三峽庫區(qū)干—支流作用下草堂河氫氧同位素時(shí)空分布的環(huán)境意義

蔡愛民，王雨春,2，胡明明,2，包宇飛,2，葉振亞，杜鵬程

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000)

三峽工程建成后, 在防洪、發(fā)電、航運(yùn)、旅游、供水灌溉等方面產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)社會效益,但同時(shí)對整個(gè)長江流域造成了廣泛而深遠(yuǎn)的生態(tài)環(huán)境影響, 尤其對三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響作用巨大[1]。三峽水庫蓄水后水位上升，長江干流與支流的交匯區(qū)形成回水區(qū)。一方面，干流水體涌入支流，回水區(qū)成為物質(zhì)滯留的重要場所; 另一方面，三峽工程蓄水形成的回水區(qū)內(nèi)水體流速明顯減緩，水動力學(xué)條件發(fā)生顯著變化[2]。水體滯留時(shí)間變長、更新變慢，使三峽水庫逐漸由河流向湖泊轉(zhuǎn)變，庫區(qū)水體營養(yǎng)鹽富集而成中營養(yǎng)狀態(tài)甚至富營養(yǎng)狀態(tài)[3]，對水質(zhì)狀況造成巨大影響。尤其在支流庫灣受干流回水頂托作用形成“湖沼化”的敏感水域[4],水質(zhì)惡化，水華現(xiàn)象頻發(fā)。探究干支流水體交換模式，進(jìn)一步估算干支流營養(yǎng)鹽的定量補(bǔ)給將有利于了解干支流水體富營養(yǎng)化進(jìn)程并預(yù)測發(fā)展趨勢，進(jìn)而根據(jù)具體情況進(jìn)行水體水質(zhì)治理及富營養(yǎng)化防治[5]。

目前，利用穩(wěn)定同位素示蹤法來追蹤徑流來源是國際上研究的熱點(diǎn)。近現(xiàn)代同位素技術(shù)的發(fā)展，為開展徑流水量補(bǔ)給和可更新性、追蹤徑流水污染等方面的研究，提供了極大幫助[6]。在自然界中，氫氧同位素的分餾效應(yīng)使得河流生態(tài)系統(tǒng)中不同水源氫氧同位素自然豐度會產(chǎn)生不同程度的富集與貧化[7]。伴隨水庫干支流水體相互交換會產(chǎn)生輕重穩(wěn)定同位素的相互混摻[8]，因此可以通過對比不同來源水體氫氧同位素組成來示蹤水體的運(yùn)動軌跡，進(jìn)而探究庫區(qū)徑流的混合形式[9,10]據(jù)此可估算干支流水量相互貢獻(xiàn)關(guān)系和水體隨干流倒灌對支流的營養(yǎng)鹽定量補(bǔ)給。本文以草堂河為研究對象展開研究工作，草堂河位于三峽水庫庫腹，是典型的短窄型支流，其上游流量較小、回水區(qū)域較短、流域面積較小等特點(diǎn)使得對長江干流水文、水質(zhì)的變化響應(yīng)關(guān)系較明顯，回水區(qū)水體營養(yǎng)鹽組成與干流相似，非常有利于研究干支流水體相互作用及營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)率研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及采樣點(diǎn)設(shè)置

草堂河位于三峽庫區(qū)中部的重慶市奉節(jié)縣境內(nèi)，是長江左岸的庫區(qū)支流，介于東經(jīng)108°14′～109°25′和北緯30°35′～31°26′間，距離三峽大壩約165 km，其全長33.3 km，流域面積為395 km2，平均流量約0.7 m3/s，年徑流量2. 37 億m3。 庫區(qū)蓄水后，在距河口8 km范圍內(nèi)形成常年回水區(qū)[11]。

采樣點(diǎn)位設(shè)為長江干流斷面(CJ)、河口(CT01)、回水區(qū)中部(CT02)、回水區(qū)末端(CT03)以及草堂河源頭(CTYT)，草堂河庫灣采樣點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。從2015年1-12月，每月對草堂河進(jìn)行水位、水深、水溫等指標(biāo)監(jiān)測以及水樣采集(以備水體總氮(TN)、總磷(TP)檢測)。將各點(diǎn)位進(jìn)行分層采樣，10 m以上按照表層、5 m、10 m采集，10 m以下則以10 m為間隔，直至底部;長江干流(CJ)、河口(CT01)、回水區(qū)中部(CT02)、回水區(qū)末端(CT03)均在斷面中垂線上;而支流源頭采樣點(diǎn)水深較淺，所以只采集表層。

圖1 草堂河及鄰近長江干流采樣點(diǎn)示意圖

1.2 分析方法

各分層水樣采用卡蓋式采水器采集，每層水樣各取兩瓶(100 mL×2)現(xiàn)場加酸固定，另取50 mL水樣于聚乙烯瓶中，盡量使瓶中不留氣泡，并使用封口膜封住瓶蓋外圍以保證瓶身不漏氣，對水樣進(jìn)行低溫保存并同時(shí)利用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀[12]對各采樣點(diǎn)進(jìn)行溫度，pH等的現(xiàn)場測定。第一時(shí)間進(jìn)行氫氧同位素的室內(nèi)上機(jī)測定。水體穩(wěn)定氫氧同位素組成使用美國LGR公司液態(tài)水穩(wěn)定同位素(LWIA-30d)分析，其原理為基于離軸積分腔輸出光譜(OA-IC OS)，選用LGR公司生產(chǎn)的：

LGR3A(δD=-96.4‰±0.5‰;δ18O =-13.10‰± 0.15‰)

LGR4A (δD=-51.0‰±0.5‰;δ18O =-7.69‰±0．15‰)

LGR5A(δD=-9.5‰±0.5‰;δ18O=-2.8‰±0.15‰)

3種標(biāo)樣[13]。所測D，18O含量(ND，N18O)相對V-SMOW表示：δ值是指樣品中兩種穩(wěn)定同位素的比值相對于標(biāo)準(zhǔn)樣品同位素比值的千分差值,即δ=[(R樣品-R標(biāo)準(zhǔn))/R標(biāo)準(zhǔn)]×1 000,式中R為同位素比值,是一種元素的稀有的與富含的同位素豐度之比，例：RD= ND/N1H,R18O=N18O/N16O;δ值的正負(fù)分別表明樣品較標(biāo)準(zhǔn)富含重同位素和輕同位素，測定精度為δD<0.6‰、δ18O<0.2‰。氫氧同位素的上機(jī)檢測的同時(shí)參考《水和廢水分析方法》(第四版)對各水樣進(jìn)行營養(yǎng)鹽TN、TP的檢測[14]。

通過對比流域的氫氧同位素值，可估算水體中這些水源的混合比例，計(jì)算所用二元線性混合模型公式如下:

δD=F1δD1+F2δD2

(1)

δD=F1δ18O1+F2δ18O2

(2)

F1+F2=1

(3)

式中：δD、δ18O為所研究水體中δD、δ18O的平均值；δD1、δD2分別為不同端元水體中δD的值；δ18O1、δ18O2分別為不同端元水體中δ18O的值；F1、F2分別為不同端元對所研究水體水量的貢獻(xiàn)率。

通常估算河流營養(yǎng)鹽輸送的通量時(shí)，用河流流量與營養(yǎng)鹽的平均濃度相乘得到，則計(jì)算營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)量可以按照下列公式計(jì)算:

f=10-3Mqc

(4)

式中：f表示營養(yǎng)鹽的輸送通量，g/s；q表示流入或流出水團(tuán)的流量，m3；c表示各種營養(yǎng)鹽的平均濃度，μmol/L；M表示各營養(yǎng)鹽的摩爾質(zhì)量，g/mol[15,16]。

結(jié)合氫氧同位素對于干支流水體水量的交換估算，則可利用估算水量和各營養(yǎng)鹽平均濃度定量估算干支流營養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)量[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氫氧同位素時(shí)空分布

對樣品氫氧同位素室內(nèi)上機(jī)結(jié)果顯示長江干流δD大致分布范圍為-7.940 26%～-5.598 07%，平均值為-7.279 94%，與河口(δD-7.991 15%～-5.711 97%，平均值-7.4676 4%)分布狀況基本一致?；厮畢^(qū)(δD-8.360 61%～-5.342 75%，平均值-7.484 86%)與長江干流和草堂河河口在最低值上相差較多，即回水區(qū)較長江干流和草堂河河口δD貧化。與長江干流、河口和回水區(qū)氫氧同位素的分布來比草堂河源頭(δD-5.019 06%～-4.822 83%，平均-4.912 56%)的水體更富集δD。從時(shí)間上來看源頭的δD分布全年維持在較穩(wěn)定水平，到5月份隨著水位的降低δD含量上升至全年最高-5.717 2%，在低水位運(yùn)行期和蓄水期δD逐漸貧化，且在此過程中長江干流與草堂河河口變化趨勢一致，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性效應(yīng)，具體見圖2。δ18O的分布也有相同規(guī)律如圖3，這種較大的端元差異說明在水團(tuán)混合過程中以干-支流水團(tuán)混合作用為主，支流-源頭水團(tuán)混合作用較弱。草堂河回水區(qū)水體作為長江干流與支流源頭水團(tuán)混合的結(jié)果，在端元差異較大的條件下，適用二元線性混合模型[18]估算不同端元混合比例，估算得出2015年長江干流對草堂河回水區(qū)的水量補(bǔ)給率約為96.4%，每月補(bǔ)給率不低于85.77%，庫灣水體在較大程度上受干流倒灌影響的支配。

圖2 2015年全年草堂河及其毗鄰長江干流水體δD平均值變化曲線

圖3 2015年各采樣區(qū)域δD、δ18O最大值、最小值、平均值柱狀分布

2.2 營養(yǎng)鹽時(shí)空分布

取各點(diǎn)位TP、TN平均濃度逐月變化如圖4，結(jié)果顯示長江干流與草堂河河口的TP隨月份變化趨勢基本一致，且含量相近，均介于0.10～0.15 mg/L，呈現(xiàn)出消落期水體TP先降低后升高，3月份達(dá)消落期最低值。而源頭TP濃度要比長江干流和河口底30%到80%，4月份含量差距最大相差84%之多；低水位運(yùn)行期長江干流水位日變化大[17]，支流水體存在一個(gè)滯后反應(yīng)期，導(dǎo)致長江干流TP要高于河口，但水體最終趨于摻混均勻，長江干流和河口TP濃度也必趨于一致。而源頭水體TP含量升高比較平穩(wěn)，每月漲約40%；而在蓄水期和高水位運(yùn)行期長江干流TP含量和河口TP含量呈現(xiàn)出比較激烈的相互混摻，而源頭水體TP含量十分穩(wěn)定，平均單月變化不到5.5%。對于TN而言，從時(shí)間上來看長江干流和河口變化趨勢很相近，總體表現(xiàn)為春夏比秋冬高出約0.1 mg/L。而源頭的TN含量較長江干流和河口變化較大，分別在6月(3.5 mg/L)、10月(3.1 mg/L)出現(xiàn)峰值，且TN含量全年偏高，有利于藻類水華的發(fā)生[19]。

3 討 論

3.1 水庫各運(yùn)行期草堂河干流倒灌模式探討

根據(jù)三峽大壩壩前水位及水位日變幅將研究對象分為消落期(1-5月)，干流水位降低，水位日變化的時(shí)間差異顯著、低水位運(yùn)行期(6-8月)水位在145～155 m之間，水位日變化大、蓄水期(9-10月)水位上升，水位日變化僅次于低水位運(yùn)行期、高水位運(yùn)行期(11-12月)三峽水庫以175 m左右高水位運(yùn)行，水位日變化小，4個(gè)時(shí)期[20]。

消落期[圖5(a)、(b)]水體氫氧同位素分布表從水平方向上來看從河口到源頭表現(xiàn)出δD，δ18O的逐漸富集，由中底層的重同位素富集狀態(tài)可知，源頭富重同位素水體對回水區(qū)甚至河口水體存在從底層的輸入補(bǔ)給。相應(yīng)的中表層水體氫氧同位素偏負(fù)，且偏負(fù)水體占比面積較大，說明長江干流水體主要從中上層倒灌對草堂河進(jìn)行水量補(bǔ)給[21]。低水位運(yùn)行期[圖5(c)、(d)]時(shí)水庫處于全年最低水位，δD平均值為-5.850%較消落期富集程度高出約30%[22]，但是源頭依然為重同位素貢獻(xiàn)率最高的地方，由圖5(c)、(d)顯示水平方向上中層和表層水體δD、δ18O均為先減小后增大，且長江干流(δD=-5.666%、δ18O=-0.854%)較回水區(qū)(δD=-5.878%、δ18O=-0.867%)更富集重同位素，說明在低水位運(yùn)行期水位日變幅過大導(dǎo)致干流和源頭水體對回水區(qū)水體均有補(bǔ)給，但仍以干流補(bǔ)給為主。水庫蓄水期[圖5(e)、(f)]，水庫水體主要由降雨補(bǔ)充且在長時(shí)間的低水位運(yùn)行過程中水體混合比較均勻，受季風(fēng)氣候的影響干流水體表現(xiàn)出富集重同位素現(xiàn)象，沿草堂河河口到源頭，氫氧同位素表現(xiàn)為先貧化后富集。干流水體對草堂河支流水體主要從底層和中層進(jìn)行補(bǔ)給，由于回水區(qū)末端的阻滯，草堂河源頭水體趨于穩(wěn)定且表現(xiàn)為從干流放射狀貧化氫氧同位素。高水位運(yùn)行期[圖5(g)、(h)]經(jīng)過蓄水期水位的抬升，干支流均處于較高水位，水位日變幅也較小，從水平向來看表底層均存在富重同位素的水團(tuán)，這可能是長江干流水體與源頭水體在對回水區(qū)同時(shí)進(jìn)行水量補(bǔ)給的時(shí)候兩方水流相互作用形成的水團(tuán)。從垂直向來看，氫氧同位素豐度的變化基本是先減小后增大，這是由于長江干流水體基本由中下層補(bǔ)給草堂河是與回水區(qū)水體作用產(chǎn)生的水動力現(xiàn)象[24]。

圖4 草堂河及毗鄰長江干流采樣區(qū)域TP、TN分布曲線

圖5 不同水庫運(yùn)行期庫灣δD、δ18O空間分布

3.2 水庫干流水量及營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)總量估算及意義分析

利用二元線性混合模型估算出干流對草堂河各時(shí)期的水量補(bǔ)給:消落期、低水位運(yùn)行期、高水位運(yùn)行期長江干流對草堂河回水區(qū)的平均水量補(bǔ)給率相差不大分別為96.09%、97.20%、97.35%，蓄水期為85.77%相對較低。表1列出了長江干流、源頭對草堂河回水區(qū)水體δD的貢獻(xiàn)量的估算，干流全年貢獻(xiàn)率在93.28%～98.41%之間浮動，且全年平均貢獻(xiàn)率為96.40%。源頭全年貢獻(xiàn)相比干流貢獻(xiàn)較小僅為3.6%。由公式(1)～(4)可估算出干流對草堂河水體營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)量：草堂河全年水量2.37 億m3其中96.40%水量來源于干流倒灌補(bǔ)給，實(shí)測干流TP全年平均濃度0.112 mg/L，即干流對于草堂河水體TP補(bǔ)給量約為25.59 t。實(shí)測干流TN全年平均濃度2.101 mg/L，同理可估算干流對草堂河TN年貢獻(xiàn)量為479.57 t。由表2可知，長江干流水體TP、TN平均貢獻(xiàn)估算誤差均在15%以下。

表1 長江干流、源頭水體對草堂河回水區(qū)水體δD貢獻(xiàn)估算 %

表2 長江干流水體TP、TN平均貢獻(xiàn)估算及誤差分析

夏季水體溫度較高，太陽輻射增強(qiáng)有利于藻類大量繁殖，夏季過后的9、10月份藻類逐步死亡分解導(dǎo)致水體營養(yǎng)鹽含量增高，加之漲水期間兩岸污染物受水體浸泡直接進(jìn)入水體，導(dǎo)致蓄水期水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴(yán)重。若將干流水體營養(yǎng)鹽補(bǔ)給量定量估測，將十分有利于兩岸入水污染物評價(jià)，為水庫水質(zhì)污染控制提供有效參考[25,26]。相比較而言草堂河全年水量基本來自于干流倒灌水體所貢獻(xiàn)，水體營養(yǎng)鹽除干流水體和源頭來水貢獻(xiàn)外，仍有內(nèi)源和外源貢獻(xiàn)，內(nèi)源可通過沉積物采樣進(jìn)行定量估算；外源分為點(diǎn)源和面源,點(diǎn)源可對具體營養(yǎng)鹽源采樣估測，面源貢獻(xiàn)則可通過相差比較估算；綜上利用水體氫氧同位素對水體營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)和水體面源營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)均為有效可行的估測方法。

4 結(jié) 論

(1) 草堂河為短小型河流，河流水體隨干流水位變化非常敏感，通過對草堂河全年氫氧同位素分布調(diào)查研究，利用二源線性混合模型估算草堂河來自于干流的水量補(bǔ)給率為96.4%。源頭水量補(bǔ)給僅占3.6%。

(2) 通過對長江干流和草堂河支流點(diǎn)位營養(yǎng)鹽含量分析顯示TP的補(bǔ)給基本來自于干流，且TP、TN全年變化趨勢草堂河與鄰近長江干流基本一致。支流源頭TP要明顯低于回水區(qū)，TN僅在夏季和10月份有突增，說明源頭來水水質(zhì)較好。

(3) 通過分析氫氧同位素空間分布可估算出長江干流對于草堂河的水量補(bǔ)給率為96.4%，而干流對支流TP的補(bǔ)給量估算為25.59 t，TN的補(bǔ)給量約為479.57 t。