清水江河道深潭
—急流—河灘系統(tǒng)水質(zhì)差異

郭春祥，王震洪，劉立波,3，王慶鶴

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 貴州 貴陽550025；3.凱里學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，貴州 凱里 556011)

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清水江河道深潭
—急流—河灘系統(tǒng)水質(zhì)差異

郭春祥1，王震洪2，劉立波2,3，王慶鶴2

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 貴州 貴陽550025；3.凱里學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，貴州 凱里 556011)

摘要：指出了天然河流是由深潭-急流-河灘不斷重復(fù)出現(xiàn)構(gòu)成的系統(tǒng)，深潭-急流-河灘是河流的基本結(jié)構(gòu)單元。在清水江上、中、下游選取9個基本結(jié)構(gòu)單元為對象，測定水質(zhì)指標(biāo)、模擬底質(zhì)氮磷釋放，分析了山區(qū)典型河道基本結(jié)構(gòu)單元與水質(zhì)變化之間的關(guān)系。研究表明：深潭和急流水體中各指標(biāo)濃度TN(0.90>0.84)、NO3--N(0.50>0.45)、NH4+-N(0.225>0.195)、TP(0.0172>0.0148)、DO(8.50<10.54)、BOD5(1.36<2.67)和COD(11.30<11.35)，F(xiàn)檢驗除-N差異性不顯著外，其余均顯著。用蒸餾水模擬河水，底質(zhì)氮磷釋放量小于原河水模擬河水氮磷釋放量，并且見光模擬釋放要小于避光條件模擬釋放。河流形態(tài)結(jié)構(gòu)變化影響著水環(huán)境質(zhì)量，深潭-急流-河灘不斷重復(fù)出現(xiàn)使河流水質(zhì)得到改善，在河道生態(tài)修復(fù)中需要遵循河流形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律以提高河流的自凈能力。

關(guān)鍵詞：河道；深潭-急流-河灘；水質(zhì)；釋放；清水江

1引言

河道水體的污染通常是由于水中氮、磷等營養(yǎng)元素含量過多或有機(jī)污染物超標(biāo)造成的藻類異常繁殖[1]。國內(nèi)外學(xué)者對河道中浮游植物群落結(jié)構(gòu)，河道水體流速對水中污染物的影響，河流形態(tài)多樣性對河流生態(tài)系統(tǒng)多樣性、功能、機(jī)制的影響，利用水動力模型模擬河流形態(tài)與粗糙度關(guān)系等方面進(jìn)行了大量研究[2，3]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于河道在水動力過程的長期作用下，天然河道在一定距離內(nèi)形成了“急流-深潭-河灘”這一基本的結(jié)構(gòu)單元，并且隨著河流上下延伸會不斷的重復(fù)出現(xiàn)，因此河道中的水質(zhì)不僅會因上下游不同河段環(huán)境的差異而變化，而且河水在“急流-深潭-河灘”這個交替單元中也會有所差異[4～7]。階梯-深潭系統(tǒng)則是大坡度山區(qū)河道演變中十分重要的河床形態(tài)，常由一段陡坡和一段緩坡加上深潭相間連接而成，在河道縱向呈現(xiàn)一系列階梯狀[8]。然而，隨著河道向下游發(fā)展，階梯-深潭系統(tǒng)變成了急流-深潭-河灘系統(tǒng)。急流水淺、流速快，常處于河流中間位置，河床基質(zhì)貧營養(yǎng)，沒有水草等水生植物。深潭是一個類似碗狀結(jié)構(gòu)，底質(zhì)較多，有許多細(xì)沙甚至淤泥，適宜于多種水生生物的棲息。河灘是由礫石和泥沙構(gòu)成，是河流與陸地之間的過渡帶。不同流速、不同深淺的急流和深潭組合為水生動物創(chuàng)造了多樣的棲息地，這有利于河流生態(tài)系統(tǒng)保持較高的生物多樣性。

流域生態(tài)學(xué)包括河網(wǎng)間帶、河網(wǎng)和湖泊系統(tǒng)，河網(wǎng)間帶和湖泊從小尺度揭示規(guī)律已經(jīng)很深入了，而河網(wǎng)的河流生態(tài)研究長期停留在河流整體格局上，急流-深潭-河灘系統(tǒng)作為整體河流尺度下的基本結(jié)構(gòu)和功能單位的確立，將使河網(wǎng)系統(tǒng)的生態(tài)研究深入到更小尺度，和其他兩個亞系統(tǒng)同步，這樣就完善了流域生態(tài)學(xué)的理論。在目前天然河流已很少的情況下，本研究選取天然性好的清水江為研究對象，一是因為清水江是貫穿貴州喀斯特和非喀斯特地區(qū)的重要河流，并且具有典型河道深潭-急流-河灘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，二是20世紀(jì)工農(nóng)業(yè)發(fā)展，河流污染比較嚴(yán)重，21世紀(jì)初，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，清水江水環(huán)境污染加劇，自2008年，省水利廳和省環(huán)保廳聯(lián)合頒布《貴州清水江流域污染防治規(guī)劃(2008～2010年)》，對清水江的污染加強(qiáng)治理，取得良好效果[9]。本文在此基礎(chǔ)上通過對清水江不同水期上、中、下游河段急流-深潭-河灘系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)及對流域生態(tài)環(huán)境影響的相關(guān)指標(biāo)測定，認(rèn)識河流基本結(jié)構(gòu)單元形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能， 收集相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得的研究結(jié)果可以直接支撐河流生態(tài)工程的開展，也可以為其他河流的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

2材料與方法

2.1研究河段概況

清水江是沅江的主源，發(fā)源于貴州省都勻市谷江鄉(xiāng)西北，是長江流域上游重要支流之一，是貴州省第二大河流，發(fā)源于貴州省都勻市谷江鄉(xiāng)西北，主要流經(jīng)都勻市、凱里市、錦屏縣，在天柱縣流出省境，出省河口海拔216 m。整條河流的走自西向東，海拔逐漸降低。流經(jīng)的地區(qū)大部分為少數(shù)民族地區(qū)，河道蜿蜒曲折，森林植被茂密。清水江在貴州省境內(nèi)長459 km，流域面積17157 km2[10]，集雨面積6700 km2，年產(chǎn)水量124億m3，流域內(nèi)有16個縣市。本研究分別選取都勻(N26°11′59″，E107°42′30″，海拔809 m)、凱里(N26°32′36″，E107°52′41″，海拔621 m)、錦屏(N26°6′29″，E108°7′10″，海拔357 m)河段作為清水江上、中、下游河段對結(jié)構(gòu)單元中水質(zhì)進(jìn)行分析(圖1)。

2.2樣品采集和測定

2.2.1樣品的采集

在每個河段，逆著水流方向，依次選定3個急流及深潭，在每個急流和深潭中，根據(jù)面積大小，確定3個等距離的采樣點，在水面下0.5 m處用有機(jī)玻璃采樣器采集水樣，然后立即裝入聚乙烯塑料瓶內(nèi)密封，水樣用濃硫酸固定，置于4 ℃下保存。每個急流和深潭中的3個水樣測定結(jié)果的平均值反映該深潭或急流的水質(zhì)狀況。每個河段設(shè)置6個采樣點，上、中、下游共18個采樣點。水樣采樣頻率為枯水期、豐水期各一次。

在相同的采樣點按順序在每個河段確定3個相連的深潭-急流-河灘系統(tǒng)，分別對每個系統(tǒng)的底泥或底質(zhì)采樣，由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的地址差異，急流底質(zhì)為卵石、漂石，深潭底質(zhì)為黏粒、粉砂、河灘底質(zhì)為砂粒、礫石，共9個連續(xù)的深潭-急流-河灘系統(tǒng)共27個采樣位，且對每個樣位選擇5個采樣點的樣品進(jìn)行混合形成混合樣。具體地，采集沉積物表層0～15 cm的新鮮底泥，平均每個樣品至少采集同一典型河段3個不同的點的樣進(jìn)行混合，使樣品具有代表性。

2.2.2樣品的測定

底質(zhì)樣品帶回實驗室后，將上游、中游和下游3個河段對應(yīng)的深潭(ST)、急流(JL)和河灘(HT)的9個底質(zhì)分三組分別置于1000 mL量筒，保持通氣狀態(tài)。一組加入原河水(Y)為上覆水，一組加入蒸餾水(Z)為上覆水進(jìn)行實驗對比，同樣水土比為5∶1，做3組平行樣；避光(B)一組將黑色塑料袋包裹于整個實驗裝置完全避光，光照一組則不包裹將實驗裝置置于25 ℃培養(yǎng)箱24 h光照培養(yǎng)。每隔兩天利用注射器小心的吸取靠近底質(zhì)界面的上覆水過0.45 μm濾膜對其進(jìn)總氮的測定。

2.2.3清水江底泥釋放總氮、總磷釋放通量

由公式(1)計算氮磷的釋放通量：

式中:K為一定條件下沉積物總氮/總磷的釋放速率(mg/(m2·d));Cj,C0,Cj-1為第j次、初始和j-1次采樣時總氮/總磷的濃度(mg/L);C′為添加水樣總氮/總磷的濃度(mg/L);V為試驗上覆水體積(L);V′為每次采樣的體積(L);A′為試驗上覆水與沉積物的接觸面積(m2);t為釋放時間。每次采樣得出的K的平均值即為氮/磷的釋放通量。

3結(jié)果與分析

3.2不同水期急流-深潭水體溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)濃度比較

圖3表明，清水江在枯水期和豐水期的DO及BOD5均表現(xiàn)為深潭<急流，COD在枯水期表現(xiàn)為深潭>急流，而在豐水期則表現(xiàn)為深潭<急流。DO在枯水期的差異性顯著(n=9，F(xiàn)=0.176，P<0.05)，豐水期差異性極顯著(n=9，F(xiàn)=0.328，P<0.01)；BOD5在枯水期(n=9，F(xiàn)=0.027，P<0.05)和豐水期(n=9，F(xiàn)=0.071，P<0.05)均為差異性顯著；COD在枯水期差異性極顯著(n=9，F(xiàn)=0.793，P<0.01)，在豐水期則差異性顯著(n=9，F(xiàn)=0.640，P<0.05)。通過分析，DO與BOD5在豐水期水量較大條件下，急流水體流速快，有利于氧溶于水。枯水期雖然水流緩慢，但深潭中水生植物不多，對水體供氧能力不高，溶解氧濃度也小于急流。除以上原因外，水中鹽度、有機(jī)物分解、氣壓、生物呼吸也可能是影響因素[12]。對于COD，枯水期深潭中有機(jī)物容易富集，而且水生植物不多，不利于生物降解。豐水期深潭中有機(jī)污染程度低于急流，其原因可能是急流水體流動中自身擾動較強(qiáng)，有機(jī)顆粒物質(zhì)進(jìn)入水體，測定值較高。

圖2　不同水期急流-深潭水體總氮(TN)、硝酸鹽氮氨氮總磷(TP)濃度比較

圖3　不同水期急流-深潭水體溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)濃度比較

圖4　上、中、下游不同處理總氮釋放

圖5　上、中、下游不同處理總磷釋放

3.3不同條件對氮磷釋放的影響

3.3.1不同上覆水以及不同光照條件下的氮釋放

在水-沉積物體系中,沉積物中部分無機(jī)氮的溶出和有機(jī)氮的礦化使其中的氮釋放到間隙水中,再通過擴(kuò)散作用進(jìn)入上覆水,導(dǎo)致上覆水氮濃度增加；而發(fā)生在水-沉積物界面的吸附過程又使上覆水氮濃度降低,因而,上覆水中氮濃度的變化反映了沉積物—上覆水之間氮的交換過程[13]。這些過程受水中溶解氧濃度、溫度、pH及沉積物性質(zhì)等因素的影響[14]。通過分析，不同上覆水以及不同光照條件下的總氮釋放規(guī)律在上、中、下游相似，均有兩個釋放高峰和一個釋放低谷，釋放高峰分別出現(xiàn)在第12天和第18天，釋放低谷出現(xiàn)在第15天。從釋放通量上看：蒸餾水166.84 mg/(m2·d)>原河水避光101.12 mg/(m2·d)>原河水見光93.77 mg/(m2·d)，上游123.15 mg/(m2·d)>中游121.37 mg/(m2·d)>下游117.21 mg/(m2·d)。見圖4。

3.3.2不同上覆水以及不同光照條件下的磷釋放

上覆水磷濃度與上覆水-底泥系統(tǒng)中發(fā)生的沉淀-溶解、吸附-解吸及有機(jī)磷的礦化等過程有關(guān)。土壤淹水后上覆水磷濃度受氧氣擴(kuò)散的影響產(chǎn)生波動。不同處理條件下的上覆水中磷濃度也會有所差異。研究結(jié)果表明：不同上覆水以及不同光照條件下的總磷釋放規(guī)律在上、中、下游相似，均有兩個釋放高峰和一個釋放低谷。釋放高峰分別出現(xiàn)在第18 d和第24 d，釋放低谷出現(xiàn)在第21 d。從釋放通量上看：蒸餾水1.8984 mg/(m2·d)>原河水避光1.5398 mg/(m2·d)>原河水見光1.2739 mg/(m2·d)，下游2.4298 mg/(m2·d)>上游1.1522 mg/(m2·d)>中游1.1299 mg/(m2·d)。見圖5。

4結(jié)語

河流沉積物是河流氮、磷蓄積的主要形式，在排入河流的營養(yǎng)物質(zhì)減少后，沉積物中的氮、磷會逐步釋放，成為河流富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因子。氮、磷釋放的差異間接體現(xiàn)出水質(zhì)的變化，因此，研究沉積物中的氮、磷釋放對水質(zhì)影響有重要意義[17]。光照對氮磷釋放有抑制作用，但是同在見光條件下，蒸餾水比原河水更能促進(jìn)氮磷釋放，就變化趨勢而言，變化的幅度因不同條件而異[18～22]。在通氣培養(yǎng)前期，底泥中的有機(jī)質(zhì)會受到好氧微生物的好氧分解，總氮中的N被分解成NH3，使上覆水中NH3的濃度迅速增加出現(xiàn)波峰，后期隨著有機(jī)質(zhì)的消耗，NH3釋放量降低，出現(xiàn)波谷，可能與NH3被膠粒吸附、沉淀有關(guān)[23]。在相同條件下，好氧微生物的好氧分解使不溶性的有機(jī)磷變成無機(jī)磷，易于釋放出來。大量實驗研究表明pH對沉積物釋磷有重要影響，pH值在中性左右釋磷量最低，pH值升高或者降低都會使釋磷量倍增[24]。有研究者發(fā)現(xiàn)，對富含有機(jī)物的沉積物好氧條件比厭氧條件更有利于沉積物中磷的釋放[25]。

急流-深潭-河灘系統(tǒng)和河流生態(tài)修復(fù)設(shè)計施工在尺度上是相似的，研究數(shù)據(jù)直接可以應(yīng)用。 建立急流-深潭-河灘系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能模型，完善流域生態(tài)學(xué)體系的范疇。如果研究證明了水流會塑造出形態(tài)結(jié)構(gòu)上呈某種比例和大小的急流-深潭-河灘系統(tǒng)，物理化學(xué)環(huán)境和生態(tài)功能會對急流-深潭河灘系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)做出響應(yīng)，并獲得形態(tài)結(jié)構(gòu)比例關(guān)系和各種生態(tài)功能數(shù)據(jù)，那么研究工作可建立該條河流一定流域面積和來水來沙條件的急流-深潭-河灘系統(tǒng)優(yōu)化的形態(tài)結(jié)構(gòu)-功能模型，為河流修復(fù)提供參照。

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收稿日期：2016-04-25

基金項目：貴陽市科技專項(編號：筑科農(nóng)第3-042)

作者簡介：郭春祥(1989—)，男，貴州大學(xué)林學(xué)院碩士研究生。 通訊作者：王震洪(1966—)，男，教授，博士，主要從事小流域綜合治理、湖泊面源污染控制生態(tài)工程、數(shù)字流域系統(tǒng)的理論和技術(shù)研究。

中圖分類號：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0080-06

Evaluations on the Difference of Water Quality of the Riffle-deep Pool-benchland Systems in Watercourses of Qingshuijiang River

Guo Chunxiang1, Wang Zhenhong2,Liu Libo2,3,Wang qinghe2

(1.CollegeofForestry.GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;2.Collegeoflifescience,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China;3.CollegeofEnvironmentandLifeScience,KailiUniversity,Kaili,Guizhou, 556011,China)

Abstract:A river is a continual system composed of the repetitively occurring basic structural units, i.e. the “riffle-deep pool-benchland”systems in a river. In the study，we selected nine of the “riffle-deep pool-benchland” systems respectively in the upstream，midstream and downstream of Qingshuijiang River to test water quality indicators and simulate nitrogen and phosphorus release from a substratum collected from the riverbeds of these systems. The results indicated that the concentrations of water quality indicators in deep pool and riffle were respectively as follows: TN(0.90>0.84), -N(0.50>0.45), -N(0.225>0.195),TP(0.0172>0.0148),DO(8.50<10.54),BOD5(1.36<2.67)and COD(11.30<11.35). Using distilled water to simulate the river water, the phosphorus and nitrogen releases from the substratum was relatively less than the original water used, and the releases of nitrogen and phosphorus with sunlight was also less than without the sunlight. F-tests present the differences of these results between deep pools and riffles except for -N. River morphology significantly affected water quality of river and the repetitive emergence of the riffle-deeppool-benchland systems was helpful for river water environments improved. The changes of the river structures into primitive forms, i.e., “riffle-deep pool-benchland” systems, were not only beautiful in rive landscape but also significant in ecosystem functioning in river system restoration.

Key words:watercourse；riffle-deep pool-benchland systems；water quality；release；Qingshuijiang River