三峽水庫蓄水不同階段總磷的變化特征

翟婉盈,湛若云,卓海華,陳水松,王 超

三峽水庫蓄水不同階段總磷的變化特征

翟婉盈1*,湛若云2,卓海華1,陳水松1,王 超3

(1.長江流域水環境監測中心,湖北 武漢 430019；2.南水北調中線水源有限責任公司,湖北 丹江口 442700；3.長江水資源保護科學研究所,湖北 武漢 430051)

基于三峽水庫2003年后的蓄水特點,本文將2003~2017年劃分為4個蓄水階段.根據三峽水庫2003~2017年每月的水文水質數據,分析了自蓄水以來不同蓄水階段總磷的變化特征.研究發現,首次蓄水階段,三峽水庫的滯留效應從2005年開始凸顯.蓄水試運行階段,干流斷面總磷年均濃度在2008年沿程明顯降低,此后清溪場斷面受到烏江高濃度總磷匯入的一定影響.高水位正常運用期,除清溪場斷面外,從銅罐驛至官渡口斷面,總磷年均濃度呈現沿程降低的現象.上游梯級電站運行后,除官渡口斷面外,干流其余斷面總磷年均濃度隨時間逐漸減小.官渡口斷面于2016年首次出現總磷年均濃度高于沱口斷面的現象.且總磷豐水期年均值不再明顯高于枯水期.同時,在此蓄水階段總磷濃度與流量相關性不顯著,朱沱,銅罐驛和官渡口斷面總磷濃度與懸浮物濃度相關性不顯著.

三峽水庫；蓄水；總磷

磷是水體中重要的營養元素,是限制水體自養生物生長的主要因子[1-3].磷元素從陸地向海洋輸送的主要途徑是河流,約占75%~94%[4].因此河流磷通量的輸送對維持海洋生態系統及流域自身水生系統尤為重要[5-6].

河流筑壩形成水庫會改變河流原始水體環境,進一步造成水庫水文情勢發生變化,并影響營養鹽的遷移轉化[7-8].一方面,河流筑壩會產生磷滯留效應.大量的研究表明磷會由于蓄水滯留在水庫中,從而使輸出到下游的磷含量受到影響[9-10].水庫對磷滯留的主導機制為顆粒態磷的沉降,而顆粒態磷是水體磷的主要形式[11].由于筑壩形成水庫引起河流水動力條件改變,導致顆粒物沉降作用加速,從而使顆粒態磷從河流中去除[12].根據模型計算,2000年全球河流總磷負荷的12%被滯留在水庫中[13].另一方面,筑壩蓄水淤積的大量沉積物內源性磷面臨釋放風險[14].已有研究報道九龍江北溪西坡電站庫區的沉積物已經處于磷釋放狀態[15].河流筑壩對磷遷移轉化影響的本質是河流攜帶的磷在河流-水庫體系中的重新分配[5].因此,研究磷經大壩攔截產生的水庫效應具有重要的科學和現實意義.

長江是世界第三大河流,三峽大壩是世界最大的水利工程.2003年三峽大壩建成后,經過了135, 139,156和175m試驗性蓄水后,于2011年進入高水位正常運用期.三峽水庫成庫后的特殊水文條件決定了對庫區磷的研究既不能完全等同于一般河流,也不能完全等同于一般水庫.本文基于三峽水庫2003年后的蓄水特點,將2003~2017年劃分為4個蓄水階段,根據三峽水庫2003~2017年每月的水文水質數據,分析了自蓄水以來不同蓄水階段總磷的變化特征,揭示了三峽的水庫效應對磷的影響.

1 材料與方法

1.1 樣點布設

本研究的空間范圍為三峽水庫干流段,從庫尾至庫首共選取朱沱(重慶市永川區)、銅罐驛(重慶主城區上游)、寸灘(重慶主城區)、清溪場(涪陵城區下游)、沱口(萬州城區上游)、官渡口(巴東城區上游)6個斷面,以及嘉陵江的代表斷面北碚和烏江的代表斷面武隆,各監測斷面的位置如圖1所示.由于三峽水庫從2003年首次蓄水,因此本研究的時間范圍選取2003年1月~2017年12月.同時,為更好地分析蓄水后水體總磷的時空變化,本文將2002年各斷面總磷年均濃度作為蓄水后的對照值.根據斷面的月流量數據,本文的豐水期指年度內的7~10月,枯水期指年度內的1~4月.

圖1 采樣點位置示意

1.2 數據來源

本研究所選取8個斷面的監測數據來自長江水利委員會,各斷面的監測頻率為每月1次,監測值為斷面各測點均值.總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-1989)[16],且水樣采集后,保持原水樣進行總磷的預處理.溶解態磷則將原水樣經0.45μm微孔濾膜過濾后進行測定.懸浮物的測定采用重量法(GB11901-1989)[17].采用檢驗分析干流沿程總磷濃度差異是否顯著,<0.05為達到顯著水平.采用皮爾遜相關系數分析總磷與流量和懸浮物的相關關系,<0.05為顯著相關,<0.01為極顯著相關.

2 結果與討論

2.1 三峽水庫蓄水特點

三峽水庫位于長江上游,西起重慶市江津區,東至湖北省宜昌市,長達660km,面積約1084km2.三峽水庫于2003年6月首次蓄水至135m,同年11月蓄水至139m,2006年10月蓄水至156m,2008年和2009年開展了175m試驗性蓄水,2010年10月成功蓄水至175m,從此逐步進入高水位正常運用期.本文根據三峽水庫2003年后的蓄水特點,將2003~2017年劃分為4個蓄水階段,如表1所示.

表1 三峽水庫蓄水不同階段干流斷面平均流速(m/s)和懸浮物(mg/L)的變化范圍

注: 1.括號中為各斷面流速和懸浮物的多年均值; 2.銅罐驛斷面無流速數據,故沒有進行統計比較.

圖2 朱沱斷面流量與懸浮物隨時間變化情況

2.1.1 首次蓄水階段 2003年1月~2005年12月為首次蓄水階段,實現了139m蓄水,形成庫容約為140′108m3的巨大水庫,占未來三峽水庫總庫容的36%.在此蓄水階段,官渡口、沱口斷面為水庫區,清溪場為回水變動區,寸灘、銅罐驛和朱沱為上游區,不受蓄水的影響.從表1中各斷面的平均流速可以看出,處于水庫區的沱口和官渡口斷面平均流速范圍分別為0.15~1.52m/s和0.11~0.8m/s,回水變動區的清溪場斷面平均流速范圍為0.37~2.91m/s,上游區的寸灘斷面平均流速范圍為1.76~2.77m/s,表明三峽水庫成庫后庫區流速明顯減緩.與成庫后水文變化情況類似,庫區內官渡口和沱口斷面懸浮物濃度多年均值明顯比上游區寸灘和朱沱斷面小.流速和懸浮物的變化表明成庫后庫區水體流速變緩,泥沙沉積加速,庫區內懸浮物濃度隨之減小.

2.1.2 蓄水試運行階段 2006年1月~2010年12月為蓄水試運行階段,經歷了156m蓄水和175m試驗性蓄水,成為水庫水環境質量演替以及峽谷河道型水庫生態系統重構的重要過渡性階段[18].此階段除朱沱斷面外其余斷面均已成庫.從表1可以看出,庫區內除寸灘斷面外,其余斷面的平均流速和懸浮物濃度均較上游區明顯減小,比首次蓄水階段也有所降低.

2.1.3 高水位正常運用期 2011年1月~2013年12月為高水位正常運用期.這一階段采取“冬蓄夏泄”的調蓄方式:1月上旬~6月上旬,水庫水位從173.07m逐漸下降至151.94m; 6月中旬~9月上旬,水庫水位在145~153.70m波動;9月中旬~10月下旬,水庫水位從160.00m上升到173.93m;11月上旬~12月下旬,水庫水位在173.60~175.00m之間波動[19].從表1可以看出,在此階段平均流速從朱沱至官渡口斷面呈沿程逐漸變緩的趨勢.除朱沱斷面外,其余斷面平均流速比上一階段有所減緩.懸浮物濃度從朱沱至官渡口斷面呈沿程變小的趨勢,且入庫斷面朱沱的懸浮物濃度比上一階段有所降低.

2.1.4 上游梯級電站建成后 2014年1月~2017年12月為上游梯級電站運行后階段.金沙江下游分布有已建的向家壩、溪洛渡以及在建的白鶴灘、烏東德電站4大梯級電站.向家壩電站是金沙江干流梯級開發的最下一級,正常蓄水位380m,總庫容51.63億m3,2012年10月起開始蓄水發電[20].溪洛渡電站位于向家壩電站上游,正常蓄水位600m,總庫容126.7億m3,2013年5月開始蓄水發電[20].盡管此階段三峽水庫的調蓄方式與上一階段相同,但由于上游向家壩和溪洛渡電站的蓄水發電,三峽庫區的物質傳輸和遷移轉化等都可能受到影響.從圖2可以看出,2014年后入庫斷面朱沱的流量并未大幅改變,但懸浮物濃度大量降低,該階段的多年均值較上一階段減小了約80%.

2.2 蓄水不同階段總磷的變化特征

從2003年首次蓄水起,三峽水庫干流斷面總磷質量濃度隨時間變化情況如圖3所示.朱沱、銅罐驛和寸灘斷面呈現相似的變化趨勢,總磷濃度年均值和豐水期均值在2008,2012年出現極大值,從2013年起,總磷濃度年均值和豐水期均值逐漸降低.與2003年相比,朱沱,銅罐驛和寸灘斷面2017年總磷濃度年均值分別降低了38%、34%和27%,豐水期均值分別降低了63%、50%和60%.與豐水期不同,枯水期總磷年均濃度分別升高了44%、5%和9%.由于清溪場斷面位于長江和烏江交匯口下游,其總磷濃度的變化趨勢與上游寸灘斷面并不相同.沱口和官渡口斷面從2003年首次蓄水起就位于水庫區,總磷濃度變化受到蓄水的一定影響.特別是離大壩最近的官渡口斷面,2004~2015年,總磷濃度較上游沱口斷面明顯降低(<0.01).所有斷面總磷濃度的季節性波動從2014年起基本消失,而2014年之前,豐水期均值明顯高于枯水期,可能表明總磷的面源污染較點源污染突出.總磷的主要來源是顆粒的陸源輸入,豐水期降雨強度較大,增強了顆粒磷的陸源輸入,從而提高了水體中總磷的濃度[21].不同蓄水階段總磷的變化特征具體如下.

2.2.1 首次蓄水階段(2003~2005年) 2003年6月三峽水庫首次蓄水后,官渡口、沱口為水庫區,清溪場為回水變動區,寸灘、銅罐驛和朱沱為上游區.上游區斷面在此階段不受蓄水的影響, 2003~2005年寸灘、銅罐驛和朱沱總磷的變化趨勢基本一致(圖3).圖4為蓄水前(2002年)和首次蓄水階段各斷面總磷濃度的變化情況.從圖4可以看出,蓄水前官渡口斷面總磷濃度約是上游朱沱斷面的3倍.與2002年相比,2003年首次蓄水后,上游來水(朱沱斷面)總磷年均濃度增加了114%,嘉陵江(北碚斷面)總磷年均濃度減小了15%,烏江(武隆斷面)總磷年均濃度增加了65%,位于庫區的沱口斷面總磷年均濃度增加了56%,而官渡口斷面總磷年均濃度則減少了26%. 2004年上游來水總磷濃度繼續增加,但位于庫區的沱口斷面和位于回水區的清溪場斷面總磷濃度的增加量比上游寸灘斷面更大,同時官渡口斷面總磷年均濃度繼續降低(比上年度降低了10%).2003年三峽水庫首次蓄水后,大量的農田被淹沒,由于淹沒土壤帶來的磷污染負荷隨之上升,可能導致位于庫區的沱口斷面總磷濃度隨之增加[7].官渡口斷面離大壩最近,盡管2003年6月首次蓄水后,7月總磷濃度增加了98%,但年均濃度與蓄水前相比,呈持續降低現象.可能是由于首次蓄水后官渡口斷面流速變緩,懸浮物濃度大幅降低所致.從圖4中2005年的變化情況可以看出,位于回水區的清溪場斷面和位于水庫區的沱口和官渡口斷面總磷濃度沿程明顯降低(<0.05),表明水庫的滯留效應在該年度開始凸顯.

2.2.2 蓄水試運行階段(2006~2010年) 此階段除朱沱斷面外其余斷面均已成庫.從圖5可以看出,2006~2007年還未出現總磷濃度從銅罐驛至官渡口沿程降低的現象.直到2008年三峽水庫開展175m試驗性蓄水,干流斷面總磷年均濃度從朱沱至官渡口沿程明顯降低.到2009年和2010年,由于烏江總磷濃度(武隆斷面)大幅增加,導致位于烏江下游的清溪場斷面總磷年均濃度比上游寸灘斷面增高.而2009年之前,武隆斷面總磷年均濃度均比干流寸灘斷面低.

2.2.3 高水位正常運用期(2011~2013年) 從圖6可以看出,2011~2013年,除清溪場斷面外,干流總磷年均濃度從銅罐驛至官渡口斷面呈現沿程降低的現象(北碚與武隆斷面不參與比較).2011~2013年武隆斷面總磷年均濃度仍然大幅高于干流寸灘斷面濃度,導致2011,2013年烏江下游清溪場斷面總磷年均濃度顯著高于上游寸灘斷面.而2012年清溪場斷面總磷年均濃度僅略高于寸灘斷面,可能是由于該年入庫斷面朱沱的總磷年均濃度較2011年增加了73%,從而使得烏江總磷通量的貢獻率有所下降.

圖5 蓄水試運行階段總磷年均濃度空間變化情況

圖6 高水位正常運用期總磷年均濃度空間變化情況

2.2.4 上游梯級電站運行后(2014~2017年) 2012年10月三峽水庫上游的向家壩電站蓄水發電,2013年5月溪洛渡電站蓄水發電.受上游梯級電站蓄水發電的影響,朱沱斷面自2014年后懸浮物濃度較上一階段減小了約80%.從圖3各斷面總磷濃度隨時間變化情況可以看出,2014年后除官渡口斷面外,干流其余斷面總磷年均濃度呈現隨時間逐漸減小的趨勢.與2014年年均濃度相比,朱沱至沱口斷面2017年總磷年均濃度分別減小了48%、50%、30%、46%和41%.同時,總磷濃度的季節性變化基本消失,各斷面豐水期總磷年均濃度不再明顯高于枯水期,可能表明此階段總磷的面源污染不再是主要控制因素.從庫區斷面2014~2017年的空間變化可以看出(圖7),總磷年均濃度沿程逐漸降低的趨勢逐漸消失.到2016年,首次出現蓄水后官渡口斷面總磷年均濃度高于沱口斷面的現象,2017年該現象更加明顯,這可能是因為從2016年起,在壩內沉淀的大量顆粒態磷的釋放速率開始大于沉淀和吸附速率.

圖7 上游梯級電站運行后總磷年均濃度空間變化情況

2.3 蓄水不同階段總磷與流量和懸浮物的關系

由于河流中磷主要以顆粒態的形式傳輸,因此懸浮物和流量對磷的遷移轉化非常重要[22-23].本文基于各斷面每月的總磷、流量和懸浮物數據,對蓄水4個階段的總磷與流量和懸浮物相關性進行了分析.

表2 三峽水庫蓄水不同階段干流斷面總磷與流量的相關性分析

圖8 三峽庫區各斷面不同蓄水階段總磷與流量的相關性

表3 三峽水庫蓄水不同階段干流斷面總磷與懸浮物的相關性分析

總磷與流量的相關性分析見表2和圖8,可以看出I,II,III階段干流各斷面的總磷濃度與流量極顯著相關(<0.01),而上游梯級電站運行后僅寸灘斷面的總磷濃度與流量顯著相關(<0.05),其余斷面的總磷濃度與流量相關性不顯著.

總磷與懸浮物的相關性分析見表3和圖9,可以看出I,II,III階段干流各斷面的總磷濃度與懸浮物濃度極顯著相關(<0.01),而上游梯級電站運行后僅寸灘和清溪場斷面的總磷濃度與懸浮物濃度極顯著相關(<0.01),沱口斷面總磷濃度與懸浮物濃度顯著相關(<0.05),其余斷面的總磷濃度與懸浮物相關性不顯著.

上游梯級電站運行后三峽水庫干流的總磷與流量和懸浮物的相關性變化可能與水體中磷的組成變化有關.從圖10可以看出,2014年上游梯級電站運行后,朱沱斷面懸浮物年均濃度大幅降低,與上一階段(2011~2013年)的多年均值相比,2014~ 2017年懸浮物的多年均值降低了約80%.懸浮物濃度降低的同時,朱沱斷面溶解態磷比例大幅提高.2014~2017年溶解態磷占總磷比例的范圍為57%~70%,在此階段溶解態磷成為水體磷的主要組成部分.2014年上游梯級電站運行后,上游來水懸浮物濃度大大減少,水體中磷的主要成分由顆粒態磷向溶解態磷轉變,可能導致庫區大部分斷面總磷與流量和懸浮物相關性不顯著.而寸灘和清溪場斷面分別位于庫區兩大支流嘉陵江和烏江下游,其總磷濃度除受上游來水影響外,還受到入庫支流水質的影響.從表3總磷與懸浮物的相關性分析可以看出,2014年上游梯級電站運行后,寸灘(<0.01)、清溪場(<0.01)和沱口(<0.05)斷面隨著離入庫支流匯入點距離的增加,總磷與懸浮物的相關性減弱.

圖9 三峽庫區各斷面不同蓄水階段總磷與懸浮物的相關性

圖10 朱沱斷面總磷、溶解態磷和懸浮物年均濃度變化情況

3 結論

3.1 首次蓄水階段,位于庫區的沱口斷面2004年總磷濃度出現較大的增量,三峽水庫的滯留效應從2005年開始凸顯.

3.2 蓄水試運行階段,干流斷面總磷年均濃度在2008年沿程明顯降低,而2009年和2010年,由于烏江總磷濃度大幅增加,導致位于烏江下游的清溪場斷面總磷年均濃度高于上游寸灘斷面.

3.3 高水位正常運用期,除清溪場斷面外,從銅罐驛至官渡口斷面,總磷年均濃度呈現沿程降低的現象.

3.4 上游梯級電站運行后,除官渡口斷面外,干流其余斷面總磷年均濃度呈現隨時間逐漸減小的趨勢.官渡口斷面于2016年首次出現總磷年均濃度高于沱口斷面的現象,2017年該現象更加明顯.此階段干流的總磷濃度與流量和懸浮物的相關性改變,總磷濃度的季節性波動基本消失.

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Variation characteristics of total phosphorus in different periods in the Three Gorges Reservoir after its impoundment.

ZHAI Wan-ying1*, ZHAN Ruo-yun2, ZHUO Hai-hua1, CHEN Shui-song1, WANG Chao3

(1.Yangtze Valley Water Environment Monitoring Center, Wuhan 430019, China；2.Water Sources Company of South-to-North Water Diversion, Danjiangkou 442700, China；3.Changjiang Water Resource Protection Institution, Wuhan 430051, China)., 2019,39(12)：5069~5078

Based on the monthly water quality and hydrology data from 2003 to 2017, the variation characteristics of total phosphorus (TP) was investigated in the four periods which were divided by the different impoundment feature of the Three Gorges Reservoir after 2003. In the initial water impoundment process, the phosphorus retention effect of the Three Gorges Dam began at 2005. During the trial impoundment period, a marked decrease was observed in annual mean TP concentration along the main stream of the reservoir in 2008. Since then, the TP concentration in Qingxichang section was affected due to the inflow of Wu River with the high TP concentration. At the water level of 175m, there was a dramatic decrease in annual mean TP concentration from Tongguanyi sections to Guandukou section except Qingxichang section. After the operation of cascade hydropower stations upstream, a marked reduction of annual mean TP concentration happened along the main river channel sections except Guandukou section. A higher annual mean concentration of TP in Guandukou section than that in Tuokou section was observed for the first time in 2016. Meanwhile, the average concentration of TP in the flood season was no longer significantly higher than that in the dry season. In this period, no significant correlation was found between the concentration of TP and the water flow discharge in almost sections. In addition, no significant correlation was found between the concentration of TP and suspended volatile matters (SS) in Zhutuo, Tongguanyi and Guandukou section.

Three Gorges Reservoir；impoundment；total phosphorus

X524

A

1000-6923(2019)12-5069-10

翟婉盈(1985-),女,湖北武漢人,高級工程師,博士,主要從事水環境分析化學研究.發表論文4篇.

2019-05-10

國家重點研發計劃(2016YFC0402207);國務院三峽工程建設委員會辦公室三峽水庫運行維護管理資金項目(JJ2015-008,JJ2015-047, JJ2016-012)

* 責任作者, 高級工程師, wyzhai@iccas.ac.cn