作者简介:沈忱(1989-),女(汉),重庆,博士研究生。
水体的溶解氧(DO)是表征水体健康的重要指标之一。为研究金沙江下游向家坝与溪洛渡水库蓄水前后,“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区”(以下简称“保护区”)干流河道内溶解氧时空分布特征, 2012-07—2013-11(期间向家坝进行了3次蓄水,溪洛渡进行了1次蓄水),在保护区及其上下游干流布设了7个监测站点,对水温、溶解氧质量浓度等指标进行了监测和分析。结果表明: 1) 4次蓄水过程坝下断面均出现了溶解氧过饱和现象;2) 开始蓄水后溶解氧浓度与饱和度明显增加;3) 支流入汇对干流溶解氧水平会产生一定的影响;4) 河道内溶解氧溶度的增加与年际内水温周期变化及水库泄流调度引起的水气掺混有一定关系。
Dissolved oxygen (DO) is one of the important indicators of water body health. The spatial and temporal DO distribution in the main stream of the National Nature Reserve for Rare and Endemic Fish in the upper reaches of the Yangtze River after impounding of the Xiangjiaba and Xiluodu Reservoirs was analyzed using the water temperatures and DO mass concentrations at 7 monitoring sites from July, 2012 to November, 2013. During the monitoring period, the Xiangjiaba Reservoir was impounded 3 times while the Xiluodu Reservoir was impounded once. The results show that: 1) the DO is supersaturated after each impounding, 2) both the DO concentration and the saturation increase significantly after impounding, 3) the confluence of tributaries strongly impacts the DO levels in the main stream, and 4) the increased DO saturation in the river is related to the annual periodic variation of the water temperature and the water-air mixing phenomenon caused by the reservoir discharge mode.
高坝大库泄水过流时,由于泄流方式、下游河道水位、流量、水温、大气压强等因素[1,2]的影响,下游水体可能出现溶解气体过饱和现象[3,4]。溶解气体过饱和后,饱和度恢复正常的速度比较慢[5],往往会影响下游较长的河段。三峡工程运行后,在30 000~60 000 m3 /s流量下,下游水体中的溶解氧饱和度沿程大致每100 km降低5 %[6]。高坝大库泄水导致的溶解气体(含溶解氧)过饱和现象、其产生机理以及饱和度时空分布等问题得到了学者及管理者的广泛关注[7]。
长江上游是中国珍稀、特有鱼类众多的区域,中国在该区域建立了“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区”(以下简称“保护区”),该保护区的主要范围包括向家坝水库坝下1 .8 km至下游重庆市地维大桥的长江上游干流江段及岷江、赤水河等主要支流江段。当前,保护区正面临位于其上游的金沙江下游梯级水电开发的影响。溪洛渡和向家坝电站是金沙江下游梯级水电开发4座电站中的2座,目前已建成并开始蓄水。这2座高坝的蓄水到正常运行过程中均有可能会在泄洪过程中导致水气混掺,从而引起水体的溶解氧过饱和现象,首当其冲受到影响的便是该保护区。阐明梯级水库蓄水运用后保护区河道溶解气体饱和度分布特征,是进行保护区管理、实施鱼类保护及河流生态修复所关注的重要内容。
鉴于溶解氧是水体中溶解气体的重要组分,在一定程度上可从溶解氧的角度出发来研究溶解气体过饱和情势。本文根据溶解氧实测资料,分析向家坝初期蓄水前期、后期、溪洛渡初期蓄水以及向家坝正常蓄水后,溪洛渡-向家坝梯级水库库区及保护区江段溶解氧质量浓度及饱和度的空间分布特征及其随时间的变化情况。
本文以溪洛渡、向家坝库区及保护区之长江干流河段为研究区域,通过布设河道大断面对河道溶解氧浓度进行监测。为研究溪洛渡大坝过流对溶解氧的影响以及溶解氧在向家坝库区的演化,在位于溪洛渡大坝坝下3.2 km的中心场水位站以及位于向家坝坝前的新滩坝水文站分别布设了监测断面S1和S2;为研究向家坝大坝过流对溶解氧的影响,在位于向家坝坝下2 km的向家坝专用水文站布设了监测断面S3;为研究岷江入汇对长江干流溶解氧的影响,分别在岷江入汇口上游2.5 km及下游2.0 km处布设了监测断面S4及S5;为了解溶解氧在保护区及下游江段的演变,在朱沱水文站、寸滩水文站所在位置各布设了一个监测断面S6和S7。保护区干流的溶解氧监测断面布置位置具体见图1。在同一断面内布置了多个测点:每个监测断面在河道的左、中、右布设3条监测垂线,在每条垂线上设2个监测点,位置分别为水面下 0.5 m 和河床上0.5 m。
监测断面多数和水文(位)站重合,从而研究所需的逐日水文资料部分可由水文部门提供,部分从中国长江三峡集团公司网站发布的水情公告获取。监测的水质指标包括水温、溶解氧(DO)质量浓度等,其中水温由玻璃温度计以及HY1200声速剖面仪测量,溶解氧(DO)质量浓度采用化学滴定的方法测定。
向家坝按计划于2012年10月开始初期蓄水,从2012年7月开始,对S1、S2、S3、S6、S7断面开展了监测,其中对S4、S5断面的监测始于2013年1月。在2012-07—2012-10及2013-05—2013-08,S1—S7断面上、中、下旬各监测1次,每月监测3次;在监测期的其他月份, S1—S7断面每月监测1次。
溶解气体饱和度 SDO是对河流中重要的环境因子,计算公式为
SDO =
其中: SDO为溶解氧饱和度(%); CDO为实测溶解氧质量浓度(mg/L); CT为观测温度下的饱和溶解氧质量浓度(mg/L),计算公式为[8]
CT =14 .60307-0 .4021469 T+0 .00768703 T2-0 .0000692575 T3 . (2)
其中 T为实测水温(℃)。
溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水是分阶段推进的,具体蓄水过程如下: 2012年10月10日,向家坝水库开始初期蓄水, 10月16日水位达354 m高程,初期蓄水完成; 2013年5月4日溪洛渡水库开始初期蓄水,水位从440 m开始抬升,6月23日水位达 540 m 高程,初期蓄水完成; 2013年6月26日向家坝水库开始二期蓄水,水位由354 m开始抬升,至7月5日水位达到370 m,二期蓄水完成; 2013年9月7日向家坝水库开始第三次下闸蓄水, 9月12日水位达380 m正常蓄水位。
根据这2个水库的蓄水进程,本文将监测期2012-07—2013-11分为4个时段(Period 1—Period 4)。
Period 1 向家坝水库蓄水前, 2012-07-10—2012-10-09;
Period 2 向家坝水库开始初期蓄水至溪洛渡水库开始初期蓄水之前的时期, 2012-10-10—2013-05-03;
Period 3 溪洛渡水库开始初期蓄水至向家坝水库开始二期蓄水之前的时期, 2013-05-04—2013-06-25;
Period 4 向家坝水库开始二期蓄水及之后的时期, 2013-06-26—2013-11-12。
对各阶段监测结果的分析表明,各测点 CDO最大相对偏差在S3、S4、S5断面,为8%~14%;在其他断面一般为3%~5%。此外,未观测到河道中有水温分层现象。因此本文在后续分析中,统一使用各测点的 CDO与 SDO在断面内的均值代表该断面相应值。
溶解氧的背景值可通过向家坝水库初期蓄水之前的2 a向家坝(S2)、朱沱(S6)以及寸滩(S7)监测断面相应的值来考察。
图2为2010—2011年向家坝、朱沱及寸滩断面月平均 CDO及 SDO的均值。从图2a可知,上述3个断面 CDO年内在7 .6~10 .1 mg/L的范围内变化,其中5月至9月 CDO较低,年内的其他月份 CDO较高。 SDO年内在78 .6%~97 .0%范围内变化,未出现过饱和状况; SDO的月际差别相对 CDO来说较小, 6—8月 SDO相对其他月份略高。在同一月份, S1与S6和S7的月平均 CDO及 SDO总体上看差别不大,差别最大的是1月, CDO相对偏差为11%, SDO相对偏差为13%。
 | 图2 2010—2011溶解氧的年内各月份均值变化情况 |
2012-07—2012-10向家坝初期蓄水前溪洛渡坝下( S1)、向家坝坝前( S2)、向家坝坝下( S3)、朱沱( S6)以及寸滩( S7)断面的 CDO及 SDO的变化曲线见图3。各站在8月中旬以前 CDO水平一般不高于 8 .0 mg/L, SDO一般介于85%~100%。在8月29日前后的测次中,S1、S2、S3断面出现了明显的溶解氧过饱和现象, SDO最高达110%。在9月,S3断面的 CDO始终保持在较高的水平,保护区站点朱沱及以下江段(S6、S7断面) CDO有小幅上升的趋势,但未出现溶解氧过饱和现象。
 | 图3 在Period 1时期实测溶解氧变化曲线(2012-07-10—2012-10-09) |
8月下旬出现的溶解气体过饱和过程可能和洪水过程有关。溪洛渡水库的坝身采用的是“分层出流、空中碰撞、水垫塘消能”这种挑流消能布置形式,向家坝大坝均采用底流消能进行的泄水建筑物设计[9,10]。8月25日开始金沙江下游有一次洪水过程,最大流量超过12 000 m3/s,由于水库并未蓄水发电,大部分径流通过溪洛渡深孔以及向家坝底孔进行下泄,水流在过坝过程中由于在空中以及跌入下游河道时剧烈掺气,导致坝下河道水体溶解气体饱和度升高。
SDO沿程变化可反映保护区河道溶解氧水平的整体面貌。图4给出了以溪洛渡坝址为起点的本时段内沿程各监测断面 SDO最大值、最小值,表1汇总了该最值的出现日期。从图4可知,向家坝库区(以S1和S2表征)以及向家坝坝下(S3)都曾出现溶解氧过饱和,且过向家坝大坝后水体 SDO增加。之后在保护区下游至寸滩断面, CDO的最大值逐步减小,未发生溶解气体过饱和现象。
 | 图4 在Period 1时期溶解氧饱和度 SDO最值沿河段分布 |
 | 表1 在Period 1时期溶解氧饱和度 SDO最值出现日期 |
图5所示为Period 2时期研究河段各监测断面的 CDO与 SDO。从总体上看,在这一时期各断面 CDO在9.0~11.0 mg/L之间,高于Period 1期间的 CDO;从2012年10月至2013年1月中旬,研究河段 CDO总体表现为增加的趋势,而之后 CDO总体上表现为下降趋势(图5a)。 10月15日的监测结果显示S1、S2和S3均出现了溶解氧峰值, SDO分别为 105.9%、 108.5%和103.8%。
 | 图5 在Period 2时期实测溶解氧变化曲线(2012-10-10—2013-05-03) |
溶解氧主要来源于大气溶解于水中的氧,其溶解氧与温度有密切关系。温度下降,氧的溶解度会上升,随之浓度会升高。 2013年1月水体水温较低,因此整个保护区内及其上下游河道的 CDO均有所增加。 SDO排除了水温的影响,在 CDO上升的同时, SDO变化不大(图5b)。保护区及下游 SDO整体较低。
图6为向家坝初期蓄水之后保护区各监测站点 SDO最大值、最小值的沿程分布情况,表2为最值出现的日期汇总。与图4所示蓄水前期沿程分布不同, SDO的峰值出现在S2向家坝坝前监测站点处, 2012年10月26日监测情况表明在向家坝水库初期蓄水后, S1、S2和S3均处在溶解氧过饱和的状态,而10月11日S1出现了 SDO的最小值,初步分析是因为保证向家坝库区正常蓄水,溪洛渡水库下泄流量有所增加以及向家坝泄流方式的转变所引起的水气掺混导致的。保护区的上游 SDO最值沿向家坝水库往下逐步衰减,至岷江入汇口以下有小幅上升,后续沿河流基本保持溶解氧未饱和的稳定状态;保护区内及下游一般处于溶解氧不饱和状态。
 | 图6 在Period 2时期溶解氧饱和度 SDO最值沿河段分布 |
| 表2 在Period 2时期溶解氧饱和度 SDO最值出现日期 |
图7为Period 3时期各监测断面的 CDO及 SDO。由该图可知, 2013年5月8日在位于溪洛渡坝下的S1断面实测 CDO及 SDO分别达到12.4 mg/L与 137.4%。实际调度中,根据泄流需要, Period 3期间开启和关闭坝体上数个过流孔洞,让蓄水水位缓慢抬升。该时期河道流量较大,满足蓄水要求后,多余流量通过挑流消能的方式下泄,水气混合充分,导致坝下河道出现了严重的溶解气体过饱和现象。但是在2013年5月14日,溪洛渡坝下的S1断面 sDO恢复到98.6%。此次溶解氧过饱和现象并未导致向家坝坝前断面(S2)发生过饱和,在本时期也均未捕捉到其他溶解氧过饱和现象。
 | 图7 在Period 3时期实测溶解氧变化曲线(2013-05-04—2013-06-25) |
溪洛渡水库初期蓄水运行期各断面 SDO最大值、最小值的沿程分布见图8,具体出现日期见表3。位于溪洛渡坝下的S1断面 CDO及 SDO都很高,而位于向家坝水库坝前的S2断面 SDO相对较低,接近饱和状态, SDO为98.3%。其他各断面均未发生溶解氧过饱和现象。
 | 图8 在Period 3时期溶解氧饱和度 SDO最值沿河段分布 |
| 表3 在Period 3时期溶解氧饱和度 SDO最值出现日期 |
图9为Petriod 4时期各监测断面溶解氧变化情况。 2013年9月12日溪洛渡坝下的S1断面出现了严重的溶解氧过饱和现象,此时 CDO为12.2 mg/L, SDO为139.3%,并导致下游的S2和S3断面也发生溶解氧过饱和,直至11月,该3个监测断面溶解氧均处于过饱和状态。期间S1断面的溶解氧 CDO及 SDO显著高于下游断面的值,而S3断面 CDO及 SDO高于S2的相应值。可见向家坝大坝过流后在一定程度上能使 CDO及 SDO增加。
 | 图9 在Period 4时期实测溶解氧变化曲线(2013-06-26—2013-11-12) |
如图9b所示,当S4及S5断面未发生溶解氧过饱和现象时,下游的S6及S7断面发生了非常轻微的过饱和现象。在2013年8月中旬,S6和S7断面的溶解氧水平保持在较高水平,其中在2013年8月16日S6断面 SDO达到最大,为103.4%,而上游干流断面(含岷江入汇口上断面和下断面S4和S5)在此日乃至之前几个月均未监测到溶解氧过饱和现象。但在2013年7月18日监测到了位于朱沱上游的赤水河溶解氧过饱和,其 CDO与 SDO分别为 8.1 mg/L 与102.0%。本文不能排除该河段溶解氧水平较高受该区域生物或化学等其他因素的影响。这种现象发生的原因需要搜集更多资料进行分析。
基于图10可得出本时段 CDO及 SDO时空分布的概貌,表4是本时段出现最值的日期。本时段 SDO的大值一般均超过100%, S1、S2和S3断面的过饱和尤为严重,发生在9月12日的 CDO及 SDO最大值可能是溪洛渡水库在上游来流较大的情况下以大流量泄洪导致(2013-09-10—2013-09-15,溪洛渡水库入库流量保持在11 000~13 000 m3/s,出库流量保持在9 100~11 000 m3/s)。
 | 图10 在Period 4 时期溶解氧饱和度 SDO最值沿河段分布 |
| 表4 在Period 4时期溶解氧饱和度 SDO最值出现日期 |
各个时期不同监测站点的溶解氧情况如图11所示,图中的柱状图表示不同时期不同监测断面的均值,实线表示所有监测断面的不同时期均值,虚线表示所有监测断面2010—2011年对应时期的背景值均值。由图11中各个时期溶解氧实测均值与以往均值对比可知:水库未开始蓄水前Period 1的 CDO及 SDO较以往差异不大,水库蓄水之后的3个时期溶解氧差异较大,Period 2、Period 3和Period 4的 CDO均值相对于背景值分别增加了8.4%、2.9%和1.6%, SDO均值相对于背景值分别增加了9.5%、3.6%和3.9%。保护区上游(S1、S2、S3)的溶解氧水平普遍高于保护区内河道(S4、S5、S6),保护区下游(S7)与保护区S6河道差异不大。在向家坝与溪洛渡水库开始初期蓄水的3个时期(Period 2、Period 3、Period 4),溪洛渡坝下监测断面S1的 SDO较高;向家坝水库初次蓄水前后(Period 1、Period 2)及二次蓄水后Period 4向家坝坝下监测断面S3溶解氧水平也较高。
结合前文各个时期溶解氧沿程变化可知,蓄水后的一定时间内S1、S2、S3普遍会出现溶解氧水平较高的情况。可以推测,向家坝、溪洛渡水库因蓄水需要而进行的流量调控可能导致严重的水气混掺,从而使水体中溶解氧水平发生变化,甚至出现溶解氧过饱和现象。
在向家坝、溪洛渡水库初期蓄水前后(2012-07—2013-11)对长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区及其上下游干流的7个监测断面进行了水温与溶解氧质量浓度的实际监测,对比2010—2011年溶解氧质量浓度 CDO与饱和度 SDO可以得出如下主要结论:监测期间,向家坝进行了3次蓄水,溪洛渡进行了1次蓄水, 4次蓄水过程坝下断面均出现了溶解氧过饱和现象;开始蓄水后河道内的溶解氧质量浓度与饱和度明显增加;支流入汇对干流的溶解氧水平会产生一定的影响;初步分析认为河道内溶解氧质量浓度的增加与年际内水温周期变化以及水库泄流调度引起的水气掺混有一定关系。建议在水库的实际调度时应考虑各种因素共同作用,尽可能避免水体发生溶解氧过饱和。
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