2023, Vol. 35 
(2: 三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 三峡大学, 宜昌 443002)
(3: 湖北工业大学河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室, 武汉 430068)
(2: Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, P. R. China)
(3: Hubei Provincial Key Laboratory of River and Lake Ecological Restoration and Algae Utilization of Hubei University of Technology, Yichang 430068, P. R. China)
三峡工程作为国之重器，在长江防洪、航运和发电等方面发挥着巨大的综合效益。三峡水库是国家战略性淡水资源库，也是长江上游重要的生态屏障。三峡水库蓄水以后，其水文-水动力特征发生了显著改变，水位升高、流速减缓，水力停留时间增加，水生态环境也发生了明显变化[1-2]。水文-水动力过程改变所伴生的支流库湾富营养化加剧、水华频发成为库区突出且持续存在的水环境问题[3-5]。针对该区域的水环境问题，国内外不同学者从三峡水库水动力过程[6-7]、水温分层特性[8-9]、水文泥沙特征[10-11]、水华暴发机理[12-13]、营养盐时空分布[14-15]、温室气体排放[16-17]等方面开展了大量研究，研究方法更是涵盖了现场观测、室内试验、数理统计、模型模拟等多种技术手段。虽然，目前对三峡水库水动力特性及其水环境影响的认识不断深入，但大多数成果都是单要素、单一角度的研究，缺乏系统性的整理。
本文回顾了三峡水库蓄水近20年以来不同学者在水库水动力及其生态环境方面的相关研究，对比了三峡干支流水流特征的差异，系统介绍三峡水库支流库湾典型的水动力过程(分层异重流、水流振荡、近表层水体混合)，探讨了特殊水动力过程所伴生的库湾水温分层特性、营养盐输移、水华暴发和温室气体排放等规律，并展望了未来三峡水库水动力特性相关的研究新视角、新内容、新技术，旨在进一步丰富特大型、高水位变幅水库水动力特性及其伴生水环境演变理论，期望为我国河道型水库水环境保护与科学调度管理提供参考。
1 三峡水库水动力水环境相关文献回顾为全面掌握三峡水库水环境研究进展，本研究检索了2002—2022年三峡水库水环境相关研究论文。英文论文来源于Web of Science核心合集数据库，主题检索式为“Three Gorges Reservoir and hydrodynamic”或“Three Gorges Reservoir and water environment”，检索年份为2002—2022年；中文论文来源于中国学术期刊网络数据总库(中国知网，CNKI)，主题检索式为“三峡水库and水动力”或“三峡水库and水环境”，检索年份也是2002—2022年，检索范围限制为核心期刊。根据上述检索式分别检索到英文论文355篇和中文论文775篇，每年的发文量如图 1a所示。
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图 1 (a) 三峡水库水环境研究文献年发文量；(b)中文文献关键词网络图；(c)英文文献关键词网络图(连线越粗，表示关系越紧密) Fig.1 (a) The quantity of articles about hydrodynamics and water environment in Three Gorges Reservoir; (b) The cooperation network of the key words in Chinese references; (c) The cooperation network of the key words in English references (The thicker the line, the closer the relationship) |
中文核心期刊论文数量自2005年以来平均每年在40篇左右，研究热度维持不减，SCI-E/SSCI期刊论文数量则总体呈现上升趋势，近3年发文量更是超过中文发文量，这也表明该区域的热点研究逐渐走向世界。在三峡水库水动力、水环境研究领域中，重庆大学、三峡大学、西南大学和武汉大学是较活跃的科研机构，三峡水库的相关研究也多以团队合作为主，团队合作有利于多学科交叉和研究基础的累积。
为了更好地把握三峡水库水环境研究的热点和趋势，本研究对统计所关注的中英文文献关键词进行VOSviewer共现网络分析，关键词网络图如图 1b、c所示。分析发现，在中文文献中热点关键词分别是香溪河库湾、水环境、富营养化、水质、水动力、水华和洞庭湖，这也表明这些研究方向备受国内外学者关注。其中，关系紧密的6条主线分别是：三峡水库-香溪河库湾、三峡水库-富营养化、三峡水库-水质、三峡水库-水动力、三峡水库-水华、三峡水库-洞庭湖。主线1表明三峡水库水环境研究主要集中于香溪河库湾，主线2~5表明富营养化、水质、水动力、水华是相关研究的主要内容，其中主线6反映的是三峡水库与洞庭湖江湖关系的相关研究。与中文文献关系网相比，英文文献关系网更加密集，但彼此之间的紧密性较弱(线条较细)。其中，关系最为紧密的是三峡水库-长江，这也代表着英文文献更加侧重于评估三峡水库建设对整个流域大尺度的影响，研究视野相对更大。其次，关键词大致被分成4个类别，分别是：长江相关(侧重于流域大尺度的影响、气候变化、水库管理等)、水质相关(侧重于水动力、模型、富营养化、浮游植物等)、沉积物相关(侧重于污染、重金属、鱼等)和生源物质相关(侧重于氮、磷、水、土壤等)。在这些研究中，关键词呈现出水力学、生态学、环境化学等多学科、多视角齐头并进的活跃局面，但相比于英文研究，目前中文文献研究多学科融合的深度和整体的系统性还不够深入[18]。
2 三峡水库干支流水流特征 2.1 干流水流特征三峡水库蓄水至正常蓄水位175 m时，干流回水区末端延伸至重庆江津段，最大回水区长达660 km，干流水面宽700~1700 m，重庆至宜昌段的水动力过程发生显著改变，例如，流速减缓、紊动扩散能力减弱。实测资料表明：干流断面平均流速显著降低，由原来的2~3 m/s下降到厘米级[19]；平均流速的季节性差异也较大(夏季0.80 m/s；冬季0.20 m/s)，因此不同季节水体滞留时间相差很大，夏季汛期仅20天，但冬季枯水期长达100余天[12]。水体流经上游库尾至下游库首过程中水龄愈来愈大，水动力受库区影响也愈来愈大，湖泊属性逐渐增强。大坝调度对水龄变化影响显著，高水位运行期的水龄高达泄水、蓄水期的2~4倍[20]。整个水库流域被划分为3部分(附图Ⅰ)，分别是干流以清溪场为界的上游河流型水体，清溪场至白帝城的河流型-过渡型水体，以及白帝城至坝前的过渡型水体[21]。整体而言，干流水流垂向差异较小，垂向紊动较强，呈现一维水流特征[4]，越靠近三峡大坝流速越小[2]，湖泊属性逐渐增强。大量观测结果也证实蓄水之后近坝段出现了水温分层现象[9]，但是在金沙江梯级水库蓄水之后，三峡水库近坝段季节性水温分层有所弱化，春季分层强度和持续时间显著减小[22]，混合特征有所增强。
2.2 支流水流特征三峡水库蓄水，支流库湾受到干流回水顶托的影响，库湾内水体流速显著降低，支流库湾的水动力特性具有显著的“分化效应”[2]。大量学者通过对库区不同支流库湾开展调查发现：支流库湾流速普遍较低，实测流速大小一般在0.05~0.20 m/s之间[12]，普遍为厘米级，枯水期甚至降至毫米级。例如，香溪河峡口至河口段，枯水期平均流速由建库前的0.73 m/s下降到0.01 m/s；大宁河回水区的流速由蓄水前的1~3 m/s降至0.01~0.08 m/s[2]；小江开县段由建库前的0.65 m/s下降至0.01 m/s。三峡水库中下游河段支流库湾水体基本处于准静止状态，具有典型的湖泊水体特征[20, 23]。
作者所在团队通过长达15年的监测发现：三峡水库支流库湾水体不同于干流的一维流态，而呈现出复杂、特殊的水动力现象，例如分层异向流[6, 24]、水流振荡[25]。分层异向流，即长江干流水体分别通过底层、中层或表层倒灌入支流库湾，而支流上游来流多从库湾底层流向水库干流[26]。不同学者通过大量现场监测和数值模拟[27-29]，也分别在小江、磨刀溪、梅溪河、大宁河、神农溪、九畹溪等支流库湾中发现了分层异向流现象，进一步证实了这种现象的普遍性。近年来，作者团队通过借鉴海洋动力学监测技术，首次在三峡水库支流库湾发现了水流振荡这一特殊且普遍存在的水动力现象[30]，即受外界驱动力影响迫使支流库湾水体流速、水位出现高频的波动现象，类似于湖库内波[31]、港湾共振等[32]。这一发现也进一步深化了我们对三峡水库水动力过程的认识。
3 典型水动力过程及其形成机制 3.1 密度差驱动的分层异重流三峡水库干流倒灌水体与支流上游来流在库湾回水区交汇，受水体密度差、干支流水位变幅等因素影响，在交汇区呈现分层异向流，并且在不同季节呈现出多种异向流态[3, 12]。借鉴钱宁[33]对泥沙异重流的定义，作者团队将这种分层异向流命名为“分层异重流”，包括来自长江干流的“底层倒灌异重流”(图 2a)、“中层倒灌异重流”(图 2b、c)和“表层倒灌异重流”(图 2e、f)，以及来自于支流库湾上游的“底部顺坡异重流”(图 2a、b、d~i)和“表层异重流”(图 2c)[34]。在不同的季节，干流倒灌水体普遍表现为4种形式：无显著倒灌(12月-翌年1月)、底部倒灌(2—3月)、中层倒灌(4—7月)和表层倒灌(8—10月)(图 2)；而上游来流大多数时段以底部顺坡的形式流向干流，从表层流出库湾的情形仅出现在3—4月，且持续时间较短[35]。如图 3所示，在库湾上游入流和下游河口两股潜入水体的共同影响下，形成了支流库湾复杂、多变的水体环流模式[34]，并主导着支流库湾的水体掺混、热分层模式变化[36]。
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图 2 香溪河库湾分层异重流驱动下的库湾水体环流模式[32] Fig.2 Water circulation patterns driven by density currents in the Xiangxi Bay[32] |
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图 3 三峡水库香溪河库湾水流振荡(图中红色实线为测点水深)[25] Fig.3 Flow oscillation in the Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir (The solid red line is the depth of the sampling site)[25] |
作者团队通过大量野外监测[37]，结合物理实验[38]、粒子示踪[39]和数值模拟[40]，基本明确了分层异重流的演变规律及其影响因素，进一步研究发现干支流温度差及泥沙浓度差引起的水体密度差是驱动分层异重流形成的重要原因。汛期6—8月，干支流泥沙含量升高，泥沙含量对水体密度差的贡献率高达75%；其他月份水温对水体密度差的贡献均超过80%，干支流水体温度差是决定异重流潜入方式的主要因素[41](附图Ⅱa)。同时，作者团队[22]通过统计不同年份倒灌异重流潜入方式的差异(附图Ⅱb)，发现随着三峡水库春季干流水温的逐年升高，底层倒灌发生的次数显著减少，表层倒灌异重流的频次显著升高，倒灌异重流的变化也驱动着支流库湾水动力的改变，例如，表层倒灌所驱动的近表层水体混合增强、混合层增大、水华风险降低等[32]，这也预示着梯级水库运行下三峡水库水生态环境将迎来新的变化格局。
3.2 日调节调度驱动的水流振荡水流振荡是近期在三峡水库发现的另一个普遍存在的显著水动力过程[30]。作者团队通过连续高频的水动力监测发现：在不同运行期支流库湾水位和水流都存在高频(周期约2 h)的波动现象。以香溪河库湾为例，在泄水期和蓄水期(图 3)，干流倒灌水体从库湾中上层流向支流上游，而支流上游来流从底层以顺坡异重流的形式流向干流，虽然存在显著的分层异重流现象，但叠加在异重流之上的是一个高频的流速波动过程(图 3，条带状流场)。高频的水流振荡在垂向上表现为正压波，在水平模态上表现为最基本的Helmholtz模式(附图Ⅲ)。库湾水位和水平流速波动周期约2 h，在库湾上游其振荡流速可达到± 0.1 m/s，水位波动振幅可达到0.2 m。水流振荡和分层异重流相互叠加，是三峡水库香溪河库湾最主要的水动力过程[25, 30]。
通过对比三峡水库出库流量、坝前水位、支流库湾水位以及水流过程的变化，作者团队进一步总结了三峡水库支流库湾水流振荡的形成过程[25, 30]，大致分为3个过程：(1)在三峡水库出库流量的日调节过程中，出库流量的剧烈增加或减少(图 4c中灰色区域)，都会导致坝前水域水位的降低或升高，这种水位波动会以重力波的形式向干流上游传播；(2)在干支流河口，干流的水位扰动驱使干支流的水体交换，并在支流库湾形成高频水位波动(图 4b)和反复水流运动(图 4a，水流振荡)，振荡周期是系统的固有属性，与支流库湾河道地形、长度及水深等密切相关，不同支流库湾振荡频率存在差异；(3)当三峡出库流量较为平稳时，库湾水位波动振幅逐渐减小，水流振荡逐渐衰减；但在连续不断的出库流量日调节过程下，干流的多次驱动将迫使支流库湾形成持续的水位高频波动和水流振荡现象(图 4a)。
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图 4 三峡水库日调节调度驱动的水流振荡形成机制(改自Long et al[30]) Fig.4 Formation mechanism of flow oscillation driven by daily regulation in the Three Gorges Reservoir(adapt from Long et al[30]) |
在自然湖泊中，受到风或其他外界因素的驱动能够形成内波或湖面波动[31]。然而，香溪河库湾有别于典型的自然湖泊，其可视为一个半封闭系统(类似与港湾、海港等水体)，干支流的交汇作用、调蓄过程也增加了支流库湾水动力过程的复杂性[12]。支流库湾水流振荡由库区干流重力波所驱动，而该重力波产生于大坝下泄流量的日调节过程[42]，这也说明库湾水流振荡的形成过程和物理特性与三峡水库的日调节调度过程密切相关[30]。本发现不仅加深了对水库及其支流水动力过程的认识，同时也进一步揭示了香溪河库湾水动力过程对三峡水库日调度的响应机制，为后续水库生态调度研究及其应用提供了新的视角。
3.3 气象驱动的近表层水体混合近表层湍流对水库垂向热结构和水生态过程具有重要作用[43]。在湖库水体中，一般而言昼夜波动的水气热交换与风速是主导近表层水体分层与混合过程的主要因素[44-45]；而河道型水库不同于湖泊，其水体混合特性受水库运行调度及上游入流影响很大[46]，水库调节能力越大，影响越显著。当水库水流速度受大坝运行影响较大时，近表层湍流特征将与其运行调度过程密切相关[47]。在三峡水库中，目前近表层水体湍流混合特性的相关研究较少。受水库调蓄水位波动的影响，加上独特的分层异重流和水流振荡现象，使得该区域水体混合特征及其机制十分复杂多变。近年来，作者团队[48-49]通过对三峡水库香溪河库湾近表层水体高频流场、气象场的观测，逐渐揭示了香溪河库湾不同时期近表层湍流变化特征及其驱动机制。受干流回水顶托影响，支流库湾流速缓慢，夏季近表层平均流速(0.05 m/s)仍显著大于冬季(0.02 m/s)；但不同时期近表层湍流耗散率ε却较为接近，夏季ε在10-8.3~10-4.0 W/kg之间，冬季ε在10-8.6~10-3.5 W/kg之间(图 5)。进一步分析发现，在夏季，气象条件并不是驱动近表层混合的主要因素，风速不足以产生显著的湍流混合，该时期表层倒灌异重流为近表层混合的主导因素[49]；而在冬季, 因风速较大, 气象变化的作用更为明显(附图Ⅲ)。通过对比风致掺混和对流掺混的贡献，进一步发现：当风速>2.80 m/s时，风致垂向掺混作用将大于温度变化引起的对流的影响，该研究也进一步深化了我们对河道型深水水库近表层湍流混合的认识。
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图 5 香溪河2020年夏季、冬季库湾近表层(距水面0.5 m深处)εSBL和εADV/εADCP频率分布直方图 Fig.5 Probability distributions (bar charts) of the dissipation rates estimated from atmospheric forcing (εSBL) and computed from measurements (εADV/εADCP) at 0.5 m depth during the summer and winter in Xiangxi River in 2020 |
水温分层是大多数湖库系统最显著的热动力学特征。一般湖库传统的经典水温分层表现为3层结构[50]：混合层、温跃层、滞温层。作者团队通过水温剖面的持续监测，发现库湾水体呈现“混合-弱分层-分层-弱分层-混合”的年循环热力学模式(图 6a)：在3—5月出现弱分层，6—8月出现分层，9月逐步弱分层，10月-次年2月水体呈现完全混合。同时，三峡水库支流库湾也出现了比较特殊的水温分层结构，例如，香溪河库湾出现水温垂向分布规律有悖于经典热分层原理而呈现“双混斜型”和“半U型”分布特征[51]。在香溪河库湾中下游河段，受热辐射和风应力影响，表层水体形成一层温度较高但很薄的混合层，中层水体受分层异重流影响水体水温均匀形成第二个混合层，而底层水温相对较低，最终形成双“混-斜”型水温模式(图 7)。在库湾上游，低温入流以底部顺坡异重流形式潜入库湾，在回水末端形成了表层温度高、底层水温骤减的“半U”型水温分布模式[12](图 7)。分层异重流的发现和提出，很好地解释了这一特殊的热分层现象。
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图 6 (a) 三峡水库香溪河库湾水温年内演变过程[12, 36]；(b)水温波动过程(NS代表距水面的距离, NB代表距水体的距离)；(c)不同水深水温频谱分析 Fig.6 (a) Annual evolution of water temperature in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir[12, 36]; (b) Water temperature fluctuation process (NS represents the distance from the water surface; NB represents the distance from water); (c) Spectrum analysis of water temperature in different depth |
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图 7 三峡水库支流库湾水温分层模式及其影响因素(改自Zhao等[36]) Fig.7 Schematic concept of the water temperature structure and influencing factors in the tributary bay of Three Gorges Reservoir (adapt from Zhao et al[36]) |
为了进一步揭示三峡水库典型支流库湾水文-气象耦合影响下的热动力学特征，作者团队长期坚持开展持续且高频的水温场、气象场、流场监测，近期进一步发现了驱动香溪河库湾热分层的新动力学机制[12, 36]：(1)干支流水体交换(水位、温差)是香溪河支流热不平衡的主导因素，支流库湾水体能量主要因分层异重流流动发生“水平交换”而非经典的“垂向交换”(图 7)；(2)分层异重流是驱动近表层水体湍流混合的重要因素，气象压迫对近表层湍流混合的贡献总体较小(夏季只占27%，冬季为59%)，而水气热交换与周期性风速是引起近表层湍流混合昼夜差异的主要因素；(3)受气象因素和水流振荡的影响，垂向上不同深度的水温呈现出不同的周期性波动过程(图 6b、c)；水流振荡引起了边界层湍流混合间歇性增强，弱化了水温分层的形成。这些新的发现进一步加深了我们对三峡水库特殊水动力背景下支流库湾热分层特性及形成机制的认识。
4.2 对支流库湾水质的影响三峡水库水体富营养化是蓄水以来一直面临的生态环境问题[1, 52]。研究表明[53-54]：三峡库区水质主要超标项目为总磷和高锰酸盐指数，上游总磷、高锰酸盐指数超标现象大于下游；2008—2019年高锰酸盐指数、总磷浓度整体呈缓慢下降趋势；干支流水质整体处于上升趋势，支流水质整体低于干流。早期普遍认为支流沿岸城市点源污染和农业面源污染是汇入支流库湾的主要污染物，在干流回水顶托作用下，不断富集形成富营养化[55]。蓄水初期，部分学者[56]通过分析香溪河上游来流营养盐入库过程，发现香溪河上游来流对香溪河库湾氮贡献达68.50%，磷达91.74%。但是，在大宁河的研究中，有学者[57]却发现长江干流倒灌输入的总氮、总磷分别高出上游径流输入近3倍、10倍，并基于此提出了干流逆向影响效应。后来，部分学者在大宁河[58]、梅溪河[59]等其他支流库湾的研究中也进一步证实支流库湾营养盐(特别是藻类可利用营养盐)主要来自长江干流倒灌而非支流库湾内部污染。后续，其他学者也不断总结了三峡水库干支流营养盐的输移补给过程，发现三峡水库干流营养盐主要来源于上游三江(长江、嘉陵江、乌江)来水(贡献率为80% ~90%)，支流回水区营养盐主要来源于干流倒灌(贡献率为84% ~95%)，并基于此提出了三峡水库干支流水质的“同步效应”[2]。长江干流倒灌水体对支流水质的好坏起主导作用，汛期倒灌强度小但倒灌水体营养盐浓度较大，会增加支流营养盐浓度；蓄水期倒灌强度大但倒灌水体营养盐浓度较小，会稀释支流营养盐浓度[60]。同时，支流流域面源污染也会协同加剧支流水质污染，特别是汛期降雨驱动了面源污染的增加。
近10年来，作者团队也分别利用常量离子[61]、氢氧同位素[62]及数值模拟示踪方法[63]量化了长江干流不同倒灌方式对支流库湾营养盐的补给作用，并进一步发现因支流库湾上游来流多以底部顺坡异重流形式流出库湾，其携带的营养盐也随之流出库湾而很少进入到水体表层被藻类利用[64]，只有在发生底部倒灌异重流形成对上游来流顶托时才对表层水体营养盐有所贡献。分层异重流的提出和发现，不仅改变了我们对三峡水库支流库湾营养盐输移补给过程的认识，更意识到：单一支流的截污减排根本不能解决三峡水库支流库湾水体富营养化及水华问题，开展三峡水库乃至整个流域污染削减工作势在必行，然而因三峡库区面积广、发展慢，污染削减工作在短期内很难见效，水体富营养化的防控与治理仍任重而道远。
4.3 对支流水华生消的影响随着三峡库区水体富营养化的加剧，藻类水华逐渐成为影响该水域用水安全的另一个严重生态环境问题[52, 65]。前期，许多学者[3, 66-68]也分别就三峡水库的水华特点、演替趋势、形成机制及其衍生的生态环境影响和防控策略开展了大量相关研究，发现三峡水库蓄水前后营养盐浓度、自然光照条件及水温变化不大[65, 69]，普遍认为蓄水导致的水动力改变才是诱发支流库湾水华的主要原因[3]。作者团队的研究也进一步证实，三峡水库支流库湾水体分层状态与藻类水华生消过程非常密切[51, 70]，并在临界层理论[71]的基础上，提出了适合于三峡水库支流库湾水华生消的判定模式[12]，即水体混合层深度(Zm)、光补偿深度(ZC)和临界层深度(ZCr)三者的相互关系决定藻类水华的生消(附图Ⅳ)。包括：①当Zm≥ZCr时，藻类负增殖，水华不会暴发，或暴发风险很小；②当ZC＜Zm＜ZCr时，藻类开始增殖，水华开始发展，水华风险产生；③当Zm＜ZC时，藻类迅速繁殖，水华暴发，水华风险最大。后期，团队又经过大量的野外观测[13, 72]和控制实验[73-74]验证了基于临界层理论的水华判定模式能够很好地解释三峡水库支流水华的生消过程。
总结三峡水库支流库湾的水华生消机理，我们进一步明确了其特殊水动力过程在水华生消过程中的作用与影响。一方面，在分层异重流的影响下，支流库湾呈现靠近河口的深水区分层较弱、远离河口的浅水区分层反而强的特殊分层状态[51]，并使水体混合层沿库湾向上游逐渐变小(附图Ⅳ)，为水华暴发提供了有利的水动力条件；另一方面，倒灌异重流持续携带干流营养盐对库湾水体进行补给，丰富了库湾水体中藻类可利用的营养盐[64]；同时，缓慢水流使得泥沙迅速沉降导致支流库湾水体透明度增大，临界层变深。在温度、光照适宜，营养盐充足的背景下，一旦库湾水体Zm小于ZCr，藻类就能大量繁殖并逐渐形成水华，相反则水华消失。作者团队并基于此提出了适用于三峡水库水华生消的混光比(混合层/真光层，Zm/Zeu>2.8)判定阈值[51]，混光比大于2.8作为控制水华生消的关键因子，因此提出通过水力调控增大混合层深度进而抑制支流库湾水华的形成成为了防控三峡水库支流水华的重要思路。作者团队[72]进一步研究发现：通过水库调度可改变分层异重流的形态，进而打破水温分层、改变混合层的深度，达到抑制或减缓支流库湾水华情势的目的；为此提出了防控支流库湾水华的“潮汐式”生态调度方法[75]，并已在三峡水库开展了大量尝试，且被证实具有一定的效果。通过水库生态调度防控三峡水库支流库湾水华的可行性已得到越来越多学者的关注和认可[76]，被认为是最方便、经济且有效的手段。
4.4 对温室气体排放的影响水库温室气体(CH4、CO2、N2O)的产生场所主要是水库沉积物，水库沉积物条件及其调度过程中产生的大面积消落带是其特性区别于其他自然水体和土壤的关键所在[77]。温室气体排放过程主要指水-气界面的气体释放，其主要释放形式包括扩散过程、冒泡过程等[78, 79]。大量研究表明：影响水库温室气体产生和排放的因素众多，例如水温分层、有机物、流速和风速、水深、水华、悬浮颗粒物浓度等[77]。三峡水库建成后不仅改变了河道的形态和水文情势，还改变了水库上下游的水环境条件和碳氮时空分布，这些都会对碳氮循环和温室气体的产生和排放产生深远影响。已有研究表明：以三峡水库香溪河为例，支流库湾甲烷平均排放通量约为0.245 mg/(m2·h)，氧化亚氮平均排放水平约为0.012 mg/(m2·h)[80]。三峡水库175 m试验性蓄水运行之后，其年内的运行水位变幅达30 m，一方面大面积消落带及岸边植物腐烂丰富了库湾水体有机质[81]，干湿交替变化条件也促进了矿化效应从而增大温室气体的产生[82]；另一方面水位波动所带来库湾水压变化也影响着温室气体的冒泡过程[83]。在不同季节，水文-水动力差异及其带来的环境条件变化造成了温室气体的赋存、释放特征较大的时空异质性[84-85]。
近年来，作者团队利用自主研发的快速响应自动气体平衡器及快速响应N2O分析仪[86]，通过分析三峡水库香溪河库湾N2O的高分辨率时空分布特征发现：分层异重流在一定程度上决定了N2O的垂向分布，低N2O浓度的中上层倒灌水体对高N2O浓度的顺坡异重流具有封存作用[87]，降低了N2O的排放潜力(附图Ⅴ)。然而，在水气界面，三峡水库水位波动和风应力成为水面扰动的主要驱动力，其中风速不仅能通过加强水体扰动加速气泡的释放，还能通过影响水-气界面交换系数影响溶解性气体的扩散速率[88]，增大温室气体释放的潜力。水库温室气体排放本身就是一个复杂的生物化学过程，有关三峡水库的研究表明，水库建成后干、支流回水区不同水域水文情势的差别，导致浮游植物生物量和碳转换利用强度的空间差异，同时受三峡水库特殊动力学过程的影响，不同支流及干流不同水域的温室气体排放必然存在较大的时空异质性[89]。因此，在三峡水库不同水域开展持续性的现场观测，尽可能积累不同环境条件下水库温室气体排放数据仍是一项需要长期坚持的工作。
5 展望 5.1 深水水库生态环境监测新技术、新方法目前，针对三峡水库水动力过程及其生态环境效应的研究已有了一些认识，尤其是一些特殊的水动力学现象，例如，分层异重流、水流振荡等。新生水库生态系统演替一般可以划分为两个阶段，即水库成库发育阶段和水库湖沼化阶段。三峡水库作为一个新生大型深水水库，其生态环境仍处于不断变化的阶段，加之上游金沙江巨型梯级水库的陆续蓄水，因此开展整体性、系统性、持续性的现场监测仍是解析三峡水库水环境演变规律的重要手段。然而，针对以三峡水库为例的大型深水水库，因其水库流域面积大、水深且年内水位变幅大，开展大范围、持续性的野外监测往往较为困难。随着监测技术发展，“空天地”一体化监测技术已成为大流域、持续性监测的重要技术手段。通过遥感、无人机、高光谱相机等开展大面积的流域性观测，利用水面自动化监测设备实现水质、水华高频、持续性观测，并以更为精准的周期性人工巡测做校准，然后进行多源数据融合，形成不同时间尺度、空间尺度的生态环境监测网和数据库(图 8)，为正确认识三峡工程对生态环境的影响、提出有效管控措施提供数据支持。因此，在三峡水库构建规范化、智能化、多元化的野外监测体系，并实现多源数据的无线实时传输，形成三峡水库生态环境数据库，将对开展该区域长期生态环境评估、预测与调控具有重要意义。
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图 8 空天地一体化生态环境监测技术 Fig.8 Integration technology of ecological environment monitoring in sky and land |
针对三峡水库支流库湾水动力过程的研究，前期大量学者通过开展现场原位流速监测，分别发现并揭示了其分层异重流、水流振荡特性等宏观水动力学现象，这些认识都是基于平均流速的分布及变化规律形成的，而目前对支流库湾微观水动力过程的研究较少，支流库湾微尺度水动力学现象及其影响机制的认识仍存在很多不足。例如，分层异重流、水流振荡、或者气象压迫是如何影响支流库湾近表层水体的湍流混合的？多种宏观水动力现象的耦合作用及其在水气界面、沉积物界面掺混过程中的作用机制目前仍不明确，实际监测到的耦合宏观动力过程的如何分解以及微观动力特征的来源贡献如何解析都需要进一步探讨。
其次，这些水动力过程的生态环境效益也有待进一步挖掘。例如：宏观层面，持续的、高频的水流振荡过程对水温垂向结构有何影响，是有利于水温分层还是抑制，分层异重流和水流振荡对边界层物质输移、气体交换的影响对支流库湾热分层演替和能量循环又有多大贡献，水流振荡引起的流速周期性变化对浮游植物生长、积聚成团、上浮形成水华的过程是否存在显著影响，其能否成为防控支流库湾水华的水力调控手段，对这些问题的认识仍需进一步深化。另一方面，藻类行为与水动力学过程之间的联系或者对话往往是微尺度的生物-动力学现象。例如，不同微藻的主动迁移能力、几何形态及理化特征往往存在较大差异，微藻能被水流裹挟夹带发生“随波逐流”的水流紊动强度不尽相同，所以以往研究中混合层深度(mixed layer)并不能代表混合层内微藻能有效掺混均匀，针对不同微藻，以混光比阈值来判断水华风险可能存在较大偏差，这也可能是影响水华预测预报误差的重要原因。因此，想要更深入认识水华机理、更准确开展水华预测预报，就必须要从微动力的角度出发，并明确微观水流特征对水库调度的响应机制。
5.3 基于水力改善的生态调度应用与困难针对三峡水库支流库湾水体富营养化和水华问题，最根本的办法还是削减污染物以降低水体的营养盐浓度，但因三峡及上游流域面积大，污染防治工作很难在短期内产生显著效果[4]；而通过水库生态调度改变支流库湾水动力条件来抑制水华，因具有操作简单、影响面广、见效快的特点而被认为是改善流域生态环境较为理想的方法。从水库调度的角度，部分学者也提出了“潮汐式”生态调度方案，并得到广泛的认可。然而，目前“潮汐式”生态调度只是一个定性的概念性调度方法，其具体的调度准则并没有形成，相应的水库调度参数阈值也不够精确，不足以作为三峡水库常规调度的设计依据。究其原因，一是目前已有的宏观水动力参数不足以表征影响藻类水华的复杂的微观水动力特征，水位波动与水华的关系目前尚不能精准量化，进而不能对水华进行准确的预测预报；二是水库调度的时机，什么条件下、什么时间起调最有效；三是水库调度空间所受约束较多，过程较为复杂，防控水华的生态调度与传统调度的协调机制还不清晰；四是水库调度涉及到的目标较多，在生态调度方案制定过程中如何协调其他重大事件，如防洪、航运、应急调度、减淤等，分析不同调度目标的优先度，提出协调各调度需求的优化策略，这些问题无疑增加了水库生态调度的复杂性、系统性和局限性。三峡水库的生态调度，是一个极其复杂的系统工程，不仅涉及生态调度方法问题，也涉及与防洪、发电等诸多传统效益相协调的问题，必须基于严谨的理论分析和系列的调度实验才能正式进行实际调度运行。同时，在不同干旱水文过程、不同极端气候背景下，生态调度的应用仍将是一个动态的、不断更新的实践过程，这也预示着今后的研究仍任重而道远。
6 附录附图Ⅰ~Ⅴ见电子版(DOI: 10.18307/2023.0202)。
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附图Ⅰ 2017年三峡水库库区监测断面水龄[21]；(b)基于水龄的三峡水库库区干流分类[21] AttachedFigureI (a) Water residence time for each monitoring section of TGR; (b) Classification of mainstream types in Three Gorges Reservoir based on water residence time |
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附图Ⅱ (a)香溪河库湾干支流水温差驱动的不同倒灌异重流变化(流速以流向上游为正)；(b)春季不同倒灌异重流发生频率统计[22] AttachedFigureII (a) Dynamics of different density currents driven by temperature difference between mainstream and estuary of Xiangxi River; (b) Statistics on the frequency of different density currents in spring[22] |
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附图Ⅲ 香溪河库湾水流振荡(a) 垂向结构和(b) 水平结构[25] AttachedFigureIII Vertical and horizontal structure of flow oscillation in Xiangxi Bay |
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附图Ⅳ 三峡水库分层异重流背景对支流库湾水华生消的影响[3] AttachedFigureIV Effects of density currents on water bloom in the tributary bay of Three Gorges Reservoir[3] |
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附图Ⅴ 分层异重流对支流库湾N2O空间分布的影响[87] AttachedFigureV Effects of density currents on spatial distribution of N2O in the Xiangxi Bay[87] |
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