溶解氧(dissolved oxygen, DO)是水生生态系统中的敏感指标^[1~4], 在湖库物理、化学和生物过程中起着关键作用.湖库水体DO的健康状态, 对于维持良好的水生生态环境和保证城市供水安全有着重要的指导意义.随着流域污染负荷的增加和水体富营养化的加剧, 水体缺氧已成为严重的全球性湖库生态环境问题.前期, 学者们从DO补给-消耗的角度探讨了水体缺氧-厌氧的原因.有研究表明: 氮、磷和有机物等污染负荷的增加是造成DO下降和甚至缺氧的主要化学因素^[5]; 而密度分层是影响水体DO垂向传输和补给的直接物理因素.在热分层湖库中, 水温分层在一定程度上阻碍了水团的上下混合, 从而限制了DO的垂向传输和补给^{[6, 7]}.其次, 水温也影响着水生生物的生命活动, 间接决定了DO的消耗速率^[2].余晓等^[8]综合众多研究结果, 分析了湖库DO分层演化的一般模式和规律, 表明了湖库缺氧是水动力、热分层和外源污染负荷等物理-生物-化学因素的综合作用结果^[9].但目前这些机制的认识多集中于浅水湖泊, 而在深水水库的认识多集中于观测性的规律分析^[10], 机制性的认识较为薄弱.相比于浅水湖库, 深水水库具有出众的人为调节能力(水位波动和下泄方式), 其水动力过程更为复杂^[11].深水水库溶DO的补给-消耗往往与运行调度过程密切相关^[6], 通过水库调度可以控制水体DO的分层和演化特性.

三峡水库作为最大的战略性淡水资源宝库, 其水质^[12]状态一直备受社会关注.针对三峡水库生态环境的调查研究, 大部分监测结果表明^{[13, 14]}: 其干流水体DO普遍高于6.00 mg ·L^-1, 处于富氧状态, 支流库湾也并未出现缺氧和厌氧问题.因此, 三峡水库蓄水以来针对其DO分层特性的研究相对较少.但是, 随着全球气温变暖, 当前大部分湖库水体DO整体表现出下降的趋势^[15].近期的现场监测也表明^[16]: 相比于蓄水初期, 部分支流库湾DO也表现出一定的下降趋势, 且在春夏季垂向分层日益明显.通过对小江、磨刀溪、神农溪和香溪河等代表性支流的对比^{[14, 17]}, 其结果表明: 支流库湾DO垂向分布与其水温结构、浮游植物和异重流特性演化密切相关, 但同一时期造成不同支流库湾DO空间异质性的差异并不明确.三峡水库具有其独特的水动力特征^{[11, 18]}, 不同支流库湾水动力的差异是否是造成DO空间差异的主要原因有待探讨.

本文选取三峡水库中游河段的小江和近坝段的香溪河库湾为研究对象, 通过开展两条支流库湾2020年蓄水期间的水质巡测, 对比分析蓄水过程中不同支流库湾的热分层和DO时空特征, 以及主要环境因子的差异, 探讨影响不同支流库湾DO垂向差异的主要因素, 并进一步揭示水库蓄水调度对不同支流库湾水动力过程和DO的影响, 加深对三峡水库特殊水动力背景下DO分层特征及其形成机制的理解, 以期为水库生态调度提供理论及技术支撑.

香溪河位于三峡水库库首, 发源于神农架, 是流经湖北省兴山县与秭归县的最大河流.河流全长97.3 km, 河口距离三峡大坝34.5 km, 流域面积为3 183 km², 呈现正南-北走向, 河道整体较为顺直狭长, 呈现河道型环境特征.

小江(澎溪河)位于三峡水库中游, 是三峡库区长江北岸流域面积最大的一级支流, 全长182.4 km, 河口距离大坝247 km, 流域面积5 172.5 km², 年均流量116 m³ ·s^-1.河面形态呈现宽窄相间的变化, 部分河道水面宽阔, 且库湾河道弯曲度较大, 呈现出湖泊型环境特征.

从香溪河河口向上游回水末端沿程布设10个监测点, 依次为CJXX和XX01~XX09; 从小江河口至库湾回水末端沿程布设9个监测点, 依次为CJXJ和XJ01~XJ08, 具体位置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 三峡水库小江和香溪河的地理位置 Fig. 1 Locations of the sampling sites in the Xiaojiang River and Xiangxi River in the Three Gorges Reservoir

于2020年9月10日、9月26日和10月10日开展两条支流库湾的水质监测.溶解氧(DO)、水温(WT)、水深(Depth)和电导率(Spcond)由YSI-EXO多参数水质分析仪(美国)从各监测点的表层至底层均匀地进行测定.混合层深度定义为与表层水温相差0.50℃以内的水深.

原始数据采用Excel进行处理分析, ArcGIS 10.3绘制研究区域的监测断面, Origin 18.0绘制各指标垂向分布, Matlab 2016a绘制各指标的空间分布, 相关性采用SPSS 21.0进行分析.

三峡水库2020年坝前水位波动及出库流量过程如图 2所示.为满足防洪要求, 2020年汛期水位经历了两次较大的涨-泄过程, 波动达到了近20.00 m.集中蓄水前期(9月初), 水库水位降至155.00 m左右, 按照文献[19], 9月10日00:00, 汛末175.00 m试验性蓄水正式启动, 本次起蓄水位为155.00 m, 待蓄水量166.12亿m³, 集中蓄水持续至10月初, 10月中旬至10月底缓慢蓄水至175.00 m.整个蓄水期的监测过程分3个时段: 蓄水初期(9月10日)、蓄水中期(9月26日)和蓄水末期(10月10日).

图 2

Fig. 2

图 2 2020年三峡水库出库流量和变坝前水位化 Fig. 2 Discharge variations and water level in the Three Gorges Reservoir in 2020

图 3分别显示了三峡水库小江和香溪河库湾在整个蓄水期间热分层的时空变化过程.蓄水期间, 小江和香溪河库湾均表现出降温趋势, 小江库湾平均水温从25.03℃降低至23.16℃, 香溪河库湾平均水温从24.64℃降低至21.30℃.在整个蓄水过程中, 长江干流水温处于混合状态, 小江河口水温始终低于库湾回水区的水温, 而在香溪河河口, 长江干流水温则始终介于库湾表底水温之间.这种干支流水温的相对差异可能造成不同支流库湾倒灌异重流潜入深度和强度的区别^[11], 进而形成不同的库湾热分层状态^{[13, 21]}.

图 3

Fig. 3

(a)~(c)为小江, (d)~(f)为香溪河 图 3 小江和香溪河库湾蓄水过程中的热分层变化 Fig. 3 Changes in thermal stratification during water storage in Xiaojiang River and Xiangxi River

如图 3所示, 蓄水过程中两条支流库湾垂向热分层存在显著差异.蓄水初期, 小江库湾的热分层更为显著(最大表底温差为6.86℃, 最大垂向温度梯度为0.30℃ ·m^-1), 没有明显的混合层, 随水深增加水温持续降低; 而香溪河库湾呈现特殊的“双混斜型”水温分层结构[图 3(d)], 自上而下分别为“混合层-斜温层-混合层-斜温层”.蓄水中期, 两条支流库湾的垂向水温结构均发生了显著改变.小江库湾下游河段上层水体(0~10 m)受倒灌的影响, 斜温层完全被打破, 处于混合状态, 此时垂向水温可概化为3层结构(表层混合层、中间斜温层和底层冷水层), 而上游河段表层(0~3 m)多为斜温层; 而香溪河库湾中上层水体受蓄水的影响较大, 混合层更深(15~60 m), 但与小江不同的是底层始终存在一层较薄的冷水层(厚度在10 m左右).蓄水末期, 小江库湾上游河段表层斜温层消失; 香溪河库湾也呈现持续降温趋势, 垂向水温结构与蓄水中期基本一致, 混合层深度进一步增大.

电导率作为水质评价的一个重要指标, 通过电导率的测定可以间接推测水中离子成分的总浓度, 可被用于不同性质水体交换过程的示踪.由于长江干流和支流库湾以及上游来流水体电导率的显著差异, 电导率可用作表征三峡水库支流库湾水体的来源.小江和香溪河库湾在蓄水期电导率时空变化如图 4所示.整体上, 小江电导率的变化范围为255.00~387.00 μS ·cm^-1, 香溪河电导率略高, 变化范围为280.00~421.00 μS ·cm^-1.两条支流库湾水体的电导率均存在显著的时空差异.

图 4

Fig. 4

(a)~(c) 为小江, (d)~(f) 为香溪河 图 4 小江和香溪河库湾蓄水过程中电导率的时空变化 Fig. 4 Temporal and spatial variations in electrical conductivity during water storage in Xiaojiang River and Xiangxi River

蓄水初期, 小江库湾上游出现了梯度较大的楔形区, 代表来自上游的高电导率水体, 潜入深度在5~20 m; 河口水深3~30 m处有来自长江干流的高电导率水体, 潜入距离在5 km左右.蓄水中期, 随着干流倒灌水量的增大, 低电导率水体范围缩小, 出现在距河口15~20 km的河段, 上游末端则表现出表层高和底层低.蓄水末期, 整个库湾中下层水体电导率基本趋于一致, 表层略低.相比于小江, 香溪河库湾也受到长江干流倒灌水体的显著影响.蓄水初期, 库湾中下游形成一个较大的潜入楔形水体; 上游底层电导率略低, 代表着上游的顺坡异重流, 而库湾表层水体(10 m以内)的电导率最低.蓄水中期, 库湾中下游河段电导率变化较小.在库湾底层形成一层约10 m厚的低电导率水层.蓄水末期, 香溪河库湾中上层水体电导率的垂向差异进一步减小, 仅在底层存在一层较低电导率水体, 并在整个河段可见.

三峡水库蓄水过程中小江和香溪河库湾水体DO的时空特征如图 5所示, 观测期内两支流库湾DO在时空分布上存在显著的区别.如图 5(a)所示, 蓄水初期, 小江库湾已出现大面积的缺氧水体(DO < 2.00 mg ·L^-1), 中上游底层甚至出现无氧水体, 在水深5 m的区域出现溶氧跃层(最大梯度达到1.33 mg ·L^-1 ·m^-1. 表层3 m内水体受大气复氧影响, 维持在7.00 mg ·L^-1以上.蓄水中期, 随着长江干流高溶氧水体的潜入, 高阳以下河段的底层DO显著上升, 但库湾上游(养鹿)底层水体仍处于缺氧状态.此时, 支流库湾中游河段DO形成了类似于MOM(温跃层DO最小值)的垂向分布, 水深10 m左右的区域DO最低, 对应于此时的温跃层[图 3(b)].随着三峡水库持续蓄水, 大量富氧水体的潜入最终导致库湾水体DO趋于一致.相比之下, 香溪河库湾在整个蓄水期并未出现厌氧水体, DO始终大于4.00 mg ·L^-1.蓄水初期, 库湾中下游河段DO在垂向上大致可以分为3层: 表层富氧水体(8.00~12.00 mg ·L^-1)、中层水体(6.00~8.00 mg ·L^-1)和底层低氧水体(4.00~6.00 mg ·L^-1), 而上游河段中层水体的DO最低(4.00~6.00 mg ·L^-1), 由于上游底层入流DO略高于库湾水体, 因此形成中间略低-表底偏高的垂向分布.蓄水中期和末期, 整个库湾水体DO趋于一致, DO范围处于7.00~8.00 mg ·L^-1.

图 5

Fig. 5

(a)~(c) 为小江, (d)~(f) 为香溪河 图 5 小江和香溪河库湾蓄水过程中的DO时空变化 Fig. 5 Temporal and spatial changes in DO in the process of water storage in Xiaojiang River and Xiangxi River

溶解氧(DO)是维系水生态安全的重要要素之一, 是河湖水质管理的顶级评价指标^[6].湖库DO的补给来源主要有表层大气复氧和水生植物光合作用以及上游入流水体携带; 消耗过程主要有动植物的呼吸作用和有机物的分解氧化以及还原性物质的氧化等^{[2, 22]}.在深水湖库系统中, 表层水体在大气复氧和浮游植物光合作用下DO往往较高.春夏季, 水温分层导致的密度分层限制了水体的垂向交换, 限制了氧的垂向传递^[23], 因此, 随水深增加其浓度逐渐降低^[24]; 但秋冬季节之后, 随着水体垂向分层被打破和垂向混合加强, 表层富氧通道被打开, 促进底层水体补氧, 垂向分层差异逐渐减小.可见, 热分层强弱和持续时间在一定程度上决定了DO分层的强弱和持续时间, 水温的季节性演替也决定了DO分层的年内变化.近年来, 三峡水库野外监测结果表明: 部分支流库湾出现了DO分层^{[14, 16]}, 但支流库湾出现厌氧和甚至无氧的现象鲜见报道.本研究监测首次发现了小江库湾在蓄水初期出现了大面积中下层水体缺氧和甚至厌氧现象, 而香溪河库湾底层水体始终处于高溶氧状态.对比两条典型支流库湾, 其DO显著差异的主要原因如下.

(1) 浮游植物的差异  叶绿素a浓度与浮游植物生物量之间有着紧密联系, 可用叶绿素a浓度表征生态系统中浮游植物的生长及分布特征^[25].一般而言, 表层浮游植物生物量与DO含量呈正相关, 浮游植物越多, 光合作用产氧量越大.如表 1所示, 在纵向上, 小江表层DO和叶绿素a呈正相关(R= 0.77, P < 0.05); 在XJ06~XJ08, 混合层仅0.50~1.00 m, 水温分层更为显著, 稳定的分层有利于浮游植物生长, 故该河段的叶绿素a和DO都普遍高于其他河段.相比于小江, 香溪河库湾表层叶绿素a普遍高于小江库湾, 除了XJ06和XJ07.这也导致整个库湾表层水体DO较高, 除了XX03和XX04, 其他河段都维持在10.00 mg ·L^-1左右.但香溪河库湾表层DO和叶绿素a的空间相关性却不显著, 而与混合层深度显著负相关(R=-0.81, P < 0.01).

表 1 (Table 1)

表 1 三峡库区支流叶绿素a与环境因子的相关性1) Table 1 Correlation between chlorophyll a and environmental factors in tributaries of the Three Gorges Reservoir area 点位 点位 叶绿素a 水温 电导率 混合层深度 表层 小江 0.77* 0.89** -0.12 -0.09 香溪河 0.57 0.76* -0.49 -0.81** 垂向 XJ08 0.98** 0.85** -0.82** — XX09 0.89** 0.37 -0.61** — 1)*表示在0.05水平(双侧)上显著相关, **表示在0.01水平(双侧)上显著相关

表 1 三峡库区支流叶绿素a与环境因子的相关性1) Table 1 Correlation between chlorophyll a and environmental factors in tributaries of the Three Gorges Reservoir area

(2) 热分层的差异  如图 6所示, 小江库湾表层混合层相对较浅, 平均值为(2.10±1.70)m, 稳定的密度分层阻碍了上下水团的交换, 表层DO无法向下层水体传输, 随着下层水体耗氧量的增大, 逐渐形成氧跃层, 其深度在5 m左右.相比而言, 香溪河库湾垂向水温表现为“双混斜型”结构, 表层水体平均混合层深度为(4.70±1.90) m, 复氧通道相对更深, 这也导致了香溪河表层高浓度溶氧层厚度比小江更深.而香溪河库湾中层水体受倒灌的影响, 水体混合均匀, 水温趋于一致, DO也较高; 底层受顺坡异重流的影响, 形成一层水温和DO都偏低的冷水层, 其垂向水温分层与DO分层保持一致.

图 6

Fig. 6

图 6 小江和香溪河表层DO、叶绿素a、水温和混合层深度空间变化 Fig. 6 Spatial variation in surface dissolved oxygen, chlorophyll a, water temperature, and mixed layer depth in Xiaojiang River and Xiangxi River

(3) 上游来流差异  垂向上, 两条支流库湾DO与电导率均呈现显著负相关(R=-0.82, P < 0.01; R=-0.61, P < 0.01).高电导率预示着水体污染严重^[26], 其携带的溶解性盐类和矿物质含量较高^[27].如图 4所示, 小江上游较高电导率水体从中层潜入库湾, 形成了中上游河段大面积的楔形高电解质水体, 该层水体的耗氧量增大, DO较低.而香溪河库湾上游来流以顺坡异重流形式进入库湾^[28], 低电导率和高溶氧入流水体补充了库湾底层水体的DO含量, 形成了上游河段表底DO高和中间层低的结构.顺坡异重流补给使香溪河库湾DO处于健康状态, 这与赵星星的相关研究基本一致^[17].

(4) 水体有机质差异  小江库湾河段蜿蜒, 但高阳和养鹿河段地势平坦, 岸边消落带植被葱郁, 汛末蓄水导致消落带大面积植被覆盖和分解, 增加了水体的有机质含量.其次, 近年来城镇化也加剧了小江上游汉丰湖水质恶化和富营养化的加剧, 导致了小江入流水体有机质含量的增加^[29].有研究已表明小江高阳断面水体ρ(DOC)平均值在4.08 mg ·L^{-1 [30]}, 较高的有机质增加了底层水体耗氧, 增加了缺氧的风险^[31].而香溪河库湾消落带地质多以岩石和碎石为主, 蓄水期水体ρ(DOC)平均值仅在2.10 mg ·L^-1[32], 其有机质含量相对较低, 耗氧量也相对较低.水体有机质的差异也可能是造成两条支流DO差异的内在因素.

通过对比两条支流的DO分层特性, 可见浮游植物和混合层差异是造成表层DO空间差异的主要原因, 热分层结构也是造成支流库湾垂向DO结构差异的外在驱动因素.其次上游来流及其水体携带的有机质和库湾消落带底质和植被的差异是造成库湾下层水体耗氧量增大直至缺氧的内在原因.

随着流域污染负荷的增加和水体富营养化的加剧, 水体缺氧已成为严重的全球性湖库生态环境问题^{[1, 33]}.长期以来湖库管理重视外源污染, 普遍认为控制流域氮磷等负荷是缓解水库缺氧的有利措施^[34], 但这一认识没有考虑水质对DO的积极效应.在缺氧和厌氧水体中, 通过加入^[34]硝酸盐等氧化剂也能有效抑制湖库缺氧, 这也逐渐发展成为湖库水质修复的重要化学方法^{[35, 36]}.但添加试剂等化学方法往往见效慢和成本高, 并可能存在未知风险.近年来, 国内部分学者也开始尝试各种物理方法, 通过工程措施进行人为干预.在小型浅水和水源地水库运用扬水曝气技术^[37~40].通过向水库底层高效充氧可有效控制缺氧和厌氧, 已发展成为较成熟的原位控制手段.但在大型深水水库中, 扬水曝气技术往往成本较高.因此, 水库生态调度是一种更经济和更生态的工程手段.Besma等^[41]对地中海南部Sejnane水库的研究表明, 水库不同深度的泄水方案对水质影响较大, 底孔下泄使夏季热分层时期库底水温增加和温跃层梯度减弱, 有助于垂向能量和物质的交换, 减缓水库缺氧.余晓^[8]在潘家口水库的研究中也发现: 大流量下泄和高频率的抽水蓄能调度都可以增加水体的垂向混合, 有效补给水库中底层DO.在本研究中, 蓄水期的观测结果同样可表明: 随着库湾水位的抬升, 干流水体对小江水体DO起到了显著的补给作用, 使小江库湾缺氧现象在短期内得到有效改善.

前期也有研究证实^{[42, 43]}: 通过改变三峡水库的水位, 控制河口异重流的潜入深度和强度, 进而影响库湾的水动力和热分层状态, 可以有效改善支流库湾的水质状态.长江干流水体掺混剧烈, 水体常年处于富氧状态^{[13, 21]}, 通过倒灌异重流作用, 其可作为支流库湾水体DO的重要补给来源.从图 4可以看出, 蓄水初期小江库湾水体受倒灌异重流的影响较小(距河口5 km左右), 干支流水体交换缓慢, 可能有利于底层水体缺氧和厌氧的形成; 而香溪河库湾受倒灌的影响更为显著(距河口20 km左右), 干支流水体交换更为频繁.而在蓄水期间, 干流水体从底层潜入小江库湾, 底层水体得到有效补给, DO升高, 在中游河段形成表底DO较高, 中层较低的特征; 香溪河库湾表层水体受大气复氧补给和中层受长江倒灌水体补给和底层受上游顺坡异重流补给, 库湾整体DO水平较高.可见, 河口倒灌异重流的潜入方式和强度将对库湾DO的垂向结构产生显著影响, 通过调控水位和营造有利的倒灌方式可有效地改善库湾的缺氧现状.与其他措施相比, 水库生态调度可能是最易实现的可持续方案, 且生态风险小^{[44, 45]}.本研究也进一步证实了抬升水位可有效和快速缓解小江厌氧等水生态问题.但由于本监测研究仅局限于蓄水期, 蓄水前期小江和其他支流库湾缺氧/厌氧的形成机制以及年际演替过程并不明确.其次, 如何建立精准的调度过程和水动力过程, 以及耗氧-补给过程三者之间的内在联系, 同时探讨三峡水库和上游汉丰湖调节坝水库的联合调度策略, 有效地改善小江库湾水质状态等问题仍值得后续进一步研究.

(1) 蓄水初期, 小江库湾出现大面积的缺氧水体(DO < 2.00 mg ·L^-1), 表层3 m以内水体受大气复氧影响, 维持在6.00 mg ·L^-1以上; 在水深3~5 m的区域溶解氧快速降低(最大梯度达到1.33 mg ·L^-1·m^-1, 中上游河段5 m以下水域出现严重缺氧甚至无氧, 而香溪河库湾并未出现厌氧问题.

(2) 叶绿素a的含量和混合层差异是决定表层水体DO空间差异的主要原因, 热分层是决定DO垂向分层的重要物理因素.

(3) 随着库湾水位的抬升, 倒灌异重流对小江水体DO起到了显著的补给作用, 使小江库湾厌氧问题在短期内得到有效改善.在三峡水库, 可通过开展生态调度来改善支流库湾的缺氧和厌氧等水生态问题.