2018, Vol. 39
2. 中国科学院大学中丹学院, 北京 100190;
3. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049
2. Sino-Danish College, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
3. School of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
三峡工程是世界上最大的水利枢纽工程, 正常蓄水位175 m, 总库容393亿m3, 在防洪、发电、航运等方面发挥巨大综合效益的同时对其流域水环境也产生了深远的影响[1].三峡水库蓄水前, 水库支流呈自然河流状态, 无水华发生, 支流水环境主要由支流所在的流域特征决定.自2003年三峡水库蓄水运行后, 干流水位抬升并向支流河口进行回水, 回水顶托使支流流速变缓, 库区支流由河流态河道变成了回水库湾, 呈现出内陆湖泊水文状况, 支流库湾水环境容量降低的同时, 干流回水输入的大量营养物质使得支流水环境状况进一步恶化, 水华频发[2, 3].在水库运行至175 m时, 位于库首、库中及库尾的支流受到了不同程度干流回水的影响[4~7].监测结果表明, 2016年1~12月三峡库区38条主要支流水体处于中度富营养化状态的断面比例为53.2%~93.5%[1].三峡库区次级河流的水质状况将直接影响三峡水库的水质安全, 因而干流回水对支流库湾水环境的影响研究对三峡水库富营养化防治及保障水库供水安全具有重要意义, 已成为近年来三峡生态环境问题的热点.
前人在库区水质评价, 库湾营养盐来源及迁移转化, 库湾水流流态和水华生消机制, 水库生态调度方式等方面已做了大量研究并取得了显著成果, 主要有: ①针对三峡水库不同蓄水阶段和蓄水时期对库区水体进行调查和水质评价, 认为蓄水前后干流水质较为稳定且略有好转但支流库湾水质恶化, 水华频发[2, 8]; ②利用常量离子或同位素示踪、水温或流速监测等方法针对一条或多条支流开展了库湾水动力特性研究, 认为三峡水库蓄水后支流库湾普遍存在分层异重流现象[9~12]; ③在对库湾营养盐分布特征研究的基础上, 认为支流库湾营养盐主要来自干流倒灌输入且是支流藻类生长的重要物质基础[13~19]; ④在对库湾藻类生长调查研究的基础上, 结合库湾水力学特性分析, 认为分层异重流驱动下的混合层的关系变化才是决定水华生消的关键并由此提出防治支流水华的水库生态调度方式[20~24].这些研究多聚焦在三峡水库高水位运行时期和库区一条或多条支流(主要是库首支流)的调查分析.为揭示完整的水库运行周期内干流回水对支流的最低影响, 本研究在三峡水库低水位运行时对库首至库尾的11条支流开展了现场调查和采样, 通过水样主要阴阳离子分析和氢氧同位素组成分析, 讨论了三峡水库低水位运行时干流回水和人类活动对主要支流水环境的影响, 有助于更全面地认识和掌握三峡水库运行对支流水环境的影响规律.
1 研究区概况三峡水库位于东经106°0'~111°50', 北纬28°30'~31°50'(图 1), 东起湖北省宜昌, 西迄重庆巴县, 总长达660 km, 水库干流水面宽700~1 700 m, 平均宽度1 100 m, 是一个典型的河道型水库, 涉及了重庆市和湖北的21个县市, 水库面积约为1 084 km2, 库区面积5.4万km2.库区属于湿润亚热带季风气候, 年平均气温17~19℃, 1月平均温度3.6~7.3℃.
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图 1 三峡水库低水位运行时干流回水影响范围及采样点位置示意 Fig. 1 Mainstream backwater affected zone of the Three Gorges Reservoir in low water level operation period and location of sample sites |
水库入库多年平均径流量2 692亿m3, 出库多年平均径流量4 292亿m3, 总库容、防洪库容和兴利库容分别为393、221.2和165亿m3, 79%的径流量集中在汛期6~10月. 2003年6月前, 三峡大坝未运行前水位通常在65~78 m范围变动, 2008年11月后, 三峡水库开始175 m试验性蓄水, 之后水库每年调度均经历蓄水期(9~10月)、高水位运行期(11月~次年2月, 175 m)、泄水期(3~6月)和低水位运行期(7~8月, 145 m)四个阶段.三峡水库高水位(175 m)运行时, 干流回水末端在重庆江津市花红堡; 低水位(145 m)运行时, 干流回水末端在重庆长寿区朱家镇附近.
三峡水库低水位(145 m)运行时干流回水影响范围即三峡水库最低影响范围如图 1所示.
在库区长江38条主要支流中选取目前监测和研究相对较多的11条支流进行采样调查, 采样涉及的支流为从库首到库尾位于干流左岸10条一级支流和1条位于右岸库尾的一级支流, 分别为香溪河、神农溪、大宁河、梅溪河、朱衣河、小江、苎溪河、汝溪河、黄金河、御临河和龙河.这些支流在三峡水库低水位(145 m)运行时回水末端距河口距离为：香溪河29.0 km、神农溪18.3 km、大宁河27.5 km、梅溪河16.9 km、朱衣河4.9 km、小江27.5 km、苎溪河1.0 km、汝溪河5.6 km、黄金河5.1 km、龙河0 km、御临河0 km.
本研究中涉及的支流流域概况如图 2所示.
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位置编号: 1.御临河, 2.龙河, 3.黄金河, 4.汝溪河, 5.苎溪河, 6.小江, 7.朱衣河, 8.梅溪河, 9.大宁河, 10.神农溪, 11.香溪河 图 2 主要支流流域概况 Fig. 2 General properties of main tributary basins |
采样点所在河流与受干流回水影响情况如表 1所示.
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表 1 采样点所在河流及受干流回水影响情况1) Table 1 Locations of water samples and affected status |
2 材料与方法 2.1 现场采样与测试
本研究在2016年三峡水库低水位运行期间8月7~12日按照左岸库首-左岸库尾-右岸库尾支流顺序, 分支流受干流回水影响、支流不受干流回水影响和干流沿程三种点的类型对三峡库区11条一级支流和干流沿程进行了地表水采样, 采样期间三峡水库水位在147.04~148.53 m范围内波动(中国长江三峡集团公司水情信息：http://www.ctg.com.cn/sxjt/sqqk/index.html).三峡水库水位采样点位置图如图 1所示.共采取干支流表层水水样24个.现场测试水温、pH值、电导率(EC)等指标, 并采用酸滴定法于采样12 h内分析碱度, 分光光度计法分析氨氮浓度.
2.2 室内分析所有水样根据取样量用50和100 mL标准塑料瓶装好带回室内分析.主要阳离子的室内分析由电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Perkin-Elmer Optima 5300DV)测定, 检测限为1 μg ·L-1; 主要阴离子的测定由离子色谱仪(ICS-2100, Dionex, America)测定, 检测限为1 mg ·L-1, 测定精度为1%, 阴阳离子分析均在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心进行.水样的氢氧同位素组成在中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室进行测定, 测定仪器为液态水同位素分析仪(DLT-100, Los Gatos Research Inc., USA), 测定结果以相对维也纳标准平均海水(vienna standard mean ocean water, VSMOW)的千分偏差表示, 测定精度分别为±1‰(δD)和±0.2‰(δ18O).
2.3 土地利用和人口空间分布数据获取本研究中的土地利用和人口空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn).在ArcGIS软件中, 基于DEM数据, 划分了62个子流域, 将流域土地利用和人口空间分布数据与子流域边界叠加分析, 获取采样点所在子流域土地利用数据和人口空间分布数据.
3 结果与讨论 3.1 库区河水EC值空间分布特征流域内地表水水化学组成反映了水体在运移过程中经历的物理化学过程[25], EC值描述了水体中阴阳离子的浓度, 一定程度上能说明水质情况[26].三峡库区长江干流水体EC值沿程变化较支流EC值变化范围小(图 3), 为291~336 μS ·cm-1, 沿程变化不大.郭胜等[27]对长江干流三峡区段水质研究结果显示, 2008年三峡水库低水位运行期干流沿程EC值变化范围为241~458 μS ·cm-1, 其变化范围较本文研究所得范围大, 可能是因为采样时期和采样频率的不同, 但研究中同样指出沿程随流量增加电导率无明显变化趋势.
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图例:“+”表示受回水影响，“-”表示不受回水影响; 横坐标为支流河口相对三峡大坝位置, 负值表示上游, 正值表示下游; 图内数值：1.御临河, 2.龙河, 3.黄金河, 4.汝溪河, 5.苎溪河, 6.小江, 7.朱衣河, 8.梅溪河, 9.大宁河, 10.神农溪, 11.香溪河, 12.三峡大坝, 下同 图 3 三峡库区采样点水体EC值分布特征 Fig. 3 Distribution characteristics of EC values of water samples in the Three Gorges Reservoir region |
不受干流回水影响的采样点EC值变化范围较大, 为183.7~518 μS ·cm-1, 图 3显示其分布与干流EC值相差较大; 而受干流回水影响的采样点EC值变化范围为267~330 μS ·cm-1, 与干流EC值较为接近(图 3).姜伟等[26]对库区支流澎溪河和磨刀溪不同断面电导率-深度图谱和温度-深度图谱研究结果表明, 依据EC值可判断出三峡库区长江干流到达支流的回水长度, 水体EC值的变化对三峡库区支流回水区域具有指示作用. Holbach等[15]的研究中利用EC值区分回水区的干流水体和支流水体.在本研究中, 在不受干流回水影响和受干流回水影响水体的EC值特征分析中也同样得出了EC值对干流回水的指示作用.
众多关于长江的研究中均指出干流由于接受了长江上游流域大面积的污染入库负荷, 因而水质较差, 污染物浓度背景值较高[28]. EC值反映了水中电解质的含量, 是衡量水质的重要指标.因此, 仅从EC指标来看, 一些EC值较干流高的支流水质较干流更差.
3.2 库区河水主要阴阳离子质量浓度空间分布特征结合图 4、图 5和表 2可以看出, 对Cl-、SO42-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+质量浓度而言, 干流水体较为均一, 沿程变化不大; 不同支流上游来水(不受干流回水影响)由于支流流域之间不同的地理环境和人类活动等因素影响而离子质量浓度相差较大, 在图表中分别表现曲线波动范围大和浓度变化范围大; 支流受干流回水影响部分的水体在图表中曲线波动范围和质量浓度值变化范围相对而言较小, 且与干流水体接近.对于HCO3-和NO3-而言, 其没有表现出与其他离子同样的规律性指示水团混合的干流回水影响, 因此判断这两种离子质量浓度受采样点周围的人类活动或其他因素影响更大.
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图 4 三峡库区采样点水体主要阴离子(HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-)质量浓度值分布特征 Fig. 4 Distribution characteristics of main anions (HCO3-, Cl-, SO42-, and NO3-) of water samples in the Three Gorges Reservoir region |
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图 5 三峡库区采样点水体主要阳离子(K+、Ca2+、Na+、Mg2+)质量浓度值分布特征 Fig. 5 Distribution characteristics of main cations (K+, Ca2+, Na+, and Mg2+) of water samples in Three Gorges Reservoir region |
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表 2 库区水体主要阴阳离子(Cl-、SO42-、K+、Ca2+、Na+、Mg2+)质量浓度值分布范围/mg ·L-1 Table 2 Distribution range of the concentration values of main anions and cations (Cl-, SO42-, K+, Ca2+, Na+, and Mg2+) in the waterbody of the Three Gorges Reservoir/mg·L-1 |
3.3 库区河水δD和δ18O值空间分布特征
干流回水可通过影响支流水体组成从而影响其主要阴阳离子组成.因库区干支流水体来源不同, 氢氧同位素特征差异较大(图 6), 氢氧同位素作为一种应用广泛效果良好的水源混合指示剂[29], 在此不仅可以用于判断不同支流受干流的回水影响程度, 也可以用于解释支流水化学特征如EC值和主要阴阳离子浓度在本次研究中如此表现的原因.
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图 6 三峡库区采样点水体δD和δ18O值分布特征 Fig. 6 Distribution characteristics of δD and δ18O values of water samples in the Three Goreges Reservoir region |
从图 6可看出, 长江干流δD和δ18O值沿程变化不大, 分布范围分别为-81.60‰~-75.16‰和-11.57‰~-10.26‰.丁悌平等[30]的研究结果表明, 2003、2005和2007年低水位运行期(7月)长江干流三峡区段δD和δ18O值分布范围为-81‰~-55‰和-12.3‰~-8‰.因不同的干湿年份和不同的采样点干流沿程δD和δ18O值的分布范围与本研究所得有所差异, 且注意到三峡水库自2008年以后才开始175m蓄水.但整体来看, 本文所得δD和δ18O值分布范围落在丁悌平等人研究同期的长江干流三峡区段δD和δ18O值分布范围.
支流不受干流回水影响水体较干流富重同位素, δD和δ18O值分布范围分别为-59.94‰~-43.67‰和-9.00‰~-6.04‰, 周毅等[31]的研究也指出, 长江上游地区支流河水同位素明显富集于干流水.支流受干流回水影响水体δD和δ18O值分布范围分别为-77.85‰~-50.75‰和-11.06‰~-7.33‰, 介于干流水体和支流不受干流回水影响水体分布范围之间, 这与库区水体EC值和主要阴阳离子浓度值规律表现一致.注意到回水影响区水体位于非回水影响区下游, 通常情况下, 河水中δD和δ18O值与流程存在正相关关系, 河流沿程水体经受蒸发而更富重同位素[32], 而此处位于下游的回水影响区水体因受贫重同位素的长江干流回水影响, 下游水体表现为较上游水体贫重同位素. Yang等[33]在对库首支流香溪河的研究中也指出受回水影响的支流河口较支流上游贫重同位素.
不同支流受干流回水影响程度不同, 以库腹支流为例, 梅溪河、朱衣河、苎溪河表现为支流河口δD和δ18O值接近干流δD和δ18O值, 小江表现为支流河口比支流上游更贫重同位素但不接近干流δD和δ18O值.前面讨论已知, 支流河口水体作为支流上游来水和长江干流回水混合的结果, 且在支流上游来水与长江干流回水氢氧同位素组成差异较大的情况下, 适用于二元线性混合模型[34].二元线性混合模型如式(1)所示：
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(1) |
式中, δ混合为水源A和水源B混合水体中的同位素千分偏差值(‰); δA和δB分别为水源A和水源B的同位素千分偏差值(‰); f=A/(A+B)为水源A在δ混合中的组分; (1-f)则为水源B在δ混合中的组分.
应用到本研究范围此式可变为：
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利用上式和水体δ18O值计算了朱衣河、小江和苎溪河支流河口水体由支流上游来水和干流回水的混合比例.计算结果显示, 朱衣河河口水体干流回水占89.96%, 小江为8.61%, 苎溪河为95.56%, 为苎溪河 > 朱衣河 > 小江.三条支流离三峡大坝距离为：苎溪河 > 小江 > 朱衣河, 三条支流自身流量为：小江(150 m3·s-1) > 苎溪河(10 m3·s-1)≈朱衣河(10m3·s-1)[35~37].在叶振亚等[10]的研究中指出, 库腹支流朱衣河干流水量补给率较库首支流香溪河和大宁河要大, 得出朱衣河等短小型支流受干流倒灌影响较其它支流大的结论.三峡大坝位于库首, 干流水体在此处被拦截且向上游回水, 相同流量情况下, 自库尾至坝前流速逐渐减缓, 位于库首的支流对干流水文条件变化的响应会更加敏感.若排除支流河口地形、支流流量等其它因素的影响, 离库首越近的支流受干流倒灌的影响会更大.因此虽小江较苎溪河更靠近三峡大坝, 但因自身流量为苎溪河流量的10倍以上, 河口受干流回水影响程度低于苎溪河.由此可见, 支流河口受干流回水影响程度与河口距三峡大坝距离和支流自身流量大小呈负相关.注意到本研究所取水样均为表层水, 由于三峡库区支流受干流回水影响普遍存在分层异重流的情况, 若要更精确地计算干流对支流水体的整体贡献比例应进一步采取支流回水区断面不同深度的水样再应用端元混合模型进行计算.本研究在此利用端元混合模型对干流回水比例的计算仅为说明支流自身流量在“抵御”干流回水影响的重要性.
御临河和龙河河口水体δD和δ18O值与干流水体δD和δ18O值相差较大, 因此推测三峡库区低水位运行时, 库尾支流受干流回水影响不大. 图 1中, 御临河和龙河位于利用ArcGIS等值线功能所画三峡水库145 m水位运行时干流回水影响范围外, 这与氢氧同位素特征讨论结果相互佐证, 也印证了两河河口EC值与主要离子质量浓度值特征与干流水体相差较大的原因.
3.4 库区支流EC值与支流流域土地利用关系探讨图 3显示, 在不受干流回水影响的采样点中, 库首支流(香溪河、神农溪、大宁河)EC值范围为183.7~287 μS·cm-1, 低于干流水体和其他支流.香溪河、神农溪、大宁河支流流域人口密度和耕地所占土地利用类型比例均为所有11条调查的支流流域中最小(图 2), 分别为63.9、3.21、154.4人·km-2和9.5%、12.2%、24.8%.所有11条支流流域人口密度均值为344.8人·km-2, 耕地比例均值为42.0%;龙河EC值也较低, 为214.5 μS·cm-1, 龙河的人口密度和耕地比例也较低, 分别为183.8人·km-2和31.2%;然而库腹支流(朱衣河、小江、苎溪河、汝溪河)EC值范围为436~518 μS·cm-1.这4个支流流域人口密度和耕地所占土地利用类型比例在11条支流流域中较高(图 2), 人口密度分别为651.9、418.3、652.2和531.8人·km-2, 耕地比例分别为28.7%、45.1%、65.9%和74.3%, 大于11条流域均值(344.8人·km-2和42.0%, 朱衣河耕地比例除外).朱衣河虽然耕地所占土地利用类型比例不高, 但其人口密度约为11条支流流域人口密度均值的两倍(651.9人·km-2和344.8人·km-2).
由此可见, 在本研究范围内, 支流的EC值与其支流流域人类活动存在一定正相关, 耕地占土地利用类型比例高的和人口密度高的支流流域其支流水体的EC值较高.
若仅从EC指标来看水质, 不受干流回水影响的支流水体水质有优于干流水质者(如香溪河、神农溪、大宁河和龙河), 也有劣于干流水质者(如朱衣河、小江、苎溪河和汝溪河), 这些支流河口均在干流回水影响范围区内, 由此推论干流回水对水质较优的支流起污染作用, 对水质较差的支流河口起稀释优化作用.
4 结论(1) 干流沿程水质较稳定, EC值变化范围为291~336 μS·cm-1, Cl-质量浓度变化范围为12.21~19.17mg·L-1.
(2) 不同支流不受干流回水影响水体之间水质相差较大, EC值变化范围为183.7~518 μS·cm-1, Cl-质量浓度变化范围为2.36~37.89 mg·L-1; 不同支流受干流回水影响水体之间水质相差相对较不受干流回水影响的小, 且与干流水质接近, 其EC值变化范围为267~330 μS·cm-1, Cl-质量浓度变化范围为9.47~21.98 mg·L-1.
(3) 干流δD值分布范围为-81.60‰~-75.16‰, δ18O值分布范围为-11.57‰~-10.26‰; 支流不受干流回水影响水体δD值分布范围为-59.94‰~-43.67‰, δ18O值分布范围为-9.00‰~-6.04‰, 支流较干流富重同位素且δD和δ18O值差异较大; 受干流回水影响的支流水体δD和δ18O值与干流接近, 分别为-77.85‰~-50.75‰和-11.06‰~-7.33‰.
(4) 利用二元线性混合模型计算的干流回水对朱衣河, 小江和苎溪河河口水体贡献比例分别为89.96%, 8.61%, 95.56%.支流河口受干流回水影响程度与河口距三峡大坝距离和支流自身流量大小呈负相关.
(5) 库首支流香溪河、神农溪和大宁河水质优于干流, 库腹支流汝溪河、苎溪河、小江和朱衣河水质劣于干流, 库尾支流龙河和御临河在三峡水库低水位运行时表现为不受干流回水影响, 龙河水质优于干流而御临河水质劣于干流.支流自身的水质与支流流域的人口密度与土地利用方式有关.干流回水对水质较优的支流河口起污染作用, 对水质较差的支流河口起稀释优化作用.
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