2021, Vol. 41
[PDF全文]
2. 中国环境科学研究院, 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室, 北京 100012;
3. 中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100012
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012;
3. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012
三峡工程是世界最大的水利水电工程之一, 自2003年首次蓄水以来, 三峡水库水质风险问题频现, 库区营养化问题日趋严重.三峡水库蓄水运行将流动的河流转变成深水型水库(Lebedeva et al., 1998), 库区内存在由于水库调度干流水位变化导致的干流水体倒灌现象(Ma et al., 2015; 赵云云等, 2016), 并影响到支流原有的河流特征, 同时, 由于水龄增加, 支流出现了不同程度的水质污染(Liu et al., 2012; Gao et al., 2018; 韩超南等, 2020).此外, 库区范围较大, 环境敏感脆弱资源众多, 包括生活用水和工业用水的取水口、旅游资源等, 社会经济发展不平衡、污染排放等对水体影响明显.当前围绕三峡库区水环境展开的研究工作较多(Xu et al., 2010; Wang et al., 2011; Zhou et al., 2011; Xu et al., 2011a; 2011b; Zhao et al., 2016; Ji et al., 2017; 秦延文等, 2018a).例如, 王丽婧等分析了三峡水库上游河流入库面源污染负荷与面源污染防治策略(王丽婧等, 2009; He et al., 2018), 同时着眼于水体保护与水环境管理的需求, 划定了水环境保护分区(王丽婧等, 2011)；秦延文等(2018b)依据三峡库区氮、磷污染特征提出了相关防治政策建议；近年来, 刘晓等(2018)开展了三峡库区EFDC模型集成研究；卓海华等(2017)和黄庆超等(2015)的研究表明, 三峡水库自蓄水以来, 干流水质总体较好, 且有向好的趋势, 但沿程各断面变化趋势不一致.
目前, 由于三峡水库运行带来的环境问题逐渐成为研究热点, 干流水质稳定趋好, 支流水环境污染已成为突出问题, 保障支流水质安全以确保水库安全运行成为国家的首要任务.此外, 不同运行期的主库区干流和支流交汇方式不同, 导致影响范围和水质影响程度存在较大差异, 研究各运行期交汇过程才能保障三峡水库的健康运行.目前对于库区支流的研究多为原位观测的定性研究, 对于干、支流水质交汇特征的研究较少, 定量研究结果匮乏.因此, 本文基于EFDC模型模拟2010—2014年三峡库区及主要支流的水动力水质过程, 重点研究上游来水和重点支流对库区水质的影响及水龄变化特征.
2 研究区域概况(The study area)研究区为重庆朱沱断面至三峡坝址江段, 库区水系发达, 主要入库支流包括嘉陵江、乌江、龙溪河、龙河、小江、梅溪河、大宁河、香溪河等.库区流域面积为5.7×104 km2, 175 m正常蓄水位时水域面积为1084 km2, 145~175 m蓄水位波动形成特殊生境削落带302 km2, 流域面积与水域面积比为53:1, 库区流域人类活动对水体影响显著.自2003年蓄水以来, 三峡水库水质风险问题频现, 库区营养化问题日趋严重, TN、TP成为影响库区水质的主要污染因子, 其中80%~85%的入库氮、磷污染负荷来自流域上游(卓海华等, 2017).监测结果表明, 2016年三峡水库38条主要支流水体处于中度富营养化状态的断面占比为52.3%~93.5%, 直接影响到三峡水库水质安全(中华人民共和国环境保护部, 2016).
综合考虑水库蓄水影响范围、水文条件等因素, 在进行水龄和库区水质贡献率分析时选取库区长江干流江津大桥、寸滩、清溪场、晒网坝、培石、秭归和坝前等重点断面, 以及上游来水、嘉陵江、乌江、木洞河、东河、龙溪河、渠溪河、龙河、黄金河、小江、汤溪河、磨刀溪、大溪河、梅溪河、大宁河、沿渡河和香溪河等17条重点支流为对象进行分析, 研究区水系分布见图 1.
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| 图 1 研究区水系分布 Fig. 1 Water system image of Three Gorges Reservoir |
模型模拟区域包含三峡库区及其周边主要支流, 对模型适用性的要求较高.EFDC模型由美国国家环境保护署(USEPA)推荐并用于复杂地表水模拟研究, 是集水动力、泥沙输运、污染物迁移转化和水质预测于一体的三维水动力水质模型系统.EFDC模型垂向上采用σ坐标变换, 能较好地拟合近岸复杂的岸线和地形, 目前在河流、水库、湖泊、河口等多类水体都得到了广泛应用(Liang et al., 2016; 张素香等, 2016; 鲍道阳等, 2017; Lee et al., 2017).
3.2 模型的构建和验证 3.2.1 网格设置水动力模型采用正交贴体网格, 考虑到河道地形, 干流和重要支流布置为一维网格, 水库大坝附近布置为平面二维网格(图 2), 初步确定网格总数为2384个.为了更好地处理水动力环境模拟中大量浅滩的“干出”与“淹没”, 处理复杂的地形水域模拟, 保证浅水区域计算的准确性, 模型选用动边界处理技术, 动态设置干湿网格.
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| 图 2 网格布置示意 Fig. 2 Grid layout of Three Gorges Reservoir |
① 初始条件：应用EFDC模型进行三峡库区河流水动力水质模拟时, 模型稳定较快, 初始条件对计算的最终结果的影响并不大, 在实际研究中可以选择采用冷启动模式.在研究过程中, 初始水位设置为145 m, 初始流速设置为0 m·s-1, 湖底高程由实测地形插值得到(图 3).
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| 图 3 河底高程示意 Fig. 3 Bottom elevation of Three Gorges Reservoir |
② 边界条件：模型上游设置为流量型边界, 主要包括长江上游(金沙江)、嘉陵江、乌江3条主要支流, 以及其他一些小支流, 总共17个流量边界(国4)；下游设置为水位边界, 为了更好地控制下游泄水过程, 增加一个工程控制边界.本研究模拟2010—2014年三峡库区的水动力水质过程, 上边界朱沱始端拟采用日流量过程；下边界初始水位拟采用三峡坝址上游附近的茅坪水文站典型水文年实测水位值；河道中间支流汇入口的流量采用相应站点日流量过程.水质指标主要选择COD、氨氮、TP等, 上游边界浓度、支流汇入浓度采用实测水质浓度过程.
3.2.3 时间步长设置为提高模型计算效率, 时间步长采用动步长, 基准步长设置为0.1 s, 实际步长由模型根据实时克朗数(CFL)自动调整, 经统计时间步长范围为5~90 s, 平均时间步长为20 s左右, 平水期和枯水期稍大, 丰水期稍小.
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| 图 4 流量边界空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of the flow boundary |
模型率定和验证是建立水动力和水质模型的重要过程, 本研究选择2010年1—6月作为率定期, 2010年7—12月作为验证期.模型率定包括水动力模块和水质模块参数率定, EFDC水动力模型主要参数为AHO(水平弥散系数)和ROUGHNESS(粗糙高度).AHO采用Smagorinsky公式计算得到, 采用AHO=1.0 m2·s-1.ROUGHNESS为空间分布变量, 根据模拟结果进行调整, 其分布范围为0.12~0.25 m(图 5).本研究选用水位数据对模型进行率定, 各断面模拟值和实测值的相关系数高于0.9, 且均值相对误差小于0.2%(表 1).水质模型主要参数根据监测取样的实际情况, 选取水面以下0.5 m处的模型计算值与实测值进行对比分析, 最终确定水质模型参数见表 2.
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| 图 5 ROUGHNESS空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of ROUGHNESS |
| 表 1 水位模拟结果误差分析 Table 1 Error analysis table of water level simulation results |
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| 表 2 水质模型参数统计表 Table 2 Statistical table of water quality model parameters |
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水动力模型验证采用2010年水文水位数据.由于实测数据的限制, 利用水温和水位进行模拟水动力的验证(表 3).图 6为代表性断面水温、水位时间变化序列与实测数据对比, 由图可知, 水温和水位的模拟情况良好, 模拟结果与实测结果拟合程度较高(Ens>0.89), 均值误差分别为0.04%和-2.1%.说明模型水动力模拟具有可靠性, 能够反映库区水动力实际变化.
| 表 3 水动力模拟统计结果 Table 3 Error statistics of validation |
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| 图 6 代表性断面温度和水位验证对比 Fig. 6 Comparisons of temperature and water surface at the main stream |
水质模型边界和验证断面数据采用2010年水质数据.主要对照断面(表 4)模拟结果的误差分析表明, COD、TP均值误差较小, 总体平均误差小于10%(表 5).氨氮总体平均误差接近20%, 模拟值与实测值的拟合程度相对其他指标略低, 但Ens＞0.6, 模拟结果可接受, 主要原因可能在于区间氨氮输入量统计不够, 导致局部断面模拟浓度值出现一定的误差.
| 表 4 水质模拟断面对照结果 Table 4 The main stream of simulated water quality |
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| 表 5 水质模拟统计结果 Table 5 Error analysis of simulated water quality |
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研究17条支流对库区江津大桥、寸滩、晒网坝、清溪场、培石、秭归等重点断面的水质影响, 设置18组模拟方案, 包括1组空白组即模拟库区支流水动力-水质过程, 剩余17组在保证其他支流不变的情景下, 分别将金沙江、嘉陵江、乌江等17条支流水质输入通量设置为0值.通过重点断面水质浓度变化特征, 分析不同时期各支流输入对重点断面水质的贡献率.
由图 7可知, 17条支流对库区氨氮、COD和TP的贡献率沿程呈下降趋势, 仅上游来水、嘉陵江、乌江和木洞河对各断面的贡献率相对较大, 贡献率分别为65%~77%、7%~15%、1%~12%和7%~12%, 其他支流的总体贡献率小于1%, 可忽略.这4条河流对库区氨氮的贡献率表现为上游来水＞嘉陵江＞木洞河＞乌江, 贡献率分别为65%、15%、12%和5%；对库区COD的贡献率排序与氨氮相同, 贡献率分别为77%、10%、8%和1%；对库区TP的贡献率表现为上游来水＞乌江＞木洞河＞嘉陵江, 贡献率分别为70%、12%、8%和6%.按照累计百分比大于80%的原则, 库区氨氮和COD管控重点为上游来水和嘉陵江的水质输入污染控制, TP管控重点为上游来水和乌江水质输入的污染控制.
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| 图 7 17条支流对库区氨氮、COD和TP的贡献率 Fig. 7 The contribution of 17 tributaries to the ammonia nitrogen, COD and TP |
进一步分析不同时期主要支流对库区不同水质指标氨氮、COD和TP的贡献率, 本文以对库区贡献率较高的4条支流为例.由图 8可知, 金沙江和乌江的贡献率年内变化规律性不明显, 表现为由枯水期向丰水期减小.嘉陵江和木洞河的贡献率表现为由枯水期向丰水期增大, 增大幅度为4%~23%, 嘉陵江和木洞河对库区氨氮和TP的贡献率都表现为明显的上升趋势.三峡库区次级河流回水区段水体普遍受磷素的限制(张晟等, 2008), 该结果可为库区支流富营养化方面的研究提供科学依据.
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| 图 8 不同时期主要支流对库区氨氮、COD和TP的贡献率 Fig. 8 The contribution of main tributaries to the ammonia nitrogen, COD and TP in different period |
近年来, 三峡库区支流回水段富营养化问题颇受关注, 三峡库区成库后水位升高、流速减缓, 水体紊动扩散能力减弱, 更新周期延长, 为氮、磷营养盐的积聚和藻类的疯长创造了有利条件.水龄的概念被定义为一个水包离开其规定年龄为0的区域后达到某一位置所需要的时间(Gao et al., 2018), 可定量评价库区和河流的水体运动和交换程度及滞留情况, 对评估库区水体交换及水质变化具有重要意义.水龄模型最早由Bolin等(1973)提出, 当前水龄模拟主要采用EFDC模型.由于库区汇入支流较多, 水体来源不是单一的, 因此, 对库区“多源”水龄进行研究很有必要.
本研究基于EFDC水动力学水龄模型计算库区水龄, 选取干流寸滩、清溪场、晒网坝、培石、坝前等重点断面水龄进行统计, 结果见图 9.由图可知, 水龄由上游至坝前总体呈上升趋势, 在枯水期和平水期尤为明显.2010—2014年寸滩处水龄无明显变化且年内表现稳定在5 d左右.清溪场、晒网坝、培石、坝前断面处水龄由2010—2014年呈轻微增长趋势, 且年内不同水期呈现显异质性, 枯水期水龄约为丰水期水龄的2~6倍, 以坝前断面最为显著, 最短为15 d, 最长达到90 d, 其他断面最短在10~20 d, 最长为20~70 d.
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| 图 9 重点支流和重点断面水龄分布 (横坐标标值表示月份) Fig. 9 Water age distribution of the key tributary and monitor section |
水库支流频繁出现藻华, 对当地水环境和水生态构成重大挑战.2010—2014年干流断面水龄表现为缓慢增加趋势, 根据库区实际情况和水龄特征, 缩短库区水体水龄也是控制水体富营养化的重要措施, 通过优化取水泵房位置改变库区环流特性, 缩短水库水龄, 进而降低水库富营养化风险.
水库水龄动态模拟在时间过程上更加精细化, 更容易与流量和水位特征之间进行定量分析.图 10分别分析了蓄水期和泄水期下水龄与流量和水位之间的关系.由图可知, 流量降低时, 水龄急剧增大, 泄水期的增大速率较蓄水期明显, 其中, 泄水期增大速率为7 d/(103 m3·s-1), 蓄水期增大速率为2 d/(103 m3·s-1).水位降低时, 水龄整体减小, 泄水期减小速率较蓄水期明显, 其中, 泄水期减小速率为6 d·m-1, 蓄水期减小速率为2 d·m-1.
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| 图 10 水龄与流量和水位的变化关系 Fig. 10 The analysis of tendency of water age and flow and water level |
选取库区4条代表性支流嘉陵江、乌江、大宁河、香溪河, 分析河口水龄与支流流量之间的关系(表 6).从模拟结果来看, 嘉陵江年均流量最大(2120 m3·s-1), 河口水龄受库区影响较小, 稳定在10 d左右；乌江年均流量次之(1650 m3·s-1), 河口水龄最短为10 d, 最长为90 d；大宁河和香溪河年均流量较小(< 100 m3·s-1), 最短水龄分别为50 d和60 d, 最长水龄分别为100 d和125 d.通过对比河口水龄与支流流量可知, 支流本身流量小, 河口水龄相对大.
| 表 6 支流水龄和年均流量统计结果 Table 6 Tributary statistical table of water age and flow |
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1) 各支流对库区氨氮、COD和TP的贡献率沿程呈下降趋势, 17条支流中仅有上游来水、嘉陵江、乌江和木洞河4条支流贡献率较大, 其他支流的总体贡献率小于1%.其中, 上游来水对氨氮(65%)、COD(77%)和TP(70%)的贡献率最大.按照累计百分比大于80%的原则, 对库区氨氮和COD的管控重点为上游来水和嘉陵江的污染控制, TP为上游来水和乌江的污染控制.
2) 不同时期各支流对库区水质的贡献率表明, 丰水期嘉陵江和木洞河对库区水质的贡献率较枯水期增大, 增大幅度为4%~23%, 具体表现为氨氮和TP的贡献率呈明显上升趋势, 该研究结果可为库区支流富营养化方面的研究提供科学依据.
3) 库区干流水龄由上游至坝前总体呈上升趋势, 在枯水期和平水期尤为明显.支流河口水龄从上游到下游越来越大, 与支流本身流量有一定关系, 支流流量小, 水龄相对较大.水龄与流量和水位的定量关系表明, 泄水期时水龄随流量和水位变化幅度较蓄水期明显, 当流量降低时, 泄水期增大速率为7 d/(103 m3·s-1), 当水位降低时泄水期减小速率为6 d·m-1.
Bolin B, Rodhe H. 1973. A note on the concepts of age distribution and transit time in natural reservoirs[J]. Tellus, 25(1): 58-62. DOI:10.3402/tellusa.v25i1.9644 |
鲍道阳, 朱建荣. 2017. 近60年来长江河口河势变化及其对水动力和盐水入侵的影响Ⅱ.水动力[J]. 海洋学报, 39(2): 1-15. DOI:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.001 |
Gao Q, He G, Fang H, et al. 2018. Numerical simulation of water age and its potential effects on the water quality in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Hydrology, 566: 484-499. DOI:10.1016/j.jhydrol.2018.09.033 |
韩超南, 秦延文, 马迎群, 等. 2020. 三峡支流大宁河库湾水质分布变化原因及其生态效应[J]. 环境科学研究, 33(4): 893-900. |
He Q, Kang L, Sun X, et al. 2018. Spatiotemporal distribution and potential risk assessment of microcystins in the Yulin River, a tributary of the Three Gorges Reservoir, China[J]. Journal of Hazardous Materials, 347: 184-195. DOI:10.1016/j.jhazmat.2018.01.001 |
黄庆超, 刘广龙, 王雨春, 等. 2015. 不同水位运行下三峡库区干流水质变化特征[J]. 人民长江, 46(S1): 132-136. |
Ji D, Wells S A, Yang Z, et al. 2017. Impacts of water level rise on algal bloom prevention in the tributary of Three Gorges Reservoir, China[J]. Ecological Engineering, 98: 70-81. DOI:10.1016/j.ecoleng.2016.10.019 |
Lee I, Hwang H, Lee J, et al. 2017. Modeling approach to evaluation of environmental impacts on river water quality:A case study with Galing River, Kuantan, Pahang, Malaysia[J]. Ecological Modelling. DOI:10.1016/j.ecolmodel.2017.01.021 |
Liang S, Jia H, Xu C, et al. 2016. A Bayesian approach for evaluation of the effect of water quality model parameter uncertainty on TMDLs:A case study of Miyun Reservoir[J]. Science of the Total Environment, 560-561. DOI:10.1016/j.scitotenv.2016.04.001 |
Lebedeva I P, Venitsianov Y V. 1998. Hydrodynamic structure features of water mass in reservoirs and their effect on water quality[J]. International Review of Hydrobiology, 83: 235-237. |
Liu L, Liu D F, Johnson D M, et al. 2012. Effects of vertical mixing on phytoplankton blooms in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir:implications for management[J]. Water Research, 46(7): 2121-3130. DOI:10.1016/j.watres.2012.01.029 |
刘晓, 刘海涵, 王丽婧, 等. 2018. 三峡库区EFDC模型集成与应用[J]. 环境科学研究, 31(2): 283-294. |
Ma J, Liu D, Wells S A, et al. 2015. Modeling density currents in a typical tributary of the Three Gorges Reservoir, China[J]. Ecological Modelling, 296: 113-125. DOI:10.1016/j.ecolmodel.2014.10.030 |
秦延文, 马迎群, 王丽婧, 等. 2018a. 长江流域总磷污染:分布特征、来源解析和控制对策[J]. 环境科学研究, 31(1): 9-14. |
秦延文, 赵艳民, 马迎群, 等. 2018b. 三峡水库氮磷污染防治政策建议:生态补偿·污染控制·质量考核[J]. 环境科学研究, 31(1): 1-8. |
Wang L, Cai Q, Zhang M, et al. 2011. Vertical distribution patterns of phytoplankton in summer Microcystis bloom period of Xiangxi Bay, Three Gorges Reservoir, China[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 20(3): 553-560. |
王丽婧, 郑丙辉, 李子成. 2009. 三峡库区及上游流域面源污染特征与防治策略[J]. 长江流域资源与环境, 18(8): 783-788. DOI:10.3969/j.issn.1004-8227.2009.08.015 |
王丽婧, 席春燕, 郑丙辉. 2011. 三峡库区流域水环境保护分区[J]. 应用生态学报, 22(4): 1029-1044. |
Xu Y, Zhang M, Wang L, et al. 2011a. Changes in water types under the regulated mode of water level in Three Gorges Reservoir, China[J]. Quaternary International, 244(2): 272-279. DOI:10.1016/j.quaint.2011.01.019 |
Xu Y, Cai Q, Ye L, et al. 2011b. Asynchrony of spring phytoplankton response to temperature driver within a nutrient gradient bay of Three-Gorges Reservoir, China[J]. Limnologica, 41(3): 174-180. DOI:10.1016/j.limno.2010.10.004 |
Xu Y, Cai Q, Wang L, et al. 2010. Diel vertical migration of Peridiniopsis niei, Liu et al, a new species of dinoflagellates in an eutrophic bay of Three-Gorge Reservoir, China[J]. Aquatic Ecology, 44(2): 387-395. DOI:10.1007/s10452-009-9298-8 |
张晟, 李崇明, 付永川, 等. 2008. 三峡水库成库后支流库湾营养状态及营养盐输出[J]. 环境科学, 29(1): 7-12. |
张素香, 许新发, 徐兴, 等. 2018. 鄱阳湖水龄季节性变化特征[J]. 湖泊科学, 30(1): 199-210. |
赵云云, 郑丙辉, 王丽婧, 等.2016.三峡水库干流倒灌对大宁河水质的影响及其对策研究[C].第九届清华大学博士生论坛.北京
|
Zhao Y, Zheng B, Wang L, et al. 2016. Characterization of mixing processes in the confluence zone between the Three Gorges Reservoir mainstream and the Daning River using stable isotope analysis[J]. Environment Science and Technology, 50(18): 9907-9914. DOI:10.1021/acs.est.5b01132 |
中华人民共和国环境保护部.2016.长江三峡工程生态与环境监测公报[R].北京: 中华人民共和国环境保护部
|
Zhou S, Cai Q, Xu Y, et al. 2011. Daily and vertical dynamic of rotifers under the impacts of diatom blooms in the Three Gorges Reservoir, China[J]. Hydrobologia, 675: 29-40. DOI:10.1007/s10750-011-0793-2 |
卓海华, 吴云丽, 刘旻璇, 等. 2017. 三峡水库水质变化趋势研究[J]. 长江流域资源与环境, 26(6): 925-936. DOI:10.11870/cjlyzyyhj201706015 |