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    三峽庫區(qū)澎溪河營養(yǎng)鹽時(shí)空變化特征及富營養(yǎng)化評價(jià)

    2018-03-05 08:58:29趙士波李斗果郭喜豐
    四川環(huán)境 2018年1期
    關(guān)鍵詞:高陽木橋溪河

    趙士波,郭 平,李斗果,郭喜豐,高 飛

    (1.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,重慶 401147;2.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院,重慶 401147)

    河流由于其流速大、含沙量大等特點(diǎn),不利于藻類等浮游植物生長,然而隨著城市化進(jìn)程的加快,人類對河流的改造也在一定程度上改變了河流原有的水文水質(zhì)特征。有研究表明,河流筑壩蓄水形成的“人造湖泊”,改變了河流原有的物質(zhì)場、能量場、化學(xué)場和生物場,并顯著影響河流中生源要素的生物地球化學(xué)行為[1]。三峽水庫是舉世矚目的大型水利水電工程,其蓄水運(yùn)行以后,長江干流與支流的水文條件發(fā)生顯著變化,特別是受回水頂托的影響,支流水域流速減慢,污染日益加重,局部水域已出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象[2~11]。澎溪河作為三峽水庫北岸最大的支流之一,部分河段已逐步轉(zhuǎn)化成為“湖泊型”河流,自2003年三峽水庫蓄水以來,澎溪河多次暴發(fā)水華[4-5,12-13]。營養(yǎng)鹽是水生態(tài)系統(tǒng)的主要生源物質(zhì),其輸送、循環(huán)與更新是構(gòu)成再生生命資源的物質(zhì)與環(huán)境基礎(chǔ)[14],對水體中藻類的繁殖及富營養(yǎng)化水平有重要影響。因而,掌握“湖泊型”河流營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化規(guī)律,對于防治河流水華暴發(fā)具有重要意義。為此,本研究以澎溪河為研究對象,連續(xù)兩年監(jiān)測其不同斷面營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征,并對不同斷面水質(zhì)的富營養(yǎng)化水平進(jìn)行評價(jià),為了解該水域內(nèi)的營養(yǎng)水平提供數(shù)據(jù)支撐,也為今后庫區(qū)水質(zhì)污染防治措施提供理論支持。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)域概況

    澎溪河(又名小江)發(fā)源于重慶市開縣白泉鄉(xiāng)鐘鼓村,經(jīng)重慶市云陽縣雙江鎮(zhèn)匯入長江,流域面積5 173 km2,干流全長182 km,河口距三峽大壩約250 km。三峽水庫蓄水后,澎溪河流域包含了峽谷、消落區(qū)以及湖庫等各種特征的水域,是庫區(qū)30余條支流中暴發(fā)水華最頻繁的支流之一[15]。據(jù)統(tǒng)計(jì),自2005年至今,澎溪河每年春季都會暴發(fā)水華[16]。

    1.2 樣品采集及分析方法

    在澎溪河干流分別設(shè)置木橋、渠馬渡口和高陽渡口3個斷面(圖1)。每個斷面設(shè)置左、中、右3條垂線,于2013~2014年,每月采集一次樣品。木橋斷面位于開縣境內(nèi),澎溪河上游,對了解澎溪河上游水質(zhì)狀況具有代表性,可作為背景斷面;渠馬渡口和高陽渡口2個斷面位于典型的水華暴發(fā)區(qū)域,對澎溪河富營養(yǎng)化研究具有較強(qiáng)的代表性。

    SD采用塞氏盤法現(xiàn)場測定。未經(jīng)過濾的水樣,經(jīng)消解后用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定TN、用5%過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定TP、用酸性法測定CODMn,采用膜電極法測定DO。水樣經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后,采用蒸餾中和滴定法測定NH3-N。Chla的測定采用丙酮-分光光度法。

    圖1 監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring sections

    1.3 評價(jià)方法

    水質(zhì)評價(jià)采用單因子評價(jià)法,根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》(表1),將斷面水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測值與國家標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,獲得該指標(biāo)的水質(zhì)類別,然后以該樣點(diǎn)指標(biāo)反映的最低水質(zhì)類別作為該斷面的水質(zhì)類別。采用DO、CODMn、NH3-N和TP 4個指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)。

    根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的《湖泊水庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分析技術(shù)規(guī)定》[17],采用卡爾森指數(shù)法對澎溪河營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價(jià),評價(jià)指標(biāo)包括Chla、TP、TN、SD、CODMn。

    表1 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 Limit value of basic indexes in surface water environment quality standard (mg/L)

    1.4 數(shù)據(jù)處理

    數(shù)據(jù)分析作圖采用Excel 2007和Origin 8.0軟件完成,相關(guān)性及差異性統(tǒng)計(jì)分析用SPSS17.0軟件完成。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 營養(yǎng)狀態(tài)因子

    2.1.1 透明度和高錳酸鹽指數(shù)

    水體透明度能直觀地反映水體清澈程度。浮游植物的大量繁殖會造成水體透明度的下降,反之水體透明度的下降會抑制浮游植物的大量生長。澎溪河各斷面SD呈現(xiàn)明顯的時(shí)空差異(圖2)。時(shí)間尺度上,春秋季低于夏冬季,2014年整體低于2013年。空間尺度上,渠馬渡口和高陽渡口無顯著差異,上游木橋較其余兩斷面偏低。2013年各斷面SD變化范圍為20~300 cm,2014年各斷面SD變化范圍為40~210 cm。兩年間SD變化趨勢不同,2013年6~7月顯著低于其他月份;2014年全年無顯著性差異,然而5月SD明顯偏低。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果,2013年5月和2014年5月澎溪河均暴發(fā)了水華,浮游植物的大量生長可能是造成2013年6~7月和2014年5月各斷面SD急劇降低的主要原因。

    CODMn反映了水體受到的有機(jī)污染狀況。當(dāng)CODMn濃度超過4 mg/L時(shí),表示水體受到有機(jī)污染[18]。澎溪河各斷面CODMn存在明顯的時(shí)空差異(圖2)。渠馬渡口和高陽渡口變化趨勢基本一致,表現(xiàn)為夏季高于其他三季,且多數(shù)月份高于4 mg/L??梢姡募九煜硬糠?jǐn)嗝嫠|(zhì)較差。木橋斷面無明顯變化規(guī)律,整體低于前兩斷面,但個別月份濃度仍超出4 mg/L。兩年間水質(zhì)變化趨勢可以看出,渠馬渡口和高陽渡口較上年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),而木橋斷面水質(zhì)較上年有變差的趨勢。渠馬渡口CODMn范圍為3.10~5.85 mg/L,高陽渡口CODMn范圍為3.00~5.85 mg/L,木橋斷面CODMn范圍為2.22~4.99 mg/L。可見,澎溪河部分?jǐn)嗝娲嬖谝欢ǖ挠袡C(jī)污染。

    圖2 SD、CODMn時(shí)空分布特征Fig.2 Temporal and spatial distribution of SD and CODMn

    2.1.2 總氮和氨氮

    氮是影響浮游植物生長的主要營養(yǎng)元素之一。澎溪河各斷面之間TN變化規(guī)律基本一致,然而時(shí)間尺度上,兩年間澎溪河TN濃度存在較大差異,但均遠(yuǎn)高于公認(rèn)的富營養(yǎng)化閾值(0.2 mg/L)[4,19](圖3)。2013年澎溪河各斷面TN范圍為0.79~1.42 mg/L,2014年TN濃度上升至0.819~2.12 mg/L,2014年5~10月份,各斷面TN濃度均高于上年同期。造成澎溪河水體TN濃度上升的原因可能來自三方面:一是被淹沒的消落帶土壤、植被等釋放氮進(jìn)入水體;二是底泥中的氮通過水動力變化釋放進(jìn)入水體;三是通過雨水沖刷、生活污水、工業(yè)廢水等途徑的外源輸入。胡正峰等的研究顯示,2007~2009年澎溪河TN濃度為0.97~1.82 mg/L[20],可見,從較長的時(shí)間尺度上看澎溪河TN濃度無明顯變化。2013年澎溪河各斷面TN整體呈現(xiàn)出春夏季略高于秋冬季;2014年TN濃度變化趨勢表現(xiàn)為春夏秋三季高于冬季??梢?,澎溪河冬季總氮濃度處于全年較低水平。胡正峰等對2007~2009年澎溪河TN的研究結(jié)果也顯示,第四季度TN總體平均濃度低于其他季節(jié)[20]??梢?,三峽庫區(qū)周期性蓄水以后,TN呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律,造成這一結(jié)果的可能原因是由于三峽水庫實(shí)行不同月份不同蓄水位變化調(diào)節(jié),在每年的10~12月水位逐漸上升至175m,較深的水體使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)得到更多的稀釋,且冬季降雨量少,沿岸農(nóng)事活動較少,水流較為平緩,通過雨水沖刷作用將農(nóng)田氮、磷帶入水體的量較少。而春夏季雨量充足,徑流沖刷作用將氮、磷等帶入水體的量較多。高陽渡口TN濃度整體高于渠馬渡口,這與高陽平湖附近居民眾多,周邊消落帶土壤被當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶利用種植農(nóng)作物有關(guān)。

    澎溪河各斷面NH3-N存在一定的時(shí)空差異(圖3)。渠馬渡口和高陽渡口NH3-N變化趨勢基本一致,全年無顯著差異。木橋斷面較其余兩斷面差異較大,相鄰月份NH3-N濃度起伏較大。渠馬渡口NH3-N變化范圍為0.10~0.29 mg/L,高陽渡口NH3-N變化范圍為0.09~0.36 mg/L,木橋斷面NH3-N變化范圍為0.05~0.66 mg/L。此外,上游木橋斷面TN、NH3-N整體高于下游兩斷面,這可能是木橋斷面受漢豐湖的影響所致。漢豐湖受人為干擾較重,枯水期沿岸農(nóng)事活動、人工投放飼料以及生產(chǎn)生活污水的匯入造成該區(qū)域TN、NH3-N濃度較高,漢豐湖調(diào)節(jié)壩也在一定程度上影響了水流的下泄,故而出現(xiàn)上游木橋斷面TN、NH3-N反而高于下游兩斷面的現(xiàn)象。

    圖3 TN、NH3-N時(shí)空分布特征Fig.3 Temporal and spatial distribution of TN and NH3-N

    2.1.3 總磷和葉綠素a

    磷被認(rèn)為是大多數(shù)水體中藻類種群和密度的第一限制性營養(yǎng)元素[21]。2013年,澎溪河各斷面TP范圍為0.04~0.17 mg/L;2014年,澎溪河各斷面TP范圍為0.04~0.14 mg/L(圖4)。可見,澎溪河各斷面TP濃度已遠(yuǎn)超過國際公認(rèn)的富營養(yǎng)化閾值(0.02 mg/L)[4,19]。與TN不同的是,2007~2009年澎溪河TP濃度為0.02~0.12 mg/L[20],可見,澎溪河TP較2007~2009年有所上升。三峽大壩成庫前的天然河流含有大量泥沙,筑壩之后周期性蓄水使得大量泥沙沉積,大部分磷隨顆粒物進(jìn)入底泥,而水庫穩(wěn)定運(yùn)行后在水動力條件合適的情況下底泥中的磷會逐漸釋放出來,這可能是造成水體TP上升的主要原因,但有關(guān)理論還需進(jìn)一步研究證實(shí)。渠馬渡口和高陽渡口TP濃度變化趨勢均表現(xiàn)為某一月份(春季5月或夏季6月)濃度急劇升高,其余月份無較大差異。5、6月份庫區(qū)雨水突然增多,徑流沖刷作用使消落帶的磷帶入水體;另一方面,大量雨水匯入導(dǎo)致底泥泛起,部分底泥中的磷釋放出來;這兩方面可能是造成該時(shí)段TP濃度急劇升高的原因。木橋斷面TP濃度無明顯變化規(guī)律,但整體濃度低于前兩斷面。三斷面TP濃度大小順序?yàn)椋焊哧柖煽?渠馬渡口>木橋斷面。

    Chla含量與浮游植物光合作用水平具有較大的相關(guān)性,常被作為浮游植物生物量的指標(biāo),是反映富營養(yǎng)化水體水質(zhì)的重要參數(shù)。澎溪河各斷面Chla呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律,且各斷面分布存在一定差異(圖4)。春秋季Chla明顯高于夏冬季。渠馬渡口和高陽渡口Chla變化規(guī)律相同,Chla濃度全年最大值均出現(xiàn)在5月份,濃度達(dá)到21 μg/L。與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致,2013年5月和2014年5月渠馬渡口-高陽渡口段大面積暴發(fā)水華。木橋斷面Chla最大濃度達(dá)到19 μg/L。兩年間相同月份Chla濃度變化不大,2013年Chla范圍為1.46~19.14 μg/L;2014年Chla范圍為1.66~21.57 μg/L。

    圖4 TP、Chla時(shí)空分布特征Fig.4 Temporal and spatial distribution of TP and Chla

    2.2 營養(yǎng)鹽相關(guān)性分析

    大量研究顯示,湖泊、水庫等緩流狀態(tài)下,Chla與N、P間存在不同程度線性關(guān)系[22~26]。本文對Chla與SD、TN、TP、CODMn進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果顯示,部分河段Chla與TN、TP存在顯著相關(guān)性。高陽渡口Chla與TP呈極顯著正相關(guān)(r=0.522,P<0.01)(表2);然而,上游木橋斷面和渠馬渡口Chla與富營養(yǎng)化指標(biāo)相關(guān)性不顯著。澎溪河的上游和下游均屬于峽谷型河道,河流流速差異大,Chla與富營養(yǎng)化指標(biāo)的關(guān)系更復(fù)雜。河流中部在三峽水庫蓄水后河道拓寬形成永久回水區(qū),在水庫低水位運(yùn)行時(shí)期,滯緩水域增加、流速減緩,導(dǎo)致水體泥沙沉積、水質(zhì)變清,形成了一段水庫型河道。因此,澎溪河上游河段Chla與富營養(yǎng)化指標(biāo)的線性相關(guān)性不顯著,而中段高陽渡口Chla與TP存在顯著的線性正相關(guān)性。

    表2 富營養(yǎng)化指標(biāo)相關(guān)性Tab.2 Correlation of eutrophication indexes

    注:**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

    2.3 水質(zhì)及營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

    2013~2014年澎溪河各斷面水質(zhì)均為Ⅱ類或Ⅲ類(表3)。2013年,各斷面水質(zhì)評價(jià)結(jié)果存在明顯差異,木橋斷面總體以Ⅱ類水質(zhì)為主,3月和8月為Ⅲ類水質(zhì);渠馬和高陽渡口水質(zhì)無明顯差異,總體以Ⅲ類水質(zhì)為主,12月份為Ⅱ類水質(zhì)。可見,2013年澎溪河上游斷面水質(zhì)較好。2014年,各斷面水質(zhì)無明顯差異,總體以Ⅱ類水質(zhì)為主。同比上一年,澎溪河中下游斷面水質(zhì)有變好的趨勢。

    表3 單因子水質(zhì)評價(jià)Tab.3 Results of single factor water quality assessment

    根據(jù)富營養(yǎng)化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),TLI<30為貧營養(yǎng);30≤TLI≤50為中營養(yǎng);TLI>50為富營養(yǎng)。澎溪河各斷面水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)TLI值變化范圍為56~135(圖5)??梢?,澎溪河各斷面水體均達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài),然而各斷面富營養(yǎng)狀態(tài)程度存在明顯差異。春季3~5月和秋季10月,部分?jǐn)嗝娓粻I養(yǎng)化狀態(tài)極高。木橋斷面3月、4月、10月TLI指數(shù)極高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重度富營養(yǎng)狀態(tài);渠馬渡口TLI指數(shù)全年無顯著差異,處于中-重度富營養(yǎng)化;高陽渡口5月TLI指數(shù)極高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重度富營養(yǎng)狀態(tài)。而澎溪河春季3~5月正是水華暴發(fā)的高峰期,2013年5月和2014年5月澎溪河高陽平湖均暴發(fā)了大面積藍(lán)藻水華。

    圖5 營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)Fig.5 Eutrophication assessment

    3 結(jié) 論

    三峽大壩蓄水以后,回水頂托使上游支流水文水質(zhì)特征發(fā)生變化,本文分析了2013~2014年澎溪河不同斷面營養(yǎng)鹽時(shí)空分布特征和富營養(yǎng)化水平,得出以下結(jié)論。

    3.1 澎溪河水域不同斷面營養(yǎng)鹽分布具有明顯的時(shí)空分布差異。

    SD呈現(xiàn)春秋季低于夏冬季,2014年較2013年有下降趨勢,空間尺度上,上游斷面較下游兩斷面偏低。

    CODMn渠馬渡口和高陽渡口變化趨勢基本一致,夏季高于其他三季,且多數(shù)月份高于4 mg/L。木橋斷面無明顯變化規(guī)律,整體低于前兩斷面,但個別月份濃度仍超出4 mg/L??梢?,夏季澎溪河下游河段水質(zhì)較差,存在一定的有機(jī)污染。時(shí)間尺度上,渠馬渡口和高陽渡口較上年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),而木橋斷面水質(zhì)較上年有變差的趨勢。

    澎溪河各斷面TN、TP濃度值已達(dá)到產(chǎn)生富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽濃度條件。TN 2014年較2013年有上升趨勢,但在較長的時(shí)間尺度上看,澎溪河TN濃度無明顯變化。澎溪河冬季TN濃度處于全年較低水平,這是由于冬季水位上升,較深的水體使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)得到更多的稀釋,且冬季降雨量少,沿岸農(nóng)事活動較少,通過雨水沖刷作用將農(nóng)田氮帶入水體的量較少。NH3-N渠馬渡口和高陽渡口變化趨勢基本一致,全年無顯著差異。木橋斷面較其余兩斷面差異較大,相鄰月份NH3-N濃度起伏較大。澎溪河TP較2007~2009年有所上升。這可能與三峽水庫穩(wěn)定運(yùn)行后,水動力條件改變使底泥中的磷釋放有關(guān)。渠馬渡口和高陽渡口TP濃度變化趨勢呈現(xiàn)某一月份(5月或6月)濃度顯著高于其余月份,考慮與雨水沖刷使消落帶的磷帶入水體有關(guān),此外,大量雨水匯入導(dǎo)致底泥泛起,部分底泥中的磷釋放出來,也可能對該時(shí)段TP濃度升高有所貢獻(xiàn)。木橋斷面TP濃度無明顯變化規(guī)律,但整體濃度低于前兩斷面。三斷面TP濃度大小順序?yàn)椋焊哧柖煽?渠馬渡口>木橋斷面。

    Chla呈現(xiàn)春秋季明顯高于夏冬季,2014年與2013年無明顯差異??臻g尺度上,渠馬渡口和高陽渡口Chla變化規(guī)律相同,Chla濃度全年最大值均出現(xiàn)在5月份。與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致,2013年5月和2014年5月渠馬渡口-高陽渡口段大面積暴發(fā)水華。木橋斷面Chla最大值出現(xiàn)在4月和10月。

    3.2 澎溪河上游河段Chla與SD、TN、TP、CODMn的線性相關(guān)性不顯著,而中段高陽渡口Chla與TP呈極顯著正相關(guān)。澎溪河中部在三峽水庫蓄水后河道拓寬形成永久回水區(qū),在水庫低水位運(yùn)行時(shí)期,水體泥沙沉積、水質(zhì)變清,形成了一段水庫型河道,因此澎溪河中段呈現(xiàn)出湖泊(水庫)的性質(zhì)—Chla與TP存在一定的線性關(guān)系。

    3.3 2013年~2014年,澎溪河各斷面水質(zhì)均為Ⅱ類或Ⅲ類。同比上一年,澎溪河中下游斷面水質(zhì)有變好的趨勢。各斷面水體均達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài),然而各斷面富營養(yǎng)化程度存在明顯差異。春季3~5月和秋季10月,部分?jǐn)嗝娓粻I養(yǎng)化狀態(tài)極高。

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