废水的大量排放也造成了江水的污染。虽然水体具有一定的自净能力，但其污染影响还是可以通过实测表现出来。

3.3 三峡库区及长江宜昌区段河道表层pH， DO水平评价

经过实测，长江该区段的DO大部分适宜水生生物的正常生存，但是库区下泄流量造成的过饱和水体和DO增加现象可能会对鱼类的正常生长造成一定不利影响。

pH值的变化值得引起注意，由于生活和生产污水的排放，长江水体受到了一定程度的污染，大多数类型的水生生物适宜生存的水域为中性环境，较低的pH必然会影响到水生生物的正常生长，对该区域的渔业和生态环境造成不利影响。应该考虑对污水的正确处理而非是直接排放。

4 水环境评价及生态调度对策

4.1 水生生物对水环境压力的敏感响应及生态评价方法

作用在河流生态系统上的压力是多种多样的，在进行水环境评价以及生态环境评价时，需要建立一种河流水生生物对于环境压力的响应关系。在对众多水体生态因子进行分析时，需要识别出哪些因子是导致水生态系统退化的关键因素。在河流进行生态修复规划时，这些关键胁迫因子将列为重点的修复任务。

以溶解氧为例，洁净水体中的溶解氧一般接近饱和，如果湖库水体受到有机物质和还原性物质污染时，溶解氧会低于饱和值，尤其当藻类大量繁殖时时会造成溶解氧低于饱和值，甚至形成富營养化水体。

而富营养化水体的另一个特征是pH值的升高，湖泊和水库的pH大多处于弱碱性或者碱性，也有少数pH低于7，富营养化水体中，随着富营养化水体的发展，其pH也会逐渐升高，与藻类生长呈现正比关系。

对于水体生态评价方法，可以采用群落物种多样性的多样性指数作为评价指标以反映物种丰富度，对于长江内的鱼类评价，可以采用Margalef指数进行评价，具体公式为

式中：S为群落中总种数；N为观察到的个体总数。

4.2 兼顾生态保护的水库调度

对三峡水库下游和长江宜昌段的兼顾生态保护的水库调度，首先需要量化水文改变与生态响应的关系。确定这些关系可以借助水文学上的蒙特卡罗方法进行径流随机模拟以寻找水文与生态联系，包括低流量的持续时间、最小流量出现时间、日间涨水率等都会对水生生物多样性产生影响。根据这些关系，可以计算生态保护目标的环境水流需求。

对于长江该区段，生态保护目标主要集中在增强泥沙输移过程和补偿下游河流典型鱼类的繁殖条件两方面。增强泥沙输移过程可以采用预泄方式实现，而补偿下游河流典型鱼类的繁殖条件则主要集中在四大家鱼和中华鲟上。对于四大家鱼，在6月15日到7月20日的繁殖期间，应考虑进行人造洪峰造成动态变化的涨水过程，而对于中华鲟的生态流量调度则体现在11月中下旬的加大泄量上。

最后根据多种约束条件制定出改善水库调度的基本方案，并基于适应性管理方法开展水库调度试验。

5 结语

三峡水库的建成对于长江西陵峡区段的影响较大，呈现十分明显的河道型水库特性，水库的水温呈现明显变化滞后性。而长江宜昌区段的水环境变化也呈现较为明显的趋势，即重工业区污水排放导致的水体pH值降低的现象。考虑进行合理的生态调度以改善该区段的生态环境，还需要进行更为深层的监测及分析以正确评价该区段水体的生态环境状况。

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