三峡水库水沙过程变化的生态环境效应及调控关键技术(精)

**章绪论 1.1问题的提出 党的十九大报告把生态文明建设放在更加突出的位置，指出生态文明建设功在当代、利在千秋，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。《长江经济带发展规划纲要》提出，要把长江经济带建设成为全国生态文明建设的先行示范带，遵循的**条原则是江湖和谐、生态文明，在保护的前提下推进发展，实现经济发展与资源环境相适应。三峡工程是中国乃至世界*大的水利枢纽工程，是长江水资源治理与开发的关键性骨干工程。三峡工程在给防洪、发电、航运和水资源利用等方面带来巨大经济效益的同时，也给三峡库区生态环境带来了广泛而深远的影响。三峡水电站建成后蓄水形成的人工湖泊即三峡水库，总面积为1084km2，范围涉及湖北和重庆地区的21个县市。三峡水库作为我国重要的战略淡水资源库和生态环境敏感区，其水生态环境健康事关长江经济带高质量发展，也事关流域内人民群众的福祉与健康。 20世纪90年代以来，长江上游陆续建成了包括三峡水库在内的多座水库。受水库群拦沙、水土保持减沙等多种因素影响，长江上游水沙情势发生了显著改变，三峡水库入库径流量出现了一定幅度的减少，入库沙量出现了大幅度减少。水沙均为生源物质载体，三峡水库自2003年蓄水运用以来，库区水沙运动和泥沙淤积状况发生显著改变，使生源物质的演替过程发生变化，并产生了一系列水生态环境效应。近年来，随着水土保持效益的发挥和大型水库的蓄水运行，长江上游来沙条件出现了明显变化，多年平均来沙量的减幅达50%以上。随着三峡水库的蓄水运行，上游来水来沙条件的变化改变了库区泥沙淤积条件，三峡泥沙问题研究的理论与实践都遇到了新的问题。 在三峡泥沙诸多问题中，淤积物基本特性的研究尤为重要，如淤积物干容重与水库淤积量的计算直接相关，依附于泥沙的氮、磷等生源物质的变化与长江中下游水生态关系密切，库区泥沙是否存在絮凝沉降是改变库区淤积物级配的重要因素等，这些都是需要深入研究的新课题。例如，计算水库的时段冲淤量主要有输沙量差值法和冲淤地形计算法，在工程实践中两种方法得出的结果经常会出现较大的差异，其关键是淤积物的干容重，这是长期困扰研究人员且还没有很好解决的难题。研究人员从基本理论阐述和实测资料分析等多方面进行了长期、系统的研究，获得了大量的研究成果，如对淤积物的初期干容重及其随时间的变化等均提出了相应的计算公式（韩其为，2003）。但淤积物的干容重影响因素复杂，河床“原样”采样困难，具体工程千差万别，致使公式中的一些参数的假定和取值还存在某些不确定性，需要全面、系统的长期实测数据加以完善，同时对比原型研究，开展干容重在大水深条件下随时间的变化规律研究，对于补充、完善、对照分析原型测量分析成果也显得十分重要。细颗粒泥沙在紊动水体中的絮凝沉降特性是泥沙运动力学的基础科学问题，也是河流工程泥沙研究中普遍面临的难题，而近年的水文监测数据也表明三峡水库入库和出库泥沙的颗粒极细。因此，理论研究和工程应用都亟须掌握紊动条件下细颗粒泥沙的絮凝沉降规律。 水库蓄水运行后库区的水流动力特性和泥沙淤积特性均会显著改变。泥沙会吸附水体中的营养物质和污染物，黏附在泥沙上的营养物质和污染物淤积以后，其物理化学特性等均会发生一定的变化，河床冲刷时还有可能使营养物质和污染物释放而产生二次污染。水库蓄水后水沙条件的变化会对水体水质参数、营养物质、重金属和有毒有机污染物等污染物质的赋存状态与分布特征产生显著影响。而库区污染物的沉积和变化会直接影响到库区与下游水生态系统中物质能量的传递，可能会对库区和下游的水生态系统产生影响，造成浮游植物、底栖动物、微生物等重点生物群落的现存量、群落结构与分布特征的改变，特别是会对食物链造成影响。因此，需要对库区淤积物中污染物和营养物质的赋存状态、赋存量，与淤积泥沙的关系，以及其所产生的生态环境效应等进行系统研究。 在上游来水来沙情势出现剧烈变化的背景下，以实测资料为基础，开展三峡水库泥沙输移特性及泥沙调度方式研究，尽可能多地排沙出库，有助于减轻调度方式优化给库区淤积带来的不利影响。“蓄清排浑”是保障长江上游大型梯级水库长期使用的泥沙调度原则，但在入库泥沙大幅减少的背景下，若不考虑水库平衡时间大幅延长的实际情况，则会失去充分发挥梯级水库综合效益的有利时机，造成资源的巨大浪费。这就需要在水库实时调度中，在“蓄清排浑”调度原则的执行中，结合水库调度方式优化，研究提出水库优化调度背景下适用于实时调度的三峡及长江上游大型梯级水库的泥沙调度方式。另外，目前对上游水库淤积泥沙的物理处理方式主要有水力学方法清淤和水下机械清淤两大类。对于水力学方法清淤方式，传统的排沙洞、排沙底孔等的排沙范围有限，仅能带走冲沙漏斗范围内的泥沙，无法实现大范围的水库库容恢复。同时，需要的下泄流量也大，相应地，损失了发电水头。而水下机械清淤技术存在工作环境要求高，且需铺设专门的输沙管道，影响其他船舶航行，容易产生磨损，维护费用较高等不足。传统的河道及水库清淤方式种类繁多，各有优劣。针对现有技术存在的不足，开展新型的清淤技术研究具有重要的科研价值和工程意义。 针对以上问题，本书通过多学科交叉，采用理论及文献资料分析、原型观测、室内（外）试验及数值模拟等手段，系统分析三峡水库水沙运动规律及泥沙淤积特性，探明水库蓄水后水沙变化产生的水生态环境效应及其发生机制，研发基于干支流河道泥沙调控的水库调度和清淤关键技术，有效减小水沙时空演替产生的生态环境影响。 1.2国内外研究现状 1.2.1水库壅水作用下水流流动、泥沙沉降及淤积物干容重的变化特性 三峡水库运行后，库区泥沙淤积特性发生了显著变化，相关问题如淤积物干容重与水库淤积量等的揭示是掌握其水生态环境效应的基础。库区泥沙是否存在絮凝沉降是改变泥沙淤积特性的重要因素。过去干容重研究以实测资料为主，但实测时存在大水深难以原位取样的技术瓶颈，同时由于采样的随机性，也很难对同一点位的长期淤积历时过程进行持续观测。而三峡水库泥沙絮凝是近期出现的新现象，不同于河口等地的絮凝多与水质有关，三峡水库的泥沙絮凝与水流紊动息息相关，所以探索三峡水库水流紊动特性，并模拟库区水流紊动对细颗粒泥沙运动形式的影响是掌握库区泥沙运动规律的关键。因此，亟须研发无干扰河床淤积物采样器、大水深淤积密实和细颗粒泥沙絮凝试验装置，采用现场科学试验和室内模拟相结合的方法，探索库区泥沙絮凝机制和干容重沿时与沿程的变化特性。 三峡水库泥沙絮凝是三峡水库175m试验性蓄水后发现的有别于论证阶段的新现象，对此现象的报道较多，但对其絮凝机制的研究较少，且研究泥沙絮凝与紊动的关系时，此前多考虑垂向紊动，但垂向紊动容易影响泥沙沉降特性研究的准确性。针对三峡水库不同于天然河道的流动特性，已有的研究大多采用单片振动格栅，很少有学者采用多片振动格栅进行泥沙絮凝沉降（柴朝晖等，2011）。水库泥沙干容重此前研究较多，但始终存在原位取样的困难，研发适用于大水深、无干扰的原位取样设备解决这一传统难题，同时研发大水深、淤积密实的模拟装置，模拟不同水深（压）作用下不同浓度、不同粒径泥沙的淤积密实过程，对泥沙干容重随时间的变化进行定量研究，给出淤积密实直至稳定的时间期限，可对水库地形法测淤提供指导。 1.2.2水库蓄水后泥沙淤积下特殊污染物所产生的水环境效应 三峡水库蓄水后演变成河道型水库，其水位大幅抬升，库容大幅增加，流速急剧降低，水体流态及悬浮物沉降条件的改变可能导致库区表层沉积物性状的改变（Dong　et　al.，2019）。三峡水库蓄水运用后水沙运动规律和泥沙淤积状况的改变除了影响氮、磷生源物质外，还会影响以水沙为主要载体的特殊污染物（包括重金属和有机污染物）的赋存状态，使其时空分布和迁移转化行为发生显著改变，进而影响库区水环境系统，并可能给人体和水生生物带来风险。亟须对三峡水库蓄水以来泥沙淤积下特殊污染物所产生的水环境效应进行系统研究，为水库水质安全保障提供科学依据。 水库中重金属污染物的迁移转化等水环境过程对水生态环境系统的影响问题是水库水环境安全的重要问题，传统湖泊和河流的水环境污染物的相关研究方法及评价技术是否完全适用于水库目前还不清晰。三峡水库建成蓄水后，泥沙淤积问题对水体和沉积物中的重金属有何影响也不清楚。研究三峡水库重金属污染物的水环境过程及效应既具有重要的理论意义，又具有紧迫的现实意义。目前有一些研究探索了三峡水库中某些重金属的浓度和来源，但关于三峡水库在不同水期中重金属的时空分布和赋存现状的系统研究较少，缺乏三峡库区不同区域（坝前、常年回水区、变动回水区、回水末端及主要城市江段和支流汇入口等）水体和淤积物中重金属的污染分布、变化规律及生态风险的综合分析，无法全面评价三峡水库不同水期、不同区域的重金属变化规律及赋存特征等；另外，对于三峡水库有毒有机污染物（如多环芳烃、邻苯二甲酸酯等），已有的研究通常进行单次调查和单一要素分析，缺乏系统的调查分析及系统评价，特别是目前关于三峡工程175m蓄水后库区水体和淤积物中多环芳烃及邻苯二甲酸酯等有毒有机污染物的赋存现状、来源的相关报道极少，无法全面地揭示三峡水库典型有毒有机污染物的时空分布特征及其污染机理，不利于三峡库区水环境的保护和管理（Linetal.，2018；Bingetal.，2016）。因此，开展三峡水库水体和淤积物中重金属的时空分布、赋存形态研究，系统评价三峡水库重金属的潜在生态风险，对树立三峡水库重金属污染程度的正确认知具有重要作用，也有助于理解三峡水库重金属的分布及影响机理，为未来监测三峡水库中地表水和淤积物中的重金属提供参考水平，进而对水库运行和水环境管理提供技术支撑。同时，通过全方位、系统的野外实地调查和分析，系统查明三峡水库水体和淤积物等介质中典型有毒有机污染物（如多环芳烃、邻苯二甲酸酯等）的时空分布特征，解析变化规律和来源，评价其生态风险，探索不同调度方式下的污染机理，评价其给城市安全供水和流域水生态系统健康带来的风险同样意义重大。 1.2.3水库成库后重点生物群落的演替过程及其驱动机制 三峡水库建成运行后，水沙行为的改变将显著影响生源物质在水库中的赋存状态和环境行为，进而影响水库中生物的生长与繁殖，使库区生物群落的现存量和群落特征发生改变与演替。目前，国内外对于三峡水库建成蓄水以来泥沙淤积所产生的生态效应的认识相对片面和模糊。一方面，没有掌握三峡水库成库前的水生态基础数据，导致对本底情况认识不清晰；另一方面，已报道的关于三峡水库蓄水后生态效应的研究主要为点对点的问题研究，重点针对水文情势、泥沙淤积、水华防治、水生生物保护等单一因素和个别断面、典型支流开展，侧重于单次调查和单一要素分析，多局限于局部问题的定性分析，无法全面、系统地揭示三峡水库干流和典型支流重点生物群落的演替过程及其驱动机制，尚未形成库区蓄水以来生态环境效应的系统阐述。除此之外，现有研究缺乏关于湖库水生态演变过程的有效研究方法，这也是人们对三峡库区水生态过程认识不足的重要原因。 基于建库前、运行初期、运行至今长时间序列的野外原型观测数据，三峡干支流藻类、底栖动物、微生物和鱼类等水生生物群落的结构与分布均发生了演替，其中以藻类的变化*为显著（韩超南等，2020）。三峡库区主要支流的营养物质含量蓄水前后变化不大，成库前支流未观测到水华现象，成库后支流局部水域则多次暴发水华，流域藻类密度大幅提升，藻类种类数与多样性指数也有所增加（蔡庆华和孙志禹，2012）。适应流水生活的硅藻比例开始下降，而蓝藻和绿藻的比例则开始有所上升（杨浩，2012）。蓄水后三峡库区底栖动物种类数在不同江段的变化有所不同，其中靠近大坝的秭归—巫山段，底栖动物种类呈减少的趋势，而重庆境内的云阳—木洞段底栖动物种类变化趋势不明显（张敏等，2017；王宝强等，2015）；从密度变化看，底栖动物密度在靠近大坝的秭归—巫山段从20世纪80年代至今一直维持在300ind./m2左右，而重庆境内的云阳—木洞段却呈现