三峡水库支流汛期水位上升对温度-营养盐-浮游植物系统的调控机制

针对梯级水库运行下支流水生态调控难题，中国研究人员通过构建三维EFDC模型，模拟了三峡水库香溪河汛期水位上升(WLR)对水动力-温度-营养盐-浮游植物系统的调控效应。研究发现5米WLR可降低叶绿素a(Chl-a)浓度达6.18 μg/L，证实水位调控是抑制藻类水华的有效策略，为水库多目标生态调度提供了科学依据。

　　

随着长江上游梯级水库的密集建设，三峡水库及其支流的水文情势发生了深刻变化。水库蓄水使香溪河等支流形成回水区，流速减缓、滞留时间延长，配合季节性热分层现象，为藻类水华创造了理想条件。近年来，香溪河夏季藻类生物量曾高达30 μg/L，严重威胁水域生态安全。尽管已有研究认识到水库运行会影响支流生态系统，但关于汛期水位动态调节(WLR)对温度-营养盐-浮游植物系统的调控机制仍缺乏定量研究。

为破解这一科学难题，中国研究人员以三峡水库香溪河为研究对象，基于环境流体动力学模型(EFDC)构建了涵盖干流与支流的三维数值模型。通过2018-2019年实测数据校准验证后，系统模拟了不同WLR情景下支流的水动力、温度、营养盐和浮游植物生物量的时空分布特征。研究发现，水位上升会强化中层和底层逆向密度流，引发上升流导致表层水温下降，进而显著抑制浮游植物生长。具体而言，15天内5米的水位上升可使6-8月的叶绿素a(Chl-a)浓度分别降低6.18、2.53和0.83 μg/L，且调控效果随水位增幅增大而增强。值得注意的是，水位上升虽然降低了Chl-a浓度，却同步增加了总氮(TN)和总磷(TP)含量，表明温度而非营养盐是调控浮游植物生物量的关键因素。

研究团队采用的主要技术方法包括：1）基于EFDC平台构建三维水动力-生态耦合模型；2）利用2018-2019年三峡水库香溪河实测水文、水质数据进行模型校准验证；3）设计不同幅度（1-5米）和持续时间（5-15天）的水位上升情景进行数值实验；4）通过方差分析量化各环境因子对Chl-a的影响权重。

【研究结果】

1. 水动力与温度特征
   模拟显示水位上升显著改变了支流三维流场结构，中层逆向密度流强度增加46%，引发垂向混合使表层水温降低0.5-1.2°C。这种热力结构变化直接影响了浮游植物的生长环境。

2. 营养盐分布响应
   WLR导致总氮(TN)和总磷(TP)浓度分别增加12%和8%，主要源于底部沉积物再悬浮和逆向流的营养盐输送。但有趣的是，营养盐增加并未促进藻类生长，反映出温度因子的主导作用。

3. 浮游植物调控效应
   5米水位上升对Chl-a的抑制效果存在明显月份差异，6月最大降幅达6.18 μg/L，相当于基线值的34%。模型进一步揭示，当滞留时间超过3天且存在强热分层时，Chl-a浓度易达到水华阈值。

【结论与意义】
该研究首次定量阐明了汛期水位调控对水库支流生态系统的多维影响机制，证实通过合理设计WLR的幅度和持续时间（如15天内3-5米），可有效抑制藻类水华。这一发现为梯级水库"电-洪-生"多目标协同调度提供了新思路，相关成果发表于《Science of The Total Environment》。特别值得注意的是，研究提出的水位动态调控策略无需额外工程措施，仅通过优化现有水库运行方式即可实现生态效益，对全球类似河库型水源地的藻华防控具有重要参考价值。未来研究可进一步探索WLR与其他环境因子的协同效应，以及长期水位波动对水生生态系统的影响。