梯級筑壩對黑河水質(zhì)時(shí)空分布特征的影響

王 昱，盧世國，馮 起，劉 蔚，劉娟娟，劉開清，左一鋒

(1：蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050)(2：中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)(3：甘肅省討賴河流域水資源局，酒泉 735000)

河流水質(zhì)是流域的一個(gè)重要特征，通過研究水體中物理化學(xué)成分的變化，不僅可以獲取地質(zhì)、氣象、水文等自然因素在河流中形態(tài)表征的信息，同時(shí)還能體現(xiàn)流域范圍內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)、人類活動對河流水系作用的響應(yīng)[1]. 近年來，隨著流域梯級開發(fā)，原始河流的水力學(xué)連通性和縱向聯(lián)通性發(fā)生改變，在很大程度上重新配置了上下游河道物質(zhì)、能量和水流輸送的時(shí)空分布特征，進(jìn)而影響到河流的水文過程、水動力條件、介質(zhì)運(yùn)移機(jī)制等水文環(huán)境要素，這些將成為水體富營養(yǎng)效應(yīng)的疊加因素[2-3]；另外，河流水動力條件的變化勢必會影響沉積物粒度的組成和分布[4]，而河流沉積物作為水體污染物(如營養(yǎng)鹽顆粒)的重要載體，其粒度特性的改變將會制約水體理化物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化行為. 因此，開展水電梯級開發(fā)情景下河流水質(zhì)變化規(guī)律研究，對于流域生態(tài)修復(fù)和水庫調(diào)度具有重要意義. 目前，國內(nèi)外學(xué)者針對水電開發(fā)對河流水質(zhì)變化的影響進(jìn)行了大量研究. Dynesius等[5]研究表明，水庫建設(shè)將導(dǎo)致河流水動力條件減弱，阻礙了顆粒態(tài)營養(yǎng)要素的遷移方式，從而加重了庫區(qū)水體富營養(yǎng)化趨勢；Petts[6]認(rèn)為水庫水質(zhì)發(fā)生變化的主要影響因素是水庫運(yùn)用方式、水位、分層、滯留時(shí)間、異重流等；劉叢強(qiáng)等[7]分析表明，太陽輻射和熱量傳輸不平衡會導(dǎo)致季節(jié)性水體分層，主要體現(xiàn)在庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)分層和下泄水溫的延遲滯留效應(yīng)上；此外，國內(nèi)外不少學(xué)者[8-10]認(rèn)為梯級水庫運(yùn)行對水質(zhì)的影響必然會以某種形式疊加，產(chǎn)生累積效應(yīng). 但上述研究大都集中在長江流域、黃河流域、瀾滄江流域、Seine河流域等外流河及其支流上，對內(nèi)陸河流域這樣水質(zhì)脆弱地區(qū)的案例性研究并不多見.

黑河作為我國第二大內(nèi)陸河，是河西走廊綠洲賴以生存和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要水資源基地. 近年來，黑河上游水電梯級開發(fā)極大地破壞了河流連續(xù)性，不僅使庫區(qū)自身水體理化性質(zhì)的時(shí)空分布發(fā)生變化，還對下游河道水環(huán)境系統(tǒng)的演替以及河流生態(tài)健康帶來一系列影響[11-12]. 縱觀以往研究，多是簡單評價(jià)各區(qū)間河段的水體質(zhì)量[13-14]，而缺乏對筑壩河段水質(zhì)大尺度、多斷面的時(shí)空變化特征研究. 為此，本文通過監(jiān)測2017年12月-2018年8月汛期和非汛期的水質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用主成分分析(PCA)和方差分析(ANOVA)的方法，識別水質(zhì)因子的時(shí)空差異性，探討導(dǎo)致該區(qū)域水質(zhì)時(shí)空分異的原因以及水電梯級開發(fā)對河流水質(zhì)的影響，以期為流域綜合治理和水庫調(diào)度提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于祁連山北麓，流域范圍介于37°45′～42°40′N，96°42′～102°04′E之間，流經(jīng)青海、甘肅和內(nèi)蒙古3個(gè)省區(qū)，全長821 km，流域總面積14.3×104km2. 黑河以鶯落峽和正義峽為界，劃分為上、中、下游，鶯落峽以上為上游，主要由兩大支流野牛溝河和八寶河及其匯合后形成的部分干流構(gòu)成，其干流穿越祁連山谷后至鶯落峽出山流入中游走廊平原，經(jīng)正義峽流出，進(jìn)入下游額濟(jì)納，最終匯入居延海.

本文選擇研究黑河上中游地區(qū)，其中上游海拔在2600～4300 m之間，多年平均氣溫為-5～4℃，年降水量超過350 mm，部分區(qū)域可達(dá)600～700 mm，冰川融水量約為4.0×108m3，氣候陰濕寒冷，植被覆蓋較好，是黑河流域的主要產(chǎn)流區(qū). 中游地區(qū)年降水量不足200 mm，蒸發(fā)量在1400 mm左右，區(qū)內(nèi)光熱資源充足，為黑河徑流的主要利用區(qū). 黑河屬于典型的內(nèi)陸河，徑流來源主要有降水形成的地表徑流、冰川融冰、融雪和地下水等，其中降水補(bǔ)給約為95%，冰川融水補(bǔ)給僅為4%. 6-8月份是河源徑流的豐水期，該時(shí)段徑流量約占全年徑流量的69.6%，枯水期12-3月份來水量約占全年總量的15.9%左右[15-16]，研究區(qū)其他水文水力要素特征見表1.

表1 黑河上中游河道及水文要素特征*

黑河流域水電梯級開發(fā)主要分布在上游干流山區(qū)，其水能資源蘊(yùn)藏量106×104kW，可開發(fā)量為52.8×104kW，年發(fā)電量為38.48×108kW·h. 根據(jù)地形情況，干流從上到下共規(guī)劃了8座梯級電站，依次為黃藏寺、寶瓶河、三道灣、二龍山(松木溝)、大孤山、小孤山(石羊嶺)、龍首二級(西流水)、龍首一級以及龍渠電站；兩支流末端分別建有地盤子和牛板筋電站(圖1). 總體上該河段是以大孤山、寶瓶河兩大電站為主，地盤子、牛板筋等小水電站為輔的開發(fā)格局. 截止所有樣品采集完成時(shí)，干流河段已建成7座梯級電站，支流河段建成2座(表2).

圖1 研究區(qū)位置及電站分布Fig.1 Study area and hydropower stations distribution

表2 黑河上游水電開發(fā)情況

1.2 樣品采集與分析

水庫蓄水運(yùn)行后，一方面庫區(qū)水位雍高，水深加大，流速減緩，加之受水庫回水的頂托作用影響，阻礙了河流污染物向下流動，容易使壩上河段出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[17-18]；另一方面，水庫水位的調(diào)節(jié)以及來流水體理化性質(zhì)的差異，造成水質(zhì)因子處于頻繁的交換狀態(tài)，并且這種交換又會反過來進(jìn)一步改變壩上和壩下河道水體的物理化學(xué)性質(zhì)[19]. 另外，通常上游河道水力特性的改變會對下游水環(huán)境系統(tǒng)演變帶來一系列影響[12]. 因此，為探明梯級水電開發(fā)對黑河水質(zhì)變化的影響，本文在筑壩河流上布設(shè)壩上河段、壩下河段和下游自然河段3類采樣區(qū)域，選擇24個(gè)主要控制斷面進(jìn)行水樣監(jiān)測(圖1). 自然河道上根據(jù)黑河干流水文站的分布情況、河流交匯位置及行政區(qū)的劃分屬性，設(shè)置6個(gè)采樣斷面(H19、H20、H21、H22、H23、H24)；壩上河段依據(jù)梯級電站河流入庫口位置及庫容大小，設(shè)置9個(gè)采樣斷面(H1、H2、H5、H6、H9、H10、H12、H14、H16)；壩下河段按照梯級水庫泄流情況以及電站尾水出口位置，設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)(H3、H4、H7、H8、H11、H13、H15、H17、H18). 分別于河流非汛期(2017年12月-翌年3月)、汛期(2018年6-8月)進(jìn)行逐月采樣，其中非汛期采樣為每月下旬，汛期為每月上旬，取樣過程按照從上到下的原則分3天進(jìn)行，每個(gè)斷面采樣3次，分別采集1000 mL水樣固定后低溫保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室；另外，各采樣時(shí)段并沒有較大的降水.

監(jiān)測指標(biāo)包括水溫(WT)、pH值、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)、五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)，共計(jì)9項(xiàng). 其中WT、pH、DO、EC使用哈希便攜式水質(zhì)儀現(xiàn)場測定，剩余指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[20]中所示方法在實(shí)驗(yàn)室測定，并且每個(gè)樣品皆平行測定3次，計(jì)算結(jié)果取其平均值.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文首先運(yùn)用主成分分析法[21]提取了引起研究區(qū)域水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素并加以分析，再結(jié)合重復(fù)測量方差分析[21]判別黑河壩上河段、壩下河段與自然河段3種不同空間類別上的水質(zhì)指標(biāo)差異，最后利用單因素方差分析[21]識別不同空間類別上時(shí)間尺度的水質(zhì)變化特征，從而在時(shí)空尺度上探討梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行對河流水質(zhì)的變化規(guī)律影響機(jī)制. 主成分分析之前，先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO和Barlett球度檢驗(yàn)，同時(shí)為了消除各指標(biāo)間不同量綱的影響，將原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[22]，即均值為0，方差為1. 上述所有分析均在Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics 20.0和Origin 9.0軟件中實(shí)現(xiàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)因子特征與評價(jià)

2017年12月-2018年8月研究區(qū)域水質(zhì)因子的均值和實(shí)測范圍見表3. 由表3可知，監(jiān)測時(shí)段內(nèi)該區(qū)域水體pH值主要分布在8.24～8.99之間，屬于弱堿性水；DO、BOD5、CODMn、NH3-N、TN和TP濃度均值分別為8.26、2.71、2.87、0.47、0.94和0.17 mg/L，根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)常規(guī)水質(zhì)項(xiàng)目評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，TN和TP屬于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，BOD5、CODMn和NH3-N屬于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，DO屬于Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，基本能滿足功能區(qū)目標(biāo)限值. 從實(shí)測范圍來看，寶瓶至龍首河段的TP濃度、寶瓶水庫和大孤山水庫的BOD5濃度、平川和高臺地區(qū)的TN濃度均超出了功能區(qū)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，其中TN濃度最大值超出Ⅴ水標(biāo)準(zhǔn)的1.07倍，TP濃度最大值超出湖庫Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的1.44倍，說明上述水域污染較重，甚至部分河段出現(xiàn)了劣Ⅴ類水現(xiàn)象. 通過Pearson相關(guān)分析得出(表4)，EC與除pH、DO、TP外的其他因子呈極顯著正相關(guān)，即EC隨著NH3-N、TN、BOD5、CODMn濃度的增加而顯著增加；BOD5、CODMn、NH3-N、TP之間有顯著相關(guān)性，表明其來源具有一致性和相似性；DO與TP、NH3-N呈明顯負(fù)相關(guān)，說明它們之間是相互影響的；WT與EC、TN、NH3-N、BOD5也表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，體現(xiàn)了自然因素水溫對河水的影響.

表3 研究區(qū)水質(zhì)因子特征

表4 水質(zhì)因子間的Pearson相關(guān)系數(shù)*

2.2 水質(zhì)主成分分析

經(jīng)檢驗(yàn)得出，本文用于分析的數(shù)據(jù)KMO值為0.67，Bartlett球度的顯著性滿足P<0.001的置信度要求，表明原始數(shù)據(jù)之間有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，適合用于主成分分析. 按照特征值λ>1的原則，提取了3個(gè)引起水質(zhì)變化的主成分(表5)，累積方差貢獻(xiàn)率為81.949%，能夠充分提取原始數(shù)據(jù)信息.

由表5可知，第1主成分PC1的方差貢獻(xiàn)率最大，為53.364%，與之相關(guān)聯(lián)的參數(shù)是WT、EC、BOD5、CODMn和TN，體現(xiàn)了氣候條件(WT)變化對水質(zhì)的影響，以及人類活動影響下有機(jī)污染物(BOD5、CODMn)和營養(yǎng)鹽(TN)主導(dǎo)著該區(qū)域水質(zhì)變化；且TN對PC1有最強(qiáng)的相關(guān)性，變化特征最明顯，表明其受季節(jié)變換、人類活動等因素影響顯著. 第2主成分PC2的方差貢獻(xiàn)率為16.671%，與之相關(guān)聯(lián)的參數(shù)是NH3-N、TP和DO，并且NH3-N與TP呈正相關(guān)，與DO呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)Pearson相關(guān)分析也顯示它們之間表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著營養(yǎng)鹽(TP、NH3-N)的輸入，DO濃度出現(xiàn)相反的變化. 第3主成分PC3的方差貢獻(xiàn)率最低，為11.931%，與之關(guān)聯(lián)的參數(shù)是pH，反映了水體的酸堿度，它對水體的氧化還原反應(yīng)起著一定的控制作用，決定著河流水體系統(tǒng)的化學(xué)穩(wěn)定性[23].

表5 研究區(qū)監(jiān)測指標(biāo)主成分分析結(jié)果*

圖2 研究區(qū)水質(zhì)因子PCA分析雙序圖(X表示汛期樣點(diǎn)，F(xiàn)表示非汛期樣點(diǎn))Fig.2 The PCA biplots of water quality factors in the research area

為了更清晰地反映研究區(qū)域水質(zhì)狀況，將各采樣點(diǎn)得分與水質(zhì)參數(shù)荷載矩陣進(jìn)行PCA雙序分析(圖2)，可以直觀反映3方面信息：①樣點(diǎn)在排序空間上呈明顯的季節(jié)分布，逆時(shí)針方向來看，汛期基本聚集在第2象限和第3象限，非汛期在第1象限和第4象限. ②水質(zhì)因子的箭頭越長表示因子荷載越大，對排序的貢獻(xiàn)也越大，箭頭間的夾角則表示水質(zhì)因子間的相關(guān)性，夾角越小相關(guān)性越高；圖中箭頭較長的水質(zhì)因子在排序空間分成WT和EC、TN、CODMn、NH3-H、BOD5、DO兩簇排列，主導(dǎo)著該區(qū)域的水質(zhì)變化，且每簇因子間夾角越小，相關(guān)性越高. pH、TP箭頭短，對排序貢獻(xiàn)小，樣品間差異小. ③將采樣點(diǎn)向水質(zhì)因子箭頭及其延長線作投影，投影位置在箭頭指向方向越遠(yuǎn)數(shù)值越大，表明該水質(zhì)因子對其正貢獻(xiàn)越大，反之則越小. 逆時(shí)針方向來看，1、3象限中，箭頭指向了排序空間中EC、TN、CODMn、NH3-H、BOD5、DO變異最大的方向，反映了非汛期BOD5、TN、CODMn、NH3-H主導(dǎo)著該時(shí)段的水質(zhì)變化，并引起了DO和EC的變化；2、4象限中WT和pH最高，說明WT和pH主導(dǎo)著汛期各采樣點(diǎn)的水質(zhì)變化.

2.3 水質(zhì)變化的時(shí)空分布特征

2.3.1 水質(zhì)因子的空間差異性分析 本文將研究區(qū)域劃分為壩上斷面、壩下斷面和自然斷面3組，對2017年12月-2018年8月的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測量方差分析，結(jié)果表明，WT、EC、BOD5、CODMn、TN等水質(zhì)因子在不同組別上存在顯著性差異(P<0.05).

從它們的空間變化規(guī)律可以看出(圖3)，WT、EC、TN的最大平均值出現(xiàn)在自然斷面，顯著高于組間不存在明顯差異的壩上斷面和壩下斷面. BOD5最大平均值出現(xiàn)在壩上斷面，最小平均值出現(xiàn)在壩下斷面，表現(xiàn)出組間顯著性差異. CODMn最小平均值出現(xiàn)在壩下斷面，顯著低于不存在顯著性差異的壩上斷面和自然斷面. 其中，TN和EC濃度值在壩下斷面較為均勻集中，而壩上斷面的CODMn濃度值以及自然斷面的WT、EC、BOD5濃度值則相對分散.

圖3 研究區(qū)水質(zhì)因子的空間差異Fig.3 Spatial variations of water quality factors in the research area

2.3.2 水質(zhì)因子的時(shí)間差異性分析 由于黑河流域年降雨量的70%都集中分布在6-8月[24]. 據(jù)此，本文將該區(qū)域的6-8月劃分為汛期，其余月份(12月-翌年3月)歸類為非汛期. 水質(zhì)參數(shù)的時(shí)間變化采用季節(jié)參數(shù)相關(guān)矩陣進(jìn)行評價(jià)，通過單因素方差分析(One-way ANOVA)得出，除pH、DO、TP之外，WT、EC、BOD5、CODMn、TN和NH3-N與季節(jié)變化存在顯著相關(guān)性(P<0.05). 這些顯著性指標(biāo)中，TN具有最大的相關(guān)系數(shù)(Spearman’sR=0.701)，其次是EC(R=0.700)、BOD5(R=0.692)、WT(R=0.656)和NH3-N(R=0.552). 而與季節(jié)相關(guān)的參數(shù)可視為引起水質(zhì)時(shí)間變化的主要指標(biāo).

在不同空間河段上，隨著季節(jié)的變化，EC、BOD5、CODMn、NH3-N、TN濃度整體呈上升趨勢. 其中EC在各河段變幅較小；BOD5和NH3-N濃度在各河段的變幅均較大，而壩上河段變幅最大；NH3-N和TN在自然河段變幅最大，壩上河段與壩下河段變幅較??；WT值無論是在壩上河段，或者是壩下河段，還是自然河段，汛期都要明顯高于非汛期，體現(xiàn)了顯著的氣候區(qū)域差異. 另外，本文研究發(fā)現(xiàn)DO濃度并沒有呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化，且pH和TP濃度在汛期和非汛期差異也不明顯. 總體來看，研究區(qū)各水質(zhì)因子在非汛期變化較汛期顯著(圖4).

圖4 研究區(qū)水質(zhì)因子的時(shí)間差異Fig.4 Temporal variations of water quality factors in the research area

3 討論

3.1 梯級大壩建設(shè)下庫區(qū)河段水質(zhì)變化特征分析

圖5 水質(zhì)因子與水庫庫容的關(guān)系Fig.5 The relationship between water quality indexes and reservoir capacity

河流筑壩蓄水后，強(qiáng)水動力條件下的河流搬運(yùn)作用將逐漸演變?yōu)槿跛畡恿l件下的湖泊沉積作用，進(jìn)而增強(qiáng)了水庫對河流沉積物、營養(yǎng)鹽顆粒等物質(zhì)的沉積滯留效應(yīng)，導(dǎo)致庫區(qū)水體的物理化學(xué)特性發(fā)生改變[25-26]. 有研究表明[7]，水庫庫容也可能是其影響因素之一. 據(jù)此次調(diào)查結(jié)果顯示，黑河庫區(qū)河段上NH3-N、TP、EC、BOD5、CODMn濃度均隨庫容的增大而升高. 主要原因是水庫庫容越大，與之相適應(yīng)的調(diào)節(jié)性能越好，水力停留時(shí)間越長，因而營養(yǎng)鹽、有機(jī)物等各種污染物的擴(kuò)散和降解程度也就越緩慢. 通常營養(yǎng)鹽、有機(jī)物的滯留會消耗水中大量DO[27]，本文中該河段水體DO濃度對BOD5、CODMn、TP濃度的變化也呈現(xiàn)出相似的響應(yīng)規(guī)律(圖5)，表明有機(jī)物和營養(yǎng)鹽濃度是影響庫區(qū)河段水體DO濃度變化的主要因素. 有觀點(diǎn)認(rèn)為[28-29]，梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行會將大壩阻隔對河流水環(huán)境系統(tǒng)的影響逐級“放大”，呈現(xiàn)出迥異于單一水庫的變化特征，如水溫的延遲滯留效應(yīng)逐漸加大，各類離子、污染物濃度逐漸升高，水體富營養(yǎng)化趨勢逐漸加重等. 從本文研究結(jié)果來看，庫區(qū)河段上NH3-N、TP、BOD5、EC都隨距寶瓶壩前距離的減小而逐漸增大，且距壩前距離分別能解釋其濃度變化的67.7%、73.6%、68.9%和77.1%，說明上游外源性污染源產(chǎn)生的EC、NH3-N、TP、BOD5濃度在下游筑壩環(huán)境下有較明顯的沿程累積效應(yīng). 但這些污染物濃度卻與下游龍首一級水庫壩前距離相關(guān)性很差(圖6)，只能解釋其濃度變化的6.9%、9.0%、8.4%和28.0%. 表明河流污染物經(jīng)梯級水庫調(diào)節(jié)后(即沿程累積效應(yīng))，各級河段水質(zhì)污染程度均有所加重，且其污染程度類似. 黑河梯級水庫屬于深水峽谷型水庫，由于年際氣溫變化較小，水溫分層變化不是特別明顯，沒有典型的溫躍層，但正是這種不顯著的溫度分層結(jié)構(gòu)，有效限制了水庫上下水團(tuán)的對流交換，阻斷了下層水體中溶解氧的恢復(fù)補(bǔ)充途徑[30]，從而使水庫下層形成了還原性環(huán)境，抑制了亞硝化作用和硝化作用，導(dǎo)致沉積物中氨化作用形成的NH3-N不能完全轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，進(jìn)而造成下泄水體的NH3-N濃度升高，這是壩上河段和壩下河段NH3-N濃度沒有差異的重要原因. 筑壩蓄水對河流水溫的另一重要影響則是滯溫效應(yīng)，具體表現(xiàn)為下泄水溫出現(xiàn)平坦化、均一化特性[8]. 瞿群[31]、楊宏[32]分析發(fā)現(xiàn)黑河高壩水庫建成后下泄水溫常年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，且秋、冬季有增溫效應(yīng)，春、夏季有降溫效應(yīng)，本文中相應(yīng)河段水溫的時(shí)空變化過程也有此類似現(xiàn)象. 總體來看，黑河梯級水庫建設(shè)對河流水質(zhì)的影響具有三維結(jié)構(gòu)的特征，即橫向、縱向和垂向3個(gè)方向. 橫向上由于庫區(qū)自身的沉積作用取代了河流搬運(yùn)作用，營養(yǎng)鹽、有機(jī)物等典型污染物易于發(fā)生沉積滯留效應(yīng)，加大了庫區(qū)水體富營養(yǎng)化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其程度跟庫容大小有一定關(guān)系；縱向上受梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行影響，大壩阻隔將河流污染物的累積效應(yīng)逐級放大，加重了各級庫區(qū)的污染趨勢；而垂向上水溫分層改變了水團(tuán)混合性質(zhì)，干擾了水體中一些離子的遷移轉(zhuǎn)換過程，并對下泄水體理化特性也產(chǎn)生了一定的影響.

圖6 水質(zhì)因子與壩前距離的關(guān)系Fig.6 The relationship between water quality indexes and distance from dam

3.2 不同河段水質(zhì)變化特征對梯級大壩建設(shè)的響應(yīng)

從空間尺度上看，黑河梯級水庫蓄水運(yùn)行以后，壩上河段、壩下河段及下游自然河段水質(zhì)的空間差異主要體現(xiàn)在WT、EC、BOD5、CODMn、TN等指標(biāo)上. 其中BOD5、CODMn濃度在壩上河段最高，壩下河段最低，而BOD5、CODMn是常被用來反映水體受工農(nóng)業(yè)、生活等有機(jī)耗氧類物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo). 考慮到上游祁連地區(qū)金屬礦采選、冶煉等工礦業(yè)活動較強(qiáng)，因此上游來水中外源性污染源排放的有機(jī)物沿河累積于庫區(qū)，并經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后，上覆水體受污染較重，下層水體受影響較小，這雖然在一定程度上降低了下泄水體中污染物的本底值，但當(dāng)遇到大規(guī)模降雨或洪水事件，儲存于壩內(nèi)的有機(jī)物被沖刷流出后，下游水體將受到嚴(yán)重污染. TN濃度在自然河段較高，主要原因是該河段途徑張掖、臨澤、高臺等市縣，人口稠密，各地區(qū)的工業(yè)廢水以及村鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)徑流等人類活動向河水排入了大量營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致TN質(zhì)量濃度急劇升高，加之自然河段河床比降較小，水流緩慢，而且受上游筑壩影響，來流水動力條件減弱，故污染物質(zhì)更容易聚集. EC跟TN情況類似，在自然河段最高. Pearson相關(guān)分析顯示，隨著水體鹽類污染物的增加，EC也升高. 可能是由于該地區(qū)造紙、農(nóng)副產(chǎn)品加工企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢水以及村鎮(zhèn)生活污水等外源性點(diǎn)源污染向河水排放營養(yǎng)鹽的同時(shí)，帶入了大量溶解性離子，從而使EC升高[30]，這也進(jìn)一步反映了自然河段水質(zhì)受人類活動(包括水土流失)影響較大. 基于前文分析，各河段WT的變化主要與氣候、海拔、人類活動等因素有關(guān). 值得一提的是，對于磷元素而言，水庫的攔截效率較高，可高達(dá)80%，是磷元素的一個(gè)有效“匯”[10, 33]. 有研究表明[34]，貓?zhí)犹菁壦婇_發(fā)對TP的滯留效果顯著，約使磷酸鹽濃度降低了90%；Seine河上游水庫滯留了60%的磷元素，主要是沉降在沉積物中[31]. 本研究中水體TP濃度相對較高，但并沒有明顯的空間分布差異. 一方面原因是水庫大量攔沙攔磷破壞了水體納污的緩沖機(jī)制，造成壩下河段的溶解性磷濃度增加[35]；另一方面，上游支流區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的放牧活動產(chǎn)生較多的磷元素，導(dǎo)致輸入河流的TP濃度較高，而中游自然河段周圍是農(nóng)灌區(qū)，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、化肥和農(nóng)藥的使用以及雨水沖刷攜帶的顆粒磷使水體TP濃度增加. 同時(shí)值得注意的是，寶瓶水庫TP濃度遠(yuǎn)高于其他水庫，主要原因是寶瓶電站位于黑河梯級水庫的最上游，直接來源于上游支流區(qū)內(nèi)的大量磷元素，被沉積滯留于庫區(qū)底泥后，無論是在厭氧或好氧環(huán)境下，磷元素的釋放都隨溫度的升高而增長[36].

時(shí)間尺度上，由于黑河梯級水庫以季節(jié)性調(diào)度方式為主，故季節(jié)變化可能對水質(zhì)變化影響更大. 單因素方差分析表明，不同河段絕大多數(shù)水質(zhì)因子隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出季節(jié)變化的特征，如非汛期EC、BOD5、CODMn、NH3-N、TN濃度顯著高于汛期，這也與PCA雙序分析結(jié)果基本一致. 不同季節(jié)水質(zhì)變化主要受降水、溫度、水文條件、水庫運(yùn)用方式等因素影響[37]. 其中非汛期(12-3月)是黑河徑流最小的季節(jié)，水庫水量補(bǔ)給和換水頻度減弱，水力停留時(shí)間延長，EC、BOD5、CODMn、NH3-N等典型污染物容易滯留；加之非汛期(冬季)氣溫較低，微生物活動減弱，水體自凈能力低下，最終導(dǎo)致該時(shí)段河流污染負(fù)荷較高. 而與此相反的是，汛期(6-8月)上游來水充足，水庫棄水較多，污染物一起被排往下游的也多；另外，汛期降水的增加對污染物產(chǎn)生了較強(qiáng)的稀釋凈化作用，同時(shí)水溫增加，流域及河道內(nèi)微生物活動增強(qiáng)，能夠迅速降低水體中污染物的濃度，因此汛期河流污染程度相對較輕.

縱向來看，杜有軍等[38]的研究表明2001-2008年黑河自然河段水質(zhì)有逐年加重的趨勢，具體表現(xiàn)為CODMn、NH3-N濃度總體上升，其濃度年均值分別為5.04和0.80 mg/L；而2017-2018年監(jiān)測結(jié)果為2.77和0.46 mg/L，呈現(xiàn)下降趨勢，這從側(cè)面反映出近年來流域范圍內(nèi)對企業(yè)廢水、生活污水等點(diǎn)源污染的治理有一定效果，但本次監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明TN濃度有所上升，分析認(rèn)為是自然河段水質(zhì)仍受農(nóng)業(yè)面源污染影響. 楊永宇等[13]和李慧[39]研究指出2007-2011年黑河筑壩河段(札馬什克至鶯落峽河段)CODMn濃度變化不明顯，TP、NH3-N濃度略有下降. 但從2017-2018年監(jiān)測結(jié)果來看，CODMn、TP、NH3-N濃度均有上升趨勢，說明隨著蓄水進(jìn)程的推進(jìn)，水質(zhì)變化特征也發(fā)生了相應(yīng)改變.

4 結(jié)論

1)根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3828-2002)常規(guī)水質(zhì)項(xiàng)目評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，黑河上中游全年水質(zhì)類別基本能滿足功能區(qū)目標(biāo)限值，但TP濃度及TN濃度在局部地區(qū)出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象. 主成分分析表明該區(qū)域水質(zhì)時(shí)空變化的主要影響因素為WT、pH、DO、EC、TN、TP和BOD5.

2)水質(zhì)因子在時(shí)空分布上有一定的差異性. 空間尺度上，WT、EC、BOD5、CODMn、TN等指標(biāo)具有顯著性差異，其中壩上河段受BOD5、CODMn影響較大，自然河段WT、EC和TN為關(guān)鍵指標(biāo)，而各因子對壩下河段水質(zhì)影響較小. 時(shí)間尺度上，WT、EC、BOD5、NH3-N與季節(jié)變化存在明顯相關(guān)性，是不同河段水質(zhì)時(shí)間變化的控制因子，且大多數(shù)水質(zhì)因子在非汛期變化最明顯.

3)水質(zhì)因子的空間差異主要受祁連、張掖地區(qū)外源性污染物排放以及筑壩環(huán)境下水動力條件改變而產(chǎn)生的沉積滯留效應(yīng)和沿程累積效應(yīng)的影響；時(shí)間差異主要受降水、溫度、水文條件等季節(jié)性影響因素和梯級水庫聯(lián)合運(yùn)用模式的影響.

4)研究表明，外源性污染源依然是導(dǎo)致水質(zhì)變差的主要因素，梯級筑壩是導(dǎo)致水質(zhì)變差的間接因素. 因此控制該區(qū)域人類活動所造成的外源性污染源，并針對不同種類污染物的季節(jié)變化特征實(shí)施合理的水庫運(yùn)行方式是改善水電梯級開發(fā)水域水質(zhì)狀況的關(guān)鍵.