小浪底水庫水沙調(diào)控對下游河道水質(zhì)的影響

侯傳瑩，易雨君，宋 劼，楊雨風(fēng)

（1．北京師范大學(xué)水沙科學(xué)教育部重點實驗室，北京100875；2．北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京100875）

河流是地區(qū)工農(nóng)業(yè)及生活用水的主要來源，河流水質(zhì)對生態(tài)健康和社會發(fā)展有重要意義［1］。黃河下游分布有廣闊的灘地，生活著180余萬人口［2］。隨著工農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及人口密度的增大，工農(nóng)業(yè)廢水及生活污水的排放量逐年遞增，其中的污染物對黃河水體生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響。小浪底水庫的建設(shè)和運行在緩解下游供水、水力發(fā)電及洪水問題等方面做出了重要貢獻［3］，但是水庫的建設(shè)和運行割裂了河流上下游連通性，使得水體自凈能力下降，污染物積累，并最終導(dǎo)致生物多樣性減少［4-6］。

黃河自2002年正式開始調(diào)水調(diào)沙，對維持小浪底水庫庫容以及下游河道河流形態(tài)具有重要意義［7］。但同時，調(diào)水調(diào)沙過程對下游河流生態(tài)系統(tǒng)屬于較強的脅迫，近年來由小浪底水庫水沙調(diào)控產(chǎn)生的生態(tài)問題正受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在對生境的影響上，主要關(guān)注點包括水沙調(diào)控對河道沖淤［8］，河口形態(tài)［9-11］，溶解氧、濁度等水質(zhì)指標［12］，重金屬［13］，多環(huán)芳烴［14］和營養(yǎng)鹽［15-17］等的影響。 在對生物種群等的關(guān)注上，有魚類［18］、浮游生物等生物群落［19-20］。

目前，關(guān)于小浪底水庫水沙調(diào)控過程對下游水質(zhì)變化影響的研究主要集中在小浪底庫區(qū)至花園口段及利津河口區(qū)域［21］，對下游長距離河道的水質(zhì)變化研究較少。本研究主要對水沙調(diào)控前、中、后3個時期黃河下游河道（小浪底至利津段）進行水質(zhì)監(jiān)測，分析下游河段水環(huán)境的變化趨勢及水體營養(yǎng)狀態(tài)，以了解水沙調(diào)控對下游水質(zhì)的影響。

1 研究方法

1．1 采樣點設(shè)置

根據(jù)黃河下游河道特征及水文站分布情況，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），從小浪底至利津段設(shè)置了10個具有代表性的采樣點，如圖1所示。采樣時間為2018年6月21—23日（水沙調(diào)控前）、7月5—7日（水沙調(diào)控中）、8月3—5日（水沙調(diào)控后），采樣點坐標見表1。

表1 采樣點經(jīng)緯度坐標

1．2 樣品采集及測定

用采水器采集的河流表層水存放在聚乙烯瓶中，低溫保存。采樣前使用YSI（美國EXO多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀）現(xiàn)場測定水溫、電導(dǎo)率、溶解氧（DO）、pH值、總可溶性固體（TDS）、濁度及葉綠素（Chl）。實驗室內(nèi)利用μMAC SMART便攜式營養(yǎng)鹽測定儀測定總氮（TN）、氨氮（NH4-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）、亞硝態(tài)氮（NO2-N）、總磷（TP）、溶解性正磷酸鹽（PO4-P）和硅酸鹽（SiO3）。

采用Excel進行數(shù)據(jù)整理、運算與制圖，采用SPSS 20．0統(tǒng)計軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2．1 水沙調(diào)控期間水質(zhì)因子含量變化

水沙調(diào)控前、中、后3個時期各水質(zhì)因子均值見表2。

表2 水沙調(diào)控3個時期各水質(zhì)因子特征值

2．2 水沙調(diào)控期間水質(zhì)理化參數(shù)沿程變化趨勢分析

如圖2所示，水沙調(diào)控前、中、后3個時期，黃河下游水溫變化范圍分別為25～30℃、25～33℃及 29～34℃之間，呈現(xiàn)分段式變化，即S1至S3為先升高后降低；S4至S7為先升高后降低；S8至S10呈現(xiàn)較平穩(wěn)的趨勢。這可能與具體的采樣時間及天氣情況有關(guān)，S2、S5、S6三點的采樣時間均處在中午，受太陽輻射及氣溫變化的影響，黃河表層水溫升高。

水沙調(diào)控后電導(dǎo)率明顯低于水沙調(diào)控前，前、中期電導(dǎo)率變化不大。電導(dǎo)率變化趨勢在水沙調(diào)控前除S2外，S1～S6逐漸升高；S6～S8略降低，S8～S10再升高；水沙調(diào)控中，電導(dǎo)率變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在S6達到最高值；水沙調(diào)控后，除S2偏高外，其余點在900～950 μS／cm范圍內(nèi)波動（因S2采樣點為西霞院反調(diào)節(jié)水庫，遠離主河道，小浪底水庫下泄洪水時未直接流經(jīng)采樣點區(qū)域，故S2采樣點變化較河道不同）。

DO含量總體為水沙調(diào)控中＜水沙調(diào)控后＜水沙調(diào)控前。水沙調(diào)控前后除S2外，其他點基本保持在小范圍內(nèi)波動，表明小浪底水庫水沙調(diào)控過程造成了黃河下游水中溶解氧含量的降低，原因是水沙調(diào)控過程中水流有較大的含沙量。由白音包力皋等［22］的研究可知，小浪底水庫排沙期間河道中含沙量與溶解氧呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，即隨著含沙量增大溶解氧含量降低，與本研究結(jié)論一致。

TDS含量總體表現(xiàn)為水沙調(diào)控后＜水沙調(diào)控中＜水沙調(diào)控前，總體變化不大，波動范圍在 550～700 mg／L之間。水沙調(diào)控中，S2采樣點TDS含量降低，其余采樣點TDS含量波動不大，穩(wěn)定在650左右；水沙調(diào)控后，S2采樣點TDS含量明顯增大，其余采樣點TDS含量穩(wěn)定在550左右，波動范圍較小。說明水沙調(diào)控過程會降低水體中TDS的含量。

pH值表現(xiàn)為水沙調(diào)控后＞水沙調(diào)控前＞水沙調(diào)控中，水沙調(diào)控前、中，黃河下游水體pH值變化范圍為7．5～8．4，除 S2 處 pH 值偏高外，其他采樣點 pH 值基本保持波動上升的趨勢；水沙調(diào)控后，pH值整體較前兩階段明顯升高，變化范圍為8．0～8．6，在S2和S5處上升較大，S6至S10的pH值呈較為平穩(wěn)的波動趨勢。

水沙調(diào)控前后，各采樣點水體濁度均在0～1 000 NTU范圍內(nèi)小幅波動；水沙調(diào)控中，水體濁度整體波動幅度較大，位于西霞院壩下的S3采樣點濁度值最大，為5 770 NTU，S2、S5和S6采樣點濁度值較小，S6至S10呈先增大后降低的趨勢?？傮w來說，水沙調(diào)控過程對S1～S4采樣點的濁度影響較大，而對較遠河段濁度的影響較小。

葉綠素含量在水沙調(diào)控各階段變化幅度均不大，波動范圍為0～10 μg／L，變化趨勢平穩(wěn)；水沙調(diào)控中，水體中葉綠素含量在S2采樣點處明顯上升，其余各點波動不大，變化范圍為4～5 μg／L。 總體來說，各時期S8～S10的葉綠素含量均未表現(xiàn)出明顯波動，表明水沙調(diào)控的主要影響范圍在S1～S7之間，對S7下游的葉綠素濃度影響較小。

除個別采樣點位外，硅酸鹽含量在水沙調(diào)控前后總體變化幅度不大，其中：水沙調(diào)控前波動范圍為2～4 mg／L，水沙調(diào)控期變化范圍為 4～6 mg／L，水沙調(diào)控后變化范圍為5～6 mg／L?？傮w變化規(guī)律為水沙調(diào)控前＜水沙調(diào)控中＜水沙調(diào)控后，表明硅酸鹽濃度隨水沙調(diào)控過程逐漸升高。

由表2可知，相對于水沙調(diào)控前，水沙調(diào)控后的流量、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、TDS、硅酸鹽平均值均有顯著變化，且水沙調(diào)控過程不同程度地增大了各環(huán)境因子沿程濃度的標準差，表明水沙調(diào)控使得環(huán)境因子發(fā)生波動，屬于較強的外界脅迫。

如圖3所示，NO2-N濃度在S5（夾河灘）變化幅度最大，其余采樣點變化不明顯；在S4至S8之間NO3-N濃度在水沙調(diào)控前、后期呈逐漸增加的趨勢，在水沙調(diào)控中呈先下降后上升的趨勢；NH4-N濃度在水沙調(diào)控前、后期變化趨勢較為平穩(wěn)，且變化幅度較小，水沙調(diào)控中在S4至S8呈現(xiàn)大幅度的增加；TN濃度在S1至S3處均處于下降趨勢，S4至S10處在水沙調(diào)控前處于緩慢降低趨勢，在水沙調(diào)控中、后期呈逐漸增加的趨勢?？傮w上看，NO2-N濃度呈現(xiàn)水沙調(diào)控中＞水沙調(diào)控后＞水沙調(diào)控前；NO3-N濃度呈現(xiàn)水沙調(diào)控中＞水沙調(diào)控前＞水沙調(diào)控后；NH4-N濃度呈現(xiàn)水沙調(diào)控中＞水沙調(diào)控前＞水沙調(diào)控后；TN濃度呈現(xiàn)水沙調(diào)控后＞水沙調(diào)控中＞水沙調(diào)控前。

水沙調(diào)控過程中PO4-P濃度在S1至S6變化幅度較大，在S7至S10呈逐漸增加的趨勢，其中水沙調(diào)控后PO4-P濃度明顯高于水沙調(diào)控前、中期，且水沙調(diào)控前、中期PO4-P濃度無顯著變化；水沙調(diào)控前、中期各采樣點TP濃度變化幅度不大，呈較為平穩(wěn)的發(fā)展趨勢，水沙調(diào)控后TP濃度在S3及S5至S10處明顯增大，水沙調(diào)控中S2點TP濃度的變化幅度最大。

2．3 水質(zhì)指標綜合評價

選取水體葉綠素 a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）為評價指標，計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI（∑）。其營養(yǎng)狀態(tài)分級見表3。

表3 營養(yǎng)狀態(tài)分級

根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指標TLI（∑）的大小，對黃河下游水體進行富營養(yǎng)化狀態(tài)評價。由圖4可知，水沙調(diào)控中S1（小浪底）TLI（∑）值小于30，為貧營養(yǎng)狀態(tài)，水沙調(diào)控前、后處于中營養(yǎng)狀態(tài)。水沙調(diào)控中S2（西霞院）為中度富營養(yǎng)狀態(tài)，水沙調(diào)控前、后TLI（∑）值小于50，為中營養(yǎng)狀態(tài)。除S2點外，水沙調(diào)控中黃河下游其余各采樣點的 TLI（∑）均小于30，為貧營養(yǎng)狀態(tài)，且水沙調(diào)控前、后期其他樣點基本上處于中營養(yǎng)狀態(tài)。分析其原因可能是黃河下游河道水體營養(yǎng)狀態(tài)主要受TP含量的影響，因水沙調(diào)控過程中下游河道流量增大，對河道中TP含量有一定的稀釋作用，TP含量下降，下游河道綜合營養(yǎng)狀態(tài)呈現(xiàn)貧營養(yǎng)狀態(tài)。S4和S7采樣點在水沙調(diào)控后 TLI（∑）值減小；S3、S5、S9和S10采樣點水沙調(diào)控后TLI（∑）值增大。

2．4 各水質(zhì)指標之間的相關(guān)性分析

由表4可知各因子間的相關(guān)性。水沙調(diào)控前，葉綠素與水溫、DO、pH值和硅酸鹽在0．01水平上顯著相關(guān)，與電導(dǎo)率在0．05水平上顯著相關(guān)；TDS與電導(dǎo)率在0．05水平上顯著相關(guān)，與流量在0．01水平上顯著相關(guān)；DO、電導(dǎo)率、硅酸鹽與pH值均顯著相關(guān)，電導(dǎo)率和水溫在0．01水平上顯著相關(guān)。水沙調(diào)控中，葉綠素與DO、pH值、TDS在0．01水平上顯著相關(guān)，與水溫在0．05水平上顯著相關(guān)；TDS與 DO、pH值、葉綠素在0．01水平上顯著相關(guān)，與水溫、流量在0．05水平上顯著相關(guān)；電導(dǎo)率除含沙量外，與其他因子均不顯著相關(guān)；DO和水溫在0．05水平上顯著相關(guān)。水沙調(diào)控后，葉綠素與DO、pH值在0．01水平上顯著相關(guān)，與水溫、電導(dǎo)率在0．05水平上顯著相關(guān)；pH值與水溫、DO、電導(dǎo)率在0．01水平上顯著相關(guān)，與TDS在0．05水平上顯著相關(guān)；TDS與DO、電導(dǎo)率在0．01水平上顯著相關(guān)；硅酸鹽與其他因子均無顯著相關(guān)；DO和水溫在0．01水平上顯著相關(guān)。

由表4可知，水沙調(diào)控前，NO2-N與NO3-N在0．01水平上顯著負相關(guān)，與TN顯著正相關(guān)，與TP在0．05水平上顯著正相關(guān)；NO3-N 與 TN、TP 在 0．01水平上顯著相關(guān)；TN與 TP在0．01水平上顯著相關(guān)；PO4-P與其他因子均不顯著相關(guān)；NH4-N和流量在0．05水平上顯著相關(guān)。水沙調(diào)控中，PO4-P與TP在0．01水平上顯著正相關(guān)；PO4-P、TP 與 DO、pH 值、葉綠素均顯著相關(guān)；TN與含沙量在0．05水平上顯著相關(guān)；TP與溫度、DO、TDS、pH值、葉綠素均有顯著相關(guān)性。水沙調(diào)控后，NH4-N與NO3-N在0．01水平上顯著負相關(guān)，與TN在0．05水平上顯著負相關(guān)；NO3-N與DO、電導(dǎo)率、TDS在0．01水平上顯著負相關(guān)。

水沙調(diào)控中，NO3-N濃度平均值高于水沙調(diào)控前，且NO3-N濃度與流量、含沙量沒有顯著相關(guān)性，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是水沙調(diào)控大流量造成漫灘所致。黃河下游灘地聚居了180多萬人口，面積達4 000多km2，灘地的農(nóng)田施用了大量的化肥和農(nóng)藥，漫灘可能導(dǎo)致大量硝酸鹽進入水體，同時懸浮泥沙也加劇了河流水體的低氧、缺氧狀態(tài)［23］，使水體中的亞硝態(tài)氮和氨氮含量在水沙調(diào)控過程中有明顯增加。隨著含沙量的下降，水沙調(diào)控后NO3-N、NH4-N等含量也略有下降。PO4-P和TP在水沙調(diào)控后含量最大，且其在水沙調(diào)控前、中、后3個階段的變化差異不顯著，說明水沙調(diào)控過程對黃河下游河道中磷元素?zé)o直接顯著影響，原因可能是水沙調(diào)控前期徑流對河道中PO4-P的稀釋作用使其含量較低，隨著水沙調(diào)控過程中泥沙含量的遞增，攜帶大量磷進入下游河道中，同時水體大量懸浮物也影響磷的吸附-解吸作用，使得PO4-P和TP在水沙調(diào)控中含量增加；水沙調(diào)控后流量的減小在一定程度上降低了對磷的稀釋作用，故水沙調(diào)控后PO4-P和TP含量又有升高的趨勢［15］。

3 結(jié) 論

以黃河下游水質(zhì)為研究對象，調(diào)查了水沙調(diào)控前、中、后期小浪底—利津段干流水質(zhì)指標及營養(yǎng)指標，并對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價法對水質(zhì)進行評價，得出以下結(jié)論。

（1）水溫與具體的采樣時間及天氣情況有關(guān)，水沙調(diào)控前、中期電導(dǎo)率變化不大，水沙調(diào)控后電導(dǎo)率明顯低于水沙調(diào)控前；水沙調(diào)控對S8、S9、S10三處的葉綠素含量無顯著影響，水沙調(diào)控過程會使下游水體中硅酸鹽含量升高，水沙調(diào)控過程會造成黃河下游水中溶解氧含量的降低。

（2）水沙調(diào)控中水體 NO2-N、NO3-N和 NH4-N濃度均高于水沙調(diào)控前期和結(jié)束后；水沙調(diào)控后期PO4-P和TP濃度明顯高于前、中期，氮元素對水沙調(diào)控過程的響應(yīng)較快，而磷元素對水沙調(diào)控過程的響應(yīng)較慢。

（3）除S2外，水沙調(diào)控中，各采樣點TLI（∑）值均小于30，為貧營養(yǎng)狀態(tài)。水沙調(diào)控前、后期，黃河下游水體TLI（∑）值處在30至50之間，為中營養(yǎng)狀態(tài)。

（4）在水沙調(diào)控3個時期中，葉綠素與水溫、DO、pH值均有顯著的相關(guān)性，水沙調(diào)控前葉綠素與水溫、DO、pH值、硅酸鹽在0．01水平上顯著相關(guān)，與電導(dǎo)率在0．05水平上顯著相關(guān)；TDS和電導(dǎo)率在水沙調(diào)控前、后均顯著相關(guān)；水沙調(diào)控前硅酸鹽與pH值、葉綠素分別在0．05和0．01水平上顯著相關(guān)；水沙調(diào)控中、后期硅酸鹽與其他因子均無顯著相關(guān)性。

（5）水沙調(diào)控前 NO3-N 與 TN、TP、NO2-N 在0．01水平上顯著相關(guān)；水沙調(diào)控后NO3-N與NH4-N、TN呈顯著負相關(guān)；水沙調(diào)控中PO4-P與TP在0．01水平上顯著正相關(guān)，PO4-P、TP與DO、pH、葉綠素均顯著相關(guān)；僅在水沙調(diào)控前，流量與NH4-N顯著相關(guān)。