三峡水库重金属污染物水环境演变特征及效应（精）/长江上游生态与环境系列

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第1章 绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　截至目前，中国已拥有的水库和大坝共计9.8万余座，是世界上建设水库、大坝工程数量最多的国家（孙金华，2018）。近年来，我国的水库、大坝工程迈入了新的发展阶段，即200m、300m世界级高坝大库在我国兴修建设及调度运行，并攻克了高库大坝建设及管理过程中的一系列专业性难题，走在了世界坝工领域的前沿。目前，世界建成200m级以上的高坝77座，中国拥有20座，占比为25.97%；正在修建的200m级以上的高坝19座，我国则为12座，占比为63.16%；同样，我国也是世界上拥有200m级以上高坝最多的国家（周建平等，2019）。水利水电枢纽工程，在统筹防洪、发电、供水、航运、灌溉等方面发挥着至关重要的作用。对于中国这一水旱灾害频发、能源短缺的国家而言，水库大坝的修建是保障人民生命财产安全、促进社会经济发展的必然选择。然而，在为人民生活提供便利、保障社会发展的同时，水库大坝工程也面临着环境保护和生态维持等诸多方面的风险和挑战（黄艳，2018；王健和王士军，2018）。
　　长江三峡水利工程作为当今世界最大的水利枢纽工程，于1994年12月14日正式开工，历时15年，于2009年全部竣工。三峡工程建成后，蓄水形成总面积达1084km2的人工湖泊，即我国最大的淡水资源战略性水库—三峡水库（郑守仁，2019）。范围淹没涉及湖北省和重庆市的21个县（市、区），共计串流了2座地级市城区、11座县城、1711个村庄。2012年7月4日，三峡水电站已建设成为目前世界上最大的水力发电站和清洁能源生产基地。然而，三峡工程在发挥着发电、防洪、航运等效益的同时，与之伴随的环境、生态、水资源等诸多问题始终争论不休。2001年，国务院批复实施《三峡库区及其上游水污染防治规划（2001年—2010年）》；2007年，水利部批复长江水利委员会于2007年6月上报的《长江流域综合规划修编任务书》。三峡水库蓄水后，水库的水生态环境影响更是引起了政府和人民的高度重视。2008年国务院批复《三峡库区及其上游水污染防治规划（修订本）》，规划提出到2010年，三峡库区及其上游主要控制断面水质整体上基本达到国家地表水环境质量Ⅱ类标准，启动的水污染控制项目涉及工业、生活、面源、船舶污染源等。2012 年国务院批复了《长江流域综合规划（2012—2030年）》，该规划明确了三峡水库在保护长江生态环境中具有关键地位。
　　2015年4月2日，国务院正式发布《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），提出到2020年，全国水环境质量得到阶段性改善，污染严重水体较大幅度减少 长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良（达到或优于Ⅲ类）比例总体达到70%以上。2016年1月5日，习近平总书记在重庆召开的推动长江经济带发展座谈会上强调：“当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发” 。2018年4月27日，生态环境部召开会议传达学习习近平总书记在深入推动长江经济带发展座谈会上的重要讲话和沿江考察调研时的重要指示精神，会议更是明确了“加快制定长江保护修复攻坚战方案，统筹山水林田湖草，以改善长江水环境质量为核心 突出长江干流、三峡库区 等重点区域，扎实推进 水生态修复保护 ”的工作部署 。三峡工程的建造和运行与长江中下游的生态环境健康和全国供水安全也息息相关，发挥三峡工程在长江生态环境保护体系中的重要作用，是保障长江流域环境安全的重要举措（郑守仁，2018）。
　　随着三峡水库蓄水水位的提高，库区水环境逐步由急流环境的河流生态系统向静水环境湖泊生态系统演变，航运、工业、农业和来自附近城市的生活排放，对三峡库区的水环境造成不利影响（方志青等，2018；梁增芳等，2019；杨永丰和李进林，2019）。一方面，水库的兴修伴随着移民的迁入，使库区原本的荒地得到很大程度的开垦，使水体污染加剧并造成水土流失；另一方面，原本为农耕、生活用地的土壤被水体淹没，这一环境的变化也会对水库的水环境质量产生影响。此外，三峡两岸城镇、游客、船舶所产生的污水和生活垃圾排入长江，水库蓄水后，水流趋于静态化，污染物无法及时下泄而蓄积在水库中，进一步导致水质恶化、水生态环境面临威胁（程辉等，2015；Xu et al.，2013）。
　　1.2 国内外研究进展
　　1.2.1 大型水库水环境演变机理研究
　　筑坝拦截“蓄水河流”已经成为我国水系河流的普遍现象和重要特征。近年来我国科学家对筑坝引起的河流（流域）生态环境问题表现出极大关注，从目前的研究情况看，各方主要关注的还是洄游鱼类、生物多样性、泥沙淤积等方面的问题，对水能利用活动的水环境影响评价主要还是关于工程施工过程的废水废渣的污染影响方面。相比之下，对水能开发导致河流（流域）自然性状人为改变后水环境内在演变过程及其影响，在研究的深度和系统性上都明显不够，如变价有害元素风险、水库沉积物中污染物的二次释放等。由于对水环境中许多重要过程的认识依然有限，缺乏有用的基础性数据，因此还无法对水能开发引起的水环境变化，尤其是可能存在的长期潜在影响和生态风险进行详尽的评述。事实上，我国关于水量和水文过程受水坝调节控制的大型水库水环境研究，既没有一个科学认同的概念，也没有一套完善的评价指标体系和工作方法。相对于传统上基于自然连续河流的水环境知识，水库的水环境演变机理成为环境领域认知上的新挑战。
　　目前水库水环境研究的主要方向有如下方面。
　　1）水库大坝拦截对流域物质循环及其质量平衡关系的影响
　　河流连续体概念（river continuum concept，RCC）是流域水文循环的重要特征，河流的连续性不仅指地理空间上的连续和水流过程的连续，也包括由此驱动的水环境变迁的生物地球化学过程及生态系统中生物学过程的连续。河流上修建大坝拦截水量，成为对河流（流域）水环境影响最显著、最广泛、最严重的人为影响事件之一，人为扰乱了自然河流的洪水脉动周期以及依靠洪水过程塑造的河流水环境自然特性和作用过程（如营养补给、河床形态）。筑坝形成水库后，强水动力条件下的“河流搬运作用”逐渐演变成“湖泊沉积作用”，河流中颗粒物质及有关组分的迁移行为将受到影响。显然，水库滞留过程将对水库水环境和下游水体产生重大影响，目前关于我国水库沉积过程对于流域物质循环的“汇/源”意义及其对水环境影响的研究还十分薄弱。
　　2）水库“湖沼学反应”对水环境演化的影响
　　河流上修筑水坝后，水库水环境性质和作用过程逐渐表现为自然湖泊的特征，发生水体分层等所谓“湖沼学反应”。湖沼学的经典理论认为，季节性的水体分层是深水湖泊中诸多化学、生物过程最直接的控制因素。水体垂直剖面上不同水团的物理、化学特性的差异，影响水库环境中水化学过程（沉淀与溶解/絮凝、吸附与解吸、氧化还原等）的作用方式和强度，也控制着水体中藻类等水生生物的繁衍和分布。水体溶解氧分布将控制水库水体中氧化/还原界面的垂直迁移，进而影响元素循环迁移的诸多化学反应过程，包括∑CO2与溶解无机碳（DIC）的化学平衡，有机碳（DOC和POC）的矿化降解和埋藏保存，有机氮矿化降解的氨化作用、硝化作用、反硝化作用，固态颗粒物对氨态氮的吸附，沉积物颗粒对溶解磷酸盐的吸附/解吸，磷酸盐矿物的沉淀溶解等。
　　3）水库水体分层的界面水化学反应对水环境的影响
　　水环境性状受水库中物质（污染物）迁移、转化和更新的生命和非生命过程的控制，由于水库是一个具有分层结构的水体环境，发生在水-气界面、沉积物-水界面、真光层和底层水体分界、氧化-还原界面等重要界面上的诸多水化学和生物地球化学作用（如早期成岩作用、氧化还原等）主导水环境的状态变化。以沉积物-水界面为例，库底和上覆水体之间的相互作用和物质交换对水质的影响已得到广泛的认同。在北美具有明显冷湿效应的沼泽湿地和南美热带雨林区中富含有机质库底被淹没后，有机质降解驱动的重金属（如汞）、氮、磷等向水体的释放使新建水库水体及生物体出现污染超标，而水库温室气体释放也成为重要的环境问题。我国水库库底沉积物对水体环境的影响强度是随水库运行年龄增加和体系生产力水平提高而加强的。如对乌江渡水库和东风水库沉积物孔隙水中磷酸盐的剖面特征研究显示，由于乌江渡水库（1982年建成）具有比东风水库（1992年建成）更长的运行历史，因此在两个外部条件一样的相邻水库中，底质物质释放对水体的影响要至少相差两个数量级。对于此种差别，两水库沉积物有机碳、碳氮同位素、汞的甲基化作用等的数据分析也提供了相同的证据（刘丛强等，2009）。此外，受矿山活动影响的水库沉积物的模拟实验也观察到了水体缺氧期间，沉积物中重金属元素可以大量向上覆水体释放的现象。
　　4）水生生态系统演化与水环境演变的相互关系
　　水环境的理化性状与水库（河流）水生生态系统的发展演替具有相互依赖、相互影响、相互制约的耦合关系。营养物质的输入增加可能出现生态系统初级生产力异常发育的富营养化问题。反之，水生生态系统的作用方式和作用强度又强烈影响着水环境的诸多过程。如初级生产力的增加可能对水库水体形成的“生物氧化”，导致水团性质的差别，促成水环境性状的改变。大坝拦截蓄水形成水库后，将打破河流原有的生态平衡，生物群落随生境变化经过自然选择、演替，水生生态体系由以底栖附着生物为主的“河流型”异养体系向以浮游生物为主的“湖沼型”自养体系演化。一般而言，水库生态过程可能体现在两种类型的食物链功能上，即植食性食物链和碎屑食物链（含腐食食物链）。两类食物链相互交错，水生生物群落按营养层次构成了复杂的、动态变化的食物网。新水库食物链可能主要是通过细菌分解外源输入有机质来驱动和维持的，随着水库运行，水生初级生产力水平提高，水库内浮游藻类逐渐成为食物链物质循环的起点。水库生态食物网结构演化过程伴随着生源物质的吸收消耗、多级利用以及再生循环，显著改变着相关元素在河流水环境中的迁移命运。如何定量评价水生生态系统演替及生物作用改变对水环境的可能影响，需要开展关于水生生态系统结构和功能（驱动物质来源、关键种营养关系、能量流动、能量和物质的生态转换效率等）的研究。类似的工作在海洋生态环境的研究中已得到广泛重视，但陆地水环境的相关研究还处于起步阶段。
　　5）水库水环境的“生态风险敏感性”研究
　　20世纪70年代对美国等北美水库的研究就发现，蓄水后水库系统出现异常的汞等重金属污染现象，最近对水库食物链上有毒持久污染物的生物累积研究也表明，水库的修建使水团滞留时间延长、浮游植物初级生产力加强以及食物网结构和性质变化，使蓄水河流水环境可能成为具有高生态风险的“污染敏感区”。研究显示，自然状态下表层水体中甲基汞浓度通常低于0.4ng/L，而通过食物链的生物放大作用，鱼体中甲基汞的浓度可以是背景的100倍。显然，水能开发及河流环境改造后出现的污染累积和环境风险将成为水环境演变研究中需要特别关注的问题，长江流域具有较高的汞、镉、铅、砷、锰等有毒元素的地质背景，因此具有更重要的意义。人们对能在环境中长久存在的有害物质进入水库系统后，其迁移、转化的环境行为以及对水环境和水生态的影响，依然知之甚少。目前关于水库生态系统持久污染物在食物链上吸收、迁移、代谢、累积放大的动力学过程的研究，国外刚刚起步，国内仍是空白。
　　6）水库环境演变机理研究中新技术的应用
　　关于进入河流/水库系统的有害元素环境行为研究、对具有生物累积和放大效应持久污染物的水环境影响研究、水生生态系统演化及食物链物质传递的生态动力学问题，需要采用微量元素相关性分析、稀土地球化学配分模式、同位素示踪的多元标识等多种研究手段，进行源解析以及迁移、转化和归趋的环境行为研究，并结合沉积年代学研究，反映库底早期成岩作用过程中元素活化更新对水体的影响，获取表征污染历史的沉积记录信息。近年来地球化学研究中的碳、氮同位素技术在生态系统研究中的运用得到迅速发展，为研究