揭示三峡水库回水区藻类暴发的水动力控制机制：来自三氧同位素分析的见解

《Journal of Environmental Management》：Revealing hydrodynamic controls on algal bloom outbreaks in the Three Gorges Reservoir backwater area: Insights from triple oxygen isotopes analysis

三重氧同位素技术定量诊断三峡水库主流-支流水混合比例及水文动力条件对藻华发生的影响，揭示支流水体同位素值更高且主流水贡献比例随距离增大，水流缓慢区域藻华频次显著增加，为水库生态管理提供依据。

　　

作者：朱雅欣、王迪、王玉春、韩桂林

中国地质大学（北京）地球科学研究院地质微生物学与环境变化国家重点实验室，北京 100083

摘要

三峡大坝作为世界上最大的水力发电项目，形成了一个相对静态的水环境，这促进了回水区藻类的大量繁殖，从而对水库的生态环境和社会经济利益产生了负面影响。三氧同位素技术基于传统的氢和氧同位素在追踪不同水体之间水交换过程的能力，同时增强了δ¹⁷O在抵抗温度变化引起的平衡分馏效应方面的独特优势。本研究将这种创新方法应用于三峡水库，以探索水动力与藻类繁殖之间的相互作用。结果表明，主流水的三氧同位素组成低于其支流，上游支流的同位素值较高。端元混合分析表明，随着河流接近大坝，主流水对各个支流的贡献逐渐增加。此外，根据Ward的分类方法，与主流同位素值相似的支流采样点显示出比当地雨水补给河流更高的藻类繁殖频率，这表明水流停留时间较长且流速较低的河道为藻类繁殖提供了有利条件。本研究强调了水库引起的水文变化对藻类动态的影响，并为有效管理回水区的生态环境提供了科学指导。

引言

河流是水圈的重要组成部分，是物质从陆地输送到海洋的主要途径（Liu和Han，2021；Zhang等人，2025b）。目前，全球约有70%的河流被筑坝（Wang等人，2019）。大坝的建设对沉积物含量、水生生物多样性和河水质量产生了广泛而深远的影响（Daessle等人，2016）。水库蓄水后，在主流与支流交汇处形成的回水区成为物质滞留的区域（Chen等人，2024b）。由于流速大幅降低，这些区域的水动力条件发生了显著变化（Yang等人，2015）。由于主流水回流，靠近水库的支流经常出现水质恶化、藻类繁殖和鱼类大量死亡事件（Cai等人，2019）。除了生态退化外，大型水库中的藻类繁殖还对社会经济发展（Jin和Xu，2024，2025）和可持续水资源管理提出了更广泛的挑战。藻类繁殖不仅增加了水处理成本，给渔业和旅游业带来了经济损失，还可能通过饮用水和食物链威胁公共健康（Gorham等人，2020；Lad等人，2022）。随着温度升高，季风地区的雨季通常是藻类繁殖的高发期（Han等人，2020）。同时，雨季河流流量的增加增强了回水区的营养物质通量，水动力条件的变化进一步促进了此类事件的频繁发生（Yang等人，2017），这凸显了需要有效的诊断工具来支持主动的水库管理。因此，研究回水区的水动力特征并分析雨季不同水体之间的混合过程对于阐明藻类繁殖机制和改善支流海湾的水质至关重要（Yang等人，2015），这与旨在提高用水效率和优化水库运营的全球可持续发展目标是一致的（Tortajada，2020）。

三氧同位素（δ²H、δ¹⁸O和δ¹⁷O）的追踪能力为研究生态水文过程中的水动力条件提供了强大的工具，特别是在受主流和支流流动相互作用影响的区域（Wang等人，2021；Zhao等人，2016）。由于同位素分馏，河流生态系统中的不同水源表现出不同的三氧同位素自然丰度，成为各个水体的独特指纹（Chen等人，2024a）。当支流和主流水在水库系统中混合时，它们的同位素特征结合在一起，使得可以追踪水的运动并量化河流、湖泊和水库之间的混合效应（Cai等人，2019；Yang等人，2017；Ye等人，2017）。与传统的稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）不同，后者可能因蒸发而掩盖水文信息（如补给来源），三氧同位素提供了关于水源和水文路径的更全面视角（Yang等人，2024），因为它们在蒸发和凝结过程中不受温度影响（Luz和Barkan，2005）。此外，二阶参数¹⁷O过量有助于区分平衡分馏和动力学分馏过程，为水源识别和蒸发动态提供了关键信息（Luz和Barkan，2010）。因此，使用三氧同位素来研究水库的水动力条件可能是一种高效且方便的方法。

作为世界上最重要的水利工程之一，三峡大坝自2003年投入使用以来，显著改变了三峡水库（TGR）内的水动力条件，导致水库区域富营养化加速（Sha等人，2015；Yang等人，2015）。一些支流的回水区逐渐从河流型系统转变为湖泊型系统。相对较慢的流速使藻类能够持续获得新的营养物质，而不会受到高剪切应力和剪切率的结构破坏（Li等人，2024）。水几乎处于静止状态，这也延长了污染物进入河流的停留时间，从而促进了TGR中藻类的频繁繁殖（Jiao等人，2018）。关于水库混合动力学的研究进一步表明，主流与支流之间的温度和浊度梯度在系统中形成了分层（Summers和Ryder，2023）。表层水的高透明度和强烈的水下光照强度有效地促进了藻类生长（Song，2023）。在这些区域中，表层水是最直接和活跃的富营养化表现层（Yang等人，2017）。它直接受到气象条件、支流流入和雨水输入的影响，导致了最复杂的水动力效应（Chen等人，2023）。本研究旨在（1）揭示TGR的表层三氧同位素特征，（2）确定水源补给并量化主流与支流的混合比例，以及（3）探索不同水动力环境对藻类繁殖发生率的指示意义。本研究首次将三氧同位素应用于定量诊断大型调节水库中的表层水混合。通过将同位素混合模式与藻类繁殖事件联系起来，该方法将三氧同位素从水文示踪剂发展为藻类易发水动力环境的指标，为水库运营和生态管理提供了科学支持。

研究区域

三峡大坝是世界上最大的水电站，位于西陵峡中部。三峡水库位于长江上游的末端（北纬28°32’～31°44′，东经105°49’～111°39′），从重庆市延伸至湖北省，总面积为57,500平方公里（图1）（Wang等人，2023）。三峡水库的地形主要为山地和丘陵，地形起伏剧烈，西部海拔较低，东部海拔较高

三氧同位素的空间变化

三峡水库中δ²H的值介于?77.55‰至?48.85‰之间，平均值为?65.78 ± 11.24‰（平均值 ± 标准差）。δ¹⁸O的值介于?11.38‰至?7.43‰之间，平均值为?9.60 ± 1.39‰。δ¹⁷O的值介于?6.18‰至?3.87‰之间，平均值为?5.23 ± 0.83‰（图2）。其中，YZR（回水区）中δ²H、δ¹⁸O和δ¹⁷O的平均值分别为?75.66 ± 1.77‰、?10.83 ± 0.43‰和?5.77 ± 0.11‰。这些同位素值总体上呈上升趋势，但存在波动，这可能是由于

主流与支流之间混合程度的量化

为了进一步表征三峡水库中支流海湾在水流相互作用下的水动力差异，图6计算了YZR向三个支流的补给分布。根据计算结果，各支流的平均补给比例分别为3.7 ± 6.5%（XJR，n = 6）、43.6 ± 41.5%（DNR，n = 4）和78.7 ± 11.9%（XXR，n = 6）。值得注意的是，补给比例存在较大的空间变异性，位于

结论

三氧同位素分析为大型水库系统中的水文过程提供了有效的工具，并为环境管理策略提供了关键见解。这种方法在三峡水库中得到应用，以研究水动力过程与藻类繁殖发展之间的联系。结果表明，YZR的同位素特征低于其支流。这种差异反映了不同的水源，支流的流入

CRediT作者贡献声明

朱雅欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件使用，正式分析，数据管理，概念构思。王迪：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，数据管理，概念构思。王玉春：研究。韩桂林：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，资金获取，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了“深时数字地球”科学技术领军人才团队的支持，该团队隶属于中国地质大学（北京）的深时数字地球前沿科学中心（中央高校基本研究基金；编号2652023001）。