环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (1): 15-24  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.46

引用本文  

王婷, 王坤, 王丽婧, 等. 三峡工程运行对洞庭湖水环境及富营养化风险影响评述[J]. 环境科学研究, 2018, 31(1): 15-24.
WANG Ting, WANG Kun, WANG Lijing, et al. Impacts of the Three Gorges Dam Operation on Water Environment and Eutrophication of Dongting Lake: A Review[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(1): 15-24.

基金项目

国家自然科学基金项目(41503101,41403102);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB417004)
Supported by National Natural Science Foundation of China (No.41503101, No.41403102); National Basic Research Program of China (973 Program) (No.2012CB417004)

责任作者

姜霞(1975-), 女, 山东蓬莱人, 研究员, 博士, 博导, 主要从事湖泊水环境研究, jiangxia@craes.org.cn

作者简介

王婷(1985-), 女, 河南开封人, wangting@craes.org.cn

文章历史

收稿日期:2017-07-05
修订日期:2017-08-31
三峡工程运行对洞庭湖水环境及富营养化风险影响评述
王婷1,2 , 王坤1,2 , 王丽婧1,2,3 , 田泽斌1,2,3 , 黄威1,2 , 姜霞1,2     
1. 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. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
3. 中国环境科学研究院, 国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室, 北京 100012
摘要:洞庭湖的江湖关系受自然因素及人为因素影响,其江湖关系的变化影响洞庭湖水文、水质、水环境容量和营养状态.近年来洞庭湖的富营养化指数不断升高,但水环境变化及富营养化风险变化的原因错综复杂,如何区分三峡工程运行等人类活动和气候变化等自然因素对洞庭湖水环境、富营养化风险的影响是洞庭湖江湖关系研究的难点.根据近年来洞庭湖江湖关系、水环境或富营养化水平的相关研究,对洞庭湖由于三峡工程运行导致的江湖关系变化,以及该变化对洞庭湖水环境、富营养化风险的影响的研究进展进行系统梳理、分析、总结和评述.现阶段研究得出,三峡工程运行导致的江湖关系变化影响洞庭湖不同时段的水环境容量,在一定程度上改善了枯水期和泄水期洞庭湖水质;三峡工程运行后洞庭湖水体中的ρ(TP)有所降低,但洞庭湖湖体ρ(TN)、ρ(TP)仍相对较高,已能够满足藻类生长的需求,水华发生的制约条件是水体透明度和水流流速;江湖关系变化后洞庭湖富营养化风险增大的时段是蓄水期,其他时段富营养化风险减小;流速较低的东洞庭湖湖滩区、蓄水期流速降低明显的南洞庭湖滩区水华发生的风险增大,为水华发生的敏感区域.大型枢纽工程对通江湖泊污染物迁移转化影响的机理分析、对通江湖泊水环境影响的模拟及相关参数研究、对湖泊水环境及富营养化风险的长期影响等方面的研究还有待进一步完善.
关键词洞庭湖    江湖关系    富营养化    三峡工程    
Impacts of the Three Gorges Dam Operation on Water Environment and Eutrophication of Dongting Lake: A Review
WANG Ting1,2 , WANG Kun1,2 , WANG Lijing1,2,3 , TIAN Zebin1,2,3 , HUANG Wei1,2 , JIANG Xia1,2     
1. National Engineering Laboratory of Lake Water Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. State Environmental Protection Key Laboratory of Drink Water Resource Protection, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: River-lake interaction between the Dongting Lake and the Yangtze River has beensignificantly altered by physical factors and artificial factors, such as climate variability, rapid socio-economic development in Dongting Lake catchments, and operation of the Three Gorges Dam (TGD) in the upper Yangtze River. Altered river-lake interaction has great impacts on water environment of Dongting Lake. Water quality deterioration worsens the eutrophication of Dongting Lake recent decades. However, river-lake interaction and its associated mechanisms that give rise to potential impacts from the TGD are difficult to distinguish from interactions and impacts from the other factors. An improved understanding of the impacts of TGD operation on river-lake interaction, and impacts of altered river-lake interaction on water quality and eutrophication of Dongting Lake will provide significantly improved scientific bases to develop regulation strategies for the construction and operation of large hydraulic reservoirs. In this paper, these impacts was summarized and analyzed based on the conclusions of river-lake interaction, water quality and eutrophication trends of Dongting Lake in recent decades. The altered river-lake interaction impacted by TGD operation improved the water quality and increased the environmental capacity of Dongting Lake in dry season (from December to March) and pre-flood releasing (from April to May).After TDG operation water total phosphorus (TP) in Dongting Lake was decreased, however, the limiting conditions for algal bloom were water transparency and flow velocity. The risk of eutrophication in Dongting Lake increased during the TDG storage period, and decreased during other periods. During storage period, there were increased risks of eutrophication in easternand southern Dongting Lake with low flow velocity, which were the sensitive lake regions for algal bloom. Further studies should be focused on the mechanism of the impacts of large dam projects on pollutants transportation and transformation in a long sequence.
Keywords: Dongting Lake    lake-river interaction    eutrophication    the Three Gorges Dam    

洞庭湖(111°53′E~113°05′E、28°44′N~29°35′N)是位于长江中游的大型通江湖泊,由西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖组成,有高水湖相、低水河相的水文特征.长江中游地区湖泊密布,历史上均与长江自然连通,形成自然的江、河、湖生态系统,位于其中的洞庭湖至今仍保持着与长江的自然连通状态.长江与洞庭湖之间相互作用、互为制约,长期演变形成错综复杂的江湖关系,包括河湖间的水量交换、河床湖盆的自然演变及其产生的物质能量交换[1].

洞庭湖来水组成复杂,荆江南岸沿程有松滋口、太平口和藕池口(三口)分流入洞庭湖,洞庭湖又集湘江、资江、沅江、澧水(四水)经湖区调节后由城陵矶汇入长江(见图 1).出入湖水量及污染物受长江干流、本地流域上游和湖区的多重影响.与长江的江湖关系决定了洞庭湖独特的水文、水质、水环境及其形成机制[2-4].江湖关系的变化对洞庭湖的水文、水质水环境容量和营养状态产生影响.洞庭湖与长江的江湖关系受到气候变化、构造沉降、水土流失、泥沙淤积等自然因素的影响,也受到大型水利工程建设运行等人类活动的影响.近年来,长江上游、中游三峡工程等大型水利工程建设运行也对长江与通江湖泊的水沙交换产生巨大影响,加速了洞庭湖江湖关系的变化,进而影响通江湖泊水文水动力条件、湖泊污染物迁移转化、水环境容量及富营养化风险[5-6].

图 1 洞庭湖水系 Fig.1 Map of Dongting Lake

三峡工程是位于长江中游,库容393×108 m3(水位为175 m)的大型水利工程. 2003年三峡工程运行以来,实行“丰水期蓄水、枯水期放水”的整体调度原则,影响下游长江荆江段的自然径流,进而影响下游通江湖泊的江湖关系.洞庭湖是三峡工程下游第一个天然大型湖泊,受三峡工程等人类活动影响较大;同时洞庭湖也是长江中游重要的调蓄湖泊,其水环境变化及富营养化风险变化的原因错综复杂;此外,近年来洞庭湖的富营养化指数不断升高,富营养化风险不容忽视.根据近年来洞庭湖江湖关系、水环境或富营养化水平的相关研究,对由于三峡工程运行导致的洞庭湖江湖关系变化,以及该变化对洞庭湖水环境、富营养化风险的影响进行深入分析、系统总结和评述;以期深入了解三峡工程运行对下游河湖水环境、富营养化风险的影响机制,为洞庭湖等通江湖泊内源、外源污染控制的进一步研究奠定理论基础,为三峡工程等大型水利工程的环境影响及运行管理研究提供依据.

1 洞庭湖水环境的时空演变趋势 1.1 洞庭湖水情变化趋势及其影响因素

1951—2011年洞庭湖出入湖径流量总体上呈现减少趋势,其中三口径流量显著减少,四水径流总体上没有显著变化,出湖径流呈现减少的趋势[2];洞庭湖出入湖泥沙量呈减少趋势,并且输沙量的减小程度远大于径流量的减小程度,其中三口输沙量显著减少,四水输沙量的下降趋势较小,出湖泥沙量呈持续性减少的趋势[3, 7].由于入湖泥沙量的减少,洞庭湖湖区冲淤发生变化,从洞庭湖的出入湖径流泥沙量变化的突变年份可以得出,气候变化和人类活动均对洞庭湖流域径流量变化产生影响.气候变化引起的区域降水量减少且分布不均是引起洞庭湖流域径流量减少的因素之一;水土流失和水利工程等人类活动也在一定程度上加速了径流演变的进程[6].

洞庭湖流域进出湖径流年内分配具有较为明显的不均匀性.汛期多年平均入湖径流量占总量的79.96%,入湖泥沙量占总量的92.02%[7].三口径流集中期为7月,四水集中期为5—7月,城陵矶出湖径流集中期为7月.荆江三口5—6月进入汛期,7月径流量达到最大峰值;四水流域4—5月进入汛期,汛期峰值出现在5—6月.出湖径流受荆江三口、四水汛期峰值的交替影响,汛期相对较长,出湖汛期相对较长,6—7月径流量最大,8月底径流量减少后进入枯水期[2].洞庭湖的出入湖径流量年内分配整体趋势变化不大,输沙量年内分配呈现出越来越不均匀的趋势[8].气候变化和人类活动均对洞庭湖年内径流变化产生影响.气候变暖(气温升高)增加降水强度,扩大干旱范围,延长干旱时段,使得洞庭湖流域极端水文气候事件的发生概率增加,径流泥沙年内分配呈现出越来越不均匀的趋势[8-9].三峡工程在蓄水期和泄水期的运行导致在一定程度上加重了洞庭湖秋旱[10-11],但其在枯水期和汛期的调度运行也使洞庭湖年内径流分配更加均匀[8].

1.2 洞庭湖水质变化趋势及其影响因素

1986—2015年监测数据[12]显示,洞庭湖水质从以GB 3838—2002《水环境质量标准》Ⅱ类水质为主逐渐降为以Ⅳ类为主.而2011—2015年的水质指标中,除ρ(TN)和ρ(TP)外的其余22项指标均达到Ⅰ~Ⅲ类标准,影响洞庭湖水质类别的主要污染物为TN和TP.时间序列分析得出,2004—2015年洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)平均值的长期趋势和循环变动趋势(STC)有所不同(见图 2). ρ(TN)年均值总体上呈显著上升的趋势;其中1986—2002年,全湖ρ(TN)呈现波动上升的趋势;2003—2008年ρ(TN)相对平稳,约为1.5 mg/L;2009—2015年,ρ(TN)(2.0 mg/L)有所升高[12-13].洞庭湖ρ(TP)年均值总体呈先升后降的趋势;其中1986—1991年全湖ρ(TP)呈下降的趋势;1991—2005年ρ(TP)显著增高;2006—2008年ρ(TP)波动较大,2008年到达峰值(0.15 mg/L);2008—2015年,洞庭湖ρ(TP)有所下降[12-13].洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)年际变化趋势的不同与氮磷主要来源存在明显差异有关.因素分析结果表明,洞庭湖TN的主要来源是洞庭湖区过量施用的化肥(R≥0.811)[14],而洞庭湖TP主要来源于三口四水的入湖泥沙[15].洞庭湖TP主要以泥沙结合的颗粒态为主(80%以上),2003年三峡工程运行以来入湖泥沙的大幅降低,是ρ(PP)(PP为颗粒态磷)、ρ(TP)降低的主要原因,但洞庭湖区的ρ(DTP)(DTP为溶解态磷)有增加趋势,TP的组成结构由PP为主逐渐转变为DTP为主[16].

图 2 洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)平均值的STC Fig.2 Trends of TN and TP concentrations in Dongting Lake based on time series analysis

不同水情下,洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)总体表现为枯水期>平水期>丰水期(1996—2014年).枯水期洞庭湖的水环境容量较小自净能力弱,入湖径流主要为水质较差的四水来水,是枯水期洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)较高的原因[17-18].丰水期洞庭湖水环境容量较大,水生植物生长旺盛,消耗氮磷营养盐,是丰水期洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)较低的原因[19-20].

在空间分布上,洞庭湖ρ(TN)总体表现为东洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖,ρ(TP)总体表现为西洞庭湖>东洞庭湖>南洞庭湖[17].东洞庭湖水体ρ(TN)、ρ(TP)较高的原因:①东洞庭湖农业资源丰富,入湖污染物较多. ②东洞庭湖西北部有大片自然湿地,生物种类繁多,每年有大量候鸟迁徙,生物代谢产生的有机氮长期累积[20]. ③由于洞庭湖的入湖径流均在东洞庭湖汇集后从出湖口进入长江,而东洞庭湖断面较宽,长江水流对出湖水流有顶托作用,使东洞庭湖的流速减慢,随径流入湖的泥沙大量淤积,泥沙携带的氮磷等污染物在东洞庭湖中累积;而沉积物中的氮磷作为内源向上覆水中释放[20-22],使东洞庭湖中ρ(TN)、ρ(TP)较高.三口来沙量占入湖沙量的81%[7],从西洞庭湖汇入洞庭湖的三口来水携带的大量泥沙是西洞庭湖ρ(TP)较高的原因.

1.3 洞庭湖富营养化、藻类变化趋势及其影响因素

从洞庭湖水质的监测数据可以得出,洞庭湖的∑TLI(富营养化指数)总体呈上升趋势(1986—2015年),2008年之后基本维持在50左右[12-13],1991—2014年洞庭湖平均∑TLI如图 3所示. 2003年以来,东洞庭湖∑TLI均高于西洞庭湖、南洞庭湖;并且水质数据显示,2008—2010年、2012年、2015年东洞庭湖已达到轻度富营养水平(∑TLI>50)[13, 20, 23].对洞庭湖营养状况演变成因及趋势进行的分析显示[12]:1986—2002年,洞庭湖多次暴发洪水(1988年、1996年、1998年、1999年),洪水期间洞庭湖的∑TLI接近富营养水平,其他时段洞庭湖的∑TLI总体维持在中营养水平,洪水期间地表径流携带大量悬浮颗粒物(泥沙),泥沙吸附大量农业面源污染物进入洞庭湖后释放进入水体,是ρ(TN)、ρ(TP)及∑TLI升高的原因. 2003—2015年洞庭湖∑TLI呈波动上升趋势,该时段洞庭湖流域工业污染、农业面源污染及湖内沉积物释放增加,以及三峡工程运行和严重干旱导致的来水量减少是富营养化加剧的原因[13, 20, 23].

注:虚线表示∑TLI=50. 图 3 洞庭湖∑TLI平均值变化趋势 Fig.3 Trends of ∑TLI in Dongting Lake

富营养化加剧的同时,洞庭湖中浮游植物数量呈增加的趋势(1991—2011年).藻类监测数据显示,洞庭湖中藻类以硅藻门分布较广,数量相对较多;湖中的优势藻类由舟形藻(1986—2007年)转变为小环藻(2008—2015年);并且近年来洞庭湖中的硅藻(中-富营养型代表种)比例下降,蓝藻(富营养型代表种)比例迅速上升,藻类演变呈现从中营养型向富营养型转变的趋势[7].不同时段洞庭湖藻类的分布及优势功能群有所差异[25],水温、水位、最低水位及ρ(NH3-N)是影响洞庭湖水体营养等级及藻类分布的主要环境因子[26].卫星遥感数据显示,2008年以来洞庭湖丰水期已开始暴发水华,水华多发生在东洞庭湖.其中,2008年东洞庭湖水华面积为10 km2,藻类密度指数达118×104~485×104 L-1ρ(Chla)为11.47~33.85 mg/m3.而2013年东洞庭湖水华面积增至400 km2左右,ρ(Chla)为411 mg/m3,优势种为微囊藻[27].

2 三峡工程运行对洞庭湖水环境的影响 2.1 三峡工程运行对洞庭湖水情的影响

2003年以来三峡工程运行改变了下游长江荆江段的自然径流,并对长江和洞庭湖之间的江湖关系产生一系列影响[28-29]:①三峡工程运行过程中对长江汛期洪水进行调蓄,也对洞庭湖的自然节律产生影响.在汛期及蓄水期(7—11月)三峡工程减少下泄流量,从而减少了荆江径流量,加速了洞庭湖的水位下降;在枯水期及泄水期(12月—翌年5月)增加下泄流量,从而增加荆江的径流量,使荆江和洞庭湖水位上升[30].平水年及枯水年三峡工程蓄水期对洞庭湖出湖流量的影响,是近10 a来洞庭湖枯水期提前及延长、洞庭湖水位降低的主要原因[31].而洞庭湖枯水期提前,使得东洞庭湖、南洞庭湖、洪道附近洲滩湿地提前出露,湿地类型发生变化[32-33]. ②三峡工程运行后,汛期及蓄水期(7—11月)荆江径流量的减少,也加重了长江三口的淤积,延长了三口断流时间,从而减弱了长江和洞庭湖之间的水沙交换[28]. ③三峡工程运行以来,大量拦截上游来水的泥沙,使得下游荆江河床下切,洞庭湖出湖口的长江顶托作用减小、拉空效应增强,出湖流速增大,进而使洞庭湖主湖区在不同时段下的流速均有增加.但三峡工程运行以来,长江三口淤积的加重以及使南洞庭湖滩区在蓄水期的流速降低,对东洞庭湖滩区流速( < 0.1 m/s)的影响较小[28, 34]. ④三峡工程运行增大洞庭湖流速的同时,降低洞庭湖水位.三峡工程运行以来洞庭湖的年平均水位和运行前(1956—2002年)相比降低了0.19~0.40 m.就不同水期而言,三峡工程运行后,枯水期洞庭湖水位(0.21~0.63 m)增加;涨水期、丰水期、退水期洞庭湖水位有不同程度的降低(见图 4),而东洞庭湖水位的变幅最大[35-36].

图 4 三峡工程运行后洞庭湖水位变化[36] Fig.4 Variations of inundation extent and depth resulting from the Three Gorges Dam regulation[36]
2.2 三峡工程运行对洞庭湖水质的影响

三口四水的来水是洞庭湖水体中氮磷的主要来源(84.96%~98.29%).三峡工程运行前(1999—2002年)洞庭湖经由三口四水NH4+-N、TP入湖总通量分别为67.42×103、19.32×103 t. 2010年洞庭湖三口四水入湖水量共减少了5.60%,NH4+-N入湖总通量变化不明显,TP入湖总通量减少了22.20%.其中,2010年三口入湖水量减少了约33.3%,NH4+-N、TP入湖总通量减少了约50%;四水入湖水量增加了5.63%,NH4+-N入湖总通量增加了16.20%,TP入湖总通量略有减少.受水情的影响,洞庭湖氮磷入湖通量在年内分配不均,最高值出现在6—7月.空间分布上,入湖污染负荷主要来源于四水水系(83.40%~87.54%),其中湘江和沅江贡献较大,长江三口氮磷入湖通量仅占入湖总量的12.46%~17.18%[37].洞庭湖区的面源污染也是洞庭湖水体中氮磷的来源之一.对洞庭湖区主要污染源(包括工业企业、城镇生活、农村生活、农田径流、畜禽养殖和水产养殖等主要类型)进行的调查得出[38],2008年洞庭湖区TN和TP的入湖量分别为59 049和6 913 t.其中来源于畜禽养殖、农田径流和城镇生活污染的TN、TP分别占面源污染总量的83%和81%.此外,沉积物中氮磷的释放也是洞庭湖水体中氮磷的来源之一.洞庭湖沉积物中w(TN)随深度增加而减少,东洞庭湖上覆水及沉积物中TN、NH4+-N和NO3--N含量最高,底层水中的ρ(TN)、ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)高于表层水,沉积物中的氮通过扩散作用释放到上覆水中,表层沉积物中NH4+-N的最大释放量为281.70~307.13 mg/kg[39].东洞庭湖沉积物中w(TP)较高,洞庭湖沉积物中w(溶解性活性磷)随深度增加而增加,洞庭湖沉积物中的磷均向上覆水扩散释放,释放量为1.9~88 ng/(m2·d),其中,沅江、醴水、资水入湖口沉积物磷释放量相对较大[22].因此,洞庭湖水体中的主要污染物氮磷主要来源于三口四水来水、湖区面源氮磷污染以及沉积物内源氮磷释放.

三峡工程运行导致的江湖关系变化对洞庭湖的自然节律、泥沙含量、水位、流速产生显著影响,进而影响洞庭湖水体中氮磷的输移转化、水环境容量以及水质.三峡工程运行后,长江三口入湖泥沙量大幅降低,导致入湖水体中ρ(PP)的减少,是洞庭湖水体中ρ(TP)降低的主要原因.随着洞庭湖入湖水量减少、水流变缓,水体中的PP沉降并存贮于沉积物中,使水体中PP在TP中所占的比例进一步降低.但三峡工程运行后,洞庭湖水体中ρ(TP)的降低,促进了沉积物中磷向上覆水中扩散释放[40];洞庭湖中泥沙等悬浮颗粒物的减少,也降低了DTP在颗粒物上的吸附沉淀[41],洞庭湖水体中ρ(DTP)有增加趋势.洞庭湖水体中TP的形态组成由PP为主逐渐转变为DTP为主.

三峡工程运行对洞庭湖氮形态的影响不显著[15].三峡工程运行后,洞庭湖主湖区流速增大,影响沉积物中氮磷的释放.模拟试验表明,0~0.50 m/s流速下,洞庭湖沉积物孔隙水中的ρ(TN)均高于沉积物-水界面处和上覆水中,沉积物中的氮作为内源向上覆水中释放,释放过程中孔隙水中的NH4+-N向NO3--N转化[42].三峡工程运行后,洞庭湖沉积物的出露时间延长,沉积物的出露面积增加,改变了沉积物的氧化还原条件,而沉积物中铁的氧化还原循环是影响沉积物中磷吸附与解吸过程的关键因素,氧化还原电位较高,利于铁的氧化和有效磷固定;氧化还原电位较低,利于铁的还原和有效磷的释放[43].

三峡工程运行后,除9月外,洞庭湖各污染物在汛期和蓄水期(7—11月)的水环境容量有不同幅度的降低(1.59%~65.31%);除4月外,在枯水期和泄水期(12月—翌年5月)的水环境容量有一定程度的增加(2.39%~7.71%)(见图 5).在外源不变的前提下,水位、湖容增幅越大,水环境容量增加值越大,短期内三峡增加下泄水量会使湖区的纳污能力增加[14, 16].

图 5 三峡工程运行后洞庭湖TN、TP水环境容量变化 Fig.5 Variations of water environmental capacity of TN and TP resulting from the Three Gorges Dam regulation

综上,三峡工程运行主要影响洞庭湖中的磷,使洞庭湖水体ρ(PP)、ρ(TP)降低,沉积物中磷的释放量增大;但对洞庭湖中氮形态的影响不显著.此外,三峡工程运行使洞庭湖枯水期和泄水期大部分时段的水环境容量增大,汛期和蓄水期大部分时段下的水环境容量减小.三峡工程运行在一定程度上可以改善洞庭湖水质,主要改善时段在枯水期和泄水期.

2.3 三峡工程运行对洞庭湖富营养化风险的影响

研究[12, 27]表明,洞庭湖中藻类以硅藻门分布较广,数量较多,但近年来洞庭湖中硅藻比例下降,蓝藻比例上升,东洞庭湖水华暴发的优势种为微囊藻.流速、水温、光照强度、悬浮颗粒物、氮磷质量浓度、氮磷比等环境因子都对微囊藻增殖聚集产生影响[44-46].对洞庭湖藻类监测数据的分析显示,水温、水位、最低水位及ρ(NH3-N)是影响洞庭湖藻类分布、水体营养等级的主要环境因子[25, 47].洞庭湖水中ρ(TN)、ρ(TP)已满足藻类生长需求,而洞庭湖长期处于中营养状态,是由于洞庭湖为过水型湖泊,水体滞留时间(18.2 d)较短,水流流速较快,泥沙含量(悬浮颗粒物)高,水体透明度低,不利于藻类生长繁殖[13, 48].

三峡工程运行后,长江三口入湖泥沙大幅降低,洞庭湖悬浮颗粒物减少,水体透明度增大;洞庭湖ρ(TP)减少,磷的形态组分由PP为主转变为DTP为主[28, 35, 49].在空间分布上,三峡工程运行后,东洞庭湖滩区水流流速较小(≤0.09 m/s),基本不受三口和四水的水动力影响,洞庭湖主湖区平均流速都在0.15 m/s以上,而三口入湖口处、四水尾闾至湖区的流速可达0.68 m/s,受江湖关系影响较大(见图 6);三峡工程运行前后ρ(TN)平均值在空间分布上均表现为东洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖,ρ(TP)平均值均为西洞庭湖>东洞庭湖>南洞庭湖[14, 49].在时间分布上,三峡工程运行后,洞庭湖水位降低,主湖区流速增大,水体停留时间减小;三峡工程运行前后ρ(TN)、ρ(TP)均为枯水期>平水期>丰水期[14-15].

图 6 三峡工程运行后洞庭湖流速分布[15] Fig.6 Velocity and direction of flow in Dongting Lake resulting from the Three Gorges Dam regulation[15]

综上,三峡工程运行后洞庭湖水体中的ρ(TP)有所降低,但洞庭湖湖体ρ(TN)、ρ(TP)仍相对较高,已能够满足藻类生长的需求,水华发生的制约条件是水体透明度和水流流速.三峡工程运行使洞庭湖水体透明度增大,水环境容量减少,利于水华暴发;另一方面,三峡工程运行也使洞庭湖主湖区大部分时段的流速增大,湖体生物可利用氮、磷浓度减少,不利于水华暴发.因此,江湖关系变化后洞庭湖富营养化风险增大的时段是蓄水期,其他时段富营养化风险减小;流速较低的东洞庭湖湖滩区、蓄水期流速降低明显的南洞庭湖滩区水华发生的风险增大,为水华发生的敏感区域.

3 存在问题及建议

洞庭湖的水文条件复杂,与长江的江湖关系变化受自然因素和人类活动的双重影响.洞庭湖的污染物来源复杂,受三口、四水来水、湖区众多污染源以及自身水环境容量的综合影响.洞庭湖的营养状态和水华发生风险受营养盐浓度、透明度、悬浮颗粒物、水流流速等因素影响.洞庭湖出入湖径流年内、年际变化较大,旱涝灾害发生几率高;并且近年来洞庭湖水质不断恶化、富营养化加剧,研究者们采用洞庭湖实际水文、水质数据,结合多种软件模型,从不同角度对洞庭湖水动力、水质及其影响因素进行了研究.洞庭湖的水动力研究多采用二维水动力模型,对洞庭湖的流场、泥沙、水位进行模拟[10, 30, 33, 35-36];结合三峡工程运行调度数据,分析三峡工程运行对洞庭湖水位的影响[10, 33, 35-36];采用Mann-Kendall法对年径流量和年输沙量的突变时间进行分析,分析洞庭湖水情变化的影响因素[2-3, 7-8].洞庭湖水质及富营养化研究多结合因素分析法,分析水中主要污染物[12, 23-24];采用监测数据,分析主要污染物、富营养化指数、浮游藻类及蓝藻水华的年际、年内变化趋势及空间分布[13-15, 17];结合洞庭湖流域的工业污染、农业污染、生活污染以及上游三峡工程等大型水利枢纽工程运行数据,分析洞庭湖水质及富营养化风险变化的因素[37-38];通过水动力模型,分析三峡工程运行对洞庭湖水环境容量的影响;结合三峡工程运行后的洞庭湖水情变化特征,研究三峡工程运行对沉积物和上覆水中氮磷迁移转化影响的机理[39-43].

3.1 现阶段三峡工程运行对洞庭湖水环境及富营养化风险影响研究存在的问题

a) 洞庭湖的水情受气候变化等自然因素和三峡工程运行等人为因素的综合影响.三峡工程运行也从多个方面影响洞庭湖水情,如影响洞庭湖入湖径流量、入湖泥沙量、湖区冲淤、流场分布等.如何在水动力模拟过程中区分并定量包括三峡工程运行在内的多种因素对洞庭湖水情的影响,还需要更系统的研究.

b) 洞庭湖作为通江湖泊,其水环境、富营养化风险、水华发生风险受水文水动力、营养盐浓度、颗粒物浓度、湖区面源污染等多种因素影响;因素分析过程中,研究者多采用相关性分析或定性分析.而三峡工程运行等人类活动造成的洞庭湖江湖关系变化对洞庭湖水环境、富营养化风险的影响还没有具体研究定论.

c) 洞庭湖中氮磷等污染物的分布输移转化受上覆水中氮磷等污染物浓度、颗粒物浓度、水流流速、沉积物氧化还原电位、铁氧化物含量等影响.三峡工程运行等人类活动造成的洞庭湖江湖关系变化与沉积物氧化还原电位等理化性质、沉积物-水界面的氮磷迁移通量、湖泊富营养化之间的定量关系还有待进一步完善.

d) 三峡工程等大型水利枢纽工程对通江湖泊水文条件的影响是个长期复杂的过程,其对连通河流及通江湖泊水动力、水质、富营养化的影响也随时间不断变化.三峡工程等大型水利枢纽工程对通江湖泊水环境容量、富营养化、水华发生风险长期影响的宏观尺度预测还鲜见报道.

3.2 针对上述洞庭湖等通江湖泊现阶段研究存在问题的建议

a) 洞庭湖等通江湖泊的水环境、富营养化风险及水华发生风险模型方面,可选用已用于国内外其他湖泊水环境及水华模拟预测的EICOM-CAEDYM、DELFT3D、Mike Ecolab等耦合三维水动力模型的生态动力学模型,进行洞庭湖的水环境及水华暴发预测.

b) 分析三峡工程运行等大型水利枢纽工程对洞庭湖等通江湖泊水环境的影响,应结合实地监测、模拟实验和水动力模型进行研究,通过实测数据和模拟实验数据完善模型中氮磷等污染物迁移转化的相关参数,提高水动力模型对通江湖泊污染物浓度场的模拟精确度.

c) 三峡工程运行等大型水利枢纽工程对通江湖泊水环境、富营养化风险的影响机理分析,应与江湖关系变化引起的水文水动力变化、水体理化参数变化紧密结合,应进一步研究沉积物、沉积物-水界面、深层水、表层水中污染物的纵向迁移转化规律,为水动力模型中污染物迁移转化相关参数的取值提供依据.

d) 在通江湖泊富营养化风险及水华发生风险的预测条件方面,应加强长时间序列下、洪涝或干旱等极端水文条件下、水环境污染事故条件下大型水利枢纽工程对湖泊水环境容量、富营养化、水华发生风险的预测研究,为大型水利枢纽工程的环境风险评价及运行管理提供依据.

e) 针对洞庭湖水质恶化,可以通过同位素示踪技术、经验模型等,对污染物来源和归趋进行研究,为洞庭湖流域的污染源估算管理、洞庭湖水质提升提供支撑.

f) 应对洞庭湖富营养化风险加剧,在截断营养盐外源污染的基础上;还应加强江湖关系变化导致的沉积物再悬浮、干湿交替周期变化等,对内源营养盐形态转化、吸附释放的影响研究,为洞庭湖营养盐的內源控制提供理论依据;结合洞庭湖特有的生态系统转化机制,寻求洞庭湖的生态修复途径.

4 结语

a) 三峡工程运行降低洞庭湖的ρ(PP)、ρ(TP),使洞庭湖枯水期和泄水期的水环境容量增大,汛期和蓄水期水环境容量减小,在一定程度上改善了枯水期和泄水期洞庭湖水质.

b) 洞庭湖富营养化风险和水华发生风险主要受悬浮颗粒物浓度和水流流速影响.

c) 三峡工程运行后,湖区水体透明度增大,蓄水期水流流速降低,东洞庭湖及南洞庭湖滩区在该时段的富营养化水平加剧、水华发生风险增大.

d) 针对现阶段三峡工程运行对洞庭湖水环境及富营养化影响的研究现状,在进一步研究中应从如下方面进行加强:①采用水动力-生态动力学模型对洞庭湖的水环境及水华暴发进行预测;②分析污染物在多相间的迁移转化机理;③完善模型中污染物迁移转化的相关参数;④进行长时间序列、极端水文条件、污染事故条件下通江湖泊水环境及富营养化的预测;⑤量化分析污染物来源,为环境管理提供依据.

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