三峽水庫蓄水期支流水體營養鹽來源估算

蘇青青,劉德富,劉綠波,紀道斌,崔玉潔*,宋林旭,李 欣,陳秀秀

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三峽水庫蓄水期支流水體營養鹽來源估算

蘇青青1,2,劉德富3*,劉綠波4,紀道斌1,2,崔玉潔1,2*,宋林旭1,2,李 欣1,2,陳秀秀5

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002；2.三峽大學三峽庫區生態環境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002；3.湖北工業大學,河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430068；4.美國加州州立大學弗雷斯諾分校工程學院,加利福尼亞93740；5.宣州區水務局,安徽 宣城 242000)

通過對蓄水前后三峽水庫庫首支流香溪河沉積物-上覆水中的氫氧同位素和氮磷營養鹽的測定,分析了蓄水前后沉積物-上覆水氫氧同位素和氮磷營養鹽的分布特征,并利用二元線性混合模型計算了長江干流(CJ River)和古夫源頭(GFYT)的貢獻率.結果表明,整個蓄水期沉積物以源的形式向上覆水體釋放NH4+-N、DTP、PO43--P,以匯的形式吸收上覆水體中的NO3--N.利用營養鹽貢獻率公式進一步分析得到,蓄水前沉積物-上覆水中氮營養鹽主要來源于CJ干流,其中以DTN和NO3--N最為顯著,蓄水后GFYT的貢獻率明顯上升,其中3號和4號采樣點最為明顯,其中DTP在蓄水前后幾乎均以GFYT為主要來源,PO43--P在蓄水前則以CJ干流為主要來源,蓄水后以GFYT為主要來源.說明盡管蓄水期庫灣水體在較大程度上受干流倒灌影響的支配,但對于沉積物-上覆水而言受GFYT的影響更為顯著.

三峽水庫；蓄水期；氫氧同位素；沉積物-上覆水；氮磷營養鹽

三峽水庫作為長江流域最典型的河道型水庫及其戰略水源地,其生態系統演替規律及其生態環境問題一直受到極大關注.三峽水庫(流域面積大于100km2)較大支流的共40條,支流總庫容占到水庫總庫容的1/10.自2003年蓄水發電以來,平均水深由原來的30m升高至175m水位時的70m,蓄水后支流回水區(庫灣)水質明顯下降,劣于Ⅲ類水體比率在175m蓄水位為52.5%,遠高于蓄水前22%[1].由于蓄水后水位抬升,流速減緩,導致河流輸送營養鹽能力受阻,營養物質富集,導致庫首的一級支流香溪河每年暴發不同程度水華事件[2-3].有研究表明,庫灣部分營養鹽如氮和磷幾乎全部來自干流倒灌,尤其是蓄水期干流倒灌營養鹽的補給量高達97%以上[4-6].而沉積物作為水體氮磷的重要蓄積庫,是營養鹽及其他污染物在水體中的重要歸宿和主要存儲場所,也是潛在的污染受體和污染源[7-9].近年來,有關三峽庫區支流沉積物的研究發現,由于支流水環境的特殊性,其表層沉積物中主要營養物質存在一定的釋放風險[10-13].因此,通過研究蓄水前后沉積物和水體中氮磷營養鹽的分布特征,分析其來源也是十分必要的.

隨著同位素新技術的發展,水體中的氫氧同位素研究也逐漸成為研究河流狀況和變化趨勢的一種新的手段,在適當的情況下,根據水體氫氧同位素組成有可能追溯不同水源對水體的相對貢獻[14-16].目前,氫氧同位素主要應用在三峽水庫的生態水文過程[4]、干支流動態補給過程[6]、營養鹽的示蹤[17]研究中.對于沉積物間隙水中營養鹽的來源示蹤研究鮮有報道,尤其是支流庫灣普遍存在的分層異向流的背景下[18-21],使得底部水體與中上層水體來源必然產生差異,進而導致沉積物間隙水和上覆水來源的不同.因此,本研究以三峽水庫典型支流香溪河為研究對象,對2016年三峽水庫蓄水前后香溪河庫灣沉積物間隙水和上覆水水體中氮(N)、磷(P)的形態,以及D和18O的含量進行了分析.利用D和18O示蹤作用,結合蓄水前后沉積物-上覆水中的水體來源的差異,對沉積物-上覆水中氮磷的貢獻進行了估算,以期為三峽庫區沉積物內源污染提供理論依據,為后續生態環境保護措施提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區域

香溪河系三峽水庫庫首的第一大支流,河口距三峽大壩34.5km,河流由北向南,經過興山縣和秭歸縣在香溪匯入水庫干流.香溪河全長94km,年平均流量為47.4m3/s[22].流域范圍為110°25′~111°06′E、30°57′~31°34′N,流域面積3099km2[23].香溪河流域屬亞熱帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫16.6℃,年均降雨量為1015.6mm[24],自2010年10月三峽水庫蓄水至175m后,香溪河庫灣自河口形成約40km范圍的回水區.

1.2 樣點設置

從香溪河的河口至回水末端昭君鎮沿河道中泓線每間隔約6km布設1個采樣斷面,共4個,分別編號為1、2、3、4.在香溪河的源頭古夫河靠近香溪河位置設置一個采樣斷面,記為GFYT,另外在長江干流靠近香溪河河口的位置設置一個采樣斷面,記為CJ.采樣點的位置和坐標分別如圖1和表1所示.

圖1 采樣點分布示意

表1 采樣點坐標分布

1.3 樣品采集與處理

分別于2016年9月12日(水位:148.33m,蓄水前)和2016年10月26日(水位:173.85m,蓄水后)在CJ干流處按0.5m,中層、底層分層取水,1、2、3、4號點按0.5,2,5,10,20,40,50,60m和底部進行分層取水(根據采樣點位水深不同,深度有差異),GF處由于位于源頭水深較淺,故按表層取水,每次均取350mL,用GF/C濾膜過濾并低溫保存帶回實驗室分析.

沉積物-水系統樣品采集:采用中國水利水電科學研究院水環境研究所研制的柱狀采樣器(60mm×1000mm)采集4個采樣點的上覆水和沉積物樣品(0±20)cm,以2cm的間隔抽取上覆水并倒入300mL聚乙烯水樣瓶中,待上覆水抽取完畢后以2cm的間隔切取沉積物樣品并分裝入聚乙烯離心管中.每個采樣點的水樣和沉積物樣品均采集3次,將3次樣品混合作為該采樣點樣品,水樣和沉積物樣品均放入冷藏箱中保存,帶回實驗室后立即分析.沉積物間隙水的獲取:在室溫條件下,采用DL-5M型低速冷凍離心機在2000r/min下離心30min,將離心出的上清液倒入50mL離心管中,分別將上覆水和沉積物間隙水樣品經0.45μm的GF/C濾膜過濾后于24h之內完成分析測試.

1.4 分析方法

CJ干流、GFYT以及庫灣沉積物上覆水、間隙水中的DTP、PO43--P、DTN、NH+4-N、NO-3-N,均采用流動分析儀(SKALAR,荷蘭)測定,D和18O采用LWIA-30d液態水穩定同位素分析儀(Los Gatos Research,美國)測定,D和18O測試結果均用V-SMOW標準給出,精度分別為±0.6‰和±0.2‰.本研究采用值來表示穩定同位素的組分:

=[(sample/standard)-1]×1000(‰) (1)

式中:sample是樣品中元素的重輕同位素豐度之比,如(D/H)sample和(18O/16O)sample;standard是國際通用標準的重輕同位素豐度之比,如(D/H)standard和(18O/16O)standard.

1.5 數據統計分析

實驗數據均用Excel 2010處理;采用Surfer 13.0和Origin 9.0制作圖表.

1.6 二元線性混合模型

二元線性混合模型是基于同位素質量平衡原理,從純數學角度來計算的線性混合模型,該方法已在香溪河庫灣水體營養鹽來源估算中有廣泛應用[6,17].由于香溪河庫灣的水體主要來源于古夫源頭和長江干流的倒灌.而前期的研究發現古夫源頭和長江干流水體中D和18O含量差異性明顯,可以很好的用來示蹤水體.因此本研究在利用古夫源頭和長江干流中D和18O含量差異的基礎上,對沉積物間隙水和上覆水中D和18O的來源進行分析,選用二源線性混合模型[25-26].計算公式如下:

D=1D1+2D2(2)

18O=118O1+218O2(3)

1+2=1 (4)

式中:D、18O為香溪河庫灣水體中D、18O的平均值;D1、D2分別為干流水體與源頭水體中D的值;18O1、18O2分別為干流水體與源頭水體中18O的值;1、2分別為干流水體和源頭水體對香溪河庫灣水量的貢獻率.

1.7 營養鹽貢獻率計算公式

式中:RateCJ是長江干流營養鹽的貢獻率,CJ為長江干流營養鹽濃度,mg/L,GFYT為古夫源頭營養鹽濃度,mg/L,為香溪河庫灣水體容量,m3;1和2分別為長江干流和古夫上游的貢獻率.

2 結果與討論

2.1 蓄水前后沉積物-上覆水營養鹽分布特征

2.1.1 氮分布特征 從圖2可以看出,在DTN的分布上,蓄水前后均呈現CJ干流>庫灣沉積物上覆水平均值>GF源頭水體的分布特征,這與前期對香溪河的研究結果一致[27-28].蓄水前后CJ處的氮素均主要以NO3--N形式存在,NH4+-N含量相對較低.蓄水前GFYT處NH4+-N和NO3--N的含量接近,蓄水后GFYT處的氮素主要以NO3--N的形式存在.庫灣沉積物間隙水中DTN、NH4+-N的含量均高于上覆水,NO3--N的含量則低于上覆水體.說明上覆水體中的DTN主要以NO3--N形式存在,間隙水中的DTN則主要以NH4+-N形式存在.這是因為蓄水期庫灣底部上覆水體的氧化條件有利于NH4+-N向NO3--N轉化,而底部沉積物還原性的條件則對NH4+-N的生成有利,加之沉積物中有機質的分解作用有利于NH4+-N再生[29-30].可以看出,整個蓄水期沉積物以“源”的形式向上覆水體釋放NH4+-N,以“匯”的形式吸收上覆水體中的NO3--N.

圖2 蓄水前后長江干流、香溪河庫灣沉積物-上覆水、古夫上游水體氮形態分布示意

2.1.2 磷分布特征 從圖3可以看出, DTP和PO43--P均呈現庫灣沉積物-上覆水>GF源頭> CJ干流的分布特征.這是因為香溪河上游富含磷礦[10,31],從而導致GFYT水體磷含量較CJ干流高.從圖3可以發現,蓄水前庫灣上覆水體DTP的含量明顯低于間隙水體,說明蓄水前沉積物以“源”的形式向上覆水體釋放DTP.而到蓄水后期間隙水和上覆水中DTP的濃度較為接近,這是由于蓄水期水位的上升,兩岸的消落帶被淹沒,導致大量的顆粒物在水體懸浮、沉降.因此間隙水中的DTP因再懸浮等迅速釋放到水體,使得蓄水后期間隙水-上覆水中DTP含量接近[29].

圖3 蓄水前后長江干流、香溪河庫灣沉積物-上覆水、古夫上游水體磷形態分布示意

Fig.3 Distribution of phosphorusin sediment and overlying water in the CJ River, XXB and GFYT before and after impoundment

表2 蓄水前后長江干流、香溪河庫灣和古夫源頭氫氧同位素值

2.2 蓄水前后香溪河庫灣水體氫氧同位素分布特征

從表2和表3可以看出,蓄水前后CJ干流和GFYT的D和18O均存在著較大的差異,可以用于確定水源.其中CJ干流水體D和18O值略低于庫灣,而GFYT水體中的D和18O則明顯大于香溪河庫灣和CJ干流.說明香溪河庫灣水體氫氧同位素組成與CJ干流相似,差異較小,庫灣水體以干支流混合為主,支流源頭的混合作用較弱.利用二元線性混合方程[25],計算得到了蓄水前后CJ干流和GFYT對庫灣水體的貢獻率,結果見表2.與同水期條件下氫氧同位素示蹤、氮同位素示蹤、以及常量離子計算的研究結果較為接近[5-6,17].

表3 蓄水前CJ干流和GFYT對上覆水和間隙水中營養鹽貢獻率

從表2還可以看出,蓄水后庫灣水體中CJ干流的貢獻率明顯增加,其中D和18O的貢獻率分別增加了18.92%和19.92%,表明蓄水期庫灣水體在較大程度上受干流倒灌影響的支配[19].這與前期對香溪河庫灣水流特性研究一致,前期研究認為在9~10月蓄水期間,長江水體從表層灌入,而古夫源頭則自底層流向下游[28].同時由于香溪河是三峽水庫庫首的最大支流,對庫區干流水位、流速及流態的響應最為敏感[4],故蓄水后香溪河庫灣中CJ干流的貢獻率增加明顯.

2.3 蓄水前后沉積物-水系統氫氧同位素分布特征

分別對蓄水前后間隙水和上覆水進行了δD和δ18O的測定,結果如圖4和圖5所示.從中可以看出,蓄水前后間隙水和上覆水中的δD和δ18O均呈現從上游到干支流交匯處沿程遞減的分布特征.而間隙水體中的δD和δ18O在垂向上均大于上覆水體,蓄水后沉積物-水系統中δD和δ18O分布較蓄水前稀疏,說明隨著蓄水過程的進行,庫灣水體摻混作用的加強,沉積物-上覆水中的δD和δ18O的差異逐漸減小.

2.4 蓄水前后沉積物-水系統氫氧同位素來源

從圖5可以看出,蓄水前上覆水中1、2、3號采樣點均以CJ干流貢獻為主,其中1號采樣點CJ干流貢獻率達到了80%以上.間隙水中,除靠近干流的1號點外,2、3、4號點均以GFYT貢獻為主,尤其是4號點其GFYT的貢獻率達到了90%左右.

從圖6可以看出,蓄水后上覆水體中1、2號采樣點仍然以CJ干流貢獻為主,但GFYT的貢獻率有明顯增加,而3和4號則以GFYT貢獻為主.間隙水體均以GFYT為主要來源,除4號點外,1、2、3號采樣點GFYT的貢獻率均略有上升.與蓄水前后香溪河庫灣水體D和18O分布不同的是,沉積物-上覆水中GFYT的貢獻率增加顯著.這說明盡管蓄水期CJ干流的倒灌對香溪河庫灣水體有一定的補給作用[32-35],但是對于沉積物-上覆水而言GFYT的影響更為顯著.這是因為上游來流水溫較低,通常以順坡異重流的形式從底部進入庫灣.因此,盡管蓄水期有大量的干流水體倒灌進入庫灣,但對于庫灣底部沉積物-上覆水而言,GFYT的影響更為明顯.

圖5 蓄水前長江干流和古夫源頭對沉積物-上覆水中δD和δ18O貢獻率

2.5 沉積物-水系統中營養鹽來源估算

從表3和4可以看出,除4號采樣點外蓄水前后沉積物-水系統中的氮營養鹽主要來源于CJ干流,其中以DTN和NO3--N最為顯著,蓄水后各點位沉積物-上覆水中的GFYT的貢獻均有不同程度的增加.與氮素貢獻不同的是,沉積物-水系統中的磷素來源在蓄水前后發生了較大的變化,蓄水前1號點處的DTP主要來源CJ干流,蓄水后則以GFYT為主要來源,且各點位GFYT貢獻率均高于蓄水前.蓄水前各點位的PO43--P均來主要源于CJ干流,蓄水后3、4號采樣點間隙水中營養鹽主要來源于GFYT.這是因為香溪河上游來流富磷,CJ干流含氮量長期高于支流[5].加之蓄水期CJ干流倒灌和GFYT來流方式的不同,從而導致蓄水前后氮磷營養貢獻率的差異.同時通過對比蓄水前后營養鹽貢獻率還可以發現,蓄水后GFYT的貢獻均高于蓄水前,說明蓄水期沉積物-上覆水與庫灣表中層水體營養鹽來源的不同,沉積物表面水體主要源自GFYT.

表4 蓄水后長江干流和古夫源頭對上覆水和間隙水中營養鹽貢獻率

3 結論

3.1 研究期間CJ干流氮素的含量高于GFYT,磷素含量小于GFYT,沉積物間隙水中營養鹽含量均高于CJ干流和GFYT.上覆水體中的DTN主要以NO3--N形式存在,間隙水中的DTN則主要以NH4+-N形式存在.整個蓄水期沉積物均以源的形式向上覆水體釋放NH4+-N,以匯的形式吸收上覆水體中的NO3--N.蓄水前后庫灣上覆水體DTP和PO43--P的含量均低于間隙水體,沉積物以“源”的形式向上覆水體釋放磷素,但隨著蓄水過程的進行,后期間隙水和上覆水中DTP的濃度較為接近.

3.2 利用D和18O分別計算了蓄水前后CJ干流和GFYT的貢獻率.蓄水前CJ干流和GFYT的貢獻率分別為70.15%、71.39%和29.85%、28.61%,蓄水后的貢獻率分別增加到89.07%和91.31%,GFYT的貢獻率則分別下降為10.93%和8.29%.

3.3 通過對蓄水期沉積物-上覆水中D和18O的分析發現,隨著蓄水過程的進行,水體摻混作用的增強,沉積物-上覆水中的水體D和18O的差異逐漸減小.其中蓄水前上覆水體主要以CJ干流為主要來源,而蓄水后期GFYT的貢獻率增加明顯.

3.4 蓄水前沉積物-上覆水中氮營養鹽主要源于CJ干流,其中以DTN和NO3--N最為顯著,蓄水后GFYT的貢獻率明顯上升,其中3號和4號采樣點最為明顯.而磷素中DTP在蓄水前后幾乎均以GFYT為主要來源,PO43-P在蓄水前以CJ干流為主要來源,蓄水后則以GFYT為主要來源.

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致謝：本實驗的現場采樣和實驗分析工作得到了黃亞男、王雄、吳慶、呂林鵬、徐慧、黃佳維的幫助,在此表示感謝！

Analysis of the nutrient supply of tributaries in the Three Gorges Reservoir during impounding period.

SU Qing- qing1,2, LIU De-fu3*, LIU Lü-bo4, JI Dao-bin1,2, CUI Yu-jie1,2*, SONG Lin-xu1,2, LI Xin1,2, CHEN Xiu-xiu5

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.Engineering Research Center of Ecoenvironment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Three Gorges University, Yichang 443002, China；3.River-Lake Ecological Restoration and Algae Use Hubei Key Laboratory, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；4.Department of Civil and Geomatics Engineering, California State University Fresno, Fresno, California 93740, USA；5.Water Authority of Xuanzhou District, Xuancheng 242000, China)., 2018,38(10)：3925~3932

Hydrogen-oxygen isotope and nutrients including nitrogen and phosphorus in the sediments and overlying water were monitored in the bay of the XiangXi River (XXB), the first tributary of the Three Gorges Reservoir(TGR), during the impoundment period. The measured data were used to analyze the distribution characteristics of hydrogen-oxygen isotopes and the nutrients during the impoundment period. A binary mixed linear model was utilized to determine the contribution ratio of the main stream of the Yangtze River (CJ River) to GuFuYuanTou (GFYT), the upstream of the river. The study results showed that the sediments simutaneously functioned as source releasing NH4+-N (ammonia nitrogen), DTP (total dissolved phosphorus), and PO43--P (phosphates), and as absorbent collecting NO3--N (nitrate nitrogen) during the entire impoundment period. The computed results of the contribution ratios indicated that most nitrogen in the sediment (especially for DTN (total dissolved nitrogen) and NO3--N) came from the main stream before the impoundment. After the impoundment, the contribution rate of GFYT increased significantly, with sampling points No. 3 and 4 as the most obvious. Among all the nutrients, most DTP were from GFYT before and after the impoundment and the main stream was the main source of PO43--P before the impoundment. Therefore, while the water in the bay of the reservoir was largely dominated by the influx of the main stream during the impoundment period, the impact of GFYT is more significant than that of the main stream on the sediment-overlying water system.

Three Gorges Reservoir；impoundment；hydrogen and oxygen isotope；sediment-overlying water system；nitrogen and phosphorus nutrients

X524

A

1000-6923(2018)10-3925-08

蘇青青(1981-),女,湖北宜都人,講師,博士,主要從事生態水利相關研究.發表論文20余篇.

2018-03-20

國家自然科學基金資助重大計劃項目(91647207);國家自然科學基金資助項目(51509086,51779128,41501297,51709096);國家國際科技合作項目(2014DFE70070);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07104-005-01,2014ZX07104-005-02);國家重點研發計劃項目(2016YFC0401702,2016YFC0402204);國家科技重大專項(2016YFC05022208)

* 責任作者, 劉德富, 教授, dfliu@189.cn; 崔玉潔, 講師, cuida2008@163.com