瀾滄江梯級水庫建設下水體電導率和濁度時空分布特征

聶小芬 楊正健 王從鋒,2 許 尤 胡子龍 馬 駿 紀道斌

（1.三峽大學 水利與環(huán)境學院, 湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002；3.湖北工業(yè)大學 河湖生態(tài)修復及藻類利用湖北省重點實驗室, 武漢 430068）

瀾滄江位于中國西南縱向嶺谷區(qū)[1],瀾滄江干流梯級電站的開發(fā)形成了梯級庫群[2],梯級庫群的建設運行抬高了庫區(qū)水位,水體滯留時間增長,河流水文情勢發(fā)生改變[3,4],改變了原有自然河道的連續(xù)特性,對瀾滄江的徑流、水溫、水質(zhì)、泥沙和魚類等方面產(chǎn)生累積效應[5,6],梯級水庫使流域生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化,河流生態(tài)連續(xù)性遭到破壞,如何辨識及分析水庫建設對河流水生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義.

水體的電導率常用來度量水環(huán)境中離子的總濃度或含鹽量,與水體類型、離子濃度、離子種類等有關(guān)[7-9].自然狀態(tài)下水體主要包含的八大離子占天然水中離子總量的95%～99%,其中陽離子為K+、Na+、Ca2+、Mg2+,陰離子為HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-[10].濁度是由于水中含有泥沙、粘土、有機物、無機物、浮游生物和微生物等懸浮物質(zhì)所造成的,可使光散射或吸收[11].近年來關(guān)于水體電導率、濁度與水環(huán)境參數(shù)已有大量研究,如可根據(jù)電導率的變化初步判定水華富集與爆發(fā)位置[12]；根據(jù)電導率表征離子濃度[9]；濁度和電導率估算總氮[13]；濁度與懸浮物濃度成線性關(guān)系[14]等.水流、水溫等指標,只能表征水文過程；營養(yǎng)鹽、藻類等是表征水生態(tài)環(huán)境過程的直接指標,但目前因監(jiān)測技術(shù)的問題,這些指標只能采用現(xiàn)場采樣、實驗室分析等方式進行,時間長、費用高,不能對突然變化過程進行及時辨識.同時這些研究大多基于自然河流、湖泊、河口及單個水庫等區(qū)域,而在梯級水庫背景下水體電導率與濁度的相關(guān)研究較少.電導率是評價水質(zhì)的重要參數(shù),濁度可反映水體中懸浮物的含量.電導率、濁度是目前為數(shù)不多的可實現(xiàn)電極式連續(xù)監(jiān)測,且數(shù)據(jù)偏移較小的指標.利用這些指標定點連續(xù)監(jiān)測水庫建設對河流生態(tài)環(huán)境的影響,指導相關(guān)決策和科學研究具有重要意義.

本文主要通過對瀾滄江干流進行野外監(jiān)測,擬通過電導率及濁度連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析梯級水庫建設下電導率與濁度的沿程分布特征和不同季節(jié)變化及調(diào)節(jié)方式不同的水庫指標變化規(guī)律.討論瀾滄江流域梯級水庫建設下水體電導率及濁度的變化原因,深入分析水庫建設對河流生態(tài)環(huán)境累積效應,以期為梯級水庫建設下水環(huán)境研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點布置

瀾滄江發(fā)源于青海省玉樹州雜多縣西北,上源扎曲、子曲,均發(fā)源于中國青海省唐古拉山北麓,東南流至西藏昌部與右岸支流昂曲匯合后,稱瀾滄江.其中國境內(nèi)長2 139 km,流域面積約為16.48×104km2,多年平均出境水量765×108m3.流經(jīng)中國青海省、西藏自治區(qū)、云南省,在云南省西雙版納傣族自治州勐臘縣出境成為界河,已建水庫有苗尾、功果橋、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪.

為研究瀾滄江梯級水庫開發(fā)對水體電導率、濁度的影響及自然河段、水庫河段的差異,根據(jù)瀾滄江流域地質(zhì)狀況和梯級水庫分布狀況,采樣點布置從西藏鹽井到出境河流關(guān)累斷面,選取沿程有代表性的樣點測定水質(zhì)參數(shù),其中自然河段采樣點按照規(guī)劃中建設大壩布置采樣點；梯級水庫河段按照已建大壩壩上和壩下各布置一個采樣點,其中選取瀾滄江流域多年調(diào)節(jié)水庫小灣(總庫容150×108m3),日調(diào)節(jié)水庫功果橋(總庫容3.49×108m3)、周調(diào)節(jié)水庫苗尾(總庫容7.48×108m3)進行分析.

于2016年10月、2017年2月、2017年6月、2018年1月沿瀾滄江干流設置26個采樣點進行水環(huán)境質(zhì)量采樣調(diào)查,各監(jiān)測樣點見表1.苗尾電站于2016年5月建成投產(chǎn),以苗尾壩上(MVS)為分界點,將未受水庫影響的上游河段劃分為自然河段(YJ～MVS),苗尾電站及其中下游為水庫河段(MVS～GL).

表1 采樣點統(tǒng)計表

1.2 監(jiān)測指標與方法

使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀Hydrolab DS5現(xiàn)場測定電導率(Cond)、濁度(Tur)、p H、深度(Depth)、水溫、溶解氧(DO)等參數(shù),重碳酸鹽測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[11].

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用水體浮力頻率平方值反映水體穩(wěn)定性[15],計算公式見式(1).

式中：g為重力加速度,取9.8 m/s2；N2為水體垂向穩(wěn)定系數(shù)(s-2)；ρ為考慮泥沙容重而得的水體垂向平均密度(kg/m3)；z為水深(m).

參照香溪河庫灣垂向分層狀態(tài)判定閾值來判定瀾滄江水庫分層狀態(tài),即N2＜5×10-5s-2為混合水體,5×10-5＜N2＜5×10-4s-2為弱分層水體,N2＞5×10-4s-2為分層水體[16,17].同時水體滯留時間也可反映水流與水體中離子關(guān)系[18],計算公式見式(2).

式中：Tr為水體滯留時間(d)；Q為年平均徑流量(m3/d)；V為水庫庫容,一般為有效庫容(m3).

通過計算得到小灣水庫Tr為94.54 d,功果橋水庫Tr為0.000 03 d,苗尾水庫Tr為0.000 06 d.

對瀾滄江沿程電導率、濁度、溫度及重碳酸鹽進行相關(guān)性分析,并采用回歸分析對不同季節(jié)電導率與濁度進行討論.

2 結(jié)果與討論

2.1 梯級水庫對瀾滄江沿程水文過程的影響表征

梯級水庫的建設使瀾滄江沿程電導率與濁度時空變化特征明顯.2016年10月至2018年1月瀾滄江流域表層水體電導率不同時期沿程分布如圖1所示.

圖1 瀾滄江流域表層水體電導率沿程分布特征

由圖1可知,電導率沿程從上游至下游總體上呈現(xiàn)下降的趨勢.自然河段電導率沿程下降范圍在0.21～0.35μs/cm.水庫河段電導率在小灣水庫和糯扎渡水庫壩前壩后波動較大；從功果橋壩下到小灣壩上、大朝山壩下到糯扎渡壩上電導率大幅下降,每千米下降范圍在0.36～2.86μs/cm；從小灣壩上到小灣壩下、糯扎渡壩上到糯扎渡壩下電導率上升的范圍在0.88～6.78μs/cm,其余段因水庫累積變化范圍較小.其中2016年10月變化范圍為850.10～989.80 μs/cm,該時期電導率顯著高于其它時期；2018年1月電導率變化特征與2017年2月類似；2017年6月電導率小于其它時期.水庫河段電導率在2017年2月、2017年6月、2018年1月,從苗尾壩上-昌寧碼頭沿程差異逐漸減小,從昌寧碼頭-關(guān)累沿程變化范圍與趨勢幾乎一致.

2016年10 月至2018年1月瀾滄江流域表層水體濁度沿程分布如圖2所示.

由圖2可知,濁度沿程總體上呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢.自然河段濁度沿程先上升再下降,不同時期差異性顯著,與所在流域氣候變化表現(xiàn)一致性,豐水期水體濁度顯著高于其它時期,2017年6月濁度變化范圍最大為35.60～291.98 FNU,2018年1月的變化范圍最小為2.09～50.59 FNU.水庫河段因水庫攔截泥沙離子等,從苗尾壩上-昌寧碼頭段不同時期沿程差異逐漸降低,庫容大的水庫濁度變幅小于庫容小的水庫；從昌寧碼頭-關(guān)累段沿程變化范圍與趨勢類似,不同時期濁度波動范圍為0.06～37.49 FNU.

圖2 瀾滄江流域表層水體濁度沿程分布特征

瀾滄江流域不同時期沿程水體各水質(zhì)參數(shù)Pearson相關(guān)性見表2～5,水體電導率與濁度、重碳酸鹽呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),與溫度呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01).瀾滄江干流水質(zhì)屬于重碳酸鹽水,主要陰離子為HCO3-、Cl-、SO42-,主要陽離子為K+、Na+、Ca2+、Mg2+[19].難溶于水的沉淀CaCO3等隨溫度升高溶解度會降低[20],甲烷、氮氣等氣體釋放也會使水體中離子濃度降低[21].濁度表征光線透過水層時受阻礙的程度即水層對于光線散射和吸收的能力,濁度越大,水中的懸浮物越多[22],水中懸浮物包括無機物、浮游生物、微生物、泥土、砂粒等[23].瀾滄江徑流補給形式以雨水補給為主,雨水補給和地下水補給沿程增多,冰雪融水補給沿程減小,中游為主要暴雨區(qū),多年平均年降水量及年徑流量沿下游顯著增加,離子濃度沿下游逐漸減小[19].瀾滄江屬于高山峽谷區(qū)河流,地勢起伏多變,自然河段與水庫河段氣候差異明顯,地形陡峭、水流流速快,河水中攜帶較多的泥沙等,自然河道比降較大,水庫河段為寬峽谷區(qū)[19,24],懸浮泥沙顆粒可以吸附有機物或重金屬[25].在水庫河段水動力減緩,流速小于自然河段,顆粒物沉積速率加大,懸沙濃度降低,上游來沙大部分被攔截在各梯級庫區(qū)內(nèi),營養(yǎng)鹽、重金屬吸附于懸浮物質(zhì)或富集在沉積物中[26,27].昌寧碼頭距離小灣水庫不足100 km,小灣水庫庫尾回水至功果橋水庫壩下,昌寧碼頭在小灣水庫回水區(qū),水深可達150 m,回水區(qū)內(nèi)水流速減緩,是物質(zhì)滯留的重要場所[24,28].綜上水庫河段電導率和濁度變化趨勢類似,變化范圍較小,壩前回水區(qū)離子濃度降低顯著.水庫下泄水會攜帶離子,高速下泄沖刷兩岸邊坡和河床[6],離子濃度在壩后逐漸上升.庫容越大,距離大壩越近,電導率、濁度在壩前壩后差異越明顯.

表2 2016年10月瀾滄江沿程水體水質(zhì)參數(shù)間Pearson相關(guān)性分析

表3 2017年2月瀾滄江沿程水體水質(zhì)參數(shù)間Pearson相關(guān)性分析

表4 2017年6月瀾滄江沿程水體水質(zhì)參數(shù)間Pearson相關(guān)性分析

表5 2018年1月瀾滄江沿程水體水質(zhì)參數(shù)間Pearson相關(guān)性分析

2.2 梯級水庫對瀾滄江不同季節(jié)水文過程的影響表征

瀾滄江2月份平均氣溫增幅高于1月份；6月的降水量和徑流量遠大于10月份,2月份和1月份次之[29,30].一般河水徑流量增多,離子濃度越低；溫度升高,水的溶解能力增大.但雨熱同期時降水導致徑流量增加,氣溫升高到一定程度后,河水稀釋作用占主導地位[19],雨季電導率濃度最低.降水和徑流對水體有較大擾動,汛后離子濃度會富集至較高,2016年10月電導率富集使對應樣點整體上大于其他時期,同時會沖刷山體導致水土流失,水體濁度提高,雨季泥沙含量明顯偏高[31].根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,自然河段水溫低于水庫河段水溫為7.4℃左右,不同季節(jié)自然河段水體電導率、濁度與所在流域氣候變化表現(xiàn)出一致性；在水庫河段隨庫齡增大,大壩對泥沙和水質(zhì)的攔截累積作用[5]更明顯,沿程變化范圍逐漸減小.

根據(jù)瀾滄江流域2016年10月與2017年2月表層水體電導率與濁度的關(guān)系進行回歸分析,結(jié)果如圖3所示.在濁度范圍為0～90 FNU范圍內(nèi),水體電導率與濁度呈正相關(guān),增加速率逐漸降低；水體濁度大于90 FNU,電導率處于平穩(wěn)階段但會略有下降.由于水體濁度小于90 FNU時,沉積物受水體擾動或風浪等的影響使水體懸浮物濃度逐漸升高,吸附在懸浮顆粒物上的離子逐漸釋放至水體[6],進而增加水體中離子濃度,使水體電導率逐漸升高；但隨著懸浮顆粒物尺寸范圍對濁度的貢獻不同,電阻性隨固體顆粒物增多而升高或部分懸浮顆粒物在擾動過程中發(fā)生絮凝作用對離子進行吸附[32],進而使水體電導率在較大濁度時會略有下降趨勢,增加速率趨于平穩(wěn)狀態(tài).

圖3 瀾滄江不同季節(jié)電導率與濁度沿程回歸分析

自然河段水體濁度總體分布在90 FNU以上,隨著沿程濁度增加,水體電導率逐漸降低；梯級水庫河段水體濁度變化總體在90 FNU以下,苗尾-昌寧碼頭段濁度沿程逐漸降低,與電導率變化趨勢一致,昌寧碼頭-關(guān)累段變化不顯著,所以水體電導率沿程波動較小.該曲線能表征瀾滄江流域水體濁度與電導率的關(guān)系,根據(jù)水體濁度與電導率變化趨勢可以看出梯級水庫建設對泥沙水質(zhì)等有攔截累積作用.

2.3 瀾滄江不同類型水庫的濁度與電導率表征

梯級水庫調(diào)節(jié)方式及庫容大小的不同使水庫在不同時期垂向上分布也不同.

2017年6 月瀾滄江流域典型梯級水庫水體濁度、電導率、溫度垂向分布如圖4(a)～(c)所示.下層水體濁度總體上高于表層,小灣水庫濁度垂向變幅較功果橋水庫、苗尾水庫小；小灣水庫電導率在不同時期均出現(xiàn)分層現(xiàn)象,功果橋水庫和苗尾水庫垂向變幅較小.小灣水庫水體電導率垂向差異較大,水深8 m以內(nèi)電導率基本保持在297μs/cm左右,電導率在8 m水深處大幅度增大出現(xiàn)分層現(xiàn)象,18～49 m水深處電導率小幅波動,跨度在5μs/cm左右,在49 m處發(fā)生第二次分層,該深度之下至86 m逐漸增大到最大值425μs/cm,水深86 m以下電導率小幅減小后趨于穩(wěn)定；水深10 m以內(nèi)濁度為0 FNU,濁度在10 m處發(fā)生突變出現(xiàn)分層,在30 m水深以下呈現(xiàn)微弱降低趨勢.功果橋水庫水體表層電導率值為351μs/cm,整體上垂向變化幅度較小；水體濁度隨水深增加,表層變幅較下層大.苗尾水庫水體電導率維持在340μs/cm左右,隨著水深未發(fā)生明顯波動；水體濁度變化與功果橋類似.

圖4 瀾滄江不同季節(jié)水庫水體濁度、電導率、溫度垂向分布

2018年1 月瀾滄江流域典型梯級水庫水體濁度、電導率、溫度垂向分布如圖4(d)～(f)所示.3個水庫濁度均比豐水期低；電導率則相反.小灣水庫水體電導率在水深43 m以內(nèi)穩(wěn)定在326μs/cm左右,水深43～60 m內(nèi)電導率快速升高形成分層現(xiàn)象,電導率緩慢增加至125 m出現(xiàn)峰值429μs/cm,水深125 m以下電導率降低后趨于穩(wěn)定；濁度在48 m左右出現(xiàn)波動,該深度以上濁度幾乎為0 FNU,該深度以下濁度緩慢增大,無明顯分層現(xiàn)象.功果橋水庫水體電導率在水深2 m內(nèi)增幅較大,該深度之下電導率呈逐漸增大趨勢；而濁度沿水深遞減.苗尾水庫水體電導率在水深3 m內(nèi)波動較大,水深3 m之后垂向分布維持在539μs/cm左右；濁度變化趨勢與2017年6月份類似.

根據(jù)水體浮力頻率公式計算得到瀾滄江梯級水庫水體垂向穩(wěn)定系數(shù)如圖5所示.

圖5 瀾滄江不同季節(jié)水庫水體垂向穩(wěn)定系數(shù)

參照香溪河水體垂向分層狀態(tài)判定閾值,以弱分層水體為界,可以看出2017年6月份小灣庫區(qū)水深10 m內(nèi)為分層狀態(tài),10 m到25 m內(nèi)為弱分層狀態(tài),20 m以下為混合狀態(tài).2018年1月小灣庫區(qū)水深40 m內(nèi)為混合狀態(tài),40 m到80 m內(nèi)為弱分層狀態(tài),80 m以下為混合狀態(tài).功果橋庫區(qū)、苗尾庫區(qū)不同時期表層均為弱分層狀態(tài),整體處于混合狀態(tài).水體分層狀態(tài)與電導率、濁度垂向分布較吻合.通過水體滯留時間反映出多年調(diào)節(jié)水庫及庫容越大,水庫更容易出現(xiàn)水溫分層,進而使離子出現(xiàn)分層狀態(tài).

各水庫上游存在支流匯入不同類型的污水,礦山開采的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染及生活污水入河[33],污水中溶解性離子濃度和種類、離子運動速度、離子價位等可能導致各水庫電導率、濁度在不同季節(jié)規(guī)律不同.雨季庫區(qū)降水和徑流補給顯著增加,泥沙等顆粒物被沖刷到水體中,故水體濁度較高；電導率因得到稀釋而濃度降低[19,31].小灣水庫6月份入庫流量顯著增多,水深20 m內(nèi)溫度變化較大,水體水溫分層使上下層水體交換,離子含量發(fā)生改變,垂向摻混并沉降,從而深水層電導率高于表層出現(xiàn)分層.又因下層水體水溫變化的時間滯后性及密度大的低溫水下沉,20 m到80 m內(nèi)變化梯度稍小于上層.80 m以下深水層水體滯留時間長,離子沉降后趨于穩(wěn)定[6].一般溫度高離子濃度大,而電導率與溫度出現(xiàn)負相關(guān),可能由于水體中金屬離子較多,離子濃度隨溫度降低而增大,離子濃度占主導作用[34,35].功果橋、苗尾庫區(qū)庫容較小灣庫區(qū)小,水體滯留時間遠小于小灣水庫,除表層溫度變化大導致電導率變化較大,兩庫區(qū)垂向混合變幅較小.受風浪擾動、水深、水生生物等影響,底部沉積物再懸浮[6,23],兩庫區(qū)濁度變化梯度較小灣水庫明顯,其中功果橋庫區(qū)采樣前有降雨且在攔污網(wǎng)前租船采樣,表層濁度受天氣和監(jiān)測地點影響較大.

3 結(jié) 論

1) 瀾滄江水體電導率從上游至下游總體上呈現(xiàn)下降的趨勢.自然河段電導率沿程逐步下降,2016年10月電導率由于汛后富集作用整體上遠遠高于其它時期,而豐水期由于徑流量增多濃度最低；水庫河段梯級水庫攔截、累積作用使電導率在不同時期沿程變化較小,其中小灣水庫、糯扎渡水庫電導率在壩前壩后波動較大.

2) 瀾滄江水體濁度從上游至下游總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.自然河段濁度整體上沿程先上升后下降,不同時期波動范圍較大,豐水期受降雨影響濁度最高；水庫攔截使懸浮顆粒物等沉降,濁度總體在90 FNU以下.

3) 梯級水庫建設使流域水環(huán)境發(fā)生變化,水庫的調(diào)節(jié)方式及庫容的大小對水體滯留時間影響較大.小灣水庫因水體滯留時間長水溫分層使離子濃度發(fā)生改變,電導率在不同時期出現(xiàn)分層現(xiàn)象,功果橋水庫、苗尾水庫水體垂向摻混使電導率在不同時期垂向變幅較小.豐水期水庫濁度均高于平水期,小灣水庫濁度垂向變化較小,功果橋、苗尾水庫濁度在不同時期沿水深變幅較大.