馬 巍，孫 磊，齊 德 軒，程 瑤

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038； 2.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

三峽工程是中國最大的水利樞紐工程，三峽水庫正常蓄水位為175.00 m，防洪控制水位為145.00 m，淹沒陸地總面積為632 km2，總庫容為393億m3，其中防洪庫容為221.5億m3。自2003年三峽水庫試驗(yàn)性蓄水以來，水庫運(yùn)行對(duì)保障長(zhǎng)江中下游地區(qū)的防洪安全、促進(jìn)長(zhǎng)江黃金水道建設(shè)、加快推進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)以及促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綠色高質(zhì)量發(fā)展，均具有十分重要的戰(zhàn)略意義[1]。三峽工程在發(fā)揮巨大的防洪減災(zāi)、水力發(fā)電、交通運(yùn)輸、風(fēng)景旅游等經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也驅(qū)動(dòng)著庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的快速變化，比如水土流失加劇、面源污染嚴(yán)重、消落帶生態(tài)退化、支流庫灣富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益突出等問題。早在水庫建成蓄水前，就有不少學(xué)者提出了建庫后會(huì)出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化的問題[2-4]。自2003年首次蓄水半年后，壩前區(qū)部分庫灣就出現(xiàn)了藻類水華現(xiàn)象，在壩前及水流較平緩的支流回水區(qū)浮游植物數(shù)量增加明顯，而且整體上由蓄水前的貧-中營養(yǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻◣旌蟮闹?富營養(yǎng)[5-7]。隨著三峽水庫蓄水位的逐漸抬升，水庫回水區(qū)逐步擴(kuò)大，庫區(qū)內(nèi)更多的支流庫灣面臨著日益嚴(yán)峻的富營養(yǎng)化問題。學(xué)者們針對(duì)支流庫灣的水體富營養(yǎng)化問題開展了大量的研究工作[8-10]，但伴隨著庫區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境變化和水環(huán)境綜合治理進(jìn)程的加快，受自然環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)和干支流交互作用協(xié)同驅(qū)動(dòng)影響，庫區(qū)內(nèi)各支流庫灣水環(huán)境演變更趨復(fù)雜，水體富營養(yǎng)化演變成因及其營養(yǎng)源結(jié)構(gòu)組成有待進(jìn)一步明晰。同時(shí)，依托干支流水功能區(qū)劃確定的入庫河流水質(zhì)目標(biāo)，與支流庫灣緩慢的水動(dòng)力條件和水環(huán)境承載力仍存在著較大差距，亟需以支流庫灣水環(huán)境容量、營養(yǎng)狀態(tài)水平控制及其年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化特征為依據(jù)，研究制定滿足其容量總量控制和營養(yǎng)狀態(tài)水平削減需求的入庫河流水質(zhì)濃度限值精細(xì)化管理方案，以便為三峽水庫支流庫灣水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理與水體富營養(yǎng)化綜合防治提供科學(xué)的技術(shù)支撐。 基于此，本文以三峽庫區(qū)長(zhǎng)江干流左岸的梅溪河為典型支流，以2016～2019年期間逐月實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，研究了梅溪河支流庫灣干支流水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系及水量交換，提出了基于容量總量控制與水體富營養(yǎng)狀態(tài)削減的分級(jí)總量控制需求和入庫水質(zhì)濃度限值，制定了干支流水質(zhì)濃度精細(xì)化管理方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三峽工程通過筑壩雍水，將壩址斷面(宜昌三斗坪)的長(zhǎng)江干流汛、枯期水位分別由100.00 m和70.00 m抬升至145.00～155.00 m和173.00～175.00 m。建庫后，汛、枯期水位分別抬升了約50 m和100 m，從而形成了水面面積為1 084 km2、總庫容為393.00億m3的超大深河道型水庫，顯著地改變了三峽庫區(qū)回水江段的水位、水深、水面面積、河道寬度以及水流流速等水文水動(dòng)力特征因子，并與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)著庫區(qū)干支流水環(huán)境過程的演變?？傮w表現(xiàn)為：

(1) 水體貧營養(yǎng)斷面急劇減少，中-富營養(yǎng)斷面逐步增多，水體富營養(yǎng)程度逐步加重；

(2) 支流庫灣水華發(fā)生時(shí)節(jié)由春、夏、秋3季逐步向夏季集中(見圖1)；

圖1 三峽水庫常態(tài)運(yùn)行前后各主要支流富營養(yǎng)狀態(tài)變化Fig.1 Changes of eutrophication status of main tributaries of Three Gorges Reservoir(TGR) before and after normal operation

(3) 出現(xiàn)水華現(xiàn)象的支流數(shù)以2012年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)為先增加后波動(dòng)式下降的趨勢(shì)(見圖2)[11]，近年來，庫區(qū)出現(xiàn)藻類水華的支流數(shù)量顯著減少。

圖2 2008～2019年三峽庫區(qū)發(fā)生水華支流數(shù)量年際變化過程Fig.2 Interannual variation process of tributaries of water bloom in TGR area from 2008 to 2019

三峽水庫回水長(zhǎng)度有663 km，庫區(qū)內(nèi)地形地勢(shì)復(fù)雜，沿江兩岸支流眾多，各支流庫灣的幾何形態(tài)和流域特征也不盡相同。綜合庫區(qū)內(nèi)38條主要支流的位置、年徑流量、回水長(zhǎng)度、消落帶面積占比以及近年來水華發(fā)生情況等因素，選定重慶市奉節(jié)縣梅溪河作為典型支流案例，來分析支流庫灣富營養(yǎng)化演變的營養(yǎng)物質(zhì)來源、總量控制需求及其分級(jí)精細(xì)化管理方案。

梅溪河是三峽庫區(qū)長(zhǎng)江左岸的一級(jí)支流(見圖3)，主導(dǎo)生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)、水質(zhì)安全保障、生物多樣性保護(hù)等，河口距三峽大壩約158 km。梅溪河發(fā)源于重慶市巫溪縣塘坊鄉(xiāng)清水池，分水嶺海拔高程為2 300 m，全長(zhǎng)117.00 km，平均比降為3.1‰，兩岸多堆積階地，多年平均流量為32.40 m3/s，集水面積為2 001 km2，消落帶面積為592 hm2，占最大水面積的比例為41.1%。通過比對(duì)庫區(qū)內(nèi)38條主要支流的位置、河長(zhǎng)、流量及其消落帶面積比等，梅溪河均處于中等水平，具有比較強(qiáng)的代表性；而且根據(jù)近年來《長(zhǎng)江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)》數(shù)據(jù)，2008～2017年的10 a間，梅溪河支流庫灣每年都有藻類水華現(xiàn)象發(fā)生，在三峽庫區(qū)所有支流中，水華發(fā)生頻率最高，水體富營養(yǎng)化問題十分突出。因此選擇梅溪河作為本文的主要研究對(duì)象。

圖3 三峽水庫梅溪河流域位置示意Fig.3 Schematic diagram of Meixi River Basin of TGR

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究所采用的三峽水庫干流水位、流量數(shù)據(jù)，均來源于中國長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司公布的奉節(jié)站逐日數(shù)據(jù)。研究所用的梅溪河氣象條件采用的是奉節(jié)縣氣象站(位于梅溪河河口)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，梅溪河流域無水文站，其水文資料則類比毗鄰的大寧河流域的實(shí)測(cè)流量過程，采用面積倍比縮放推求得到。三峽水庫干流和梅溪河支流上游入庫水溫過程均采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)江干流、梅溪河支流庫灣各控制斷面(其中，庫尾斷面為145 m水位回水末端，位置示意見圖4[5])及其支流上游入庫水質(zhì)資料，采用175 m回水末端上游控制斷面各月實(shí)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，每月中間的時(shí)間采用線性插值得到。

圖4 三峽水庫梅溪河庫灣水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布置示意Fig.4 Schematic diagram of water quality monitoring stations in Meixi River reservior bay of TGR

1.3 模型與方法

三峽水庫梅溪河河口區(qū)水深超過100 m，受干支流交互作用和溫差異重流影響，其支流庫灣的水動(dòng)力條件呈現(xiàn)出典型的三維特征[12-15]。采用海洋環(huán)境研究與預(yù)報(bào)模式(Marine Environment Research and Forecasting Model，MERF)[16-17]，構(gòu)建了梅溪河支流庫灣三維水動(dòng)力與水體富營養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型[5]，可以用來模擬梅溪河庫灣水文水動(dòng)力的變化過程及其與長(zhǎng)江干流間的交互變化，并在此基礎(chǔ)上，模擬反演了支流庫灣水環(huán)境演化過程，以便為支流庫灣水環(huán)境容量計(jì)算及水體營養(yǎng)狀態(tài)模擬提供可靠的技術(shù)手段。

梅溪河支流庫灣長(zhǎng)約19.60 km，其地形和網(wǎng)格布置如圖4所示。梅溪河支流及其毗鄰干流的水平方向采用Cartesian坐標(biāo)，分辨率為50 m×50 m，垂直方向采用Sigma坐標(biāo)，分為10層，空間離散后計(jì)算網(wǎng)格為27 440個(gè)。庫區(qū)干流和支流上游采用流量邊界，支流匯合口下游采用水位邊界條件，干-支流入庫水溫、水質(zhì)逐日過程采用各月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并采用線性插值獲取。利用2014年和2017年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)梅溪河支流庫灣水動(dòng)力與水體富營養(yǎng)化模型進(jìn)行了參數(shù)率定與模型驗(yàn)證，其中，2014年數(shù)據(jù)用于參數(shù)率定，2017年數(shù)據(jù)用于模型校驗(yàn)。水動(dòng)力模擬變量為水位、水深、流速、流向、水溫等，模型校準(zhǔn)參數(shù)為水位和水溫。2017年梅溪河庫灣的庫中斷面(MX02)的逐月流速(以1，4，7月和10月為代表)及其年內(nèi)表底層水溫變化模擬結(jié)果分別如圖5和圖6所示。梅溪河庫灣各特征斷面(以庫中斷面代表)的葉綠素、磷酸鹽、TN的年內(nèi)變化過程與模型模擬值對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖5 梅溪河庫灣庫中斷面流速垂向剖面驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Verification of vertical velocity in the middle section of Meixi River reservoir bay

圖6 2014年梅溪河庫灣庫中斷面溫度模擬結(jié)果Fig.6 Temperature simulation results of middle section of Meixi River reservoir bay

圖7 2017年梅溪河庫灣庫中斷面葉綠素、磷酸鹽、TN模擬結(jié)果驗(yàn)證Fig.7 Verification of chlorophyll，phosphate and TN simulation results of middle section of Meixi River reservoir bay

由于三峽水庫干支流中的水溫存在溫度差，加上太陽輻射的熱交換作用，將影響梅溪河庫灣中的水溫分布，進(jìn)而影響到庫灣水質(zhì)的時(shí)空變化過程。從梅溪河庫灣典型斷面(以庫中代表)的流速與水溫模擬結(jié)果(分別見圖5和圖6)來看，不同季節(jié)的垂向流速及表底層的年內(nèi)水溫變化過程與觀測(cè)值擬合良好，水動(dòng)力學(xué)模型可為生態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬提供較為可靠的背景動(dòng)力場(chǎng)；梅溪河庫灣不同特征斷面的水質(zhì)模擬結(jié)果(見圖7)也表明：梅溪河支流庫灣生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型較為可靠，能為干-支流交互影響和支流來流共同作用下的梅溪河庫灣水環(huán)境演化模擬及其水體富營養(yǎng)化演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究，提供可靠的技術(shù)手段。

2 結(jié)果與討論

2.1 梅溪河庫灣水動(dòng)力特性

受三峽水庫長(zhǎng)江干流和支流上游來水交互作用的影響，梅溪河支流庫灣水流的整體流速較小(u≤5.00 cm/s)，庫灣內(nèi)不同特征斷面(河口、庫中、庫尾)和不同層位(表層、中層、底層)均存在明顯的流速與流向時(shí)空變異特征[18-20]，表層、底層流場(chǎng)全年相反，并與長(zhǎng)江干流存在著頻繁的水量交換現(xiàn)象，分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同運(yùn)行期梅溪河平面流場(chǎng)(表層)Fig.8 Plane flow field (surface layer) of Meixi River in different operation periods

圖9 不同運(yùn)行期梅溪河庫灣流場(chǎng)縱剖圖Fig.9 Longitudinal section of flow field in Meixi River reservoir bay during different operation periods

(1) 汛前消落期(2～5月)，長(zhǎng)江干流的水從表層倒灌進(jìn)入支流庫灣，支流來水從底層匯入庫區(qū)干流，梅溪河河口區(qū)底層流速略高，庫灣中部和尾部流速差別較小。

(2) 汛期(6～9月)，長(zhǎng)江干流的水流從中層倒灌進(jìn)入庫灣，支流來水則從表層、底層匯入庫區(qū)干流，庫尾和河口處流速較大，庫中流速較小。

(3) 汛后蓄水期(10～11月)和枯水運(yùn)用期(12月至次年1月)，干-支流水體交互特征表現(xiàn)為表層的水流倒灌進(jìn)入支流的庫灣，支流來水則自底層流出庫灣。

從三峽水庫不同調(diào)度運(yùn)行期間支流庫灣流速的變化情況來看，梅溪河河口在汛后蓄水期的流速相對(duì)較大，而在汛前消落期、汛期和枯水運(yùn)行期，其水流流速則相對(duì)較小。

2.2 梅溪河庫灣水量交換及營養(yǎng)物質(zhì)來源組成解析

在干-支流水流的交互作用影響下，梅溪河支流庫灣與庫區(qū)干流水體存在著持續(xù)的水量與物質(zhì)交換。這種水量交換使得長(zhǎng)江干流水團(tuán)可隨時(shí)進(jìn)入支流庫灣，加速了庫灣內(nèi)水體和營養(yǎng)物質(zhì)的混合，并在庫灣內(nèi)密度流和上游來流的共同作用下，整個(gè)庫灣水體時(shí)刻都存在著營養(yǎng)物質(zhì)的收入和支出[21-26]。基于梅溪河支流庫灣水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果(見圖10)，2017年梅溪河庫灣干支流水交換量在河口、庫中、庫尾等特征斷面的年均值分別為210.15，83.60 m3/s和77.21 m3/s，并呈現(xiàn)出自河口向庫尾逐漸減小的特征。

圖10 2017年梅溪河支流庫灣干-支流水交換量的時(shí)空變化過程Fig.10 Temporal and spatial variation process of main-branch water exchange capacity in reservoir bay，Meixi River in 2017

針對(duì)易發(fā)生藻類水華的支流庫灣中上部區(qū)域[5]，從年尺度上來看，流域面源輸入的總磷(TP)負(fù)荷量占斷面總收支量的59%，是藍(lán)藻水華高發(fā)區(qū)的主要營養(yǎng)來源；從庫區(qū)水華敏感期(3～10月)分析來看，流域面源輸入的TP負(fù)荷量占斷面總收支的72%，是水華高發(fā)時(shí)段最主要的營養(yǎng)貢獻(xiàn)源；從庫灣水華發(fā)生時(shí)節(jié)(7月)的營養(yǎng)物質(zhì)來源解析來看，梅溪河流域面源輸入的TP負(fù)荷量占斷面總收支的74%(見圖11)。

圖11 2017年不同時(shí)間尺度下梅溪河支流庫尾斷面磷負(fù)荷來源組成Fig.11 Source composition of phosphorus load in the tail section of Meixi River tributary at different time scales in 2017

綜上所述，控制流域面源輸出，并強(qiáng)化過程阻控和末端攔截，是近期削減梅溪河支流庫灣水體營養(yǎng)狀態(tài)、降低其藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)最有效的措施。

2.3 梅溪河庫灣水環(huán)境容量總量控制精細(xì)化管理方案

在水華敏感期，伴隨著降雨徑流輸入的面源負(fù)荷，是三峽水庫各支流庫灣水體富營養(yǎng)化演變及藻類水華發(fā)生最主要的污染物來源，而且三峽庫區(qū)各支流庫灣的營養(yǎng)鹽輸入受干支流水情影響十分顯著，即干支流來水越多，支流庫灣內(nèi)接收的入庫污染物總量就越大，積存的營養(yǎng)物質(zhì)就越多，在適宜的水溫和光照條件下，庫灣水體富營養(yǎng)化程度就越高，藻類水華暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)就越大。庫區(qū)干流來水越多，經(jīng)梅溪河河口倒灌入支流庫灣的污染物就越多，對(duì)庫灣上游來水的頂托作用就越明顯，庫灣內(nèi)承納本流域污染物的能力就越小，即支流庫灣水環(huán)境容量就越小。

結(jié)合梅溪河支流庫灣水動(dòng)力特性和水環(huán)境容量計(jì)算的相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，并對(duì)比分析三峽庫區(qū)長(zhǎng)江干流(以庫尾寸灘站作為代表)和梅溪河支流(以毗鄰的大寧河作為代表)來水情況(見圖12)，選擇2018年(長(zhǎng)江干流來水為特豐水年之年，水文頻率P=4%，梅溪河支流為特枯年份，水文頻率P=96%)作為水環(huán)境容量計(jì)算的代表年型。

圖12 梅溪河支流庫灣干-支流來水徑流量年際變化過程Fig.12 The interannual variation process of the inflow runoff from main trunk and tributaries of the Meixi River tributary

以2018年梅溪河支流庫灣干支流來水作為設(shè)計(jì)水文條件，以長(zhǎng)江干流和梅溪河支流來水水質(zhì)分別滿足地表水Ⅱ類和Ⅲ類、且不劣于現(xiàn)狀為水質(zhì)邊界，以梅溪河支流庫灣各特征斷面年內(nèi)逐月水質(zhì)均滿足湖庫Ⅲ類水質(zhì)為目標(biāo)約束，計(jì)算得到梅溪河支流庫灣CODMn、TP、TN等3項(xiàng)指標(biāo)的水環(huán)境容量分別為18 417，373 t/a和7 528 t/a。從年內(nèi)變化特征(見圖13(a))來看：汛期(6～9月)的水環(huán)境容量較小，僅占年總量的23.3%，非汛期約占76.7%；從空間分布特征(見圖13(b))來看，梅溪河支流庫灣中上部?jī)H占8.2%，河口區(qū)約占91.8%。2018年，梅溪河庫灣CODMn、TP、TN的入庫污染物總量分別為29 056，796 t和18 770 t，3項(xiàng)指標(biāo)需分別削減10 639，422 t和11 243 t；其中，梅溪河上游入庫的TP、TN負(fù)荷量需分別削減43.1%，54.4%，庫區(qū)干流倒灌的CODMn、TP、TN負(fù)荷量需分別削減39.2%，53.8%，60.3%。

圖13 梅溪河支流庫灣水環(huán)境容量時(shí)空分布特征Fig.13 Spatial and temporal distribution characteristics of water environmental capacity in reservoir bay of Meixi River tributary

在容量總量控制約束條件下，為了更好地服務(wù)于三峽庫區(qū)河(庫)長(zhǎng)制的有效落實(shí)和水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理措施的科學(xué)落地，有針對(duì)性地制定了梅溪河支流庫灣水質(zhì)達(dá)標(biāo)的入庫河流水質(zhì)濃度精細(xì)化管理方案，即三峽庫區(qū)長(zhǎng)江干流和梅溪河支流分水期入庫水質(zhì)濃度的限值，分別是：CODMn為2.50～6.30 mg/L，TP為0.052～0.055 mg/L，TN為1.05～1.10 mg/L。干支流分水期詳細(xì)管控方案如表1所列。

表1 梅溪河支流庫灣總量約束下干支流入庫水質(zhì)濃度精細(xì)化管理方案

2.4 梅溪河庫灣富營養(yǎng)狀況控制的精細(xì)化管理方案

由2017～2019年梅溪河庫灣水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年內(nèi)變化過程結(jié)果(見圖14)可以看出：梅溪河庫灣水庫6～9月表現(xiàn)為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，其余月份均為中營養(yǎng)狀態(tài)。對(duì)比2017～2019年梅溪河庫灣水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與干支流來水情況可知：干流和支流在遭遇大水年時(shí)，都將對(duì)梅溪河庫灣水體富營養(yǎng)化及藻類水華產(chǎn)生明顯的不利影響，即2017年(梅溪河為特豐水年、干流為平偏枯年份)和2018年(干流為特豐水年、梅溪河為特枯水年)支流庫灣均出現(xiàn)了水色異常，而2019年(干流為平偏豐年份，梅溪河為極枯年份)梅溪河庫灣無水色異常情況。鑒于梅溪河支流水體富營養(yǎng)較重區(qū)域均發(fā)生在6～9月的庫灣中上部位，且該區(qū)域受支流來水影響更大，因此，選擇2017年作為設(shè)計(jì)水文條件，來研究制定梅溪河庫灣水體富營養(yǎng)狀態(tài)控制的精細(xì)化管理方案會(huì)更安全。

圖14 2017～2019年梅溪河支流庫灣綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年內(nèi)變化示意Fig.14 Annual variation of comprehensive nutritional status index of reservoir bay of Meixi River tributary from 2017 to 2019

梅溪河庫灣水體富營養(yǎng)狀態(tài)削減與控制目標(biāo)的制定及其落實(shí)，既能實(shí)現(xiàn)支流庫灣水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)，又能實(shí)現(xiàn)庫灣水體營養(yǎng)狀態(tài)由水華敏感期的輕度富營養(yǎng)→水華敏感期的中營養(yǎng)+枯水期的貧營養(yǎng)→全年整體貧營養(yǎng)的逐步轉(zhuǎn)變?；?017年梅溪河干支流來水條件，通過干支流的來水水質(zhì)與支流庫灣水體營養(yǎng)狀態(tài)響應(yīng)的多方案情景，進(jìn)行了模擬計(jì)算和富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：在庫區(qū)干流水質(zhì)整體滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)并且不劣于現(xiàn)狀水質(zhì)的條件下，通過管控梅溪河上游來水水質(zhì)，對(duì)庫灣中上部區(qū)域的水體營養(yǎng)狀態(tài)水平有一定的降低效果，當(dāng)梅溪河上游來水總體滿足湖庫Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，庫灣中上部區(qū)域能實(shí)現(xiàn)全年中-貧營養(yǎng)。因此，從梅溪河庫灣尾部水華高發(fā)區(qū)富營養(yǎng)狀態(tài)削減需求出發(fā)，通過控制梅溪河流域點(diǎn)源、面源污染負(fù)荷，讓梅溪河流域雨季入湖的氮磷負(fù)荷達(dá)到湖庫Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，還是有可能實(shí)現(xiàn)的。

為了降低梅溪河庫灣中上部的藻類水華風(fēng)險(xiǎn)，基本消除汛期(6～9月)梅溪河支流庫灣水華高發(fā)區(qū)(庫尾淺水區(qū))的輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，使其達(dá)到中營養(yǎng)水平，梅溪河支流上游汛期來水水質(zhì)濃度應(yīng)滿足CODMn≤4.00 mg/L，TN≤1.00 mg/L，TP≤0.05 mg/L，較現(xiàn)狀入庫的TP、TN濃度負(fù)荷削減65%以上(見表2)。梅溪河支流庫灣水體富營養(yǎng)狀態(tài)控制的干支流分水期精細(xì)化管控方案如圖15所示。

表2 梅溪河支流庫灣富營養(yǎng)控制的流域來水水質(zhì)及削減需求

圖15 梅溪河庫灣尾部富營養(yǎng)控制的入庫水質(zhì)精細(xì)化管理方案Fig.15 Refinement management scheme of inflow water quality for eutrophic control at the tail of Meixi River reservoir bay

如果讓梅溪河流域雨季入湖的氮磷負(fù)荷達(dá)到湖庫Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，那么采用以下2個(gè)措施可以實(shí)現(xiàn)。

(1) 源頭區(qū)：采用提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水收集與集中處理率、規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便回收，以及農(nóng)田綜合利用和陡坡(坡度>25°)地退耕還林還草、加強(qiáng)生態(tài)保育等措施，可從源頭上減少50%以上的流域點(diǎn)面源污染負(fù)荷的產(chǎn)生與輸出。

(2) 過程阻斷：采取保護(hù)性耕作模式和“植物籬+植物緩沖帶+生態(tài)攔截溝技術(shù)”相結(jié)合的方式，可強(qiáng)化污染物在伴隨降雨徑流輸移過程中的阻斷功效，負(fù)荷攔截效率將超過10%。

3 結(jié) 論

(1) 受庫區(qū)干流和支流庫灣上游來水的交互作用的影響，梅溪河支流庫灣水流整體流速較小(u≤5.00 cm/s)，庫灣內(nèi)的河口、庫中、庫尾等不同特征斷面及其水體垂向表層、中層、底層的不同層位均存在明顯的流速與流向時(shí)空變異特征，表層與底層流場(chǎng)全年相反，并與長(zhǎng)江干流存在著頻繁的水量交換。從三峽水庫不同調(diào)度運(yùn)行期間支流庫灣流速的變化情況來看，梅溪河河口在汛后蓄水期流速相對(duì)較大，而在汛前消落期、汛期和枯水運(yùn)行期的流速相對(duì)較小。

(2) 在庫灣內(nèi)密度流和上游來流的共同作用下，梅溪河支流庫灣與庫區(qū)干流水體存在著持續(xù)的水量與物質(zhì)交換，庫區(qū)干流水體倒灌加速了庫灣內(nèi)水體和營養(yǎng)物質(zhì)的混合與交換，整個(gè)庫灣水體時(shí)刻都存在著營養(yǎng)物質(zhì)的收入和支出。針對(duì)易發(fā)生藻類水華的梅溪河庫灣中上部區(qū)域，面源輸入是梅溪河支流庫灣水華敏感期和水華發(fā)生時(shí)節(jié)最主要的營養(yǎng)物質(zhì)來源，占比超過70%。因此，加強(qiáng)流域面源源頭控制，并強(qiáng)化過程阻控和末端攔截，是近期削減梅溪河支流庫灣水體營養(yǎng)狀態(tài)、降低其水體藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)最有效的措施。

(3) 以梅溪河支流庫灣Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)為約束，在不利來水條件和干支流來水滿足其水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)、且基本不劣于現(xiàn)狀水質(zhì)的條件下，計(jì)算得到的梅溪河支流庫灣CODMn、TP、TN等3項(xiàng)指標(biāo)的水環(huán)境容量分別為18 417，373 t/a和7 528 t/a。同時(shí)，結(jié)合庫灣水體營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)與特征指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性特征，研究提出了當(dāng)庫區(qū)干流水質(zhì)滿足Ⅱ類、且梅溪河支流來水滿足湖庫Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，支流庫灣尾部水體基本上可以實(shí)現(xiàn)全年中營養(yǎng)水平，可基本消除輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。從總量控制與削減角度的分析來看，汛期梅溪河支流上游來水的TP、TN濃度負(fù)荷削減率將超過65%以上。

(4) 在支流庫灣各特征斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)約束條件下，梅溪河庫灣干支流入庫的CODMn、TP、TN等3項(xiàng)指標(biāo)的濃度限值分別為2.50～6.30，0.052～0.055 mg/L和1.05～1.10 mg/L；在滿足梅溪河庫灣庫尾水華高發(fā)區(qū)的輕度富營養(yǎng)狀態(tài)削減并達(dá)到中營養(yǎng)水平條件下，梅溪河支流入庫的CODMn、TP、TN等3項(xiàng)指標(biāo)的濃度限值則分別為2.00～4.00，0.05 mg/L和1.00 mg/L。