喀斯特地區(qū)梯級水庫建造對水化學(xué)分布的影響*

王萬發(fā)，鐘 君 ，李 彩，易沅壁，陳賽男，陳 率，郎赟超，李思亮

(1：天津大學(xué)表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，天津300072) (2：淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，淮安 223300)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 烏江梯級水電站采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Wujiangdu cascade reservoirs

表1 研究區(qū)域各水庫基本特征

1.2 樣品采集與分析

分別于2017年1、4、7和10月在3個水庫進(jìn)行同步采樣，采樣點(diǎn)位置如圖1所示. 其中W1(27°01′N，105°27′E)和W6(26°52′N，105°52′E)為洪家渡水庫的入庫水和下泄水，其水庫內(nèi)部W2(26°53′N，105°33′E)、W3(26°49′N，105°35′E)、W4(26°57′N，105°38′E)為表層水，W5(26°53′N，105°51′E)為庫區(qū)剖面水；W7(26°56′N，106°21′E)和W8(27°10′N，106°26′E)為索風(fēng)營水庫剖面水和下泄水；W13(27°20′N，106°45′E)為烏江渡水庫的下泄水，其水庫內(nèi)部W9(27°08′N，106°24′E)、W10(27°13′N，106°30′E)、W11(27°18′N，106°40′E)為內(nèi)部表層水，W12(27°24′N，105°27′E)為庫區(qū)剖面水. 洪家渡、索風(fēng)營、烏江渡3個水庫在正常條件下均為底部放水，由于放水口根據(jù)發(fā)電的需要會開啟壩后不同高度的放水口，因此根據(jù)死水位進(jìn)行估算可知放水口分別距離正常蓄水位約64、22和40 m，對應(yīng)高程分別為1076、813和720 m. 為了更加明晰壩前靜水區(qū)采樣點(diǎn)W5、W7和W12對應(yīng)水體剖面上水體的水化學(xué)特征，我們根據(jù)前人研究以及根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)參數(shù)儀投放數(shù)據(jù)資料，采集樣品的水深0.5、5、15、30和60 m范圍內(nèi)均涵蓋水體表層、真光層、溫躍層和深層水區(qū)域的水樣，這有利于我們更加明晰水體內(nèi)部剖面上的水化學(xué)行為[19-20]. 在本文中將1月和10月的樣品作為枯水期樣品，4月和7月的樣品作為豐水期樣品. 所有樣品均通過乘船至河道中間進(jìn)行采集，以保證樣品質(zhì)量. 采集之后的樣品除一部分現(xiàn)場處理外其余均保存在10 L儲水袋(PVC)中，帶回室內(nèi)在12 h內(nèi)根據(jù)測試指標(biāo)要求預(yù)處理保存.

2 結(jié)果

2.1 梯級水庫群表層水體水化學(xué)沿程時(shí)空變化特征

圖2 梯級表層水化學(xué)參數(shù)沿程變化Fig.2 Longitudinal variations of hydrochemical parameters along the cascade reservoirs

庫區(qū)水體在暖季由于太陽輻射強(qiáng)度大引起較大的水體密度差，導(dǎo)致水體形成不同程度的熱分層，最終會引起水化學(xué)參數(shù)的差異[27, 35]. 在本研究中水溫的變化范圍為12.1～29.8℃(18.3±3.8℃)(圖2)，在豐水期變化范圍為12.1～29.8℃(19.1±4.4℃)，在枯水期變化范圍為12.7～21.7℃(17.4±2.7℃)，在豐水期的最低溫度為12.1℃，低于枯水期的12.7℃，且洪家渡水庫、索風(fēng)營水庫與烏江渡水庫壩后下泄水較壩前表層水全年分別降低26.4%、5.1%和16.7%，在豐水期則分別高達(dá)39.2%、10.8%和31.6%，表明筑壩之后壩前水體已出現(xiàn)明顯分層且在豐水期分層更為明顯. 根據(jù)前人研究，通過表征特征以及穩(wěn)定碳同位素值表明，3個水庫中的浮游植物的優(yōu)勢種群為綠藻、硅藻和藍(lán)藻，河流水體以硅藻為主，庫區(qū)主要以藍(lán)藻、硅藻為主并對Chl.a濃度造成了影響[36-38]. Chl.a濃度可以有效表征水體光合作用強(qiáng)弱，本研究中其變化范圍為0～23.9 μg/L(3.8±4.6 μg/L)(圖2)，在豐水期變化范圍為0～23.9 μg/L(3.8±4.7 μg/L)，在枯水期變化范圍為0～16.3 μg/L(3.7±4.6 μg/L). DO是水生生物新陳代謝及水汽界面交換的產(chǎn)物，能夠有效表征水體受到生物作用的影響程度[39]. Chl.a濃度升高后最直觀的影響在于水體溶解氧(DO)濃度會隨之改變[19]，本研究中其變化范圍為0.3～16.2 mg/L(7.6±2.4 mg/L)(圖2)，在豐水期變化范圍為4.3～16.2 mg/L(8.5±2.6 mg/L)，在枯水期變化范圍只有0.3～9.4 mg/L(6.7±1.9 mg/L)，在豐水期DO濃度變化范圍更大，平均值更高. TDS濃度變化范圍為211～352 mg/L(274.2±22.8 mg/L)(圖2)，在豐水期變化范圍為211～352 mg/L(276.5±25 mg/L)，在枯水期變化范圍為231～324 mg/L(271.6±19.9 mg/L)，在3個水庫的下泄水中TDS濃度全年變化幅度遠(yuǎn)大于壩前與入庫水體，且TDS濃度遠(yuǎn)低于沒有筑壩作用的喀斯特地貌地區(qū)的赤水河流域的317.8 mg/L[40]. 圖2中可以觀察到在庫區(qū)，水化學(xué)參數(shù)均在豐水期取值范圍明顯大于枯水期.

2.2 剖面理化性質(zhì)的時(shí)空變化特征

3 討論

3.1 梯級筑壩引起湖沼學(xué)發(fā)育的特征分析

3.2 梯級筑壩引起湖沼學(xué)發(fā)育的控制因素

(1)

(2)

圖4 烏江梯級水庫Gibbs圖(a、b)及Na+校正的元素比值分布圖(c)Fig.4 Gibbs chart (a and b) and Na+ normalized molar ratio of the samples (c) in the Wujiang cascade reservoirs

圖5 烏江梯級水庫中與ΔCa2+的關(guān)系Fig.5 The relationship of and ΔCa2+ in the Wujiang cascade reservoirs

3.3 梯級筑壩對流域化學(xué)風(fēng)化速率估算的影響

Clatm=0.024 mmol/L

(3)

Nariver=Naatm+ Naanthro+ Nasil

(4)

Cariver=Cacarb+ Casil

(5)

Mgriver=Mgcarb+ Mgsil

(6)

Kriver=Katm+ Ksil

(7)

CWR=([Ca]CCW+ [Mg]CCW+ 0.5[HCO3]CCW)Q/A

(8)

變化率=(壩后風(fēng)化速率-壩前風(fēng)化速率)/(壩前風(fēng)化速率)

(9)

式中，下標(biāo)atm、river、anthro、sil、carb、eva、CWR、CCW、Q和A分別代表大氣、河流、人為輸入、硅酸鹽巖、碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖、碳酸對碳酸鹽巖的風(fēng)化速率、碳酸對碳酸鹽巖的風(fēng)化、徑流量和流域面積.

圖6 梯級水庫壩前與壩后碳酸鹽巖風(fēng)化速率的對比Fig.6 Comparison of weathering rates of carbonate rocks in front and behind the dams of cascade reservoirs

前人在同一流域?yàn)踅傻人畮熘幸灿^察到類似現(xiàn)象并表明，在豐水期滯留時(shí)間越長的水庫，熱分層越明顯. 水體表層主要受藻類光合作用影響，而底部區(qū)域主要受到有機(jī)質(zhì)與碳酸鈣分解的影響，最終引起壩前

表2 梯級水庫壩前與壩后碳酸鹽巖風(fēng)化速率的差異*

*HJD、SFY和WJD分別代表洪家渡水庫、索風(fēng)營水庫和烏江渡水庫.

4 結(jié)論

通過對烏江中上游洪家渡水庫、索風(fēng)營水庫和烏江渡水庫2017年豐水期與枯水期入庫、出庫表層與庫區(qū)剖面水樣的理化性質(zhì)進(jìn)行對比分析，評估筑壩攔截對流域化學(xué)風(fēng)化速率估算的影響，主要得到以下結(jié)論：

4)以往關(guān)于流域風(fēng)化的相關(guān)研究往往忽視水庫的作用，今后應(yīng)將河流筑壩作用考慮在內(nèi)，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性. 同時(shí)，在采集河流水體樣品時(shí)，也應(yīng)在準(zhǔn)確評估水庫影響之后，選取合理地點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)行采樣分析研究. 在進(jìn)行化學(xué)風(fēng)化速率估算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注滯留時(shí)間較長的水庫，增加剖面采樣點(diǎn)，增加豐水期的采樣頻率，以進(jìn)一步提高化學(xué)風(fēng)化速率估算的準(zhǔn)確性. 為了更加明晰梯級水庫群對水體水化學(xué)性質(zhì)以及流域風(fēng)化速率估算的影響，未來還應(yīng)進(jìn)一步選取更多不同地質(zhì)背景、滯留時(shí)間等不同特征的水庫進(jìn)行對比研究論證.