九龍江庫區河段的營養鹽滯留效應

蘇彩霞，曹文志，李 穎，王飛飛，萬顯會

(廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室，環境科學研究中心，福建 廈門 361005)

河流筑壩蓄水后，改變河流水動力條件，引起一系列復雜的連鎖反應，影響生源要素的生物地球化學循環過程，也改變了有機物、溶解氧和營養鹽的通量［1］。九龍江是我國南方亞熱帶氣候丘陵農業溪流，位于福建省的西南部，由北溪、西溪和南溪組成。北溪水力資源蘊藏量十分豐富，現已建中小型水電站達490多座［2］，溪流“湖庫化”嚴重，導致污染物通量的變化以及部分河段的污染［3～5］，2009年爆發了3次水華事件。Li等［1］指出該河段筑壩對營養鹽組成具有不可忽略的影響。

本文以九龍江北溪為研究系統，分析系統徑流量及營養鹽氨氮 (NH4－N)和總磷 (TP)分布特征，估算系統的營養鹽輸送通量，探討水電站對河流系統的營養鹽滯留效應的影響。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域

九龍江流域位于亞熱帶海洋性季風氣候區。流域內多年平均氣溫19.9～21.1℃，多年平均降水量1400～1800mm。降雨主要集中在4～9月，降雨量約占全年的75%。本研究選取北溪中游河段，該河段從上游到下游共建設了7個水電站:華口水電站、小杞水電站、西陂水電站、綿良水電站、華安水電站 (含擴機)、天宮水電站和利水水電站，均為日調節型水庫。

2.2 數據來源

于庫區河段設置4個采樣點 (見圖1)，分別為S1(蘆仔)、S2(華寮)、S3(西陂)、S4(浦南);采樣時間為2007年，監測頻率為每2個月1次，監測項目為流量、氨氮 (NH4－N)和總磷(TP)，監測方法采用國家標準方法。污染源數據來自2007年污染源調查數據。

圖1 采樣點示意圖

2.3 數據處理

根據徑流量大小將各水質指標按豐水期 (5～9月)、枯水期 (1～11月)進行分類。各個點位和支流的NH4－N、TP通量 (M)采用逐月通量(月均濃度×月徑流量)累加法計算年通量 (t/a)。

營養鹽年滯留量計算方法如下:

Mret:年滯留量 (t/a);RED:滯留率 (%);Min:該庫區輸入總量 (t/a)，包括系統上游輸入量、支流輸入量和干流污染源負荷 (庫區河段主干流匯水區的污染源輸入);Mout:該庫區下游輸出量 (t/a)。

3 結果與討論

3.1 流量、NH4－N和TP分布特征

流量分布特征:庫區輸入 (S1)與輸出 (S4)月均徑流量變化見圖2。2007年庫區輸出徑流量大于輸入徑流量，且存在明顯的季節變化規律。庫區上游年均徑流量為115m3/s，下游年均徑流量為212m3/s。系統流量輸出大于輸入，但二者變化趨勢基本一致。徑流量年內豐水期高、枯水期低的分布特征明顯，豐水期 (4～9月)平均流量為枯水期流量的2～3倍。

圖2 2007年各采樣點位流量變化

營養鹽分布特征:監測結果顯示，除S1斷面的TP外，庫區水體水質指標濃度呈現降低趨勢。庫區上游水體 (S1、S2)NH4－N和TP的濃度高于下游輸出水體 (S3、S4) (圖3)，庫區系統內變化較小。

3.2 營養鹽通量和滯留效應

受徑流量影響，各采樣點的通量也表現出明顯的季節性。各采樣點NH4－N、TP豐水期通量均占到全年57%以上 (表1)。由于庫區系統NH4－N的輸出濃度顯著小于輸入濃度，NH4－N輸出量小于輸入量，表現為正的通量差。庫區對TP的輸送通量表現出增加趨勢。

圖3 2007年各采樣點NH4－N和TP監測結果

通過污染源分析發現，S1和S2之間有大量污染源輸入，占系統污染源總負荷的65%以上，這也解釋了S2的NH4－N和TP濃度高于S1的現象。為減少污染源負荷估算對庫區系統滯留效應估算造成的誤差，采用S2為庫區系統的通量輸入起點。

表1 2007年各采樣點NH4－N和TP通量

2007年，庫區系統NH4－N和TP的的滯留效應表現出不同的趨勢 (表3)。NH4－N表現為正的滯留效應，氨氮滯留量達1155 t/a，滯留率為32%。TP的滯留效應為負值，為－10%，系統對外輸出營養鹽，年輸出量67t/a。

表2 2007年河段NH4－N和TP的滯留量及效應

3.3 滯留效應討論

九龍江北溪庫區河段2007年對氨氮表現為正滯留效應，說明在該庫區河段中氨氮發生了轉換。NH4－N是氮的還原態，在水體中易于轉化，輸入河流中可被藻類的光合作用和異養生物吸收或被沉積物吸附，也可被硝化作用消耗。

大量研究結果顯示，顆粒磷是水體磷的主要存在形式，水流變緩將加速顆粒磷的沉積作用，水庫對磷具有較高的滯留效率［1，6～8］。北溪庫區系統中對TP則表現為外輸出效應。胡春華等［8］指出可能是與外源輸入、低水位時內源釋放作用及水庫運行方式有關。本研究中的水庫運行方式為日調節，該河段的徑流量仍較大，未出現明顯的磷沉降。同時，Li等［1］研究中發現九龍江筑壩蓄水改變了河流內部的營養鹽循環，水體氮磷比值低，可能加速了沉積物磷的釋放速率，導致沉積物向水體釋放大量的磷。庫區系統對外輸出的總磷可能來源于系統底部沉積物的磷釋放。

［1］ Li，Y．，Cao，W．Z．，Su，C．X．，et al．Nutrient sources and composition of recent algal blooms and eutrophication in the northern Jiulong Rive，Southeast China ［J］．Marine Pollution Bulletin，2011，63:249－254．

［2］福建省水利廳．福建省九龍江流域綜合規劃修編報告［R］．2006．

［3］ Cao，W．Z．，Wong，M．H．Current status of coastal zone issues and management in China:A review ［J］．Environment International，2007，33:985 －992．

［4］ Cao，W．Z．，Zhu，H．，Chen，S．Impacts of urbanization on topsoil nutrent balances－a case study at a provincial scale from Fujian，China［J］．CATENA，2007，69:36－34．

［5］ Cao，W．Z．，Hong，H．S．，Yue，S．Modelling agricultural nitrogen contributions to the Jiulong River estuary and coastal Rive［J］ r．Global and Planetary Change，2005，47:111 －121．．

［6］ Bosch，N．S．，Allan，J．D．The influence of impoundments on nutrient budgets in two catchments of Southeastern Michigan ［J］．Biogeochemistry，2008，81:325－338．

［7］冉祥濱，于志剛，姚慶禎，等．水庫對河流營養鹽滯留效應研究進展 ［J］．湖泊科學，2009，21(5):614－622．

［8］胡春華，周文斌，鐘夏蓮，等．江西省萬安水庫對氮、磷營養鹽的滯留效應 ［J］．湖泊科學，2011，23(1):35－59．