三峡水库自 2003年 6月蓄水之后，受水库干流顶托作用的影响，一些回水淹没区支流流速显著减缓、水体浊度明显下降、支流库湾中营养盐滞留时间增长.整体水体环境向有利于浮游植物生长方向发展.调查显示，在整个三峡库区，回水区水体处于富营养状态的断面比例为 5.0%～52.5%，非回水区为 10.8%～24.3%，回水区富营养化程度高于非回水区^[1].近年来，部分成库前水环境质量较好的次级河流发生了严重的富营养化现象^[2].人们对于三峡库区水环境问题的关注范围开始由原先的库区干流扩展到了支流库湾.

营养盐是浮游植物生命活动的物质基础，浮游植物按一定比例(Redfield比值)摄取营养物质维持自身的物质和能量代谢^[3]，在充足营养盐、适宜水温和光照条件下浮游植物可以大量增殖.早期人们对三峡库湾藻华发生机制的研究，更多地关注了来自支流输入的营养盐^[4].相比较而言，有关干支流水体相互作用过程中，干流对支流营养盐的逆向输入研究相对较少^[5]，然而库区干流与支流库湾存在着重要的水体交换^{[6, 7, 8, 9, 10]}，同时长江干流营养盐含量相对较高，使得干流水体将对支流营养盐产生重要影响^[11].此外，在现有干支流相互作用的研究中，大部分都忽略了不同水位调度时期，这种相互作用的差异^{[12, 13]}.因此，分时期定量估算干支流之间营养盐的交换通量，弄清干支流之间营养盐的相对贡献，对解决库区支流日益严重的水华问题具有重要的理论和实际意义.

本研究于 2012-2013年按月对三峡库区干流及支流梅溪河进行了详细的野外观测，结合干、支流交汇区域的水流特点和三峡水库水位调度实际，估算了干、支流营养盐的交换通量，以期为进一步揭示库区支流富营养化问题提供理论依据. 1 材料与方法

梅溪河位于长江北岸三峡库区中部，重庆奉节县境内，发源于巫溪县，在奉节老城区东注入长江，是长江的一级库区支流.三峡水库蓄水 175 m后，在距河口 12 km的范围内形成回水区. 1.1 样点设置

本次研究在梅溪河共设置 4个断面(河口、中部、上游、源头)，采样编号依次为 MX01、MX02、MX03、 MX04，另外，在长江干流梅溪河河口上下游各设置一采样点，记为 CJ01、CJ02.具体样点分布见图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 梅溪河采样站位示意 Fig. 1 Map of sampling sites in Meixi River

于 2012年 8月至 2013年 7月期间对梅溪河及干流各断面逐月进行现场调查,在各断面处，采用 ADCP(美国 Teledyne RDI公司)进行走航式测流，测得数据包括断面流量、流速、流向、水深、断面面积以及断面宽等； 剖面上的水质基本参数利用美国维赛公司生产的 YSI进行测定，测量的内容包括水深、温度、 pH、DO、叶绿素 a、浊度等.

在梅溪河各断面处，利用5 L Niskin采水器按照 0 m、5 m、10 m、20 m、40 m、底层分层采集水样.考虑到长江干流目前仍为一维流态、水柱剖面上水质均一^[14]，对长江干流只采集表层水.将采集的原水经 0.45 μm醋酸纤维膜过滤后，加高汞保护，用于溶解态营养盐的测定.

营养盐的测定运用荷兰 SKALAR分析仪器公司生产的连续流动分析仪进行.通过要求标准曲线的相关系数 ≥0.999和利用标准溶液进行中间校准来控制数据质量. 1.3 计算方法

估算河流营养盐输送的通量，通常用河流流量与营养盐的平均浓度相乘得到^{[15, 16]},因此，计算梅溪河河口处的营养盐通量可以按照以下公式计算：

在计算的过程中，为了尽可能减少水柱剖面上不同深度处营养盐浓度差异对计算结果的影响，将河口断面按 5 m划分一个网格，将河口剖面划分为 n个微断面，在每一个微断面上运用公式 (1)进行计算.

首先按照流速的方向，将微断面区分为流入库湾和流出库湾的区域，然后根据各个网格内水流的流速，按公式(2)计算出各个网格内水体的体积：

计算出了各营养盐的瞬时通量F，只需按照公式，就可以算出某个时间段内的通量.

2 结果与分析 2.1 三峡水库水位变化特征

如图 2所示，2012年 8月至 2013年 7月，三峡水库调度大致经过了 4个时期，分别是枯水期、汛前消落期(可分为水库供水期和泄水期)、汛期和蓄水期^[17].在经历了汛期低水位运行后，三峡水库于 2012年 8月下旬正式开始蓄水，水位从 146 m开始快速上升，日均上升 0.4 m，至 10月底成功实现 175 m实验性蓄水；11月开始进入枯水期，水库保持 174-175 m高水位运行，水位日变幅很小；2013年 1月至 5月为汛前消落期，水位从年初的 175 m逐步减小，至 3月减小至 165 m左右，为水库供水期，泄水期从 4月初开始到 5月下旬，水位从 165 m降至 145 m；6月至 8月为水库汛期，水位受降雨量影响，波动较大. 本文在计算通量时选取 2012年 9月(蓄水期)、 2012年 12月(枯水期)、 2013年 3月(水库供水期)、 2013年 5月(泄水期)和 2013年 6月(汛期)代表一个完整的水位调度过程进行对比研究，本研究的监测结果具有很强的代表性.

图 2

Fig. 2

数据引自中国长江三峡集团公司水情信息 图 2 2012至2013三峡水库坝前水位变化 Fig. 2 Variation in water level of the TGR in 2012-2013

在 2012年 8月至 2013年 7月观测区间内，长江干流水体中 DIN、DSi、DIP浓度的年平均值分别为 127.67、111.96和2.09μmol ·L^-1，均明显高于梅溪河库湾.在梅溪河库湾地区，DIN和 DSi的变化趋势一致，从河口到上游逐渐降低，在源头处又有所升高，DIP浓度从河口一直到源头均呈递减趋势(图 3).图 4所示为长江干流和梅溪河库湾表层水体各断面处营养盐的逐月变化.总体看来，库湾各断面水体和长江干流水体营养盐浓度有着相似的变化趋势.特别是在梅溪河河口断面处，各营养盐浓度的变化趋势与干流更加趋于一致.长江干流表层水体中 DIN浓度最小值出现在 2012年 9月，为 88.94μmol ·L^-1，最大值出现在 2013年的 6月，为 175.26μmol ·L^-1，梅溪河口断面也分别在这两个月达到最小值 59.38μmol ·L^-1和 116.20μmol ·L^-1的较高浓度； 对于 DIP的浓度，干流水体中的最小值出现在 2012年 8月，为 0.54μmol ·L^-1，最大值出现在2013年2月，为6.44μmol ·L^-1，梅溪河河口断面DIP的最小值也出现在2012年8月，为0.51μmol ·L^-1，在2013年3月达到最大值5.76μmol ·L^-1；对于DSi的浓度，梅溪河库湾也与长江干流变化趋势基本一致.

图 3

Fig. 3

柱状图的高度代表各采样点表层水体营养盐浓度的年度平均值，上、下误差线分别代表年度最大值与最小值 图 3 长江干流和梅溪河库湾营养盐的空间分布 Fig. 3 Spatial distributions of nutrients in the Yangtze River and the Meixi Bay

图 4

Fig. 4

图 4 干流和梅溪河库湾表层水体营养盐逐月变化 Fig. 4 Monthly variations of nutrient concentration in surface water of the Yangtze River and the Meixi Bay

图 5为三峡水库各调度时期梅溪河河口断面水流的分布.总体来看，梅溪河河口全年的流速都比较小，均小于 0.2m ·s^-1.且在不同蓄水时期，断面上水流均出现相向的分层运动，不同水体间的密度和温度差异是异重流形成的主因^[19].在水库蓄水期 [图 5(a)]，由于长江干流水体浊度较高，因此从水面下 20 m至底层范围内倒灌进入梅溪河库湾，倒灌水团流速平均为 -0.066 m ·s^-1，流出水团从表层流入长江，平均流速为 0.068 m ·s^-1； 在枯水期 [图 5(b)]，梅溪河水深达到最大，约 65 m左右，干流水体温度略低于梅溪河库湾，类似于 9月从底部潜入梅溪河库湾，平均倒灌速度约为 -0.074 m ·s^-1，流出水团的厚度约为 30 m，平均流出速度为 0.071 m ·s^-1； 在水库供水期 [图 5(c)]，水体温度开始上升，梅溪河底层水体温度较表层上升缓慢，而干流相对较强的掺匀过程使得干流水体的温度介于梅溪河表、底层之间，因此干流水体基本从 40 m以上范围倒灌进入库湾，进出断面的流速都很小，倒灌水团平均流速约为 -0.065 m ·s^-1，流出流速约为 0.062 m ·s^-1； 在水库泄水期 [图 5(d)]，同样是温度的差异导致干流水体从断面的中部流入库湾，流速较大，其中，流入速度约为 -0.111 m ·s^-1，流出速度约为 0.106 m ·s^-1； 6-7月为三峡水库的汛期 [图 5(e)]，受水位调度和雨量的影响，水位波动较大，梅溪河河口断面水深维持在 40 m左右，流出和流入水团的速度都较大，流入水团平均流速为-0.112 m ·s^-1，流出水团平均流速为 0.102 m ·s^-1.

图 5

Fig. 5

流速为正代表流向长江，流速为负代表流向支流库湾； (a)2012年 9月蓄水期； (b)2012年 12月枯水期； (c)2013年3月供水期； (d)2013年 5月泄水期； (e)2013年 6月汛期图 5 梅溪河河口断面(MX01)水流分布 Fig. 5 The distribution of flow regime at the river mouth of Meixi River(MX01)

三峡水库频繁的水位调度不仅造成了支流库湾水动力形态的差异，也使得库湾物理、化学特性和干支流的营养盐交换水平不断改变.干流水体流量大、流速快，具有显著的一维流动特征.相比较而言，梅溪河由于受干流的顶托作用，流速较小，特别是上游地区，流速几乎为零.在泄水期和汛期所在的春夏季节，水温适宜，光照充足，营养盐丰富，为浮游植物的生长繁殖提供了有利条件，是水华暴发的敏感时期.梅溪河库湾于 2013年4月至 6月暴发了不同程度的水华，在水华最为严重的 6月，梅溪河表层水体中叶绿素 a的含量甚至达到了枯水期(0.91μg ·L^-1)时的 30-40倍，达到了 34.2μg ·L^-1.

图 6为梅溪河库湾营养盐 (DIN、DIP、DSi)及水质参数(浊度、叶绿素 a)在不同水位调度时期的等值线分布.总体上，干流水体中 N、P、Si的浓度相对较高，库湾上游浓度低，沿河口逆向库湾上游，形成一个较为明显的浓度梯度.在干支流交汇区域，高浓度水团出现的位置与相应蓄水时期干流倒灌的位置一致，蓄水期(9月)和枯水期(12月)，河口中下部水团中 N、P、Si浓度较高； 在水库供水期(3月)，高浓度水团出现在 40 m以上范围内； 在泄水期(5月)，河口中部水团 N、P、Si浓度较大； 汛期(6月)由于水体混合程度较高，各营养盐分布较为均匀.就时间尺度上来看，在不同蓄水时期，干支流各营养盐的变化趋势基本一致： DIN基本呈现夏季较高，冬季偏低的现象.可能是由于夏季雨量丰富，大量氮肥随地表径流进入水体.冬季农业活动减少，河流的 N浓度明显降低. DSi有着与DIN相反的规律： 冬季浓度偏高，夏季浓度降低.此外，不同调水时期，梅溪河 DSi均呈现了明显的表底浓度分层现象，这是由于夏季水华的优势种主要为硅藻门的小环藻^[1]，硅藻类浮游植物的大量生长和繁殖，消耗了表层水体中大量的硅酸盐，这些藻类死去后，其残体沉积到底层，沉积物中微生物的分解作用又可以将硅酸盐释放出来.梅溪河中 DIP的浓度较小，在春夏之际，随着大量磷肥的输入及干流倒灌得到补给，这也为藻类的暴发提供了必要的条件，暴发水华之后，在水华暴发的集中区域，表层水体中的 P也几乎消耗殆尽.

图 6

Fig. 6

图 6 梅溪河库湾营养盐(DIN、DIP、DSi)和水质参数(浊度、叶绿素a)在不同水位调度时期的等值线分布 Fig. 6 Contours of DIN,DIP,DSi,turbidity and Chl-a in the Meixi River in different scheduling periods of the TGR

由于干支流存在频繁的水体交换，并且干流水体中 DIN、DIP、DSi的浓度相对较高，这势必会引起干支流营养盐的相互交换.表 1、表 2分别为梅溪河河口断面 3种营养盐(DIN、DIP、DSi)的通量估算.总体上，在三峡水库不同水位调度时期，不论是水体的交换量还是营养盐的交换水平都各有差异.除了三峡水库的枯水期(11～12月)之外，3种营养盐的倒灌通量均大于库湾输出通量，估算表明，梅溪河与长江干流之间 DIN的年倒灌净通量(倒灌通量与流出通量的差值)为5478.02 t，DIP的年倒灌净通量为 234.04 t，DSi的年倒灌净通量为 5935.22 t.

表 1(Table 1)

表 1 河口断面流出通量估算 1) Table 1 Estimation of the out-flux 时间(年-月) 流出流量2)/m3·s-1 DIN DIP DSi 浓度3)/μmol·L-1 通量/g·s-1 浓度/μmol·L-1 通量/g·s-1 浓度/μmol·L-1 通量/g·s-1 2012-09 281.25 97.89 385.43 1.53 13.33 137.95 1086.38 2012-12 369.38 112.49 581.72 2.67 30.61 140.27 1450.75 2013-03 251.25 133.52 469.66 5.68 44.27 102.08 718.14 2013-05 248.75 165.80 577.41 1.52 11.70 108.91 758.54 2013-06 335 129.87 609.10 3.23 33.51 92.69 869.43 年流出通量估算/t·a-1 16313.29 836.68 29142.24 1)正值代表流出库湾，负值代表倒灌流入库湾； 2)流出、倒灌流量根据 ADCP河口剖面数据划分网格计算得到； 3)流出水体营养盐浓度根据剖面上每间隔 5m处的浓度求平均值得到

表 1 河口断面流出通量估算1) Table 1 Estimation of the out-flux

表 2(Table 2)

表 2 河口断面倒灌通量估算1) Table 2 Estimation of the in-flux 时间/(年-月) 倒灌流量/m3·s-1 DIN DIP DSi 浓度1)/μmol·L-1 通量/g·s-1 浓度/μmol·L-1 通量/g·s-1 浓度/μmol·L-1 通量/g·s-1 2012-09 -282.5 108.41 -428.74 1.97 -17.22 140.39 -1110.51 2012-12 -322.7 109.02 -492.53 2.55 -25.51 135.04 -1220.13 2013-03 -325 137.66 -626.37 5.57 -56.09 101.49 -923.58 2013-05 -440 176.74 -1088.71 1.85 -25.29 115.44 -1422.22 2013-06 -358.13 141.55 -709.68 3.76 -41.75 91.46 -917.15 年倒灌通量估算/ t·a-1 -21791.31 -1070.72 -35077.46 1)倒灌水体营养盐浓度取长江干流表层水体的浓度值

表 2 河口断面倒灌通量估算1) Table 2 Estimation of the in-flux

梅溪河多年平均流量 49.5 m³ ·s^-1，年径流量 14.477亿 m³.由此可见，梅溪河库湾干支流的水量交换水平相对于径流量不容忽视，据观测，梅溪河源头水体中 DIN的年度平均值为 105.63μmol ·L^-1，DIP为 1.12μmol ·L^-1，DSi为 101.91μmol ·L^-1，照此计算，每年从梅溪河源头输入到库湾的 DIN的量约为 2308.49 t，DIP约为 54.20 t，DSi约为 4454.37t. 长江干流每年对梅溪河 N、P、Si的补给量分别约为源头输入量的 2.37倍、4.32倍和 1.33倍.因此，长江干流倒灌对梅溪河营养盐的补给作用也不容小觑，特别是对 DIP的补给作用.但这种补给作用的影响范围以及库湾中游和上游频频发生的水华现象是否与此有关还有待进一步研究.氮、磷、硅的空间和时间分布特征是反映支流回水段受干流逆向影响的重要依据^[20]，梅溪河沿岸大部分是陡峭的高山，山上森林密布，除了上游有几个规模不大的煤场外，沿途几乎没有其他点源污染，由长江干流到梅溪河上游营养盐的空间(图 3)和时间(图 4)分布来看，长江干流对梅溪河库湾营养盐有明显的补给作用.根据罗光富^[21]对长江干流、梅溪河库湾以及梅溪河源头输入水体中营养盐组成的分析，梅溪河库湾水体中 DIN/DSi、DIN/DIP、DSi/DIP均与长江干流水体中的比值相近，与梅溪河源头(MX04)的组成相差较远，可以推测长江干流向梅溪河补给的营养盐可达梅溪河的上游(MX03). 胡念三等^[8]运用多普勒三维点式流速仪对三峡库区其他 4条支流库湾水动力的观测研究则更直观地证实了干流倒灌水体能到达库湾中上游，在观测期当天，长江水体向香溪河库湾倒灌范围达到距离河口约 20 km，向大宁河库湾倒灌范围达到距河口 32 km处，向磨刀溪和小江倒灌范围分别至距河口 30 km和 50 km处.杨正健^[22]利用常量离子示踪、同位素示踪等多元示踪技术，分析了三峡水库典型支流库湾营养盐的主要来源及补给模式，发现除每年 3月香溪河库湾真光层内营养盐多受上游来流影响外，其他时期均由长江倒灌异重流进行补给.陈媛媛等^[13]借用常量离子 Cl^-估算了支流库湾不同河段倒灌水量，计算了香溪河上游径流和干流倒灌对回水区氮、磷、硅负荷的贡献，结果表明，沿河口逆向上游，干流倒灌对香溪河库湾营养盐的补给作用逐渐减小，TN、TP、DSi的贡献率分别由河口区域的 94.83%、86.13%、95.68%减小至上游区域的 34.07%、12.89%、36.81%.由此可见，在三峡水库频繁的水位调度模式下，干支流水体交换剧烈，干流对支流库湾营养盐的影响不仅仅局限在河口地区，也必将对库湾中游乃至上游的营养盐分布造成影响. 3.2 库湾水华诱发因素

近年来，梅溪河库湾中上游频频出现水华现象，而水华现象是富营养化最明显的表征.引起梅溪河库湾富营养化的主要因子有以下 3类： 营养因子、生态因子和环境因子^[23].钟成华等^[24]认为，营养盐浓度升高是库区干支流发生富营养化的潜在原因，但是蓄水所导致库区和支流的水流条件变化才是最大的诱发因素，一方面水库蓄水，支流库湾水流变缓有利于水华发生； 另一方面水库干流和支流水体物理化学性质存在差异，水库的水位调节导致水库干流支流存在普遍的交换状态，这种交换反过来又会进一步改变库湾水体的物理、化学特性，从而不断影响着支流库湾水华的发生^{[25, 26, 27, 28]}.目前整个梅溪河库湾 DIN/DSi/DIP的年均摩尔比为 51.83 ∶49.73 ∶1，远远偏离 Redfield比值，按照营养盐对浮游植物相对限制法则，梅溪河浮游植物的生长从全年来看主要受 P的潜在限制.上游源头水体中 DIN/DSi/DIP的年均摩尔比为 94.31 ∶90.99 ∶1，长江倒灌水体中 DIN/DSi/DIP的年均摩尔比为 37.97 ∶35.22 ∶1.由此可以预见，长江干流水体的倒灌将改变梅溪河库湾的营养盐结构，大量 P的输入将会对库湾水华的暴发提供条件，同时，库湾水动力条件和水体的物理、化学特性的改变也促进了支流库湾水华的暴发. 4 结论

(1)在三峡水库不同调水时期，在梅溪河库湾均存在明显的水体分层异向流动.

(2)受长江干流倒灌影响，梅溪河库湾营养盐分布季节变化显著，DIN的年倒灌净通量约为 5478.02 t，DIP的年倒灌净通量约为 234.04 t，DSi的年倒灌净通量约为 5935.22 t，长江干流每年对梅溪河 N、P、Si的补给量分别约为源头输入量的 2.37倍、4.32倍和 1.33倍.

(3)干流倒灌对库湾营养盐分布的影响不仅局限在河口区域，对梅溪河中上游的营养盐分布也将造成影响，干流倒灌对库湾P的补给将对库湾P限制起到缓解作用，为藻类的暴发提供必要条件.