三峽水庫運行對其生態(tài)環(huán)境的影響與機制
本書內(nèi)容包括：水庫生態(tài)學的理論、方法與進展；三峽水庫及其典型支流澎溪河概況；澎溪河水文與總體水動力特征；水庫運行下澎溪河水體光熱特征等。
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2010年10月26日，三峽工程首次蓄水至175m的設(shè)計水位，標志著三峽工程正式由建設(shè)階段轉(zhuǎn)入運營階段。三峽工程運行以來，在防洪、發(fā)電、航運、改善人居環(huán)境以及對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的帶動等方面均發(fā)揮了重要作用。與此同時，三峽工程自構(gòu)想、論證、設(shè)計、建設(shè)至運營，其對生態(tài)環(huán)境的影響的爭論和研究就從來沒有停止過。不同的研究單位、不同的專家、不同的地域空間、不同的年際時段所得到的認識差異很大，但一個基本的事實和共識是自2002年139m蓄水以來，支流水體富營養(yǎng)化明顯，水華頻繁發(fā)生，支流與干流交匯區(qū)有水質(zhì)惡化的跡象。這是一個十分獨特的現(xiàn)象，更表明三峽工程對生態(tài)環(huán)境的影響不僅是多方面而且立體全方位的，也將是持久和深遠的。因此，在該水域開展相關(guān)基礎(chǔ)研究問題復(fù)雜，也凸顯科學必將追求完美之魅力。
筆者近年一直希望嘗試將課題組十多年來關(guān)于三峽水環(huán)境生態(tài)方面的研究工作進行系統(tǒng)的總結(jié)，但限于三峽水環(huán)境生態(tài)問題的復(fù)雜性一直未敢觸碰，今受科學出版社的鼓勵才最終成文。本書以三峽生境變化驅(qū)動藻類群落演替為主線，在系統(tǒng)討論了水庫生態(tài)學研究的理論、方法和進展的基礎(chǔ)上，重點圍繞三峽水庫中段典型支流富營養(yǎng)化現(xiàn)象與水華過程展開相關(guān)論述，
本書介紹的主要內(nèi)容是筆者在研究中獲得的第一手資料。研究的手段包括野外跟蹤觀測、室內(nèi)模擬實驗、原位受控實驗、數(shù)學模型和計算模擬等。雖然許多相關(guān)成果已分別在國內(nèi)外多種學術(shù)刊物上發(fā)表，但本書以明晰的理論主線為統(tǒng)領(lǐng)，是在對數(shù)據(jù)進行進一步深入分析、對研究成果進行補充完善的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地歸納而成。本書重點闡釋在水庫運行下如何基于藻類生境選擇學說和生態(tài)功能分組概念建立藻類群落結(jié)構(gòu)的生態(tài)特征與演替模式，在物理邊界不穩(wěn)定的系統(tǒng)中如何建立藻類生態(tài)功能組與環(huán)境變量的多元統(tǒng)計模型。較系統(tǒng)地介紹了三峽水庫小江支流營養(yǎng)物賦存形態(tài)及其相對豐度的變化關(guān)系，以水體滯留時間為參量的TN/TP對藻類生長的基本驅(qū)動模式及實驗驗證等成果。
本書共8章。第1章梳理筑壩蓄水對流域生態(tài)環(huán)境，尤其是水庫水環(huán)境的影響，并著重分析水庫生態(tài)系統(tǒng)的總體特征和水庫生態(tài)學研究進展，本章由郭勁松主筆完成。第2章介紹三峽水庫及其典型支流澎溪河的總體特點，從水庫運行導(dǎo)致水環(huán)境與水生態(tài)的時空異質(zhì)性的角度，探討選擇澎溪河開展水庫生態(tài)學研究的主要原因，本章由郭勁松主筆完成。第3章和第4章分別介紹澎溪河回水區(qū)水文、水動力條件與水體光熱特點，本章由李哲主筆完成。第5章則著重分析水庫運行下澎溪河N、P、Si等關(guān)鍵營養(yǎng)物的時空分布特征，本章由方芳主筆完成。第6章則在前述營養(yǎng)鹽、光熱條件等生境要素特征分析基礎(chǔ)上，探討澎溪河回水區(qū)藻類群落結(jié)構(gòu)變化及其演替特點，并結(jié)合典范對應(yīng)分析結(jié)果，歸納水庫運行下澎溪河回水區(qū)藻類群落演替的宏觀生態(tài)模式，本章由李哲、方芳共同完成。第7章對澎溪河水庫水一氣界面碳通量與水體碳循環(huán)機制進行初步探討，本章由李哲主筆完成。第8章重點梳理近年來對澎溪河回水區(qū)野外研究的感受與體會，從新的視角對水庫運行下支流水華形成、富營養(yǎng)化發(fā)展等問題進行探討，以期為i峽水庫水環(huán)境與水生態(tài)管理提供更多新的思路，本章由郭勁松主筆完成。全書由郭勁松負責統(tǒng)稿。
本書的研究工作得到了國家自然科學基金、國家重大科技專項——水體污染控制與治理科技重大專項、國家科技支撐計劃以及重慶市重大科技項目等資助。本書的研究成果也是課題組集體智慧和辛勞的結(jié)晶，課題組魯倫慧、肖艷、歐陽文娟、蔣滔、劉靜、陳杰、張超、田光、賀陽、盛金萍、周紅、陳園、王勝、李偉、白鐳、謝丹、王琳、楊梅、張呈、馮婧、張樹青等老師和研究生在野外采樣、實驗測試、數(shù)據(jù)整理、模擬計算、書稿校核等方面都作出了重要貢獻。本書的寫作得到了中國水利水電科學研究院王浩院士、河海大學王超院士、中國科學院水生生物研究所胡征宇研究員等專家的關(guān)心和支持，在此一并表示衷心的感謝。
本書雖然出版面世，但因i峽水環(huán)境生態(tài)問題復(fù)雜，涉及的學科領(lǐng)域眾多，加之本書展示的實例成果主要基于對澎溪河流域的研究，以及知識和認識水平有限，所以筆者內(nèi)心一直十分忐忑。如果書中的觀點和認識能夠得到同仁們的批評、指正和爭鳴，則既是本書的目的，更是筆者的幸運。
郭勁松，1963年10月生，四川射洪人，博士，1985年畢業(yè)于重慶建筑工程學院獲學士學位，2002年重慶大學獲博士學位�，F(xiàn)為中國科學院特聘研究員（核心），中國科學院水庫水環(huán)境重點實驗室主任，中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院三峽生態(tài)環(huán)境研究所所長，中國科學院大學和重慶大學博士生導(dǎo)師，《Ecohydrology & Hydrobiology》副主編，重慶市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。主要從事水環(huán)境質(zhì)量演變與生態(tài)修復(fù)、水質(zhì)生物轉(zhuǎn)化理論與技術(shù)研究，1996年起重點致力于三峽水庫水環(huán)境生態(tài)演變與水污染控制等領(lǐng)域的研究，先后主持三屆“中歐健康河流與可持續(xù)水資源管理”國際會議，任中方主席。在《Environmental Science & Technology》、《Water Research》、《Bioresource Technolog》、《Science of the Total Environment》、《Ecological Engineering》、
《Hydrobiologia》、《Journal of Hazardous Materials》、《環(huán)境科學》、《湖泊科學》、《水科學進展》等學術(shù)期刊上發(fā)表論文150余篇（其中SCI70余篇）。獲得省部級以上科技獎6項，獲權(quán)發(fā)明專利25項。
李哲，1981年12月生，2009年重慶大學獲工學博士學位（重慶大學一美國密蘇里科技大學聯(lián)合培養(yǎng)），現(xiàn)為中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為水庫湖沼學、藻類生態(tài)學。中國地理學會湖泊與濕地分會理事、中國海洋與湖沼學會湖泊分會理事、國際能源組織（IEA）專家組成員、國際水電協(xié)會（IHA）水庫溫室氣體項目專家組成員。作為課題負責人先后承擔了國家自然科學基金面上項目、青年基金項目、國家“十一五”、“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項、重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃重點項目、重慶市自然基金面上項目等國家或省部級項目十余項。獲中國科學院“西部之光”青年學者計劃A類項目資助，重慶市科技進步二等獎1次。在國內(nèi)外學術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇（其中SCI論文20余篇），授權(quán)發(fā)明和實用新型專利20余項。
方芳，2002年獲重慶大學獲博士學位，現(xiàn)為重慶大學教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為水污染控制理論與技術(shù)，曾于2008-2009年在荷蘭代爾夫特理工大學做訪問學者，目前為國際水協(xié)會員，中國工程建設(shè)標準化協(xié)會城市給水排水專業(yè)委員會委員。作為負責人承擔了國家自然科學基金、國家自然科學基金重點項目子課題、國家水體污染控制與治理科技重大專項子課題、國家科技支撐計劃子課題、重慶市重點科技攻關(guān)項目、重慶市自然科學基金重點項目等10余項科研項目。曾獲省部級科技進步一等獎1次，二等獎3次。在國內(nèi)外學術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇（其中SCI論文30余篇），授權(quán)發(fā)明專利和實用新型專利20余項。
目錄
第1章 水庫生態(tài)學研究的理論、方法與進展 1
1.1 水庫與人類社會發(fā)展 1
1.2 水庫主要生態(tài)過程與基本特征 8
1.2.1 水庫地理分布、形態(tài)特征及其同流域的關(guān)系 8
1.2.2 水庫生態(tài)系統(tǒng)的物理生境 13
1.2.3 水庫的化學、生物過程與生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育、演化 17
1.2.4 水庫生態(tài)系統(tǒng)的綜合特征 23
1.3 水庫生態(tài)學研究進展與本書總體構(gòu)架 26
1.3.1 湖沼學發(fā)展的回顧與簡述 26
1.3.2 水庫生態(tài)學發(fā)展現(xiàn)狀與研究進展 30
1.3.3 本書總體構(gòu)架與內(nèi)容設(shè)置 34
主要參考文獻 37
第2章 三峽水庫及其典型支流澎溪河概況 40
2.1 三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)總體特征概述 40
2.1.1 三峽工程簡況 40
2.1.2 三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)特征 42
2.2 三峽水庫典型支流澎溪河流域基本情況 52
2.2.1 區(qū)位與水系 52
2.2.2 地形地貌與地質(zhì)特征 53
2.2.3 氣候氣象特點 54
2.2.4 水文徑流特征 55
2.2.5 植被覆蓋與水土流失 57
2.2.6 流域行政區(qū)劃與社會發(fā)展現(xiàn)狀 58
2.2.7 澎溪河流域污染負荷現(xiàn)狀 60
2.3 澎溪河流域在三峽庫區(qū)的典型性與代表性 62
主要參考文獻 66
第3章 澎溪河水文與總體水動力特征 67
3.1 2003 ~2012年成庫10年澎溪河流域降雨、徑流過程 67
3.2 澎溪河回水區(qū)總體水動力模型構(gòu)建 70
3.2.1 HEC-RAS模型基礎(chǔ)與應(yīng)用現(xiàn)狀 70
3.2.2 澎溪河回水區(qū)一維水動力模型構(gòu)建 72
3.3 水庫運行下澎溪河回水區(qū)總體水動力特征 76
3.3.1 典型時斷河道水力學特征 76
3.3.2 水體滯留與更新交換特點 79
主要參考文獻 84
第4章 水庫運行下澎溪河水體光熱特征 86
4.1 澎溪河流域光合作用有效輻射基本特點 86
4.2 澎溪河真光層深度估算及其影響因素分析 91
4.2.1 澎溪河真光層深度的時空變化特點 91
4.2.2 水庫運行下澎溪河水體光學特性的影響因素分析 99
4.3 水庫運行下澎溪河水溫及其垂向分布特征 107
4.3.1 湖泊、水庫垂向垂向水溫結(jié)構(gòu)研究背景簡述 107
4.3.2 澎溪河水體表層水溫與水氣溫差變化特征 109
4.3.3 澎溪河垂向水溫結(jié)構(gòu)的逐月與晝夜變化過程 112
主要參考文獻 119
第5章 水庫運行下澎溪河關(guān)鍵生源要素動態(tài) 121
5.1 澎溪河消落帶/淹沒區(qū)土壤營養(yǎng)物調(diào)查 121
5.1.1 背景 121
5.1.2 開縣消落帶受淹前土壤氮磷含量調(diào)查 122
5.1.3 水庫運行下澎溪河主要消落帶土壤氮磷含量與賦存形態(tài) 125
5.1.4 澎溪河主要淹沒區(qū)底泥氮磷含量調(diào)查 133
5.1.5 澎溪河消落帶/淹沒區(qū)土壕氮、磷含量總體特征 134
5.2 水中關(guān)鍵生源要素賦存形態(tài)與時空變化 138
5.2.1 澎溪河回水區(qū)水體氮素的時空變化過程 138
5.2.2 澎溪河回水區(qū)水體磷的時空變化過程 146
5.3 營養(yǎng)鹽相對豐度變化及其對藻類生長的影響 150
5.3.1 關(guān)鍵生源要素的化學計量關(guān)系與限制性評價 150
5.3.2 水庫運行下澎溪河關(guān)鍵生源要素產(chǎn)匯特點 151
5.3.3 水庫運行下澎溪河關(guān)鍵生源要素動態(tài)對藻類群落的影響 156
主要參考文獻 159
第6章 澎溪河藻類群落動態(tài)及其對生境的響應(yīng) 161
6.1 三峽支流水華現(xiàn)象及其研究進展 161
6.1.1 成庫后三峽庫區(qū)支流水華特征概述 161
6.1.2 三峽支流富營養(yǎng)化與水華研究進展 165
6.2 澎溪河回水區(qū)藻類群落動態(tài) 167
6.2.1 澎溪河回水區(qū)藻類物種調(diào)查與藻種名錄 167
6.2.2 澎溪河回水區(qū)藻類生物量變化 172
6.2.3 澎溪河回水區(qū)藻類群落演替過程（2007 ~2009 年） 175
6.2.4 澎溪河回水區(qū)藻類群落多樣性與演替速率（2007 ~2009 年） 183
6.3 燕類群落的生境選擇學說與生態(tài)功能分組 186
6.3.1 藻類群落的生境選擇學說 186
6.3.2 澎溪河回水區(qū)的藻類功能分組（2007 ~2009 年） 193
6.4 藻類群落演替的宏觀生態(tài)模式與水華形成機制 199
6.4.1 梯度分析的基本原理及其在藻類生態(tài)研究中的運用 199
6.4.2 基于功能分組的生境變化藻類群落演替梯度分析 201
6.4.3 澎溪河回水區(qū)水華成因分析 210
6.4.4 澎溪河回水區(qū)藻類群落季節(jié)演替的宏觀生態(tài)模式 216
6.5 澎溪河回水區(qū)藻類原位生長試驗研究 219
6.5.1 基于藻類原位生長試驗預(yù)測藻類群落演替與水華的總體思路 219
6.5.2 不同生長策略藻種的原位生長試驗研究 221
6.5.3 流速對藻類生長影響的原位生態(tài)槽試驗研究 232
主要參考文獻 238
第7章 澎溪河水-氣界面CO2 、CH4 通量研究 242
7.1 水庫溫室氣體通量研究簡述 242
7.2 水庫溫室氣體監(jiān)測技術(shù)與方法 245
7.2.1 水庫溫室氣體產(chǎn)匯路徑與監(jiān)測 245
7.2.2 水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀 248
7.2.3 三峽水庫溫室氣體通量監(jiān)測方案的總體設(shè)計 249
7.2.4 水庫溫室氣體通量主要監(jiān)測方法的改進、比較與適用性 252
7.3 澎溪河溫室氣體通量時空特征與影響因素 262
7.3.1 澎溪河溫室氣體通量監(jiān)測方案 262
7.3.2 澎溪河溫室氣體通量時空特點 264
7.3.3 澎溪河典型庫灣氣泡釋放通量和消落帶土-氣溫室氣體通量 271
7.4 水庫運行下澎溪河溫室氣體通量估算 283
7.5 澎溪河水體二氧化碳分壓變化及其影響因素 291
主要參考文獻 307
第8章 澎溪河回水區(qū)水體富營養(yǎng)化與水華特點 311
8.1 富營養(yǎng)化與水華 311
8.2 澎溪河回水區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)與初級生產(chǎn)力結(jié)構(gòu) 312
8.2.1 營養(yǎng)狀態(tài)評價與長序列分析 312
8.2.2 澎溪河回水區(qū)初級生產(chǎn)力結(jié)構(gòu)調(diào)查 314
8.3 澎溪河回水區(qū)富營養(yǎng)化與水華成因的探討 320
主要參考文獻 323
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