（环境工程专业论文）三峡库区大宁河富营养化和水华研究.pdf

a l g a lb l o o m i nt h e d a n i n g i u v e r - - a c a s es t u d yf r o m t h r e e - g o r g e s r e se r v o i r a m l i a t i o n ：s 曼h q q ! q ! 星墨q 丛! 曼曼墨鱼星塾y i ! q 蛩墅堕曼塾! 垦! 苎坌i 曼塾曼曼 s p e c i a l i 哆： 基堕y i 堑q ! 些曼坠! 垒! 基塾g i 坠曼星鱼坠g s u p e n ，i s o r ： 里! q i ： h 坠a 堕g 丛i 塾：曼h 星坠g c a n d i d a t e j i a l e iz h a n g 一一。_ _ _ l _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ l _ i - _ _ - 一 d a t ed e f e n c e ：一 a 卫r i l 2 01 1 眦0i1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位沦文三峡库区大宁河富营养化和水华研究，是在 华东师范大学攻读硕士憾壬( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：纽g 主曼 日期：必c 1 年5 月弘同 华东师范大学学位论文著作权使用声明 三峡库区大宁河富营养化和水华研究系本人在华东师范大学攻读学位期 间在导师指导下完成的硕士删( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华 东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文， 并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷 版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同 意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学 位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文， 于年 月同解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签本人签名盈垒鳐 砂l ，年5 月多df 1 幸“涉密”学位论文应是已经华尔师范人学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华尔师范人学研究生中请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填弓的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 韭佳磊博士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称 单位备注 童岳畦屋袤槌博善囤糸斌主席 勘正蛰绶 璃亳麴姆 工国童复授缎离i上两襁商星醯1 讯磁览 1 i 睬孺港袤笈情莩揖黼六茸 雯反觎教厦j 6 i 别确臼婚 摘要 差是异重流形成的主因。 以三峡水库试验性蓄水阶段大宁河的历史数据为依据，分析大宁河富营养化 的时空分布特征及其影响因素。结果表明：大宁河基本上处于贫中营养状态， 时空差异显著，从干流至上游富营养化状态逐渐降低；汛限期富营养指数最高， 泄水期和蓄水期次之，高水位运行期最低。在大宁河，三峡水库的水力学特征主 要通过影响干支流的悬浮物浓度和有机污染物浓度来影响水体的营养状态，同时 由于干支流的空间差异性导致影响强度的不一致。和悬浮物浓度和有机污染物浓 度相比，营养盐特征和c h l a 受到的水力学特征季节动态的干扰强度较小。 以三峡支流大宁河水华敏感期( 2 0 0 8 年4 5 月) 水环境状态的监测数据 为基础，运用数理统计分析手段，对浮游植物的分布特征及其与环境因子的关系 进行了讨论。结果表明，水温、总氮( t n ) 、硝酸盐氮( n o3 n ) 、p h 和溶解 氧( d o ) 时空分布差异显著( a n o v a ，p 0 0 5 ) 。浮游植物细胞密度时空分 布差异显著( a n o v a ，p 0 0 5 ) ，最高值出现在大昌样点，最低值出现在长江 干流巫峡口样点；7 个采样点藻细胞密度的最高值均出现在水华期，发生多藻种 同时同地水华的情况。利用冗余度分析( r e d _ 眦d 她c ya n a l y s i s ，r d a ) 分析浮游 植物种类组成与环境因子之间的关系，表明营养盐( t n ，t p ，n o3 - 制和n o 2 一- n ) 、悬浮物和透明度是影响浮游植物的组成的主要因素。浮游植物的大量生 之间。进一步研究分析表明砌l ( 水中悬浮颗粒) 和温度是影响大宁河回水区初 级生产力的主要因素，p h 、s p c 和d o 饱和率在一定程度上受到浮游植物生理作 用影响。 大宁河浮游植物垂直分布特征及其影响因素的分析结果表明：水文因素在一 定程度上直接或间接的能够影响浮游植物的垂直分布和聚集。夏季由于气温骤升 和适宜的水文条件导致大宁河水体中出现温跃层现象，水体稳定分层的出现导致 理化指标的分层，此时浮游植物基本在表层分布。春季水华的现场监测数据表明， 大宁河在不存在稳定分层的条件下，仍然爆发春季水华，临界深度理论对大宁河 不具备普适性。 通过模拟不同混合强度的围隔实验，分析混合强度对浮游植物的细胞密度， 垂直分布和群落结构的影响。结果表明：混合强度对水柱中叶绿素总量有一定的 影响，适当的混合强度促使水体中营养盐均匀分布，促使叶绿素总量达到最大值； 当混合强度超过一定值时，叶绿素总量随着混合强度的增大而下降。混合强度对 浮游植物在水体中的垂直分布有显著影响，当混合强度达到一定值时，浮游植物 在水体中趋向于均匀分布，不易聚集上浮至水体表面，形成水华。在其他环境变 i i i i i h y d r o d y n a i i l i cc h a r a c t e r i s t i c s 雏di t sc 肌s i n gf a c t o r sw e r ei n v e s t i g a t e d i nt h ed a n 堍 硒v e r 1 1 1 er e s u l t si 1 1 d i c a t e 也a tt h eh y d r o d y n 锄j c so ft h ed a n i n g 咖e rc o u l db e g e n e r a l i z e d 鹊ad e n s i t ) ，一s t r a t i f i e df l o w t h eu p s 仃e 锄w a t e rw e r em a i n l yn o w e do u t t h et r i b u t a 巧b yd o w n s l o p e - b o t t o md e n s i t y m e a i l w h i l e ，t h et g rm a i l l s t r e 锄w a t e r w e r en o w e di i lt h et r i b u t a 巧b yr e v e r s ed e n s i t yc u l l r e n t t h ed i f r e r e n c eo fw a t e r t e i n p e r a t u r eb e t 、) i ，e e l lt h et g rm a i l l s 仃e 锄锄dt r i b u t a 叫i sk e yr e g u l a t o 巧f ；比t o rf o r d e n s i t yc u r r e n tf o 珊a t i o n n ea i l i lo ft h i ss t l i d yw 嬲t ou n d e r s t a n dt h es p a t i a l 柚dt e m p o r a lv 撕a t i o no ft h e e n 仃0 p h i c a t i o n 锄di t s r e g u l a t i n gm e c h 锄i s m s i nt h e d a n i n g础v e rd u 血g e x p e d m e n t a li m p o u n d i i l gp e d o d t h er e s u h si i l d i c a t e dt h a tm o s to ft 1 1 et r o p h i cs t a t e s o fm a i n s t r e a m 锄d 劬u t a 拶w e r eo l i g o t r o p h e rt om e s o 仃o p h e r ，锄dt l l ed a n 啦硒v e r h a sac o m p a r a t i v e l yl l i 曲s p a t i a l 锄dt e m p o r a lh e t e r o g e n e i t ) ri nt h e 舡o p h i c a t i o n t h ed e g r e eo fe u 仃o p h i c a t i o ni nf l o o ds e a s o nw a s h i g h e rt h 锄o t h e rs e a s o n s ，a n dm e d e g r e eo fe u t r o p h i c a t i o nt e n d e dt od e c r e 邪e 丘。o mm a i n s 仃e a mt ou p s 仃e 锄e u 仃o p h i c s t a t eo fm a i n s 臼e a m 锄dt r i b u t a 巧w e r ed o l l l i n a t e db ys u s p e n d e ds o l i d s 锄do 略a n i c p 0 1 l u t a n tu n d e rr e g i o n a lh y d r o l o g i c a le 疏c t s s u s p e n d e ds o l i d sa n do 唱a l l i cp 0 1 l u t a n t o fm a i n s 仃e 锄a 1 1 dt r i b u t a 巧e 】【l l i b i t e ds 仃o n gr e s p o n s et oh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n ，锄d s i g n m c a n th i 曲c o h e r e n c ew a sf o u n da m o n gs i t e s b yc o n 仃a s t ，t e n l p o r a lc o h e r e n c e i v m a i ns o l u b l en u n i ：i l t s ( t n ，t p ，n o3 na n dn o2 n ) ，s u s p e n d e ds u b s t a n c e ( s s ) 锄dt r a n s p a r e n c y c o n t r i b u t e ds i 嘶f i c a n t l yt o p h ”o p l a - r l l 【t o nc o m m u n 毋 c o m p o s i t i o n p h y t o p l a n k t o ng r o w t hc o u l de 1 1 1 1 a n c et h ep hv a l u e t h ee n v i i o n i l l e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o n sa n d s a n l p l e s i t e s a 由a c e n c y c o n t r i b u t e d s i g n i f i c a n t l y t o p h y t o p l a n h o nc o m m u l l i 够c o m p s o 鲕o n s e a s o n a lv a r i a t i o no fp d m a 巧p r o d u c t i v i 哆a n di t sc a u s i l l gf a c t o r sw e r ei n v e s t i g a t e d m i n n gt l l ea l g a eb l o o mp e r i o da n dd 巧s e 硒o ni n 也eb a c k w a t e ra r e ao ft h ed a n i n g r i v e r t h er e s u l t si n d i c a t et l l a tm o s to ft h ei n v e s t i g a t e dp h y s i c o c h e i l l i c a lp a r a m e t e 璐 ( w a t e rt e m p e r ：l t u r e ，d oc o n c e n n ? a t i o n ( s a t u r a t i o n ) ，s p c ( s p e c i f i cc o n d u c t i v i t y ) ，p h ， t u r ( t u r b i d i 够) ) i nt h ed a n i n gr i v e ra r es i 鲥f i c a n t l yd i 脓e n tb e t w e e n 也ea l g a e b l o o mp e r i o da n dd 巧s e a s o n ( a n o 、乃，p 枯水期，支流回水区营养 状态的程度和成库前相比较为严重【1 8 。1 9 】。 张晟等人对三峡水库成库后5 条支流的上游区和回水区水质参数及营养盐因 子分布进行初步研究【2 0 】。研究结果表明：支流回水区t n 和t p 含量均远高于水体 发生富营养化的阈值，水体存在发生富营养化的风险 2 0 】。t s i m 指数范围为 3 6 0 6 4 2 ，上游区总体为贫中营养水平，支流回水区水体营养状态明显受三峡 水库蓄水水体流速减缓的影响，均达到中富营养水平【2 0 】。 综上所述，目前对三峡水库的富营养化研究主要针对环境污染短期的调查与 监测，缺乏长期、系统、连续性的原始数据积累的研究工作。 8 第1 章绪论 1 3 2 三峡库区富营养化机制研究概况 引起三峡库区水体富营养化的主要因子有以下3 类：营养因子、环境因子和 生态因子【2 喇。 ( 1 ) 营养因子 一般认为，当水体中t n 、t p 含量分别达到o 2 m g l 和0 0 2 m g l 时，水体存 在发生富营养化的风险【2 0 1 。目前对三峡库区干支流的调查结果表明：库区水体 的营养盐含量已常年接近或超过富营养化发生和发展的营养盐水平状况【1 5 埘】。 在湖泊和水库中，c h l a 浓度与部分营养盐均呈显著正相判2 们。在三峡水库 中，由于各支流是一个非常复杂的水环境生态体系，虽然支流回水区水体比天然 河道状态流速有不同程度的下降，支流水体与干流间存在交换，水库水文和湖泊 相比不尽相同。因此，在三峡水库中浮游植物的生物量均和营养盐含量没有明显 的相关关系【3 ，2 0 1 。 郑丙辉等人以大宁河水华期敏感期数据为例，认为在水华期t p 和藻类的生 长有关，而氮污染主要来源于外源污染，与藻类的集聚没有太大关系【2 3 】。 虽然目前的研究结果表明营养盐和浮游植物没有明显的相关关系，但是营养 盐是浮游植物进行光合作用的重要物质基础，因此充足营养盐仍然是水华爆发的 充分条件。 ( 2 ) 生态因子 水体的生态因子是指水体本身的生态条件和水生生态系统结构，是水体富营 养化发生的内在条件和因素 8 】o 幸治国、李锦秀等人认为，t p 、t n 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 1 5 ，2 4 1 。成库前， 天然河道下水体的流速较快，同时水体深度较深，光能损失较大，不利于藻类生 长，库区干流和支流均没有发生富营养化现象。成库区后，支流的水流条件发生 了很大变化，流速迅速减缓，导致大量泥沙沉积，水体透明度增大，光线的穿透 率升高，促进浮游藻类的光合作用，导致藻类的生长繁殖，从而更有利于富营养 化的发生。这才是发生富营养化的最直接诱发因子【3 t2 5 1 。 o 第l 章绪论 目前不少学者在肯定水流变缓是三峡水库支流库湾发生富营养化的主要诱 因这一观点的基础上，进一步指出，一方面水库蓄水，支流库湾流速变缓有利于 水华发生【2 5 1 ：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处于频繁交流状态，这种交换又会反过来进一步改变库 湾水体的物理、化学特性，从而不断影响着支流库湾水华发生【2 6 】。因此，研究 流速和藻类生长的关系是解决水体富营养化的理论基础。 黄程等人基于现场监测结果的基础上，通过曲线估计建立流速与藻类生长关 系模型，指出大宁河回水区流速与藻类呈显著的负相关关系，流速是藻类生长的 主要限制因子鲫。龙天渝等人通过构建二维非稳态藻类生长动力学模型，指出 在嘉陵江重庆主城段，流速在0 0 4 州s 左右最有利于藻类的生长繁殖【2 8 】。 富营养化除了与流速密切相关外，水库的面积、容积、水深、岸线系数、入 库径流补给系数、换水周期和水位变幅、出库径流、流速等也与富营养化关系密 切【2 9 1 。 胡韧等人对广东省1 9 个水库的数据进行综合分析后发现，水库入库水量的多 少( 丰水期和枯水期) 常常影响浮游植物的季节性组成【3 0 1 。 ( 3 ) 环境因子 环境因子是指湖泊水库水体中生物生产所必需的水环境的物理化学因子。主 要是水温、光照、p h 值、溶解氧、透明度、电导率、有机物( c o d 、b o d 5 ) 等 【8 】 o 水温和光照辐射是富营养化环境因子中的主导因子【8 1 。在藻类进行光合作用 时，前者决定细胞内酶反应的速率，后者提供代谢的能源，二者的共同作用决定 湖泊水库生物生产力的水平【1 4 】。对三峡库区的监测数据表明，大宁河大多数月 份的温度均处于藻类适宜生长的温度范围内。 一般弱碱性的湖泊水质，均适宜于藻类生长，对三峡库区支流的调查发现， 多数呈中偏弱碱性水体，而水华优势藻种的适宜p h 值范围为8 0 9 o ，为库湾支 流藻类的发展和富营养化的发生提供了有利条件【2 3 】。 溶解氧是藻类生长和生物降解有机物不可缺少的环境条件，研究结果表明三 1 0 第l 章绪论 峡库区溶解氧的饱和含量主要受水温和浮游植物的双重影响跚。 三峡成库后其季节调蓄过程使该水域湖沼学特征具有其独特性【2 0 1 。因此大 宁河的透明度变化具有明显的季节性特征，相关研究来表明大宁河的透明度受到 藻类生物量和悬浮物的双重影响【2 3 1 。 1 4 国内外调控富营养化的研究进展 富营养化研究的一个核心目标是阐明在生态系统内的富营养化关键驱动机 制，为富营养化调控提供理论依据。水体富营养化以及由此引发的藻类水华现象 是水域生态系统受损和其退化的重要表征，被视为是气候效应( 区域因素) 和人 类干扰( 局部因素) 双重叠加的结果3 。 营养盐消减机制一致被认为是调控富营养化的根本出路【3 2 1 。目前该调控策 略争论的焦点主要集中在消减策略上，存在的主要问题是消减策略是根据个别成 功案例或者仅仅针对固氮蓝藻而提出，不具备普遍性。v o l l e n w e i d e 提出的“磷限 制理论”经验性的认为，控制富营养化最为关键的就是要控制磷的输入，仅在某 些情况下要考虑控制氮的输入【3 3 】。e d m o n d s o n 和s c h i n d l e r 等人根据区域性湖泊研 究成果对该策略进行了肯定和补充，提出控制磷的输入能够有效的减缓富营养化 程度，如果不能首先控制磷的输入，那么氮的控制成果也有限3 5 1 。c o n l e v 等人 则对该调控策略提出质疑，通过单独控制磷营养盐不能有效控制富营养化的案例 指出：应该采取双重营养消减策略，除非有证据证明只消减一种营养盐的合理性 和有效性 3 6 】。j a c o b y 和f r a z e r 等人在首先肯定双重消减策略，然后针对其控制效 果提出疑问：双重消减策略是否能够达到预期效果? 因为生态系统恢复的轨迹是 不可预测的，受损的生态系统可能会转变成为另外一种稳定状态f 3 刀。总体上， 双重营养消减策略仍被认为是调控富营养化理性和谨慎的选拶3 6 1 。 一些学者的研究成果表明：除了双重营养消减策略外，食物网的“生物操纵” 在一定程度上能够有助于减缓水体富营养化控制“水华”爆发【3 8 3 9 1 。如：1 9 9 9 年， 刘健康和谢平等人提出通过放养直接摄食蓝藻的鱼类( 鲢鱼和鳊鱼) 来控制蓝藻 水华的这种“非经典的生物操纵理论”对东湖的富营养问题取得了良好的治理效 影响，指出：9 0 r r i l i n 扰动水体时藻类生长最好4 9 1 。总体上，国内外对水动力因 素的研究主要集中在风生缓流和水平流速对藻类生长的影响。对于用水力发电的 水库坝底泄水引起的水位下降产生的缓慢垂向流速对藻类生长的影响研究较少。 但是在实际情况下，一般水体的水动力条件还有纵向断面的流速，紊动强度以及 水面波动等多种情况。另外由于实验条件、研究方法和所处环境的不同，水动力 条件对藻类生长率的影响并没有达到统一。 气候的变化对富营养化的影响主要表现在降雨和流量，影响水生态系统的受 干扰频率和增加外源营养盐的输入。同时温度的上升也可能会促使水华更加严 重。s c h l i l l d e r 等人提出，在气候变化的背景下，营养、生物、和水文的富营养化 的效应可能将出现更加复杂的叠加效应，富营养化研究和管理的关注点不断扩 大，控制富营养化的决策也将更加复杂 4 2 】。 1 5 本研究的主要内容、目的和意义 三峡工程目前是世界上最大的水利枢纽工程之一，具有巨大的防洪、发电、 航运等综合效益【1 1 。三峡水库2 0 0 3 年6 月完成1 3 9 m 蓄水之后，由于受回水顶托， 1 2 第l 章绪论 加上氮、磷等营养盐输入的影响，库区次级回水区富营养化现象颇受关注【1 1 。长 期以来，富营养化被认为是营养盐累积的结果，因此营养盐的消减一直被认为是 富营养化控制的首要措施。一些研究也指出湖泊生态水文水动力机制对富营养化 调控的重要性【4 h 3 1 。近年来，p i i n s k i 等人指出气候变化( e g ：气温升高) 对湖泊 生态系统的影响已经逐渐成为湖泊富营养化管理的一个关键问题【5 0 】。随着研究 的深入和技术手段的进步，相关学者一致认为富营养化是多种生态因素叠加作用 的结果【9 1 。从生态学的角度看，虽然已有的研究中，都注意到了各种生态因子对 富营养化的综合作用，主导因子作用，直接作用和间接作用【1 4 2 】；但是大量的 研究集中在浅水湖泊系统，对于三峡库区这种人工调控的河道型水库一直缺乏足 够的研究基础。由于三峡库区受人为干扰较大，水域类型多样，导致生态系统结 构、功能、格局和过程更复杂。这使得富营养化研究和预测的难度更大。 因此，本文以三峡库区的重要支流大宁河为研究对象，研究大宁河的富 营养化特征及其影响因素和水华机制。该研究成果为解决支流富营养化问题提供 了理论基础，同时也为河道型水库的富营养化管理政策的制定提供参考依据。 总体而言，本文主要解决以下三个问题： ( 1 ) 三峡库区的水动力特性即大宁河的水动力特性“是什么”和“为什 么”? ( 第二章) 具体内容：目前三峡库区富营养化的相关研究表明：水动力条件是影响三峡 水库富营养化特征的主要因素【5 1 1 。因此研究三峡库区蓄水后的水动力特性及其 成因是解决三峡库区支流富营养化问题的理论基础。第二章首先按照三峡水库试 验性蓄水过程中( 2 0 0 4 2 0 1 0 ) 中水文特性，将全年划分为四个水文期；然后以 2 0 1 0 年现场跟踪监测数据为基础分析大宁河的水动力特性及其产生的原因。 ( 2 ) 富营养化特征和影响因素即大宁河的富营养化“是什么”和“为什 么”? ( 第三章) 具体内容：以历史监测数据为依据，从大的时间尺度( 三峡库区三期蓄水过 程) 分析大宁河富营养时空变化特征，并运用同步性理论和数理统计分析方法探 讨影响大宁河富营养化时空变化的关键因素。 1 3 第l 章绪论 ( 3 ) 大宁河水华特征和水华机制即大宁河的水华“是什么”和“为什 么”? ( 第四章、第五章、第六章和第七章) 。该部分又分为现场监测( 第四章、 第五章、第六章) 和围隔模拟实验( 第七章) 两部分。 第四章：首先从分析大宁河水华特征着手，以水华敏感期为研究的时间尺度， 总结大宁河水华特征；并基于每周监测数据，运用数理统计分析方法分析影响水 华敏感期浮游植物生物量及种类组成的主要环境因素。 第五章：三峡库区中初级生产力是反映浮游植物生产潜力的基本参量，水华 的爆发与非常高的初级生产力是密不可分的。因此本章首先分析大宁河回水区 2 0 0 9 年浮游植物初级生产力的季节变化特征，然后结合营养盐水平、叶绿素浓 度、水下光照强度等环境因子的跟踪监测结果，探讨影响大宁河回水区初级生产 力的主要因素。 第六章：基于2 0 1 0 年现场监测数据，在分析大宁河浮游植物的垂向分布特 征及其影响因素的基础上，探讨水华的形成机制和影响水华上浮聚集的关键环境 因素。 以第四章至第六章的研究成果为依据，设计现场围隔实验探讨不同的水动力 条件对浮游植物的生物量、群落结构和垂直分布的影响( 第七章) 。验证前几章 现场实验研究成果。 1 6 课题来源 国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目“复合污染控制及典型受损生态系统 修复原理( 2 0 0 7 c b 4 0 7 3 0 6 ) ； 国务院三建委专项基金“三峡水库库区大宁河富营养化成因及控制技术与对 策研究”( s x 2 0 0 7 】一0 2 4k y 0 10 2 0 1 ) ； 科技部国际科技合作项目“三峡库区水环境特征与支流富营养化机制研 究”( 2 0 0 7 d f i a 9 0 5l0 ) ： 1 4 第1 章绪论 国家水体污染控制与治理科技重大专项“流域水环境预警技术研究与三峡 库区示范”( 2 0 0 8 z x 0 7 5 2 8 0 0 3 ) 。 1 7 技术路线 1 5 究 ，对水域 重，部分 件是影响 室模拟实 。黄程等 区的水动 力条件，并利用现场监测结果建立流速与藻类生长的关系模型，研究大宁河回水 区流速与藻类生长的相关关系【2 6 1 。三峡库区蓄水后对支流的水动力特性方面的 研究基本上将其为一维模型，在此基础上分析水动力特性对富营养化和浮游植物 的影响，或者在此基础上建立富营养化和水华预警模型【5 4 。5 5 1 。但是在实际情况中 三峡水库支流水面接近水平，重力作用下的水体流动微弱，采用一维水库的水动 力特性来分析和预警会导致研究结果和实际结果相差较大，因此在研究三峡库区 富营养化和水华问题前，应该首先研究清楚三峡水库的水动力学特性。 本章首先分析三峡库区试验性蓄水过程中的水文水动力学变化特征，在此基 础上将全年分为4 个水文期。然后根据2 0 1 0 年现场监测数据分析三峡库区水动 力学特性及其形成原因。该研究结果为进一步研究三峡库区的富营养化和水华问 题提供理论依据。 2 2 材料与方法 2 2 1 大宁河的概况和样点的布设 三峡工程对水生态环境有显著的影响【1 1 。大宁河( 东经1 0 8 。4 4r 1 1 0 。1 1 ， 北纬3 1 。0 4 3 1 0 4 4 ) 是三峡水库的典型支流之一，位于三峡库区腹心地带，流域 1 6 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 面积4 ，0 4 5 姘， 三峡库区属于湿润的亚热带季风气候，具有四季分明，冬暖 春早，夏热伏旱，秋雨多，湿度大，云雾多和风力小等特征【l 】。该地区年平均温 度为1 6 6o c ，年平均降雨量为1 1 2 4 5m m 【1 1 。水库支流自三峡库区1 3 9 m 蓄水后， 大宁河与2 0 0 3 年6 月在双龙( 东经1 0 8o 4 4 1 1 0 0 1 1 ，北纬31 0 0 4 ，31o 4 4 ，) 首次爆 发蓝绿藻水华后，历年在大宁河回水区水华频剡1 1 。 2 0 l o 年监测时段从l 1 0 月，每月监测一次。监测指标包括水温、水位、 流量、流速和水深等指标。其中水温和水深利用h y d b l a bd s 5 x 型多参数测定仪 ( 美国) 测定。三峡水库的水位和入库流量由中国长江三峡工程开发总公司提供。 各监测点的流速六和由s o n t e k s i a d p 型多普勒流速仪( 美国) 现场测定。现 场采水l o l ，静置4 8 小时后，采用称重法测定，其采样及测定方法按照 g b 5 0 1 5 9 9 2 河流悬移质泥沙测验规范进行【5 6 1 。 样点布设如图2 1 所示，大昌( 北纬3 l o1 6 1 1 7 6 ”，东经1 0 9 0 4 7 2 8 6 2 ，) ，双 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 2 2 2 数据处理及分析方法 水体密度由水温对应的水体密度加上水体的泥沙含量而得，由于在实测过程 中水体中的最大含沙量和水温对应的水体密度相比很小，基本上可以忽略，因此 本文中的水体密度按照以下公式计算而得【5 7 】： p l 1 0 l l t 6 + 1 5 1 0 9 t 5 1 1 0 一t 4 + 1 l o _ 4 1 1 3 9 1 10 3 1 。+ 6 7 9 1 0 2 t + 9 9 9 8 4 ，( r 2 = 1 0 0 1 ) 按照三峡工程的规划，2 0 0 9 年水库水位蓄至1 7 5 m 后，水库将由初期运行 期转入正常运行阶段，因此2 0 1 0 年监测结果更具有代表性和实用性。同时，由 于篇幅限制，本章通过对2 0 1 0 年的水温和水体密度的时空分布进行分析，用来 揭示大宁河的水动力条件变化规律。 2 3 结果与分析 2 3 1 三峡水库水位和入库流量变化特征 三峡库区试验性蓄水过程主要分为以下三个阶段：( 1 ) 2 0 0 3 6 1 0 ，水位首 次突破1 3 5 m ，2 0 0 3 9 2 3 2 0 0 3 1 0 3 0 日，水位从1 3 5 m 蓄至1 3 9 m ；( 2 ) 2 0 0 6 9 2 0 2 0 0 6 1 0 1 7 ，水位从1 3 5 m 蓄至1 5 6 m ：( 3 ) 2 0 0 9 9 2 8 2 0 0 9 1 1 0 4 ，水位从1 5 7 4 m 蓄至1 7 2 8 m 。按照三峡工程规划，水库水位蓄至1 7 5 m 后将由试验性运行阶段转 入正常运行阶段，因此本研究的监测结果具有一般的代表性，如图2 2 ( a ) 所示。 图2 2 ( a ) 和( b ) 中的水位采用三峡水库坝前水位，流量采用的是三峡的 入库流量。至2 0 0 3 年6 月蓄水后，大宁河的水文情况有了较大的改变，受到上 游来水和江干流的项托作用。从水位变化来看( 图2 2 ( a ) ) ，在高水位运行期水 库维持在高水位运行，在汛限期水位维持低水位运行，这两个时期水位波动均较 小；泄水期水位下降较为集中；蓄水期水位上升比较集中。 如图2 2 ( b ) 所示，入库流量的年际变化较小，年平均流量的变化范围为 l o o l 5 6 3m 3 s 1 6 2 2 6 9 2m 3 s ；年内变化较大，入库流量的最大值一般出现在汛 期，日均入库流量为2 6 3 4 7 0 6 m 3 s ，其次为蓄水期和泄水期，最小值出现在高水 1 8 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 位运行期，日均入库流量为6 0 0 3 0 3m 3 s 。 根据三峡坝前水位及入库流量和三峡工程规划，每年水位均经历高水位运行 期( i ：一般为1 1 月来年4 月) _ 泄水期( i i ：一般为每年的5 月7 月) 一汛限期( ：一般为每年的7 月9 月) _ 蓄水期( ：一般为9 月1 1 月) 一高水位运行期这五个完整水位循环调度过程。 熟黼瓣勰琵靛勰嚣琵l 謦慧誉雏箍瓣勰嚣蘸瓣嚣髂遴鎏 骛； | 嚣j 攒| l l 耋嘉嚣嚣l l l | 絮i 墅i l | 嚣| i 耋嚣i l | 赣i 霸i 麓l 羹| t l m e ( m on t h ) 注： 4 a u g 代表2 0 0 4 年8 月份采样时间，l o m a y 代表2 0 1 0 年5 月份采样时间，余同 图2 2 试验性蓄水阶段三峡库区水位及入库流量变化过程 f i g l i m2 - 2t i m es e r i e sd a t ao fw a t e r l e v e la n di n n o wd i s c h a r g eo ft h et h r e eg o r g e s r e s e n ，o i rd u r i n gt h ee x p e r i m e n t a l i m p o u n d i n gp m c e s s 2 3 2 水动力过程及特征 总体上，大宁河的流速较小，平均流速均为厘米级，有的监测点流速甚至接 近静止( oi i l s ) 。大宁河属东南走向，从东流向南，水流方向与支流的深泓线方 向基本一致，同时主泓流速的绝对值远远大于侧向流速，因此本章在分析时只考 虑主泓纵剖面的流速特性。图2 3 为2 0 1 0 年具有代表性的月份大宁河的纵剖面 一1 9 碍 神 弱 * 柚 筘 (m吾鑫，11喜事 o o d o o o 0 仰 柏 ” 仲 (s、iv昱j叠uw6 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 动态分布图。由图可见，在2 0 l o 调查期间，大宁河受到上游来水和干流项 双重影响，水流持续存在分层异向流动现象，并非是一维方向流动。以2 0 1 0 月和3 月代表高水位运行期：干流水体主要从底部潜流( 3 0 m 以下) 的形式 湾流入，1 月份倒灌范围为距离河口1 0 衄处，3 月时倒灌距离增大，能够 大宁河中上游；在1 月和3 月上游主要以底部潜流的形式流向河口。以2 0 1 0 月代表泄水期，上游流向河口的潜流增大，干流以主要以( o 3 0 m ) 表层 进入库湾。以2 0 1 0 年8 月代表汛限期，此时干流主要以中层( 5 4 0 m ) 倒 入库湾。以2 0 1 0 年9 月代表蓄水期，此时干流也以中层( 5 4 0 m ) 倒灌进 湾，但是潜入距离能够影响上游。总体上，在调查期间持续存在上游流向河 潜流；在2 0 1 0 年的大多数调查期间，河口均存在干流水体倒灌进入库湾的 ；但是倒灌的潜入点深度和潜入距离受气候( 水温、气温) 和水文因素( 上 游流量、水位变化) 的影响。 l i _ h - l 螂”“- 广一， 2 0 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 王 i l _ k h - d 啊_ v _ 图2 - 3 大宁河监测点纵剖面流速动态图 f i g l i 托2 3d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f v e l o c i 哆a ti o g i t l i d i n a lp m m e i nt h ed a n i n g 砒v e r 注：d e p t h 指水深，d j s 纽n c e 蜀r o m 曲ee s t l i a r y 指监测点距河口的距离，矢量方向代表流向， 矢量长度代表流速大小 2 3 3 大宁河分层异向流动特征形成的原因分析 大宁河水动力学特征可以从异重流的角度进行解释。一般来说，两种密度相 差不大，可以相混的液体相互接触，因为密度的差异将发生相对运动。这种运动 形式称为异重流【5 8 1 。其中，重液体在轻液体的下部运动，叫做下层或底部异重 流；轻液体在重液体的上部运动，叫做上层异重流；如果在上下两层不同密度之 间的中间运动，叫做中层异重流 5 9 1 。 形成异重流的原因是密度差异，水体密度由水温对应水体密度加上水体中的 含沙量，因此引起水体密度差异的原因主要有温差及泥沙含量的差异5 7 1 。 图2 _ 4 ( a ) 为2 0 1 0 年水库干流( 培石) 和支流水体密度的变化图。总体上， 支流的水体密度和干流的水体密度时间变化趋势基本上一致。由图可见，干流和 支流的水体密度最大值均出现在高水位运行期( 2 0 l o 0 1 0 4 2 0 1 0 3 - 4 和 2 0 l o 1 1 8 ) ，此时干流的密度为9 9 9 1 3 9 9 9 8 4 c m 3 ，支流的密度范围为9 9 9 2 5 9 9 9 8 4 c m 3 ；从空间分布上看，支流的水体密度从下游至上游呈逐渐增大的趋势。 随着水温的上升，水体密度逐渐减小，最低值出现在汛限期( 2 0 1 0 0 8 0 4 ) ，此 时干支流水位密度的变化范围为9 9 9 3 3 9 9 9 7 4 9 c m ? 。汛限期结束后，干支流的 密度又呈逐渐增大的趋势。 一2 l 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 在水体密度的垂向分布上( 表2 _ 4 ( a ) ) ，干流的水体密度梯度和支流相比较 小。例如：培石和双龙表底密度差分别为0 0 7 1 6 7 和o 1 3 1 8 8 。 图2 _ 4 ( b ) 为2 0 l o 年水库干流和支流的水温变化图，用来分析不同水体间 的密度差的成因。在高水位运行期( 2 0 1 0 一1 0 4 、2 0 1 0 2 2 、2 0 1 0 3 2 和2 0 1 0 1 1 8 ) ， 上游，干流和支流间的水温差异不大。在其他研究时期，干流水温均明显低于支 流水温。因此，干流水体密度明显高于其他样点，导致干流以底部异重流的形式 进入支流。 综合图2 - 4 ( a ) 、2 - 4 ( b ) 和图2 3 的结果分析，在全年的大部分水文期干 流表中底水体密度均大于支流，干支流的水体密度差最大值出现在汛限期 ( 2 0 1 0 0 8 0 4 ) ，此时干流以倒灌异重流的形式进入支流。在汛限期( 2 0 1 0 5 5 和2 0 1 0 6 3 ) ，上游的水体密度大于支流，此时，上游以顺坡异重流的形式流向 河口。 掌9 梦妒pp d _ _ 【翻嘲m ) 图2 - 4 三峡库区干支流水体密度和水温的变化特征 f i g u r e2 4t 如es e r i e sd a t ao fw a t e rd e n s i 锣a n dw a t e rt e m p e r a t i i 心a te a c hs a m p 吐n g p o i n ti nt h et h r e eg o r g e sr e s e n r o i r 注：4 - j 锄代表2 0 1 0 年1 月4 日的采样时间，2 _ f e b 代表2 0 1 0 年2 月2 日采样时间，余同 p ss 代表培石表层，p sm 代表培石中层，p sb 代表培石底层，余同。 2 2 n u v u善8du豆矗瓮事 善y君。口 第2 章大宁河干流与主流水动力特征研究 2 4 讨论 秦文凯和韩其为等人异重流的水流运动和泥沙输移规律指出：( 1 ) 在水库中， 在干流水体较浑的情况下，如果支流水体较清或是汛期水库的含沙量突然增大， 可能会产生异重流入侵支沟从而导致支沟的淤积；( 2 ) 在湖泊中，在江水含沙量 较大，而湖泊含沙量小且出口不大的情况下，也存在着产生异重流入侵湖泊出口 段的可能6 0 1 。同时，在美国的s h a v e rl a l 【e 的现场监测数据表明，在河水和湖水 的密度相差0 8 的情况下，可能形成异重流 5 9 1 。而本文中干流与库湾的密度差 为1 4 3 7 。就发生倒灌异重流。 由图2 - 4 ( a ) 和2 - 4 ( b ) 可见，各样点间的密度的变化趋势和水温恰好相 反，同时在调查期间发现水体中泥沙含量和砌己的最大值仅为0 8 9 m 3 和1 5 0 n t u ( 第六章将具体阐述) ，对水体密度的影响很小，因此不同水体间的温差是导致 水体间密度差产生的主要原因。 2 5 本章小结 ( 1 ) 根据三峡库区的水文特征，每年可划分为高水位运行期( i ：一般为 1 1 月来年4 月) 、泄水期( i i ：一般为每年的5 月7 月) 、汛限期( i ：一般 为每年的7 月9 月) 、蓄水期( ：一般为9 月1 1 月) 这四个水文期。 ( 2 ) 三峡水库蓄水后，大宁河水动力特性受到上游来水和干流的双重影响， 不能简单的概化为一维“河道型”水文特性，而是呈分层异向流动。 ( 3 ) 大宁河的上游以顺坡底部异重流的形式流出库湾，干流主要以倒灌异重 流的形式进入库湾。异重流产生的原因主要是由于两种水