举世瞩目的三峡工程于2003年6月开始蓄水，在未来的运行过程中，能否有效地控制库区污染、保护水库水质，是三峡水库的关键技术和公众关心的问题之一。本书是作者及其领导的课题组历时8年、协作攻关完成的研究课题的系统总结，是有关三峡工程水环境影响和水污染控制问题最新的系统性成果。
本书全面、系统地提出了三峡水库水质预测和环境容量的计算方法与计算方案，在此基础上，预测了三峡工程建库前后库区水质的变化，推荐了三峡水库环境容量的综合方案，对三峡水库水污染控制具有重要参考价值。主要内容包括：对库区水环境基础资料（包括水文水质和污染负荷）进行了详尽的同步观测和调查预测；在此基础上，采用总体一维、局部二维和库首三维水流水质数学模型，对三峡工程建成前后在丰、平、枯典型水文年下水库的水质状况进行了全面的计算预测；根据库区实际，对三峡水库进行水域功能区划，分别提出库区总体水质和岸边水质保护目标、污染控制指标和控制浓度，计算库区总体水环境容量和岸边水环境容量，并提出三峡水库水环境容量综合方案及具体污染控制与防治对策；开发研制三峡水库水污染信息管理系统，为水环境管理决策提供技术支撑。本书成果已获2005年度教育部提名国家科技进步奖一等奖。
本书适合从事水资源保护和水环境研究（特别是三峡库区）的科研人员、管理人员和研究生阅读。关心三峡工程及其水环境问题的读者可以从本书中了解到权威、科学的信息。
引言： 本书聚焦于中国长江经济带的关键枢纽——三峡水库，深入探讨其水质的演变规律与环境容量的科学计算。三峡水库作为世界最大的水利工程，其水质状况直接关系到长江中下游的生态安全、饮用水源的稳定以及区域经济社会的可持续发展。然而，随着库区水文情势的变化、周边工农业生产及城镇化进程的加速，水质面临着日益复杂的挑战。因此，对三峡水库水质进行精准预测，并在此基础上科学评估其环境容量，对于制定科学的水污染防治策略，实现人水和谐具有重要的理论与实践意义。 第一部分：三峡水库水质现状与影响因素分析 本部分将从多维度、多层次剖析三峡水库当前的水质特征，并深入探究影响其水质演变的各类因素。 水质指标体系构建与监测现状： 我们将首先梳理国际与国内通行的水质评价指标，并结合三峡水库的实际情况，构建一套全面、科学的水质指标体系。这包括但不限于： 常规指标： pH值、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、总氮（TN）、高锰酸盐指数（CODmn）等，这些是衡量水体有机物污染、富营养化程度以及一般水质状况的基础。 特种指标： 重金属（如汞、镉、铅、砷等）、有机污染物（如农药、多环芳烃、酚类等）、挥发性有机物（VOCs）、微生物指标（如大肠杆菌群）等，针对性地揭示特定污染物的风险。 水体物理特性： 水温、浊度、悬浮物、色度等，这些物理特性不仅影响水体的自净能力，也与生物栖息环境密切相关。 在此基础上，我们将回顾三峡水库长期以来的水质监测网络建设、监测数据获取的途径与历史，分析现有监测体系的优势与不足，为后续的水质预测模型奠定数据基础。 影响三峡水库水质的关键因素剖析： 来水来沙及其水质贡献： 长江干流来水： 分析长江上游、中游主要支流（如嘉陵江、岷江、汉江等）的来水流量、水温、pH值等基本水文要素，并重点考察其携带的污染物负荷。例如，不同流域的地质构造、植被覆盖、降雨强度等都会影响来水的浑浊度和溶解性物质的含量。 来沙： 深入研究来沙对水库水质的影响，包括泥沙淤积如何改变水体结构、影响光照穿透、吸附和释放污染物等。分析不同季节、不同时期来沙量的变化特征及其对水体透明度和溶解氧的影响。 水库自身的运行调度： 泄洪调度： 分析不同泄洪模式（如枯水期泄洪、汛期泄洪）对水库内部水文环流、污染物稀释扩散的影响。例如，高强度泄洪可能导致库内水位骤降，改变滞留时间，甚至引起底部沉积物再悬浮。 发电运行： 探讨水轮机组运行对水体溶解氧、温度等微观环境的影响，虽然影响相对较小，但在特定情况下也不容忽视。 生态调度： 分析为保障下游生态而进行的生态放水等操作，对库内水质及污染物分布的影响。 点源污染： 城镇生活污水： 评估库区及沿岸城镇的生活污水排放量、处理率及排放去向，分析其中携带的有机物、氮、磷等污染物对水质的直接影响。关注污水处理厂的运行效率与升级改造情况。 工业废水： 梳理库区及周边已有的工业企业类型、废水排放量、污染物种类及排放标准执行情况。重点关注高污染行业（如化工、冶金、制药等）对水质的潜在威胁。 养殖业污染： 分析库区及支流沿岸的畜禽养殖、水产养殖活动产生的废水排放，特别是氮、磷等富营养化物质的贡献。 面源污染： 农业面源污染： 评估库区及流域内农业生产（包括耕地、林地）过程中化肥、农药的施用量，以及其通过地表径流、地下径流进入水体的过程。分析不同作物种植结构、施肥习惯对水质的影响。 林业面源污染： 探讨林区径流携带的腐殖质、有机物等对水质的影响。 大气沉降： 分析大气污染物（如酸雨、重金属颗粒物）通过干湿沉降进入水体的过程，尽管其贡献相对较小，但在特定污染物监测中仍需考虑。 库内水文动力学过程： 环流模式： 探讨库区存在的各种环流模式（如分层环流、底层环流、滞留区等）对污染物分布、稀释与迁移的影响。 泥沙淤积与再悬浮： 深入分析泥沙的沉积过程、分布规律以及季节性或事件性（如强降雨、泄洪）的再悬浮现象，及其携带或释放的污染物。 热分层与溶解氧分布： 分析水库夏秋季可能出现的热分层现象，以及这如何影响水体垂直方向的混合，进而影响溶解氧在不同水层中的分布，可能导致底层缺氧。 生态系统内部过程： 水生生物活动： 藻类、浮游生物、底栖生物等水生生物的生长、死亡、分解过程所产生的有机物以及对营养盐的消耗与释放。 底泥的吸附与释放： 分析库底沉积物中积累的污染物（如重金属、有机污染物）在特定环境条件（如厌氧、pH变化）下可能发生的释放行为，对水质造成二次污染。 第二部分：三峡水库水质预测模型构建与应用 本部分将聚焦于如何利用科学的模型工具，对三峡水库未来一段时间内的水质状况进行预测，并探讨模型的类型、构建方法及应用场景。 水质预测模型的分类与选择： 经验模型与机理模型： 介绍不同类型的水质模型，包括基于统计学和相关性的经验模型（如多元回归模型），以及基于物理、化学、生物过程的机理模型（如二维或三维水动力-水质耦合模型）。 模型选择原则： 依据预测目标、数据可获得性、计算资源以及对水质过程理解的深度，阐述选择何种模型更为合适。例如，对于短期、特定污染物的预测，经验模型可能更易于实现；而对于长期、综合的水质变化趋势，机理模型能提供更深入的机理解释。 常用模型介绍： 简要介绍一些在水库水质模拟中广泛应用的模型，例如： 水动力模型： 如EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）、MIKE系列模型等，用于模拟水流、泥沙输移等。 水质模型： 如CE-QUAL-W2、WASP（Water Quality Analysis Simulation Program）等，可以模拟溶解氧、营养盐、藻类、污染物等多种水质要素的演变。 耦合模型： 将水动力模型与水质模型相结合，实现更精确的模拟。 模型构建的关键要素： 模型输入数据： 边界条件： 上游来水流量、水质数据，大气降水、蒸发数据，以及库区周边工农业、生活污水排放量及水质数据。 初始条件： 水库初始的水位、水温、水质等状态。 模型参数： 反应速率常数、扩散系数、生物参数等，这些参数的获取与校准至关重要。 模型结构与离散化： 描述如何根据库区地形、水深等特征，将研究区域划分为若干计算单元（如网格、节点），建立数学方程描述水体中物质的输移与转化。 模型校准与验证： 校准（Calibration）： 通过调整模型参数，使模型模拟结果与历史监测数据（训练数据）尽可能一致的过程。 验证（Verification）： 使用独立于校准数据的另一组历史监测数据，检验校准后的模型能否准确预测水质变化，评估模型的可靠性。 水质预测的应用场景： 短期预警： 预测未来数日或数周内的水质变化，为应急响应和污染事件处置提供科学依据。 中期预测： 评估未来数月或一年内，在不同来水、降雨和排放情景下，水质可能出现的变化趋势，为水资源管理部门提供决策参考。 长期情景分析： 模拟不同发展规划（如流域产业结构调整、城镇化进程加速、气候变化等）对三峡水库水质的长期影响，为可持续发展提供战略性指导。 污染源溯源与管理： 通过模型反演，识别关键的污染贡献源，为制定精准的污染控制措施提供支持。 水质改善效果评估： 模拟不同污染减排措施实施后的水质改善效果，量化决策的有效性。 第三部分：三峡水库环境容量计算理论与方法 本部分将深入探讨环境容量的概念、计算理论，以及如何将其应用于三峡水库，以指导其水环境承载能力的评估。 环境容量的概念与内涵： 定义： 阐述环境容量是指在特定环境条件下，环境（如水体）能够容纳污染物总量，并保持其功能（如饮用水源、生态系统健康）不致显著恶化的最大限度。 要素： 强调环境容量并非单一数值，而是与污染物种类、水体自净能力、水体功能区划、评价标准以及经济社会发展水平等多种因素密切相关的动态概念。 重要性： 论述环境容量在区域水环境保护规划、排污总量控制、可持续发展等方面的核心作用。 环境容量计算的理论基础： 质量守恒原理： 污染物在水体中的总量平衡，即进入量、输出量、转化量与蓄积量之间的关系。 稀释扩散理论： 水流运动导致污染物在空间上分布稀释，降低其浓度。 自净作用： 水体自身的物理、化学、生物过程（如沉降、氧化还原、微生物降解、光解等）对污染物的去除能力。 水质标准： 作为环境容量计算的最终目标，不同的水质标准（如地表水环境质量标准）决定了允许存在的最大污染物浓度。 三峡水库环境容量计算方法： 基于稳态平衡的计算方法（静态计算）： 单因子稳态法： 假设水体处于长期稳定状态，污染物进出水体达到平衡。计算公式通常为：环境容量 = （允许排放总量 - 自然背景总量）/ 允许排放系数。更详细的公式涉及水体体积、平均停留时间、水质标准、自净能力等。 多因子综合法： 考虑多种污染物之间的相互影响，以及它们在水体中的协同或拮抗作用。 基于非稳态过程的计算方法（动态计算）： 瞬时水质模型法： 利用水质预测模型，模拟污染物在不同时间尺度的输移转化过程，计算在特定时间段内可接受的污染物输入量。这更能反映水库的动态变化特性。 基于生态风险的计算方法： 考虑污染物对水生生物、人体健康以及生态系统功能产生的潜在风险，以此确定环境容量。 考虑水库特殊性的计算方法： 分层计算： 鉴于水库可能出现的水温、溶解氧等垂直分层现象，可分别计算不同水层（表层、中层、底层）的环境容量。 考虑泥沙影响的计算： 将泥沙对污染物吸附、释放的动态过程纳入计算模型。 考虑水文情势变化的计算： 结合不同来水、泄洪情景，计算不同情景下的环境容量。 容量分配： 讨论如何将计算出的总环境容量，科学、公平地分配给不同的污染源（如沿江城镇、工业企业、农业面源等）。 三峡水库环境容量的应用： 排污许可管理： 为排污许可证的核定提供科学依据，限制污染物排放总量。 水功能区划与保护： 确定不同水功能区（如饮用水源保护区、景观用水区）的环境容量，并制定相应的保护策略。 经济发展规划： 将环境容量作为区域经济发展的约束条件，引导产业结构优化升级，鼓励绿色发展。 污染治理与修复： 指导污染治理项目的优先级排序与投入方向，以及水环境修复工程的设计。 区域协调与合作： 为跨界水体（如长江流域）的污染联防联控提供技术支撑。 结论与展望： 本书通过对三峡水库水质现状的全面分析、水质预测模型的深入研究以及环境容量计算方法的系统探讨，旨在为三峡水库水质保护与可持续利用提供强有力的科学支撑。未来的研究方向可进一步拓展至： 更高分辨率、更精细化的水质模型： 考虑更多微生物群落、底泥-水交互过程等细节。 集成化、智能化的水质预测与决策支持系统： 结合大数据、人工智能技术，实现实时监测、动态预测与智能决策。 气候变化情景下的水质与环境容量评估： 预测未来气候变化对三峡水库水质和容量的影响。 水-生态-经济耦合模型： 建立更宏观的系统模型，实现水环境管理与经济社会发展的协同优化。 相信本书的研究成果，将为保障长江经济带的生态安全，促进区域经济社会的可持续发展做出积极贡献。
