三峽庫區(qū)大寧河庫灣水體混合過程中的營養(yǎng)鹽行為

張佳磊，鄭丙輝，劉錄三，王麗婧，吳光應(yīng)

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點實驗室，北京 100012;3.巫山縣環(huán)境監(jiān)測站，重慶 404700)

三峽庫區(qū)大寧河庫灣水體混合過程中的營養(yǎng)鹽行為

張佳磊1，2，鄭丙輝1，2，劉錄三1，王麗婧1，2，吳光應(yīng)3

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點實驗室，北京 100012;3.巫山縣環(huán)境監(jiān)測站，重慶 404700)

為研究不同水文期不同水體混合模式下大寧河庫灣的營養(yǎng)鹽行為，基于2012年大寧河的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析營養(yǎng)鹽時空分布特征，采用箱式模型對不同水文期營養(yǎng)鹽的收支量進(jìn)行計算，以期為制定大寧河富營養(yǎng)化和水華控制策略提供理論依據(jù)。試驗及計算結(jié)果表明:在泄水期，干流水體通過表層逆向進(jìn)入庫灣，而支流水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸;在汛限期和蓄水期，干流水體主要通過中上層逆向進(jìn)入庫灣，而支流水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸。干流對支流的逆向頂托作用常年存在，泄水期、汛限期、蓄水期干流對支流的貢獻(xiàn)率分別為70.38%、28.42%和59.56%。在水體混合過程中，庫灣上游來水以及干流頂托來水的混合作用是控制庫灣水化學(xué)組成的主要物理因素。

三峽水庫;水體混合過程;營養(yǎng)鹽;大寧河庫灣

三峽大壩蓄水成庫后水文情勢的改變對該水域生態(tài)系統(tǒng)中生源要素(碳、氧、氫、氮和磷等)的地球化學(xué)過程產(chǎn)生了顯著影響。一方面，受長江回水頂托的影響，干流氮、磷的輸入導(dǎo)致支流庫灣污染加重［1-2］，對庫灣的營養(yǎng)鹽分布產(chǎn)生顯著影響;另一方面，蓄水成庫后對支流庫灣原有的物理、化學(xué)和生物特性產(chǎn)生顯著影響［3］，水流變緩，顆粒物攜帶營養(yǎng)鹽沉積效應(yīng)加強(qiáng)，水體透明度增加，浮游植物生物量升高，導(dǎo)致水體中營養(yǎng)鹽的濃度顯著降低，營養(yǎng)鹽在庫灣中產(chǎn)生顯著的滯留效應(yīng)［4-5］。目前關(guān)于三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化的研究主要集中在以下3個方面:①在確定三峽庫區(qū)典型支流營養(yǎng)鹽時空分布的基礎(chǔ)上，分析三峽水庫支流庫灣氮、磷等生源要素的輸入特點［1-2，6-7］;②從確定三峽水庫支流水文水動力特征(多重異重流)入手，從宏觀上定性研究水動力學(xué)特征對營養(yǎng)鹽輸移的影響［8-11］;③在確定庫灣遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的基礎(chǔ)上，從水文生物學(xué)、地球化學(xué)角度，定量研究水體混合過程中營養(yǎng)鹽的行為特征［4，8-9］。

中國環(huán)境科學(xué)研究院、三峽大學(xué)和中國海洋大學(xué)等科研單位在確定干流對支流逆向影響和庫灣滯留效應(yīng)的基礎(chǔ)上，研究了三峽水庫試驗性蓄水階段的營養(yǎng)鹽收支量，并指出水動力學(xué)因素是影響營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化量的關(guān)鍵因素，“雙重營養(yǎng)鹽消減”是控制三峽庫區(qū)支流富營養(yǎng)化的主要策略。

2008年11月4日三峽水庫水位蓄至172.8 m，標(biāo)志著三峽庫區(qū)三期試驗性蓄水完成，三峽庫區(qū)由動態(tài)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)。此時水流的改變導(dǎo)致水體滯留時間延長，試驗性蓄水前后水生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物因素有所不同，因此正式蓄水階段的水文學(xué)特征對營養(yǎng)鹽的輸入遷移和支流效應(yīng)的影響與試驗性蓄水階段差異顯著。在未對“后三峽”(三峽建成后的正常運(yùn)行階段)生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)鹽的行為特征進(jìn)行重新認(rèn)識的前提下，前期研究結(jié)果能否應(yīng)用于新的生態(tài)系統(tǒng)仍有待商榷。

本文基于2012年不同水文期現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析三峽庫區(qū)進(jìn)入正常運(yùn)行階段(穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng))后不同水文期不同水體混合模式下營養(yǎng)鹽的分布特征，從而確定不同水文期庫灣混合過程中的營養(yǎng)鹽行為，為后期探討“后三峽”水文學(xué)特征背景下水華生消機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為“后三峽”水環(huán)境演變過程和水華控制策略研究提供理論依據(jù)。

1 樣品采集與分析

1.1 樣點布設(shè)

從大寧河河口(大寧河與長江交匯處)至其上游分別設(shè)置S5(大寧河出水口)、S2(回水區(qū))、S3(回水區(qū))、S4(回水區(qū))和S1(上游區(qū))5個采樣點，具體位置如圖1所示。調(diào)查采樣時間為2012年4月27日—2012年9月28日，其中2012年4月27日、2012年5月17日和2012年6月9日代表泄水期(一般為每年的5—7月，水位下降較為集中);以2012年7月7日和2012年8月14日代表汛限期(一般為每年的7—9月，維持低水位運(yùn)行);以2012年9月9日、2012年9月17日和2012年9月28日代表蓄水期(一般為9—11月，水位上升比較集中)。泄水期、汛限期和蓄水期的水位分別在146.82～163.26 m、152.44～153.55 m 和158.85～167.75 m之間波動。

圖1 三峽庫區(qū)大寧河采樣點分布

1.2 現(xiàn)場采樣和室內(nèi)分析

調(diào)查采樣期間水域平均水深為56.64m，電導(dǎo)率(SPC)和葉綠素chl-a質(zhì)量濃度使用多參數(shù)水質(zhì)檢測儀(Hydro lab DS5X)現(xiàn)場測定，從水體表面至水體底層每隔1 m測量1次。采用5 L的Niskin采水器依次在水下0.5 m、2 m、5 m、10 m以及水體中層和底層分層采集水樣，帶回實驗室測定營養(yǎng)鹽(總氮TN和總磷TP)的質(zhì)量濃度。采樣及室內(nèi)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［12］。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 電導(dǎo)率分布特征

相關(guān)研究表明，電導(dǎo)率具有相對保守的性質(zhì)，因此可以表征水體的混合過程［13］。在調(diào)查期間，電導(dǎo)率變化范圍為209.7～402.0μS/cm。圖2為調(diào)查區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率的垂向分布。由圖2可見，電導(dǎo)率在大寧河庫灣垂向濃度分層和縱向梯度特征明顯:在泄水期，從河口至上游電導(dǎo)率呈遞減趨勢;在汛限期，從河口至上游電導(dǎo)率呈遞增趨勢;在蓄水期，從河口至上游電導(dǎo)率呈先遞減，后遞增，最后趨向同一性的趨勢。電導(dǎo)率垂向分布特征表明:在泄水期，干流水體通過表層逆向進(jìn)入庫灣，而支流上游水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸;在汛限期和蓄水期，干流水體主要通過中上層逆向進(jìn)入庫灣，而支流上游水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸。由此可以得出:在大寧河與長江的交匯處有一個明顯的從河口向上的濃度梯度。受不同水體密度差的影響，混合水體分為三部分，一部分是長江頂托水(從中上層進(jìn)入)，另一部分是上游底層來水，還有一部分是支流水。

2.2 葉綠素分布特征

在調(diào)查期間，葉綠素質(zhì)量濃度的變化范圍為0.12～44.29 mg/m3。在時間分布上，葉綠素質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在水位穩(wěn)定的汛限期，最低值出現(xiàn)在水位上升的蓄水期。在空間分布上，呈現(xiàn)回水區(qū)葉綠素質(zhì)量濃度較高、干流和上游較低的趨勢，并且主要聚集在表層水體(0～5 m)中。2012年4月27日、7月7日、9月28日大寧河葉綠素質(zhì)量濃度分布特征如圖3所示。

圖2 大寧河電導(dǎo)率分布特征(單位:μS/cm)

2.3 營養(yǎng)鹽分布特征

調(diào)查期間，TN質(zhì)量濃度的變化范圍為0.84～2.88 mg/L，在時間分布上，蓄水期和汛限期顯著高于泄水期。圖4反映了調(diào)查期間TN質(zhì)量濃度的時空分布，由圖4可見，從河口至上游TN質(zhì)量濃度表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，在垂向分布上表現(xiàn)為隨著水深的增加逐漸升高的趨勢。

圖5反映了調(diào)查期間TP質(zhì)量濃度的分布，TP質(zhì)量濃度的變化范圍為0.11～0.28 mg/L。由圖5可見，在時間分布上，蓄水期和汛限期略低于泄水期;在空間分布上，從河口至上游TP質(zhì)量濃度逐漸降低，在垂向分布上，TP質(zhì)量濃度隨著水深的增加逐漸升高。在不同調(diào)查期，水體中TP質(zhì)量濃度的縱向變化特征和TN略有不同，高濃度值普遍出現(xiàn)在水體底層，推測是由于泥沙沉降攜帶TP所致。

圖3 大寧河葉綠素質(zhì)量濃度分布特征(單位:mg/m3)

圖4 大寧河TN質(zhì)量濃度分布特征(單位:mg/L)

圖5 大寧河TP質(zhì)量濃度分布特征(單位:mg/L)

綜合電導(dǎo)率以及葉綠素、TN、TP質(zhì)量濃度時空分布規(guī)律分析得出:在水體混合過程中，營養(yǎng)鹽的時空分布受到生物、物理、化學(xué)過程的共同作用，調(diào)查期間葉綠素濃度較低，因此生物因素并不是主要控制因素。庫灣上游來水以及干流頂托來水的混合作用是控制庫灣水化學(xué)組成的主要物理因素。

2.4 水體混合過程和不同水文期營養(yǎng)鹽收支量的對比分析

通常認(rèn)為，電導(dǎo)率和常量離子在河流輸入過程中表現(xiàn)出化學(xué)保守行為，可以作為不同水體來源的指標(biāo)［13-14］。根據(jù)箱式模型和物質(zhì)守恒定律可以計算庫灣不同水體的組成，計算公式如下:

式中:x為支流上游來水對庫灣水體的貢獻(xiàn)率;1－x為河口庫灣水體的貢獻(xiàn)率;U為支流上游來水的電導(dǎo)率;C為河口水體的電導(dǎo)率;T為支流庫灣內(nèi)的電導(dǎo)率。

根據(jù)式(1)計算得出不同水文期上游和干流對庫灣水體的貢獻(xiàn)率，在泄水期、汛限期和蓄水期干流對支流的貢獻(xiàn)率分別為70.38%、28.42%和59.56%。

3 討論

a.在大寧河支流，電導(dǎo)率和常量離子有明顯的分層現(xiàn)象，沿水流方向呈現(xiàn)明顯的梯度變化特征。前期相關(guān)研究中指出:由于干支流表層、底層溫差顯著，干支流間存在顯著的密度差，支流上游來水與庫灣回水間存在明顯的水溫差和密度差，從而導(dǎo)致干流以倒灌異重流的形式進(jìn)入庫灣，上游來水常以底部異重流流出庫灣［8，10-11］。本文的研究結(jié)果直接驗證了這一結(jié)論。在泄水期，大寧河干流水體通過表層逆向進(jìn)入庫灣，而支流水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸;在汛限期和蓄水期，干流水體主要通過中上層逆向進(jìn)入庫灣，而支流水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸。本文結(jié)果在支持前期分層異重流結(jié)果的同時，也明確了不同水文期異重流的潛入深度和潛入距離。

b.造成水庫內(nèi)庫灣營養(yǎng)鹽濃度等參數(shù)變化的因素主要有水庫因素和非水庫因素，其中非水庫因素包括流域地質(zhì)環(huán)境、人文環(huán)境等，環(huán)境的差異致使不同支流的營養(yǎng)鹽水平不一，進(jìn)而導(dǎo)致干支流水體混合后營養(yǎng)鹽水平的差異;水庫因素主要是支流回水區(qū)受大壩影響程度的差異［4-5，9，15］。由圖 2 可以看出，在泄水期和汛限期，大寧河出水口(S5)垂向斷面的表層有一個明顯的從河口至上游遞減的梯度;在上游區(qū)(S1)垂向底層，有一個明顯的從上游至河口遞增的梯度。由于這種“頂托作用”，大寧河水體被分為三部分:支流水體、長江頂托水和上游來水。這種水體的混合過程使得長江干支流水體的理化參數(shù)發(fā)生了顯著變化。相關(guān)研究表明，不同水文期不同的水文情勢和不同的水動力學(xué)條件對營養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)率不同，水體混合過程和不同水文期營養(yǎng)鹽收支量計算結(jié)果有效地支持了這一規(guī)律在大寧河的普適性。電導(dǎo)率、葉綠素濃度和營養(yǎng)鹽濃度的時空分布結(jié)果表明，在水位急劇變動的泄水期和蓄水期，長江的逆向頂托作用是控制水體理化性質(zhì)的主要因素，這種干流的逆向頂托和上游來水的混合作用是影響支流生源要素分布的重要因素。

c.相關(guān)研究表明:分層異重流的存在所導(dǎo)致的干支流的交換作用可改變支流的水流特性、營養(yǎng)鹽濃度分布、光學(xué)特性及水文分層等，從而改變支流的富營養(yǎng)化和水華情勢［4-5，9，13-17］。三峽水庫蓄水前期，普遍認(rèn)為蓄水之后水流變緩是誘使水華暴發(fā)的主要原因，不少學(xué)者試圖通過尋找藻類生長同流速之間的相互關(guān)系以闡明支流水華暴發(fā)機(jī)制［18-19］。從藻類生理生態(tài)角度來說，流速并沒有直接影響藻類的生長增殖［20-21］。因此，有學(xué)者指出混合水體攜帶的營養(yǎng)鹽凈通量是水華暴發(fā)的重要營養(yǎng)鹽基礎(chǔ)［22］。本文的研究結(jié)果表明:葉綠素濃度時空分布差異顯著，回水區(qū)較高，干流和上游較低，并且主要聚集在表層水體(0～5 m)中。一方面是干流和支流間的水體混合攜帶了大量營養(yǎng)鹽進(jìn)入，為藻類的生長繁殖提供了營養(yǎng)基礎(chǔ);另一方面，回水區(qū)流速較低，更有利于藻類吸收消耗營養(yǎng)鹽從而大量生長繁殖，在藻類死亡分解后營養(yǎng)鹽又被滯留在回水區(qū)，對水體中的營養(yǎng)鹽濃度起到補(bǔ)充作用。

d.基于長期的野外監(jiān)測數(shù)據(jù)得出:大寧河基本處于貧～中營養(yǎng)狀態(tài)，時空差異顯著，從干流至上游富營養(yǎng)化程度逐漸降低;汛限期富營養(yǎng)指數(shù)最高，泄水期和蓄水期次之，高水位運(yùn)行期最低［23］。結(jié)合營養(yǎng)鹽收支量的計算結(jié)果可以得出，正是由于干支流間的交換影響水體間營養(yǎng)鹽的輸移狀態(tài)，從而對水體的營養(yǎng)鹽時空分布產(chǎn)生顯著影響。

4 結(jié)論

a.大寧河電導(dǎo)率存在明顯的分層現(xiàn)象:在泄水期，干流水體通過表層逆向進(jìn)入庫灣，而支流水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸;在汛限期和蓄水期，干流水體主要通過中上層逆向進(jìn)入庫灣，而支流水體通過底層潛流向河口運(yùn)輸。這和試驗性蓄水階段的水體混合特性研究結(jié)論一致。

b.干流對支流的逆向頂托作用常年存在，并非只出現(xiàn)在蓄水期，并且不同水文期貢獻(xiàn)率不同，貢獻(xiàn)率的最大值出現(xiàn)在泄水期和蓄水期，而最小值出現(xiàn)在水位較穩(wěn)定的汛限期。在水體混合過程中，營養(yǎng)鹽的時空分布受到生物、物理化學(xué)過程的共同作用，但是庫灣上游來水以及干流頂托來水的混合作用是控制庫灣水化學(xué)組成的主要物理因素。

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［23］張佳磊.三峽庫區(qū)大寧河富營養(yǎng)化和水華研究［D］.上海:華東師范大學(xué)，2012.

Behaviors of nutritive salt during water body mixing process in Daning Bay of Three Gorges Reservoir

ZHANG Jialei1，2，ZHENG Binghui1，2，LIU Lusan1，WANG Lijing1，2，WU Guangying3(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing100012，China;2.State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Protection，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing100012，China;3.Environmental Monitoring Station of Wushan，Chongqing404700，China)

To investigate the behaviors of nutrients in the Daning Bay of the Three Gorges Reservoir under different modes of water body mixing in different seasons，the spatial-temporal distribution of nutrients was analyzed based on field data collected from the Daning Bay in 2012.The seasonal variations of nutrients were calculated using the box model，which was expected to provide a theoretical basis for the formulation of a strategy for controlling the eutrophication and algal bloom in the Daning Bay.Experimental and calculated results show that during the discharge period，the mainstream water flowed into the Daning Bay upwardly through the upstream surface current，while the tributary water flowed to the estuary through the bottom density current.During the flood and storage periods，the mainstream water flowed into the Daning Bay upwardly through the upstream surface and middle-layer currents，while the tributary water flowed to the estuary through the bottom density current.The function of the mainstream water body against the flow from tributary perennially exists.The contribution rates of the mainstream to the tributary during the discharge period，flood period，and storage period were 70.38%，28.42%，and 59.56%，respectively.During the water mixing process，the interaction of the water from the Daning Bay upstream and the water from the mainstream was the main physical mechanisms to control the chemical composition of the Daning Bay.

Three Gorges Reservoir;water mixing process;nutritive salt;Daning Bay

P342+.1

A

1006-7647(2013)06-0066-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.014

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51209190);“十二五”國家水體污染控制與治理重大科技專項(2012ZX07503-002)

張佳磊(1983—)，女，湖北京山人，博士，主要從事流域水環(huán)境保護(hù)和河流水污染研究。E-mail:zhangjialei@craes.org.cn

鄭丙輝(1963—)，男，浙江天臺人，研究員，主要從事流域水環(huán)境保護(hù)和河流水污染研究。E-mail:zhengbh@craes.org.cn

2013-05-14 編輯:駱 超)